Thème : Les matériaux Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux

Tensioactifs, émulsions, mousses 1

TENSIOACTIFS – EMULSIONS - MOUSSES

Mots-clefs : Tensioactifs, Emulsions, Mousses

Contexte du sujet :

Une mayonnaise, un shampoing, la mousse surmontant un capuccino ont un point commun : leur

existence et leur stabilité résultent de la présence de tensioactifs. Qu’est-ce qu’un tensioactif ?

Comment agit-il ?

ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES

Expérience préparatoire (à faire à la maison) Remplir un verre d’eau à ras bord avec de l’eau. Ajouter doucement des pièces de 10 centimes. Combien

peut-on en ajouter sans que l’eau ne déborde ? Décrire l’aspect de la surface de l’eau.

Ajouter une goutte de détergent (liquide vaisselle). Décrire ce que l’on observe.

Document 1 : Tensioactifs – Emulsions - Micelle

Si on met en présence un peu d’huile et de l’eau, les deux liquides ne se

mélangent pas. Si on agite fortement l’ensemble, l’huile forme de fines

gouttelettes mélangées à l’eau, qui, après un bref repos du mélange, vont se

séparer de la phase aqueuse : on dit qu’il y a démixtion.

Si on ajoute un peu de dodécylsulfate de sodium (a) à la préparation et que

l’on agite à nouveau, les deux phases ne se séparent plus : l’huile, incluse dans

des micelles de dodécylsulfate de sodium, reste sous forme de fines

gouttelettes en suspension, ou en émulsion dans l’eau (b). Le dodécylsulfate

de sodium est un exemple de tensioactif.

Un tensioactif ou agent de surface est un composé qui modifie la tension

superficielle entre deux surfaces.

Une molécule de tensioactif est amphiphile, c’est-à-dire qu’elles présentent

deux parties de polarité différente : elle est constituée d’une tête polaire,

hydrophile, donc lipophobe, susceptible de se lier à l’eau, et d’une queue

apolaire, lipophile, donc hydrophobe, susceptible de se lier aux chaînes

carbonées des espèces organiques (c).

On distingue entre autres (R est un radical alkyle présentant une longue chaîne carbonée) :

– les tensioactifs anioniques tels que les alkylsulfates de sodium, R-SO3– + Na+ ou les carboxylates de

sodium R-CO2– + Na+ présents dans les savons ;

– les tensioactifs cationiques tels que les chlorures d’alkylammonium quaternaire: R-NH3+ + Cl– ;

– les tensioactifs non ioniques tels que les éther-alcools : R-O-CH2-CH2-OH. D’après M. DEFRANCESCHI, La Chimie au quotidien, Ellipses, 2006.

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Document 2 : Tensioactif

Document 3 : Vinaigrette et mayonnaise

1. Les recettes

Dans le Larousse de la Cuisine, édition de 1990, on trouve les recettes suivantes :

Vinaigrette :

1. Mettez deux pincées de sel dans un saladier. Ajoutez deux cuillères à soupe de vinaigre et remuez pour dissoudre.

2. Ajoutez 3 ou 4 tours de moulin à poivre, puis versez de 4 à 6 cuillères à soupe d’huile. Fouettez pour émulsionner.

Mayonnaise : 2 jaunes d’œufs, moutarde, vinaigre de vin blanc, 50 cL d’huile de tournesol, sel, poivre du

moulin.

1. Une demi-heure avant de commencer la mayonnaise, sortez tous les ingrédients à température ambiante. Cassez les œufs et mettez les jaunes dans un grand bol.

2. Ajoutez aux jaunes d’œufs 1 cuillère à café de moutarde, 1 pincée de sel et 2 tours de moulin à poivre. Fouettez. 3. Ajoutez 1 cuillère à café de vinaigre et mélangez à nouveau rapidement. Vous pouvez remplacer le vinaigre par du

jus de citron. 4. Ajoutez un filet d’huile et fouettez vivement jusqu’à ce que le mélange commence à prendre. 5. Incorporez petit à petit tout le reste de l’huile sans cesser de fouetter. La mayonnaise doit alors être bien ferme.

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2. Une mayonnaise industrielle

La composition d’une mayonnaise industrielle (mayonnaise à la moutarde de Dijon de Carrefour) est la

suivante :

Huile de colza (70,8%), eau, jaune d'œuf (5,3%) moutarde de Dijon (3%) (Eau, graines de moutarde,

vinaigre d'alcool, sel, acidifiant : acide citrique, antioxygène : disulfite de potassium), vinaigre

d'alcool, sirop de glucose-fructose de blé, sel, sucre, arômes, épaississant : gomme xanthane,

colorants : lutéine et extrait de paprika.

Document 4 : Mélanger de l’huile et de l’eau ?

Vous prenez un bol où vous versez de l’huile, puis de l’eau : deux phases se séparent, l’eau, plus lourde,

en-dessous, et l’huile, plus légère, au-dessus. Vous fouettez : quelques gouttes d’eau entrent dans

l’huile, quelques gouttes d’eau vont dans l’huile, mais dès que l’agitation cesse, les gouttes d’huile

remontent et les gouttes d’eau redescendent. Les deux phases se séparent à nouveau.

Par quel miracle l’eau du jaune d’œuf (environ la moitié du jaune) et l’huile restent-elles mélangées

dans la mayonnaise ? Le secret de la préparation est dans le jaune de l’œuf […].

Voyons d’abord pourquoi l’huile et l’eau ne se mélangent pas. Les molécules d’eau, composées d’un

atome d’oxygène lié simultanément à deux atomes d’hydrogène, se lient par ce que l’on nomme des

liaisons hydrogène, entre un atome d’oxygène d’une molécule d’eau, et un atome d’hydrogène d’une

molécule voisine.

Au contraire, les molécules d’huile, ou lipides, sont des snobs qui ne frayent pas avec l’eau. Ce sont

par exemple des triglycérides, c’est-à-dire des molécules en forme de peignes à trois dents,

composées principalement d’atomes de carbone et d’hydrogène (cf. fig. 3)

Comment mélanger l’huile à l’eau ? En leur ajoutant des molécules « entremetteuses » qui ont une

affinité à la fois pour l’huile et pour l’eau. C’est grâce à ces molécules « tensioactives » que l’on

obtient la mayonnaise, où la concentration en huile atteint 65 %. Les mayonnaises sont des

« émulsions » : les tensioactifs de la moutarde et du jaune d’œuf (telles les lécithines) servent à

enrober des gouttelettes d’huile, en mettant à leur contact leur partie hydrophobe, et à disperser ces

gouttelettes enrobées dans l’eau, en se liant aux molécules d’eau par leur partie hydrophile.

Pourquoi les gouttelettes enrobées ne se fondent-elles pas en une seule phase ? Parce que les têtes

hydrophiles des tensioactifs sont électriquement chargées : les gouttelettes, présentant toutes la

même charge électrique, se repoussent. Cette caractéristique explique pourquoi les acides, tels le

vinaigre ou le jus de citron, stabilisent la mayonnaise : en milieu acide, certaines molécules

tensioactives ont une charge électrique supérieure, et se repoussent donc davantage.

Hervé This, Les Secrets de la Casserole, éd. Belin, 1993

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Fig. 3 : Molécule de triglycéride (réalisée avec Chemsketch) Fig. 4 : Molécule de triglycéride (vue 3D Chemsketch)

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Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 (source http://www.texample.net/tikz/examples/lipid-esicle/)

Document 5 : Liaison hydrogène

Une émulsion est une suspension d’un liquide dans un autre, avec lequel il n’est pas miscible. C’est un état métastable dans lequel la séparation de phase entre les deux liquides non miscibles n’est pas complète, mais l’un des liquides est dispersé dans l’autre sous la forme de gouttelettes.

http://www-ipcms.u-strasbg.fr/spip.php?article303&lang=en

Les émulsifiants, appelés parfois émulsionnants, stabilisent l'émulsion. Ce sont le plus souvent des tensioactifs ou agents de surface. *…+ Le jaune d'œuf sert d'émulsifiant dans la préparation de sauces en cuisine. Cette propriété est due à la lécithine qu'il contient. La lécithine se trouve également dans le soja et est très utilisée dans les préparations industrielles. La caséine est une protéine du lait qui est émulsifiante. http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89mulsion

Document 6 : Les tension-actifs : des molécules pour réconcilier eau et lipides

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Document 7 : Les mousses

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Document 8

Commençons par prendre un peu d’eau dans un cul de poule. À l’aide d’un fouet, fouettons: nous voyons que le fouet introduit des bulles d’air (chaque fil pousse de l’air: plus il y a de fils au fouet et plus on pousse d’air) dans l’eau. On peut ainsi faire mousser mais la mousse ne tient pas: les bulles remontent rapidement en surface parce que l’eau est peu visqueuse et elles éclatent aussitôt.

Reprenons l’expérience avec du liquide à vaisselle: cette fois, les bulles remontent encore en surface mais elles y forment une mousse formée de bulles qui n’éclatent pas immédiatement (elles finiront sans doute par éclater plus tard; tout dépend du détergent utilisé). Quand on fouette pour introduire des bulles, on fait mousser, ou encore, on «foisonne». C’est tout simple, n’est-ce pas? Les enfants dans leur bain font mousser le bain à l’aide du savon et ils savent bien que la mousse est faite de bulles. *…+

Évidemment, les mousses faites avec de l’eau pure et du liquide à vaisselle ne sont pas des merveilles gastronomiques! Toutefois, leur comportement nous donne la clé des mousses culinaires. Pour faire une mousse, nous savons en effet qu’il faut de l’eau, un gaz et quelque chose qui va retenir les bulles. *…+

Il faut que la mousse tienne et là se trouve le problème essentiel de la cuisine. La solution s’obtient simplement quand on considère le blanc d’œuf battu en neige: ce sont les protéines du blanc d’œuf qui contribuent à la formation de la mousse (au foisonnement, et, je le répète encore, pas à l’émulsion; aucune émulsion dans ce cas!). *…+

Reste alors à savoir comment faire tenir les mousses. *…+ Si l’on fouette du miel, ou du moins, si l’on introduit des bulles d’air dans du miel ou dans tout liquide visqueux, les bulles s’en échappent difficilement, contrairement à l’eau. D’autre part, si le liquide contient des molécules qui retiennent les bulles d’air, ces bulles sont retenues. Enfin, il faut savoir que les mousses à petites bulles tiennent mieux que les mousses à grosses bulles… ce que devraient savoir tous les cuisiniers parce que c’est précisément pour cette raison que l’on «serre» les blancs d’œufs avec du sucre.

http://www.amabilia.com/contenu/bienmanger/carte_blanche_herve_this_2.html

Document 9 : Recette chantilly-chocolat

1. Dans une casserole, mettre 20 cL d’un liquide parfumé (jus de fruit) et 250 g de chocolat. 2. Chauffer doucement, la sauce doit être un peu crémeuse. 3. Quand tout le chocolat est fondu, retirer la casserole du feu et la refroidir en la posant sur un lit de glace.

Simultanément, fouetter à l’aide d’un fouet mécanique ou d'un batteur électrique, en cherchant bien à introduire de l’air.

Au début, quelques grosses bulles d’air apparaissent en surface mais elles ne tiennent pas bien. Quand la préparation a suffisamment refroidi, elle gonfle et blanchit légèrement ; augmenter alors la vitesse de battage pendant quelques secondes.

Ca y est, c’est fait ! Naturellement, nous ne résisterons pas au plaisir de déguster immédiatement ce Chocolat Chantilly. Nous pouvons aussi le laisser attendre au réfrigérateur. Bon appétit !

Hervé This. Alimentation - Décembre 2007

Questions

1. En observant les photographies du document 2 et vos propres observations, proposer une

explication à la première partie de l’expérience : Le verre qui ne déborde pas lorsqu’on rajoute

des pièces.

2. Selon vous, quel est le rôle du détergent (liquide vaisselle) dans cette expérience ?

3. Schématiser quelques molécules d’eau reliées par des liaisons hydrogène.

4. Expliquer pourquoi l’huile et l’eau ne sont pas miscibles.

5. Qu’est-ce qui explique la forte tension de surface de l’eau ?

6. En utilisant les fig. 5 à 7 du document 4, schématiser une molécule tensioactive en mettant en

évidence la partie hydrophile et la partie hydrophobe.

7. Représenter le triglycéride donné en exemple en formule topologique.

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Tensioactifs, émulsions, mousses 7

8. Indiquer quels sont la phase aqueuse, la phase lipidique, et le tensioactif dans la vinaigrette, la

mayonnaise

9. La vinaigrette est-elle une émulsion stable ? Pourquoi ?

10. Quel est le rôle du « fouettage » dans la recette de la mayonnaise ?

11. À l’aide des documents, proposer un protocole permettant de tester différentes conditions

d’obtention d’émulsions stables et instables. On dispose de jaunes d’œufs, d’huile, de moutarde

et de vinaigre.

12. D’après les textes, préciser les différences et similarités entre une émulsion et une mousse.

13. La recette Chantilly-Chocolat met en jeu une émulsion et une mousse. Quelle étape correspond

à la réalisation de l’émulsion ? Préciser le tensioactif qui intervient. Indiquer quel est le corps

lipidique et quel est le corps aqueux.

14. Quelle étape correspond à la réalisation de la mousse ? Qu’est-ce qui permet de la stabiliser ?

Exercice : Des calculs dans la vésicule

Chez certains patients, des calculs se forment à l’intérieur de la vésicule biliaire, organe qui

emmagasine la bile sécrétée par le foie. Ils obstruent parfois les conduits acheminant la bile vers les

intestins, empêchant la vésicule biliaire de se vider. Comment expliquer la formation de ces calculs ?

Document n°1 : Les constituants de la bille

La bille est un liquide contenant

notamment de l’eau, du

cholestérol, des sels biliaires

(comme le glycocholate) et de la

lécithine.

Document n°2 : Formation de micelles au sein de la bille

Les micelles sont un moyen de transport efficace dans le contenu

intestinal aqueux de substances insolubles dans l’eau. Les

principales substances transportées ainsi vers les sites de leur

absorption sont les produits de digestion des lipides. S’ils

n’étaient pas « pris en auto-stop » dans les micelles hydrosolubles,

ces nutriments flotteraient comme de l’huile sur l’eau et

n’attendraient pas la surface absorbante de l’intestin grêle. En

outre ; le cholestérol quasiment insoluble dans l’eau se dissout

dans le coeur lipidique des micelles, ce qui est important pour son

homéostasie (régulation de la quantité de cholestérol dans

l’organisme).

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Document n°3 : Le triangle de Small et Dervichian

Le triangle de Small et Dervichian renseigne sur la solubilité

du cholestérol en fonction des proportions de lécithine, de

sels biliaires et de cholestérol présents dans la bile. Ainsi au

point P, la bile contient 63% de sels biliaires, 29% de

lécithine et 8% de cholestérol et se présente sous forme de

solution micellaire.

1. Identifier la partie polaire hydrophobe de la molécule de lécithine et sa partie apolaire

liposoluble.

2. Expliquer alors pourquoi la lécithine et les sels biliaires sont des tensioactifs, c’est-à-dire des

composés contribuant à solubiliser des phases non miscibles.

3. La composition de la bile est variable. Quelle est la composition de la bile au point Q sur le

triangle de Small et Dervichian ?

4. Combien de phase la bile correspondante présente-elle ?

5. Formuler alors des hypothèses sur la composition et les conditions de formation des calculs

biliaires.

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CORRECTION

PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES

Analyse et synthèse : A partir des différents documents, répondre aux questions

1. En observant les photographies du document 2 et vos propres observations, proposer une

explication à la première partie de l’expérience : Le verre qui ne déborde pas lorsqu’on rajoute

des pièces.

Ce qui assure la cohésion de la surface de l’eau, c’est la tension superficielle. Il s’agit d’une force.

C’est elle qui permet à l’insecte de « marcher » sur l’eau, c’est elle également qui contribue à donner

une forme quasi-sphérique à la goutte d’eau sur la feuille.

2. Selon vous, quel est le rôle du détergent (liquide vaisselle) dans cette expérience ?

Le détergent modifie les propriétés de la surface de l’eau et modifie donc la valeur de la tension

superficielle. Celle-ci est plus faible et l’eau déborde du verre.

3. Schématiser quelques molécules d’eau reliées par des liaisons hydrogène.

O H

H

O

H

H

OH

H

4. Expliquer pourquoi l’huile et l’eau ne sont pas miscibles.

Une liaison hydrogène ne peut se former entre deux molécules que si elles possèdent un groupement

hydroxyle : −OH. C’est bien le cas de la molécule d’eau. Les molécules d’huile, elles, sont de grosses

molécules, formées principalement d’atomes de carbone et d’hydrogène.

Elles comportent une chaîne carbonée très longue, mais ne contiennent pas de groupement hydroxyle :

elles ne peuvent donc pas former de liaison hydrogène avec l’eau : ainsi l’huile et l’eau ne sont pas

miscibles.

5. Qu’est-ce qui explique la forte tension de surface de l’eau ?

La forte tension de surface de l’eau est explicable aussi par l’existence des liaisons hydrogène.

6. En utilisant les fig. 5 à 7 du document 4, schématiser une molécule tensioactive en mettant en

évidence la partie hydrophile et la partie hydrophobe.

cercle = partie hydrophile ; « traits » = partie hydrophobe

7. Représenter le triglycéride donné en exemple en formule topologique.

O

OO

O

O

O

Thème : Les matériaux Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux

Tensioactifs, émulsions, mousses 10

8. Indiquer quels sont la phase aqueuse, la phase lipidique, et le tensioactif dans la vinaigrette, la

mayonnaise maison et industrielle.

vinaigrette mayonnaise maison mayonnaise industrielle

Phase aqueuse Vinaigre Eau du jaune d’œuf Eau de la moutarde

Vinaigre

Eau Eau du jaune d’œuf Eau de la moutarde

Vinaigre

Phase lipidique Huile Huile de tournesol Huile de colza

Tensioactif -- Lécithine du jaune d’œuf

Tensioactifs de la moutarde

Lécithine du jaune d’œuf Tensioactifs de la

moutarde

9. La vinaigrette est-elle une émulsion stable ? Pourquoi ?

On observe que la vinaigrette n’est pas une émulsion stable. De plus, on constate qu’il n’y a pas

d’émulsifiant (tensioactif).

10. Quel est le rôle du « fouettage » dans la recette de la mayonnaise ?

Fouetter permet de scinder les gouttelettes (micelles) en gouttelettes de plus en plus petites, ce qui

améliore encore la stabilité de l’émulsion.

11. À l’aide des documents, proposer un protocole permettant de tester différentes conditions

d’obtention d’émulsions stables et instables. On dispose de jaunes d’œufs, d’huile, de moutarde

et de vinaigre.

Pistes de protocoles : vinaigrette simple, « mayonnaise » montée sans moutarde ; avec moutarde à la

fourchette ; avec moutarde au fouet électrique. Peuvent être réalisés on non suivant le temps restant

ou choisi.

12. D’après les textes, préciser les différences et similarités entre une émulsion et une mousse.

Dans les deux cas, on a deux phases non miscibles qui se retrouvent intimement mêlées. Pour la

mousse, c’est de l’air et un liquide ; pour l’émulsion, c’est un liquide gras et un liquide aqueux.

Dans les deux cas, le mélange est stabilisé par un tensioactif (on retrouve le liquide vaisselle).

13. La recette Chantilly-Chocolat met en jeu une émulsion et une mousse. Quelle étape correspond

à la réalisation de l’émulsion ? Préciser le tensioactif qui intervient. Indiquer quel est le corps

lipidique et quel est le corps aqueux.

C’est l’étape 1 : on mélange un jus de fruit (le corps aqueux) et du chocolat (le corps lipidique). Ce qui

permet de stabiliser l’émulsion c’est la lécithine qui est ajoutée dans le chocolat.

14. Quelle étape correspond à la réalisation de la mousse ? Qu’est-ce qui permet de la stabiliser ?

C’est l’étape 2 : fouetter permet d’introduire de l’air. Ce qui permet de la stabiliser c’est la lécithine

du chocolat (aussi) et la solidification du chocolat.

Pour approfondir ou varier les sources : Groupe de recherche mousses et émulsions Site cuisine avec "trucs" Analyseur de capacité de tensioactifs (site industriel) http://www-lsp.ujf-grenoble.fr/-Mousses-structure-et-dynamique- Tous les ouvrages d’Hervé This