Oct 17 2008

[labo] L’expérience de Franklin

Publié par le 2:05 dans expériences,la matière

franklin-10-08.jpgVous connaissez l’expérience dite de Franklin ? C’était en 1762, Benjamin Franklin (faites un petit passage sur Google pour connaître un peu plus de la vie assez riche de ce Monsieur) était en Angleterre et à la suite de je ne sais quelles circonstances il s’étonna de l’importance de la superficie occupée par une petite quantité d’huile répandue à la surface d’un étang … Il faut rappeler qu’à cette époque la notion de molécules n’était pas encore connue alors, de là, à en évaluer la longueur …

[spoiler /un petit texte de Pierre-Gilles de Gennes/ /cacher le texte/ ]

Heureusement, Benjamin Franklin a, il y a deux cents ans, apporté une solution plus simple. Nous avons tous entendu parler de Franklin, au moins comme l’inventeur du paratonnerre. Il fut aussi l’ambassadeur des jeunes États-Unis en France sous Louis XVI. C’était un homme de grande culture et de grande passion. Il s’intéressa à toutes les expériences que l’on faisait alors dans les  » cabinets de physique  » de ce siècle des Lumières, et notamment aux effets de l’huile sur l’eau. Depuis les Grecs, on sait qu’un film d’huile, répandu sur la mer, tend à calmer les vagues. Franklin va au bord d’un étang (à Clapham près de Londres) et verse, doucement, une cuillerée d’huile d’olive sur l’étang (les molécules d’huile sont assez semblables à celles que j’ai décrites). L’huile s’étale, mais l’aspect optique de la surface ne change pas (car le film déposé est très mince par rapport à la longueur d’onde de la lumière). Franklin arrive tout de même à reconnaître les régions qui sont recouvertes: en l’absence d’huile, la brise créait des vaguelettes sur l’étang; en présence d’huile, on ne voit plus de rides, la surface est lisse (illustration vidéo ici). La peau de l’eau est devenue rigide ! Grâce à ce test, Franklin peut estimer assez bien la surface du film d’huile. Elle est énorme: de l’ordre de 100 m2.

Cette expérience porte en elle-même un résultat considérable – qui ne sera pas exploité par Franklin, mais seulement cent ans plus tard par Lord Rayleigh. Si l’on divise le volume d’huile par la surface d’étale ment, on trouve la hauteur du film – qui s’avère être de l’ordre du nanomètre: cette hauteur, c’est (en gros) la taille des molécules d’huile. Voilà l’expérience simple à laquelle nos étudiants doivent penser en premier ! Et tout l’art de cette expérience, c’est le don d’observation, I’astuce pour identifier les régions couvertes. Cet exemple me paraît très important. C’est ce que j’appelle  » l’esprit Franklin  » d’une expérience. Évidemment, je ne dis pas que le rayonnement X du synchrotron ou le faisceau de neutrons des réacteurs soient inutiles. Ils sont souvent indispensables. J’ai moi-même utilisé bien des résultats acquis avec des neutrons ! Mais il ne faut pas oublier l’esprit Franklin… (à lire ici)

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Toujours est-il que cette anecdote a donné naissance à une expérience bien sympathique … l’évaluation de la longueur de la molécule d’acide oléique. Sachant que l’huile (dont les molécules possèdent une « tête » hydrophile et une queue « hydrophobe ») se dispose en une fine couche monomoléculaire à la surface de l’eau, on tente d’évaluer la « hauteur » de cette tache de forme cylindrique connaissant le volume d’huile et le rayon de la tache.

Les recettes sur le net sont multiples. Voici la mienne. [spoiler /Cliquez pour voir ma recette/ /Cliquez pour cacher le mode opératoire/ ]

  • on commence par étalonner un compte-goutte (compter le nombre de gouttes nécessaire pour obtenir 3mL …) ;
  • une goutte d’huile pure nécessiterait une surface d’eau très importante. On va donc dissoudre l’huile dans un solvant volatil qui s’évaporera (solution 1/1500 en volume). Dans une éprouvette graduée on introduit de l’hexane (ou de l’acétone, de l’éther, …) par petites portions (l’équivalent d’un volume de 1499 gouttes) et une goutte d’acide oléique. On veille à ce que le mélange soit bien homogène ;
  • à la surface d’une bassine d’eau on saupoudre une très fine couche de poussière de craie (très peu, juste pour visualiser la tache d’huile);
  • On laisse tomber une goutte d’acide oléique au centre de la bassine. L’acide oléique repousse la craie. Le solvant s’évapore. Laissant à la surface une fine tache circulaire. On en mesure le rayon R ;
  • et pour finir, un petit calcul … extraire L de la formule Vgoutte/1500=π×R2×L (attention aux unités …).

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Soit schématiquement (cliquez ici pour télécharger le schéma au format modifiable ChemSketch … qui peut ensuite être inséré dans MS-Word …)

franklin.gif

Voici, en vidéo (prise le 29/09/2008) la formation de la tache …


Expérience de Franklin par cesuchimie

2 nombreuses réponses

2 Responses to “[labo] L’expérience de Franklin”

  1. […] Le principe en est simple : L’huile se répartit sur l’eau en une fine couche cylindrique de l’épaisseur d’une molécule (plus de détails ici). […]

  2. Annie T.on 20 Oct 2008 at 9:41

    1) Je n’ai jamais réalisé cette expérience mais je me souviens avoir lu que pour mesurer la surface de la tache on pouvait procéder ainsi : on dessine le contour de la tache sur un calque posé sur une vitre au dessus du cristallisoir puis on reporte sur une feuille de papier millimétré et on compte cm2 et mm2 …
    2) Cette expérience est très interessante à plus d’un titre car :
    – elle donne la notion de la taille des molécules ( à propos quel est le résultat pour l’acide oléique ? ) donc de la constante d’Avogadro …
    – elle permet de parler les interactions moléculaires … ( Van der Waals , autres … ) et on peut parler des bulles de savon, de la mayonnaise, de la lessive …. etc …

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