La chimie dans la maison
 

1. La chimie dans la casserole

1.1 Recette de mayonnaise

Ingrédients :
Mettre dans un bol, le jaune d’œuf, saler, poivrer et bien mélanger au fouet.
Ajouter le jus de citron, mêler. Incorporer l’huile, en un mince filet, en fouettant énergiquement.

1.2 Quelle est la composition du jaune d’œuf ?

Expérience 1 prof : Sur un peu de jaune d’œuf on effectue le test au sulfate de cuivre anhydre.
Observations: Le sulfate de cuivre anhydre, initialement blanc, prend une coloration bleue.
Conclusion: Le jaune d’œuf est essentiellement composé d’eau mais il contient également des protéines et de lipides.

Est-ce l’eau présente dans le jaune d’œuf qui permet de réaliser une mayonnaise ?

1.3 Le mélange eau-huile

a) Expérience_2_élèves

Verser environ 1 mL d’eau et 1 mL d’huile dans un tube à essais .
Observation: L’huile et l’eau ne se mélangent pas. L’huile reste au dessus de l’eau.
Conclusion: L’huile et l’eau ne sont pas miscibles, on dit que deux phases se forment.

Mélanger énergiquement. Observer. Laisser reposer quelques instants. Observer.
Observation: Des gouttes d’huile semblent se mélanger à l’eau. Au bout de quelques instants, les deux phases se séparent de nouveau.
Conclusion: Quand on mélange eau et huile en secouant vigoureusement, quelques gouttes d’eau entrent dans l’huile et quelques gouttes d’huile vont dans l’eau : on obtient une émulsion.
Mais en laissant reposer les gouttelettes d’huile se rassemblent à nouveau, les deux phases se séparent : l’émulsion est instable

une émulsion est une dispersion en fines gouttelettes d’un liquide non miscible avec un autre.

Exemples : la crème fraiche est une émulsion d’huile dispersée dans l’eau
Le beurre est une émulsion d’eau dispersée dans l’huile

b) Interprétation

b .1 La molécule d’eau

Quelle est la structure de la molécule d’eau ?

Les trois atomes (O, H et H) forment un triangle.)
La molécule est électriquement neutre, mais les différents atomes qui la constituent portent des petites charges électriques: on dit qu’elle est polaire.


Que peut-il se produire entre l’atome d’oxygène d’une molécule d’eau et l’un des atomes d’hydrogène d’une autre molécule d’eau ?

L’atome d’oxygène étant légèrement chargé négativement, il va attirer un atome d’hydrogène (chargé positivement) d’une autre molécule : cela va former une liaison hydrogène                .


De façon générale, un liquide, dont les molécules peuvent former des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau, se mélange à l’eau de façon homogène.

b.2 Quelle est la structure de la molécule d’huile ?

L’huile est un corps gras ou lipide.
C’est une molécule essentiellement constituée d’atomes de carbone et d’hydrogène (chaîne carbonée) et qui a la forme d’un peigne à trois dents.
Ci-dessous, la molécule d’oléine,  principal composant de l’huile d’olive.


L’huile n’est pas une molécule polaire ; elle ne peut pas de former des liaisons hydrogène avec l’eau donc ces deux liquides ne sont pas miscibles.

b.3 Conclusion

L’huile et l’eau du jaune d’œuf sont-ils les seuls constituants de base de la mayonnaise ?

L’huile et l’eau contenue dans le jaune d’œuf ne sont pas les seuls constituants de base de la mayonnaise car le mélange huile et eau ne donne pas une émulsion stable. Un autre constituant de l’œuf doit intervenir.
Comme seul le jaune est utilisé pour réaliser une mayonnaise, c’est un des lipides du jaune d’œuf qui intervient.(Si les protéines intervenaient, on utiliserait également le blanc de l’œuf.)

1.4 La stabilisation de l’émulsion

a) Le jaune d’œuf

Expérience_2_ élève
Dans un tube à essais, mettre un peu de jaune d’œuf et un peu d’huile, mélanger.
Observation: L’huile et le jaune d’œuf se mélangent.
Dans un tube à essais, mettre un peu de jaune d’œuf et un peu d’eau, mélanger.
Observation: L’eau et le jaune d’œuf se mélangent.

Conclusion: Le jaune d’œuf contient des molécules qui se mélangent avec l’eau et avec l’huile, ces molécules sont dites tensioactives.

b) Les molécules tension actives



Schématisation d’un composé tensioactif:

             
La tête est « hydrophile » (= qui aime l’eau): elle peut former des liaisons hydrogène.

Queue « hydrophobe » (= qui n’aiment pas l’eau), mais « lipophile » (= qui aime les graisses) : elle est constituée d'une longue chaîne carbonée.
Dans le jaune d’œuf, c’est la lécithine ( lipide) qui est le composé tensio-actif
On trouve également des molécules tensioactives dans la moutarde…

c) Que se passe-t-il lors de la réalisation de la mayonnaise ?

Lorsqu’on mélange l’huile et le jaune d’œuf, on mélange en réalité de l’huile, de l’eau et de la  lécithine.
Lorsqu’on fouette le mélange, les molécules tensioactives de lécithine enrobent les gouttelettes d’huile, en mettant à leur contact leur partie lipophile : il se forme des micelles.
Les têtes hydrophiles sont toutes chargées positivement ; les micelles se repoussent et se dispersent dans l’eau . Elles forment des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau ce qui assure la stabilité de la mayonnaise.

 La mayonnaise est donc une émulsion stable entre l’huile et l’eau du jaune d’œuf.


1.5 Comment réussir une mayonnaise ?

a) Expérience _4 _élèves:

 
1 2 3 4

Expériences 		On mélange doucement du jaune d’œuf et de l’huile que l’on ajoute goutte à goutte On mélange énergiquement du jaune d’œuf et de l’huile que l’on ajoute goutte à goutte On mélange énergiquement du jaune d’œuf et de l’huile que l’on ajoute en une seule fois On mélange énergiquement de la moutarde, du vinaigre et de l’huile ajoutée goutte à goutte
 
Résultats
La mayonnaise prend difficilement

La mayonnaise est jaune et épaisse La mayonnaise est ratée La mayonnaise est plus fluide et plus blanche
 

b) Conclusions

Pourquoi faut-il ajouter l'huile goutte à goutte?

On ajoute progressivement l’huile à la phase aqueuse (et non l’inverse), car il faut diviser l’huile en gouttelettes microscopiques, ce qui est bien plus facile si l’on part d’une goutte d’huile dans l’eau qu’inversement.

Mayonnaise vue au microscope à différents stades de la préparation:
 




site : http://pedagogie.ac-montpellier.fr:8080/disciplines/scphysiques/SP2.htm 

Quelle est l'influence de la vitesse de mixage?

Plus la vitesse de mélange est grande, plus la mayonnaise est dure.
En effet, plus l’huile est divisée en fines gouttelettes et plus les micelles seront petites, ce qui augmente la compacité donc la dureté de la mayonnaise.

Quelle est l'influence de la température?

De même, si un des constituants est à une température très basse, il sera plus difficile de fragmenter l’huile en gouttelettes, la mayonnaise ne sera pas réussie. Pour réussir une mayonnaise, il faut que ses constituants soient à la température ambiante.

Et si on ajoute de la moutarde, du jus de citron?

La moutarde contient aussi des molécules tensioactives, elle joue le même rôle que le jaune d’œuf...et en plus, elle améliore le goût !
Si on ajoute du jus de citron, on apporte davantage d’eau à l’émulsion déjà constituée : les gouttelettes d’huile ont davantage de place  et l’émulsion est stabilisée.
(Ces gouttelettes ont aussi plus de place pour s’écouler, elles ne se gênent donc plus : la viscosité diminue, la mayonnaise est plus fluide.)

Super cours en pdf accessible par ac nancy metz

2. Le savon

2.1 Structure et mode d’action des savons

( DVD : « C’est pas SORCIER : la grande lessive  »)

a) Le savon est un tensioactif

Les particules de savon sont des molécules tensioactives ; elles présentent deux extrémités :
une extrémité hydrophile (qui a beaucoup d’affinité pour l’eau) et une extrémité lipophile (ayant des affinités pour les graisses) mais hydrophobe.

b) Le savon dans l'eau

Quand on met du savon dans l'eau, ces particules ont tendance à se placer à l’interface eau/air : 
les têtes  hydrophiles vers l’intérieur.
les extrémités  lipophiles orientées vers l’extérieur. 


Dans l'eau, les particules de savon se regroupent: les parties hydrophobes qui fuient l'eau se rassemblent entre elles, on obtient alors des micelles

c) Comment un savon lave-t-il ?

Le savon, grâce à ses deux extrémités , va s'immiscer entre le tissu et la saleté. et détruit ainsi son adhérence. En présence de graisses (constituant la saleté), les particules savonneuses peuvent s'enfoncer dans les taches d'huile , les enfermer à l’intérieur de micelles grâce à leur partie lipophiles , les retirer du tissu et les disperser dans l’eau grâce à leur extrémité. Le savon a un pouvoir émulsifiant.
 
 

La queue hydrophobe des molécules de détergent se fixe dans la graisse. Les têtes hydrophiles se repoussent entre elles, provoquant une agglomération de la tache. Une agitation modérée décolle la tache de graisse du tissu. Les micelles ainsi formées se dispersent dans l’eau.

d) Pourquoi est-ce que l’eau savonneuse mousse si on la remue ?

Quand on agite de l’eau savonneuse, on fait s’y dissoudre de l’air. Les bulles d’air s’échappent ensuite du liquide en entraînant avec elles un film d’eau savonneuse, se qui forme des bulles.
On parle du pouvoir moussant .
Remarque : Le meilleur détergent n’est pas obligatoirement le produit qui mousse le plus.

2.2 La tension superficielle

a)  qu'est-ce que la tension superficielle?

Dans le liquide,  les molécules d’eau au centre sont attirées par toutes leurs voisines, dans toutes les directions, donc ces attractions se compensent. 

Si on considère une molécule située à la surface d’un liquide , elle est soumise à des forces d’attraction de la part des molécules voisines qui l’empêchent de quitter le liquide (sauf par évaporation).
Nous pouvons donc considérer la surface d’un liquide comme une membrane élastique tendue. 
La surface de l’eau est donc soumise à une force qui l’attire vers l’intérieur du liquide : c’est la force de tension superficielle .

On peut la mettre en évidence en posant délicatement une épingle sur la surface de l'eau : elle flotte ( comme certains insectes..)

b ) Action du savon sur la tension superficielle

Si on verse un peu d'eau savonneuse, l'épingle coule immédiatement.

Le savon empêche les molécules d’eau de se regrouper entre elles, il diminue la tension superficielle.
Le savon  permet ainsi à l’eau de mieux pénétrer dans les petites interstices entre les fibres des tissus ou de s’étaler correctement sur les surfaces. On dit que le savon augmente « le pouvoir mouillant de l’eau ». 

Remarque : le savon perd son efficacité si l’eau est  calcaire ( riche en ion magnesium Mg2+  et en ion  calcium Ca2+ ) ; il mousse moins.
On utilise alors des  anticalcaires  pour neutraliser  le calcaire. 

2.3 Les détergents

Un détergent est un produit qui nettoie en entraînant les impuretés.
Le savon est le plus  ancien détergent.
D’autres détergents, utilisés pour le nettoyage de la vaisselle, du linge, de l’entretien ménager … sont fabriqués mais ces détergents synthétiques, qu’ils soient à usage domestique ou industriel, sont tous des composés tensioactifs.

Le savon est biodégradable mais ce n’était pas le cas pour les premiers détergents synthétiques d’où la formation de mousses polluantes.
Depuis 1970, seuls sont autorisés les détergents dont les composés tensioactifs sont biodégradables à plus de 90%.

3. La biodégradabilité d'un produit ménager

Document 1 : Les matériaux biodégradables
La technologie, l'utilisation et le marché des matériaux biodégradables sont en plein développement. Pare-chocs de voiture, couche-culotte pour bébé ou carte de crédit, trouvera-t-on demain du biodégradable partout ?
« En Suède, une chaîne de restauration rapide propose à ses clients des couverts biodégradables à base d'amidon de maïs. En Angleterre, une banque a remplacé le PVC de ses cartes de paiement par un polyester biodégradable obtenu à partir de sucre de blé ou de betterave. Coup de pub ou réelle tendance du marché ? Les matériaux biodégradables vont-ils devenir d'usage courant ?Un matériau est dit biodégradable s'il a la capacité d'être dégradé par des micro-organismes tels que les bactéries, les champignons et les algues. Le résultat final de cette dégradation doit être de l’eau, du dioxyde de carbone ou du méthane. Les matériaux naturels issus de végétaux tels que le bois, le liège, le lin ou le coton sont biodégradables. « Ils sont connus depuis des millénaires. Mais nous constatons réellement un engouement pour ces produits depuis quelques années », souligne Louis Wallaert, directeur de la société Batichanvre, une entreprise grenobloise qui fabrique des briques de chanvre pour la construction. Le côté « naturel à faible impact sur l'environnement » séduit, il est vrai, de plus en plus le consommateur. La nouveauté est que l'on commence à trouver ces matières dans des usages inhabituels. La paille compressée ou le maïs broyé servent d'isolant dans les habitations. Des couverts jetables à base de son compacté sont sur le point d'être commercialisés. Des garnitures internes de portière de voitures existent maintenant en fibre de lin ou de sisal et les constructeurs automobiles envisagent même de faire des pare-chocs en fibres végétales consolidées par une résine biodégradable.
Même le plastique devient écolo.....
Mais les matériaux biodégradables ne se limitent pas aux seuls produits naturels. Les matières plastiques deviennent elles aussi biodégradables. Alors qu'il faut parfois plusieurs centaines d'années pour dégrader un plastique ordinaire, quelques mois suffisent à ces nouveaux matériaux pour être réduits en eau et dioxyde de carbone au contact de micro‑organismes. Leur origine est synthétique ou à base de ressources végétales. La plupart des grands chimistes industriels en proposent maintenant dans leur gamme de plastiques. Ainsi, vous pouvez trouver des boites de rillettes en Polynat. Cette matière distribuée par le Français Roverc'h est issue de la gélification d’amidon de farine de seigle, plastifiée à l'aide d'alcools naturels. L'Éco-Pla, commercialisé par la firme américaine Cargill Dow Polymers est purement synthétique. Il est obtenu à partir de polymères (des macromolécules) de synthèse, les polyesters aliphatiques. On en fait des films agricoles ou des pots de yaourt. D'autres produits combinent polymères de synthèse et matières naturelles. Le Mater-Bi fabriqué depuis près de sept ans par l'Italien Novamont associe l'amidon du maïs à des polymères synthétiques (les poly-epsilon-caprolactones). Ses applications vont des couches-culottes aux sacs de supermarché, en passant par les coton-tige ou les assiettes jetables. Malgré des utilisations et des technologies en pleine évolution, les plastiques biodégradables sont cependant encore très marginaux. La production mondiale annuelle est actuellement de 14 000 tonnes, soit moins de 0,02 % de celle des plastiques ordinaires. Leur coût élevé reste leur principal handicap : ils sont de 1,3 à 10 fois plus chers. Et leurs propriétés mécaniques n'égalent pas encore celles de leurs concurrents. Alors ces matériaux ont-ils réellement un avenir ? « Oui », affirme Véronique Bellon-Maurel, directrice de recherche au Cemagref et membre du comité français pour la biodégradabilité. « Les réglementations antipollution vont pousser les industriels à développer ces produits. À partir de 2002, les décharges ne pourront plus recueillir les déchets plastiques usagés. Une des solutions pourrait donc être de produire de la matière qui se dégrade comme des végétaux. »

Qu’est ce qu’un matériau biodégradable ?

un matériau biodégradable peut être dégradé par des micro-organismes tels que les bactéries, les champignons et les algues....

En quoi doit-il se transformer?

En eau, dioxyde de carbone ou  méthane. ( molécules plus petites )

Quelles sont les sources possibles de matériaux biodégradables ?

Matériaux naturels (maïs, pommes de terre, coton, chanvre, seigle...)


Définir succinctement le terme de « polymère ». Citer quelques exemples.

Ce sont des molécules géantes ("macromolécules").
Le nylon, le polystyrène, le PVC....sont des polymères.
Remarque : il existe des polymères naturels : la cellulose, l'amidon ...


Pourquoi les matières plastiques biodégradables ne sont pas encore très utilisés ?

Leur coût est encore très élevé..

Document 2 : La biodégradation
Une biodégradation complète se déroule en trois phases :
1/ Biofragmentation. Les micro-organismes, aidés par d’autres facteurs comme la chaleur, les contraintes mécaniques (déchirures, poinçonnages, élongations...) ou le rayonnement ultraviolet, attaquent le matériau. Ils le cassent en composés plus petits, microfragments ou grosses molécules.
2/ BioassimilationLes composés sont ensuite absorbés par les micro-organismes. 3/Minéralisation. Les composés assimilés sont enfin « minéralisés », ils sont transformés par les micro-organismes en eau et en dioxyde de carbone s'il y a présence d'oxygène (conditions aérobies) ou en eau et en méthane sans présence d'oxygène (conditions anaérobies).

            d’après un article paru dans le magazine Euréka de janvier 2000 

Quels sont les facteurs qui favorisent la biofragmentation ?

La chaleur, les contraintes mécaniques, la lumière.


Qu’appelle-t-on microorganismes ? Citez quelques exemples. 

Bactéries, champignons, plantes microscopiques....


Document 3 : Bio-emballages pour produits contemporains
Bio-films en polymères naturels, emballages comestibles... De nouvelles technologies, écologiques autant qu'économiques, permettent d'accroître la sécurité et la qualité des aliments "prêts à l'emploi."
Légumes prêts à l'emploi, plats précuisinés, aliments réfrigérés emballés sous vide et autres innovations dont le bénéfice principal est sans doute le gain de temps et de préparation connaissent un succès grandissant. Ils intéressent les consommateurs et la restauration collective. Ils laissent aux industriels une marge bénéficiaire non négligeable et ont connu ces derniers temps une croissance annuelle de l'ordre de 10 à 15%. Le succès de ces denrées s'explique aisément. Celles-ci sont parfaitement assimilables à des produits frais - la faible transformation qu'elles ont subie n'altère ni leur aspect ni leur qualité. Elles offrent une facilité d'emploi parfaitement "contemporaine" (portions divisibles, réchauffement au four à micro-ondes, etc.). Leur fraîcheur est garantie par une date de péremption. Mais encore...
Polymères naturels
La sécurité et la qualité de ces produits périssables impliquent la prévention de la croissance des micro-organismes pathogènes (comme les bactéries ou les champignons) et du développement des agents responsables du défraîchissement naturel et du pourrissement. Traditionnellement assurées par des barrières de type thermique (conservation à basse température), biologique (traitements désinfectants ou antibiotiques) et physique (emballages), les techniques de protection et de préservation des aliments s'améliorent constamment.
Un projet de recherche mené dans le cadre du programme AIR entre 1993 et 1997 (AIR 0125) a ainsi permis de mettre au point un nouveau concept de bio-emballage, dans lequel les couches protectrices (constituées traditionnellement de films plastique issus de polymères synthétiques) sont produites à partir de polymères naturels, provenant de plantes. Cette innovation présente d'importants atouts. L'aptitude des bio-emballages à modifier les échanges gazeux les rend particulièrement intéressants pour le traitement des fruits et des légumes frais, qui conservent un métabolisme actif lors de leur conservation à basse température et doivent continuer à "respirer". Les antimicrobiens et antioxydants utilisés pour protéger les aliments peuvent en outre, grâce à ce système "bio", être introduits dans l'emballage même et préserver davantage le caractère naturel des produits. Le bio-emballage est en outre une solution économique (les matières premières entrant dans la fabrication de bio-films sont peu coûteuses) et écologique (biodégradables, les emballages à base de polymères naturels réduisent le volume des déchets industriels et ménagers).





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