Bonjour,
Je vais maintenant vous parler de
l'expérience de Franklin, normalement bien connue des élèves de seconde.
En 1774, Frankin fait la manip suivante : il verse une cuillère à café d'huile à la surface de l'étang de Clapham dans les environs de Londres. Comme chacun le sait, l'huile ne se mélange pas avec l'eau (l'huile et l'eau ne sont pas miscibles) et l'huile reste à la surface de l'eau, car plus légère. L'huile va alors s'étaler à la surface de l'eau sur une très grande surface. Ici, je n'ai pas réussi à trouver une valeur exacte, il y a plusieurs sources qui donnent des valeurs de plusieurs centaines à plusieurs milliers de m² : ce qui est sûr c'est que la surface recouverte par ce film d'huile va être très importante. En contrepartie, l'épaisseur du film d'huile va être très petite, si petite qu'il devient impossible de le détecter par la vue. Mais Franklin remarque que partout où l'étang est recouvert d'huile, la surface est calme et n'est pas dérangée par le vent qui va créer des rides à la surface, là où il n'y a pas d'huile. (L'expression mer d'huile vient de là, et dans l'Antiquité, les marins versaient de l'huile dans la mer pour calmer les vagues. Même si le principe est bon, j'ai des doutes quant à l'efficacité pratique d'une telle opération par gros temps. Si quelqu'un a des infos là-dessus, je suis preneur). Il arrive donc à déterminer la surface de la couche d'huile. Et il s'arrête là. Dommage... Heureusement, plus tard, Lord Rayleigh a une idée géniale : il divise le volume d'huile versé par la surface de la couche d'huile, afin d'obtenir l'épaisseur de la couche d'huile, et il trouve une valeur de l'ordre du nanomètre. Un nanomètre (nm), c'est une longueur vraiment petite, un milliard de fois plus petite qu'un mètre (1 nm = 0,000 000 001 m). Pour donner un ordre d'idée, un virus (qui est quand même tout petit) va mesurer une centaine de nanomètres. Si on considère que l'huile va s'étaler au maximum au dessus de l'étang, l'épaisseur minimale que le film d'huile peut atteindre sera la taille d'une molécule : on a un film monomoléculaire. La valeur trouvée est donc
un ordre de grandeur de la taille de la molécule d'huile. (Je dis bien un ordre de grandeur, car la détermination du volume d'huile versé ainsi que de la superficie du film d'huile sont difficiles à réaliser avec une très grande précision).
Cette expérience historique peut être réalisée à la maison avec très peu de moyens techniques. Il faut juste un minimum de soin et de rigueur afin que les résultats soient un tant soit peu significatifs. Comme un étang, ça prend de la place, on va utiliser une simple bassine remplie d'eau. Pour être sûr d'avoir une couche monomoléculaire d'huile, il faudra donc en déposer très peu, bien moins qu'une cuillère à café. Juste une goutte. Et même une goutte, ça risque d'être trop. Que faire, alors ? Et bien on va diluer l'huile dans un solvant volatif, comme de l'éther ou de l'acétone. Par exemple une solution au 1/500 ème. L'intérêt de la manoeuvre est double : comme l'huile sera diluée, la quantité d'huile versée sera plus petite que la quantité de solution versée. Si la dilution est au 1/500ème, cela voudra dire que si on versait 500 mL de solution, il n'y aurait qu'1 mL d'huile versée. On est sûr de déposer une quantité petite d'huile à la surface de notre bassine. L'autre intérêt est le fait que le solvant soit volatil. Comme on va versé une petite quantité de solution (une goutte), le solvant va facilement pouvoir s'évaporer, et il ne restera que la toute petite quantité d'huile à la surface de l'eau. Le principe est donc tout bête : on prépare une solution d'huile d'olive dans de l'éther (par exemple), et on en verse une goutte à la surface de l'eau. Problèmes qui se posent :
* comment va-t-on pouvoir mesurer la surface du film d'huile qui va se former à la surface, sachant que celui-ci est invisible, car très très fin ?
* comment savoir quel est le volume d'une goutte ?
Pour le premier problème, il existe une solution ingénieuse : on recouvre la surface de l'eau avec du talc. Lorsque la goutte d'huile en solution va toucher l'eau et s'étaler, elle va écarter le talc. La "flaque d'huile" sera donc parfaitement matérialisée et visible.
Pour le deuxième problème, le soucis vient du fait qu'une goutte, c'est tout petit. Si je verse une goutte d'huile dans un verre doseur, je n'atteins pas, et de loin, la première graduation. L'idée est donc la suivante : pour un liquide donné, et en utilisant le même compte-goutte, la taille des gouttes sera à peu près constante. Il suffit de compter le nombre de gouttes qu'il faut pour faire 1 mL, en faisant tomber l'huile au goutte à goutte dans une éprouvette graduée. Si vous n'avez pas de récipient gradué au mL (c'est quand même pas courant en cuisine), il faudrait faire ça avec une quantité plus grande, mais du coup le nombre de goutte sera plus important et on risque de se lasser très vite. En moyenne, on doit trouver de l'ordre d'une quarantaine de goutte pour faire 1 mL. De là, on connait le volume d'une seule goutte. Comme on connait la concentration de la solution d'huile (puisqu'on l'a préparé avec soin), on connait le volume d'huile d'olive présent dans une goutte de solution, c'est-à-dire le volume d'huile d'olive qui sera versé à la surface de l'eau.
Une fois la goutte versée, il suffit de mesurer la surface de la tâche d'huile. Normalement, la tâche d'huile est presque circulaire (c'est une conséquence des phénomènes de tension superficielle). On peut donc estimer sa surface en estimant son diamètre (Vous savez tous calculer l'aire d'un disque à partir de son diamètre, non ?
). Si on veut plus de précision (mais est-ce vraiment la peine, puisqu'on cherche juste un ordre de grandeur), il existe une méthode astucieuse, bien que difficile à mettre en oeuvre : on place une plaque de verre au-dessus de la bassine, et avec du papier calque, on décalque la tâche d'huile. Puis on découpe le dessin de la tâche, et on pèse le morceau de papier calque ainsi découpé avec une balance de précision. On pèse ensuite une feuille de papier calque entière. Le rapport des deux masses est égal au rapport des deux surfaces. Et on connait la surface d'une feuille entière, car on sait calculer l'aire d'un rectangle (n'est-ce pas ?
).
Et bien si on divise le volume d'huile par la surface de la tâche (attention aux unités, c'est un très bon truc pour se planter), on obtient une longueur de l'ordre du nanomètre. Comme quoi ça marche...
Cela dit, ça a l'air facile comme ça. C'est toujours facile quand on explique. La réalisation est moins évidente, mais c'est possible, après quelques essais infructueux afin de bien mettre au point le protocole.
Un dernier mot sur une propriété intéressante de la couche d'huile : les molécules "d'huile" (d'acide oléique exactement) sont des molécules allongées, ayant des extrémités qui ont des propriétés différentes :
La partie gauche, qui comporte des atomes d'oxygène (en rouge) est hydrophile : elle a une certaine affinité pour l'eau. C'est la partie qui est en contact avec l'eau. La partie de droite, qui est une longue chaine hydrocarbonée (formée d'atomes d'hydrogène et de carbone) est hydrophobe : elle n'aime pas l'eau : elle restera en contact de l'air. Cela implique donc que les molécules d'huile vont se disposer verticalement à la surface de l'eau, la tête hydrophile plongée dans l'eau, et la queue hydrophobe en l'air.
Une petite animation pour voir ce que ça donne (cliquer sur "Pourquoi" lorsque c'est demandé).
Je finirai en vous conseillant la lecture
de ce texte très intéressant de Pierre-Gilles de GENNES sur le sujet, ainsi que le visionnage de
cette vidéo qui vous permettra de voir comment ça se passe.
@+
Le 17 mai à 09:19 #
) proviennent du fait, simple et étonnant, que tous les objets ont tendance à garder leur état de mouvement. C'est le principe de l'inertie : si un objet n'est soumis à aucune force (ou à des forces qui se compensent toutes), il continuera à se déplacer à sa vitesse actuelle et en ligne droite, et ce tant qu'une force n'agira pas sur lui. On dit qu'il a un mouvement rectiligne uniforme. D'où l'affaire du "rocker" (toutes mes condoléances à ton ami rocker au fait 
) qui, loin d'être éjecté par la force centrifuge, a en fait continué d'avancer en ligne droite alors que sa camionnette tournait. Mais pourquoi les objets font-ils ça ? Pourquoi le principe de l'inertie ? En gros, pourquoi est-on déporté sur la droite si on tourne à gauche, ou pourquoi est-on poussé en avant lorsqu'on freine ? Donc Mach se pose cette question. Il voudrait savoir quelle est l'origine des forces d'inertie.
26 ans.
