La beauté des cheveux Travauxpratiques

T R AV A U X P R A T I Q U E S
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La beauté des cheveux
par Laure FORT
Lycée Auguste Rodin - 75013 Paris
[email protected]
RÉSUMÉ
Les articles « La beauté des jambes » et « La beauté des cheveux » décrivent des
activités documentaires et expérimentales pouvant être effectuées dans le cadre du programme de chimie de la spécialité en classe de terminale S. Ces activités ont été élaborées lors de la préparation aux Olympiades nationales de la chimie et proposées à une
centaine d’élèves de classes de terminale de l’académie de Paris. Le thème « Chimie et
beauté » est reconduit en 2003/2004 ».
L’objet d’étude est une lotion capillaire dont la formule est vieille de plus de cent
ans : le Pétrole Hahn®. L’élève doit d’abord mettre en évidence et éventuellement quantifier par dosage les espèces chimiques annoncées sur la notice ; puis il sera amené à
justifier la formulation de cette préparation par une réflexion sur les relations structurepropriétés de ses constituants.
Compte tenu des diverses compétences mises en œuvre, il est tout à fait possible
d’utiliser cette activité dans le cadre de l’enseignement de Spécialité puisqu’elle permet
d’en illustrer plusieurs parties.
Partie
Type d’activité
♦ CCM de la chlorophylle.
A : Identifier une espèce chimique.
♦ Test à la DNPH.
♦ Titrage indirect de l’éthanol mettant en
jeu une réaction redox.
C : Effectuer des contrôles de qualité.
♦ Titrage des ions chlorure : suivi
conductimétrique de la réaction de précipitation.
♦ Analyse d’un texte historique sur la
« genèse » du Pétrole Hahn®.
♦ Justification de la formulation de la
D : Élaborer un produit de consommation.
lotion capillaire eu égard aux propriétés
attendues et aux espèces chimiques du
mélange commercialisé.
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Travaux pratiques
Autour du Pétrole Hahn®
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Ne faisant pas appel à des compétences introduites dans le tronc commun de la
classe de terminale S, mais réactivant des compétences acquises en classes de seconde et
de première S, cette activité peut servir de support à une ou deux séances de Spécialité
en tout début d’année scolaire.
1. APPROCHE HISTORIQUE : « GENÈSE » DE LA LOTION CAPILLAIRE
Didier DURAND*. Pétrole Hahn, des cheveux et des hommes.
Ed. Somogy, 1993.
Pétrole Hahn : complètement secoué !
Une jolie légende raconte que c’est en
voyant la magnifique chevelure des ouvriers
d’un champ pétrolifère américain que
Charles HAHN eut le déclic. On connaissait
déjà les bienfaits du pétrole depuis des
siècles : ses vertus médicinales étaient célébrées un siècle avant Jésus-Christ. Et,
durant le Moyen Âge, on vantait ses mérites
contre les coupures, les maux de dents, la
toux, les morsures de serpent ou la sciatique*. Mais c’est en 1885 que Charles HAHN
lance, pour la première fois, un produit à
base de pétrole pour les cheveux, après quelques mois de recherche qui ne furent pas de
tout repos. Car il avait beau secouer cent fois, le pharmacien genevois, rien à faire : le
pétrole ne parvenait pas à se mélanger avec le liquide alcoolisé du flacon, remontant
désespérément à la surface. De quoi s’arracher les cheveux. Découragé, il décide alors
de lancer son produit tel quel, avec sa couche huileuse à la surface ! L’idée se révèle
prodigieuse, tout autant que la recette du produit qui, grâce à la bergamote, l’orange et
le citron, atténuera la forte odeur du pétrole. C’est suite à la rencontre entre Charles
HAHN et un droguiste lyonnais, François VIBERT, que le produit prend son envol commercial. VIBERT dépose en 1896 la marque, dont il deviendra propriétaire et fabricant
quelques années plus tard. Le Pétrole Hahn est officiellement né et fait d’emblée des
envieux. On voit ainsi apparaître des imitations s’intituler « Pétrole A-N » ou encore
« Pétrole du Dr Rham ». La suite se résume à la déclinaison d’une politique marketing
d’avant-garde, un vrai cas d’étude pour écoles de commerce : une série de slogans publicitaires, répétant inlassablement l’angoisse de la perte des cheveux et des pellicules. Et
puis, parallèlement à une offensive en règle en direction de la profession des coiffeurs
(petits cadeaux offerts à l’appui), la marque lyonnaise utilisera, au fil des ans, tous les
canaux de la communication moderne : publicités dans les journaux et affiches au début
du siècle, bandes dessinées et jeux pour enfants dès les années vingt, première publicité
radio à la fin des années trente, sponsoring sportif (athlétisme, Tour de France, etc.) et
d’émissions de radio dès les années soixante...
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Cent quinze ans plus tard et dans le monde entier, le rituel du « secouez-moi » (qui
n’a pas été inventé - comme on pourrait l’imaginer - pour une boisson à la pulpe d’orange)
fait toujours partie intégrante du produit. Tout comme son odeur fraîche si caractéristique. Et sa vraie formule de fabrication, restée secrète. Enfin, pour ajouter à la légende
- comme si celle-ci n’était pas assez fournie -, un flacon un peu particulier circule dans
le monde muséographique : celui qui fut retrouvé dans l’épave du Titanic, coulé en 1913...
Quelques questions à propos du texte :
♦ Résumer en deux ou trois lignes les idées essentielles développées dans le texte.
♦ Pourquoi secouer avant utilisation ?
♦ Citer des familles de composés présentes dans la lotion.
♦ Quelles sont les huiles essentielles présentes ? Quel est leur rôle dans un produit cosmétique.
♦ Quels sont les composés probablement présents dans la phase huileuse et dans la phase
aqueuse ?
♦ Que peut-on dire de la valeur de la densité par rapport à l’eau de la phase huileuse ?
♦ La lotion peut-elle être qualifiée de « naturelle » ou de « synthétique » ?
Pour aller plus loin et replacer cette aventure dans le contexte de la chimie de la fin
du XIXe siècle :
♦ Citer quelques chimistes de cette époque.
♦ Citer quelques-unes des synthèses chimiques organique à la base de l’essor de l’industrie chimique de l’époque.
♦ ...
2. APPROCHE EXPÉRIMENTALE : COMPOSITION DE LA LOTION
Sur l’étiquette d’un flacon de « Pétrole Hahn vert » on peut lire :
Description : Une phase huile (7 % en volume), pétrole léger désodorisé coloré par de la chlorophylle et dissolvant camphre et un mélange d’huiles essentielles (bergamote, citron, orange) et
une phase hydroalcoolique dissolvant du chlorure de sodium (1 ‰).
Objectif
Réaliser quelques expériences pour vérifier ou préciser quelques informations lues
sur l’étiquette.
2.1. Séparation des deux phases
Verser le contenu du flacon dans une ampoule à décanter.
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♦ Faire le schéma de l’ampoule, indiquer la nature des phases et justifier la réponse.
♦ Mesurer les valeurs des volumes respectifs de chacune des phases.
♦ L’information de l’étiquette est-elle vérifiée ? (une phase huileuse correspondant à
7 % du volume...).
2.2. Étude de la phase organique
D’après la documentation, elle est constituée de « pétrole léger » dans lequel certaines substances organiques sont dissoutes.
Nature du « pétrole léger »
Les pétroliers identifient les produits de raffinerie, soit par densité, soit par la « coupe »
ou domaine de température d’ébullition (ou de distillation) de 95 % d’un échantillon
pétrolier (mélange d’alcanes).
♦ Réaliser un montage de distillation.
♦ Introduire 20 mL de la phase organique dans le ballon, ajouter quelques grains de
pierre ponce.
♦ Mettre en route le chauffage.
♦ Relever la valeur de la température en tête de colonne lors de la formation des premières gouttes de distillat.
♦ Arrêter le chauffage.
Exploitation : Utiliser un tableau des températures d’ébullition des différents alcanes
pour identifier des molécules probablement présentes dans ce « pétrole léger ».
Nature du colorant vert
On cherche à vérifier que le colorant de cette phase est bien de la chlorophylle, comme
l’indique l’étiquette : pour cela on propose d’identifier le colorant de la lotion au colorant
vert extrait d’une feuille (lierre, épinard ou autre) en analysant un chromatogramme.
♦ Préparer la cuve à chromatographie avec l’éluant : éther diéthylique/cyclohexane (rapport 70/30 en volume).
♦ Sur une plaque de silice (sensible aux UV) réaliser deux dépôts :
– dépôt (1) : phase organique du pétrole Hahn vert ;
– dépôt (2) : un extrait de feuille écrasée dans de l’éther diéthylique.
♦ Révéler aux UV et conclure.
Autres espèces dissoutes
Huile essentielle de bergamote, citron et orange, camphre
Une documentation sur la composition des huiles essentielles de bergamote, citron
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et orange nous informe de la présence des espèces chimiques suivantes : acétate de linalyle, linalol, limonène, citral.
♦ Effectuer un test à la DNPH
Attention, la coloration du précipité est faussée par la chlorophylle….
Si le test est positif, lesquelles des espèces listées ci-dessus pourraient-elles être responsables de cette observation ?
♦ Proposer un protocole mettant en œuvre une CCM pour valider la présence des différentes espèces de la liste.
2.3. Étude de la phase aqueuse
L’étiquette indique « Phase hydroalcoolique dissolvant du NaCl ».
2.3.1. Titrage indirect de l’éthanol
Dans les conditions de l’expérience, l’oxydation de l’éthanol par le dichromate de
potassium est une transformation lente : on met les réactifs en présence et on laisse agir
quinze minutes ; l’excès de dichromate sera dosé par une solution sel de Mohr contenant
des ions fer(II), de concentration de l’ordre de 0,2 mol.L- 1 et notée S2.
2.3.1.1. Oxydation de l’éthanol par l’oxydant en excès
a) Préparer 100 mL de solution notée S1 par dilution de la phase aqueuse au dixième.
b) Introduire 5,0 mL de S1 dans un erlenmeyer de 250 mL noté Eo.
c) Sous la hotte, ajouter environ 5 mL d’acide sulfurique concentré, refroidir sous l’eau.
d) Introduire dans Eo 50 mL de solution So de dichromate de potassium de concentration
molaire cO = 1, 00 .10- 2 mol/L.
e) Laisser agir une quinzaine de minutes.
2.3.1.2. Titrage de l’excès de dichromate par la solution de fer(II),
en présence de diphénylamine sulfonate de baryum (DPASB)
a) Expérience préliminaire : préparer, en tube à essai, les témoins des colorations successives obtenues au cours du titrage.
♦ Tube 1 : solution de dichromate de potassium So + quelques gouttes d’acide sulfurique + quelques gouttes de DPASB ; noter la couleur = …………...............................................………..
♦ Tube 2 : Solution S2 contenant des ions fer(II) + quelques gouttes de DPASB ;
noter la couleur = …………...............................................………..
♦ Répartir le contenu du tube 1 entre deux tubes (1a et 1b)
– tube 1a : inchangé, garde la couleur de référence.
– tube 1b : y verser la solution de fer(II) et observer le changement de coloration.
b) Préparer la burette avec la solution S2 de sel de Mohr.
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c) On se propose de déterminer, par comparaison, la quantité d’ions dichromate ayant
oxydé l’éthanol initialement présent dans l’erlenmeyer EO.
Quel est le volume de solution S2 nécesQuel est le volume de solution S2 nécessaire pour réduire l’excès de dichromate
saire pour réduire 50,0 mL de la solution
à l’issu de l’oxydation de l’éthanol dans
SO de dichromate de potassium ?
l’erlen Eo ?
♦ Dans un erlen E1 introduire 50 mL de ♦ Réajuster au « 0 » le niveau de S2 dans
SO et environ 5 mL d’acide sulfurique.
la burette.
♦ Ajouter le DPASB (quelques gouttes) ♦ Opérer comme dans la colonne de
et éventuellement de l’eau distillée si
gauche.
la coloration est trop foncée.
♦ Placer l’erlen E1 sur l’agitateur et verser la solution de la burette jusqu’au
virage.
♦ Noter la valeur V2 du volume de S2 ♦ Noter la valeur V’2 du volume de S2
versé à l’équivalence.
versé à l’équivalence.
2.3.1.3. Exploitation des résultats expérimentaux
a) Vérifier l’équation d’oxydoréduction proposée pour la réaction ayant eu lieu en milieu
acide entre l’éthanol et les ions dichromate.
Couples mis en présence : Cr2 O72 - / Cr3 + et CH3COOH/CH3CH2OH
2Cr2O72 - + 16 H+ + 3 CH3CH2OH = 3 CH3COOH + 4 Cr3 + + 11 H2O
b) Calculer la quantité a o d’ion dichromate présente dans 50 mL de SO.
c) Établir le tableau d’avancement pour la transformation mise en jeu dans l’étape
(2.3.1.1.) d’oxydation de l’éthanol.
d) En déduire la relation entre a exc, la quantité d’ions dichromate restant à l’état final
(excès de dichromate) et n, la quantité d’éthanol dans les 5,0 mL de S1.
e) Pourquoi n’est-il pas nécessaire de connaître la concentration de S2 avec précision ?
f) En interprétant les deux opérations réalisées en 2.3.1.2c), justifier la relation suivante
a
V2
= o
entre V2, Vl2, a o et a exc :
Vl2 a exc
g) Déterminer la valeur de a exc ; en déduire la valeur de n puis, successivement :
– la concentration molaire en éthanol de la solution S1 ;
– la concentration molaire de l’éthanol dans la phase aqueuse ;
– la concentration massique de l’éthanol dans la phase aqueuse ;
– le degré alcoolique de la phase aqueuse.
Rappels : ♦ le degré alcoolique correspond au volume d’alcool en mL contenu dans
100 mL de solution ;
♦ la valeur de la masse volumique de l’éthanol est 0,8 g/mL à la température de l’expérience.
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Pour valider l’information de l’étiquette « phase hydroalcoolique dissolvant du
NaCl à 1 ‰ » on se propose de réaliser un titrage des ions chlorure, mettant en jeu une
réaction de précipitation suivie par conductimétrie.
2.3.2.1. Rappel théorique
Conductivité et concentrations ioniques
La relation générale donnant la conductivité d’une solution en fonction des concentrations effectives et des conductivités molaires des ions présents est :
σ = !7 Xi A . λ (Xi)
i
Ion
λ (Xi ) (104 S.m 2 mol- 1 )
Cl 76,3
NO3 71,4
Parmi les espèces présentes dans la phase aqueuse seuls les ions chlorure forment un
précipité en présence des ions argent.
2.3.2.2. Principe du titrage et repérage de l’équivalence
On verse une solution titrée de nitrate d’argent dans un volume connu va de phase
aqueuse placé dans un grand volume d’eau distillée ; on suit l’évolution de la conductivité de la solution ; deux domaines sont mis en évidence ; l’équivalence de la réaction
de précipitation correspond à l’intersection de ces deux domaines.
♦ Domaine 1 : n(Ag +) versé < n(chlorure initial)
La conductivité varie très peu (diminue). Chaque ion chlorure précipitant est remplacé
par un ion nitrate de conductivité très légèrement inférieure
♦ Domaine 2 : n(Ag +) versé > n(chlorure initial)
La conductivité augmente rapidement. L’ajout d’ions nitrate et d’ions argent qui ne
précipitent plus augmente rapidement la conductivité de la solution
Mode opératoire
♦ Introduire un volume va = 100 mL de la phase aqueuse dans un becher de 250 mL.
♦ Ajouter environ 200 mL d’eau distillée.
♦ Préparer la burette avec une solution de nitrate d’argent de concentration molaire
c0 = 1, 00 .10- 2 mol.L- 1.
♦ Installer le dispositif de suivi conductimétrique et d’agitation.
♦ Verser la solution de nitrate d’argent mL par mL et noter la valeur de la conductivité
σ de la solution à chaque ajout.
♦ Tracer le graphe représentatif de l’évolution de σ en fonction du volume v de solution de nitrate d’argent versé.
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2.3.2. Titrage du chlorure de sodium
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Exploitation des mesures
♦ Identifier deux domaines sur la graphe :
– domaine 1 : σ diminue faiblement ; AgCl(s) précipite à chaque ajout et les ions
nitrate remplacent les ions chlorure (qui précipitent).
– domaine 2 : il n’y a plus de précipitation à chaque ajout : les concentrations ioniques
augmentent rapidement et la conductivité également.
♦ Tracer les deux droites : le volume équivalent de la réaction de précipitation de AgCl(s)
est l’abscisse du point de concours de ces deux droites.
♦ En déduire la quantité d’ions chlorure du prélèvement puis les concentrations molaire
et massique en chlorure de sodium de la phase aqueuse.
♦ Quelle donnée supplémentaire est nécessaire pour accéder au pourcentage massique
en chlorure de sodium de cette phase hydroalcoolique ? Proposer une démarche expérimentale et effectuer la mesure.
♦ Conclure.
Quelques éléments de correction
Titrage de l’éthanol
c)
D’où la quantité d’ions dichromate en excès :
a exc = a o - 2n/3
(1)
e) ♦ Titrage 2.3.1.2.c1)
À l’équivalence n(ferII versé) = k × [n(dichromate dans 50 mL de So]
À l’équivalence n(ferII versé) = k × a o
d’où :
V2 = (k/C2) × a o
♦ Titrage 2.3.1.2.c2)
À l’équivalence n(ferII versé) = k × [n(dichromate en excès dans erlen]
À l’équivalence n(ferII versé) = k × a exc
d’où :
V’2 = (k/C2) × a exc
Le rapport des deux expressions donne bien :
a
V2
= o
Vl2 a exc
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f) Les expressions (1) et (2) permettent d’exprimer n :
3
Vl2
n = # a o e1 o
2
V2
♦ la concentration molaire en éthanol de S1 est C1 = n / 0, 005 ;
♦ la concentration molaire de la phase aqueuse est Ca = 10 . C1 ;
♦ la concentration massique de la phase aqueuse en éthanol est t = Ca # 46 g.L- 1 ;
♦ le degré alcoolique : t / (0,8 # 10).
Titrage du chlorure de sodium
Suivi conductimétrique (σ en mS/cm) d’une solution de 10,0 mL de la phase aqueuse du pétrole Hahn dans
200 mL d’eau distillée, en fonction du volume (mL) de solution de nitrate d’argent (0,01 mol/L) versé.
Véq = 16,5 mL
-
n(Cl dans le prélèvement) = n(nitrate d’argent versé à l’équivalence ) = c0 × Véq
= 1, 0 .10- 2 # 16,5 .10- 3 = 1,65 .10- 4 mol
Concentration molaire en ion chlorure de la phase aqueuse : n(Cl -)/va = 1,65.10- 2 mol/L.
Concentration massique en chlorure de sodium t NaCl = 1,65 .10- 2 # 58,5 = 0,97 g/L.
Il faut déterminer la densité de cette phase hydroalcoolique, pour vérifier que la proportion massique est très proche de 1 ‰.
3. À PROPOS DE LA FORMULATION : UNE APPLICATION
DES RELATIONS STRUCTURE-PROPRIÉTÉS
Objectifs recherchés pour un produit d’embellissement
quotidien de la chevelure
♦ La rendre souple et brillante, douce au toucher et à la vue.
♦ La fixer, sans en figer le mouvement donné par le coiffeur, la
brosse ou le peigne.
♦ Lutter contre les disgrâces que sont les pellicules, la séborrhée,
la chute des cheveux.
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Propriétés nécessaires pour toute préparation cosmétique
♦ La composition doit, autant que possible :
– être stable dans le temps ;
– avoir une présentation agréable (aspect, parfum, couleur…) ;
– …et ne pas contenir d’espèces nocives (toxiques ou allergisantes).
♦ Quelques ingrédients peuvent être combinés avec la molécule active : ils constituent
l’excipient :
– les espèces inertes chimiquement (matières de charge dans les crèmes ou poudres) :
par exemple : l’oxyde de zinc, le carbonate de calcium, de magnésium, de sodium,
l’amidon, le talc, l’argile ;
– les espèces hydrophobes, qui se disperseront en phase aqueuse : par exemple : les
paraffines, les huiles ou graisses, les cires... ;
– les espèces hydrophiles : par exemple : la lanoline (sébum de mouton) ;
– l’eau (attention : l’eau « cosmétique » doit être chimiquement pure et stérile...) ;
– les espèces assurant la stabilité d’une émulsion : tensioactifs (savons, lauryl sulfate
de sodium...), glycérol et polyols... ;
– des anti-oxygènes : les tocophérols (vitamine E) de l’huile d’olive, la vitamine C ;
– des conservateurs antimicrobiens : éthanol, isopropanol... ;
– des colorants, des molécules odoriférantes...
Quelques questions possibles
♦ Quelle est celle des deux phases qui peut apporter une réponse au premier des objectifs ?
♦ Quels sont, de votre point de vue, les « principes actifs » de la lotion Pétrole Hahn® ?
♦ Pour chacune des espèces chimiques présentes dans la lotion, choisir, parmi les objectifs et propriétés ci-dessus , ceux auxquels elles permettent d’apporter une réponse.
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier Marie-Blanche MAUHOURAT qui m’a permis d’enrichir et d’améliorer la rédaction de mon texte.
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BIBLIOGRAPHIE
♦ BO hors série n° 4 du 30 août 2001 : programme physique-chimie classe terminale de
la série scientifique.
♦ Document d’accompagnement des programmes Chimie classe terminale scientifique
« La formulation » p. 90-92, Scérén (CNDP).
SUR LA TOILE
♦ http://www.eugeneperma.com
(la marque « Pétrole Hahn » appartient au groupe Eugène Perma).
Laure FORT
Professeur
Lycée Auguste Rodin
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Travaux pratiques
♦ THIERS H. Les cosmétiques. Édition Masson