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Mesure de la longueur d'une molécule de savon:

Matériel nécessaire:

Du Teepol (détergent économique, vendu en droguerie)

Une pipette

Une éprouvette graduée

Du poivre noir moulu fin

Une règle

Une bassine ou un grand plat

L'expérience de Franklin (pas celle du cerf-volant par temps d'orage) est relativement célèbre. L'illustre Benjamin, se promenant près d'un lac avec sa bouteille d'huile, en verse un peu à la surface de l'eau. Celle-ci s'étale jusqu'à couvrir une grande surface, et frole la catastrophe écologique.

Pour comprendre le rapport qu'il y a entre cette observation et la mesure de la taille d'une molécule, imaginez un godet plein de billes (c'est notre goutte d'huile). Vous le retournez vivement sur une moquette, puis vous le soulevez délicatement: les billes ne restent pas en tas, mais s'étalent jusqu'à ne plus former qu'une couche. La flaque de billes a pour épaisseur la taille d'une bille. Mais comment utiliser cela pour faire notre mesure? Un petit schéma va aider:

Expérience de Franklin
Le volume de la goutte qui tombe est le même que celui de la flaque. Si on la suppose d'épaisseur bien constante: Volume goutte = Surface flaque x Epaisseur flaque

Il suffit alors de mesurer le volume de la goutte et la surface de la flaque pour avoir son épaisseur: e = V / S, qui est aussi la taille d'une molécule.

Le liquide à faire tomber sur l'eau est crucial. La méthode "habituelle" consiste à utiliser de l'huile diluée dans de l'éther de pétrole. Pour des raisons obscures, cela ne marche pas toujours, et le solvant met un peu le cirque dans l'histoire. De l'eau savonneuse est bien plus efficace: nous emploierons du Teepol dilué.

Notre "lac" sera une bassine d'eau ou une grande assiette. Le problème est qu'il sera quasiment impossible de voir cette tache à la surface de l'eau. Le truc consiste à saupoudrer la surface de l'eau avec du poivre fin, qui se répartira de façon très régulière très visible puisque les grains sont sombres.

Fabriquons notre eau savonneuse, diluée à 1/20ème (10 mL de Teepol, et de l'eau jusqu'à 200 mL). Avec une pipette graduée, vous pouvez mesurer le volume d'une goutte: faites en tomber un millilitre en comptant le nombre de gouttes.

La manipulation est très rapide:
Goutte de savon dans l'eau
Une fois la goutte tombée, un beau cercle s'inscrit au milieu du poivre flottant.

Il ne reste plus qu'à en mesurer le diamètre, puis la surface par S = p x R².

Voici un exemple de mesure:

1 goutte mesure environ 2.10-8 m3, elle contient une solution à 1/20ème de Teepol (lui même à 10% de savon). Cette goutte contient donc un volume de 10-10 m3 de savon. La flaque fait environ 16 cm de diamètre.

L'épaisseur de la flaque est donc e = V / S = 10-10 / ( p x (8.10-2)²) # 5.10-9m ou 5 nm

 

Mais à quoi correspond cette épaisseur de flaque? Pour le découvrir, il faut se rappeler des propriétés tensio-actives du savon. Ses molécules sont constituées d'une partie aimant l'eau et d'une autre la fuyant, ce qui confère à notre savon ses propriétés détergentes, et la possibilité de faire des bulles. Molécule amphiphile
La flaque correspond donc à une sorte de champ de molécules de savon taillées en brosse. molécules de savon bien rangées

L'épaisseur de la flaque précédemment obtenue n'est alors rien d'autre que la longueur d'une molécule (ou du moins, une valeur approchée...)

Si vous ne l'avez pas encore fait, vous pouvez aussi mesurer la taille d'un atome. Bonne visite du monde sub-microscopique!...