II) L'Hydrophobie
Définition de l'hydrophobie:
L’hydrophobie proprement dite est une surface qui "n’aime pas l’eau". Ainsi l’eau n'est pas absorbée, mais sera présente au dessus de cette surface si la surface est hydrophobe.
Dans la nature ces phénomènes peuvent être observés chez les animaux tout comme les végétaux. L’Homme a d’abord observé les phénomènes qui l’entoure puis a ensuite essayé de les reproduire grâce à la technologie qu'il possédait… En effet, chez les animaux nous pouvons retrouver ce petit insecte qui est
« le guéris », il arrive à glisser sur l’eau.
Il est vrai tout de même que chez les végétaux ce phénomène est plus facilement visible, il existe de nombreux végétaux hydrophobes. Dans ces végétaux nous pouvons en présenter quelques-uns, par exemple : La feuille de chou, la feuille de salvinia ou bien encore la feuille de Lotus. Nous avons ici, deux photos de feuille de lotus, l’une observé dans la nature et une observé au microscope en présence de trois gouttes d’eau.
Dans notre TPE, nous avons voulu reprendre une matière hydrophobe oubliée de nos jours et qui pourtant aux XIXème siècles était très utilisée. Cette matière est la Colophane. Elle est obtenue après distillation de la térébenthine présente dans la résine de pin. Le gemmage est le procédé qui permet de récupérer la résine de pin en blessant l’arbre durant l’été. Cependant la colophane est de nos jour oubliée car trop couteuse et elle abime la feuille au bout d’un certain temps. Nous n’avons pas pu pratiquer le gemmage, puis ensuite faire une distilation pour obtenir notre colophane. En effet, lors du TPE ce n’était pas la bonne saison, l’arbre n’aurait pas pu nous donner sa résine et nous aurions abimé voir tuer l’arbre si nous l’avions fait
Pour résoudre ce problème, nous avons donc acheté de la colophane dans un magasin de musique (utilisée pour l'archet des violons). Puis nous l’avons écrasé pour obtenir une « poudre » de colophane. Dans la partie expérience vous pourrez retrouver la vidéo montrant que la colophane est hydrophobe.
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Le procédé utilisé pour rendre une feuille hydrophobe avec de la colophane s’appelle le « collage dans la masse ». Le collage dans la masse consiste à introduire la substance hydrophobe ici « la colophane », dans une cuve constituée d’eau et de pâte à papier. Dans ce cas, nous devons rajouter de la soude et du Sulfate d’aluminium pour améliorer l’adhésion de la colophane aux fibres. Cependant un problème persiste, lorsque nous rajoutons la soude nous passons d’un milieu neutre (ph=7) dans un milieu acide (ph=4) ce qui abimera la feuille avec le temps..
Nous avons donc dû calculer la quantité de matière puis déterminer le nombre de mol de Colophane, de Soude et de Sulfate d’Aluminium :
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Colophane (C20H30O2):
La solubilité de la colophane est d’environ 130mg/L (la colophane est très peu soluble). Or, nous allons utiliser une cuve de 20 Litres d’eau, soit : m=130.10(-3)*20=2,6g. Ainsi, il nous faut 2,6g de colophane pour 20L d’eau. Nous allons maintenant calculer la quantité de matière de la colophane :
M=20*M(C)+30*M(H)+2*M(O) M=20*12+30*1+2*16=302g/mol
Nous devons maintenant calculer le nombre de mol de colophane correspondant à une masse de 2,6g. M=m/n donc n=m/M. n=2,6/302
n=8.6.10-3mol.
Pour obtenir la meilleure adhérence de la colophane avec les fibres végétales, nous devons avoir le même nombre de mol pour la soude et sulfate d’aluminium que la colophane.
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Sulfate aluminum (Al2(SO4)3,18H2O):
Nous allons calculer la quantité de matière du Sulfate d’Aluminium pour ensuite déduire la masse qu'il faut mettre dans 20L d’eau : M=2*M(Al)+3*M(S)+3*4*M(O)+18*2*M(H)+18*M(O) M=2*27+3*32+3*4*16+18*2*1+18*16
donc M=666g.mol-1 M=m/n donc m=n*M
m=n*M m=8,6.10(-3)*666
donc m=5,7g
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Soude (NaOH):
Nous allons calculer la quantité de matière de Soude pour pouvoir en déduire la masse qu'il faut mettre dans 20L d’eau :
M=1*M(Na)+1*M(O)+1*M(H)
M=23+16+1=40g.mol-1
M=m/n donc m=n*M.
m=n*M
m=40*8,6.10(-3)
donc m=0,34g
Malheureusement lors de l’expérience à Pagora, cela n’a pas était concluant car la colophane ne s’est pas solubilisé entièrement. Nous aurions pu solubiliser le reste de la colophane resté à la surface par d’autres procédés chimiques. Mais, il aurait fallu des autorisations specifiques ainsi que des assurances que nous n'avons pas pu obtenir.
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L’INP de Pagora nous a gentiment procuré une résine synthétique à base de kétamine (C13H16CINO). Cette résine est l'équivalent de la colophane de nos jours, elle aussi permet de rendre hydrophobe la formette (=feuille ronde).
molécule de kétamine
Nous avons donc ensuite créé quelques feuilles "collées" (voir experience)
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Le Revêtement est une autre technique permettant l’hydrophobie afin d'améliorer la résistance à l’eau. Cette méthode consiste non pas comme le collage dans la masse à introduire une substance lors de la fabrication de la feuille mais à la rajouter après sa fabrication.
Dans les revêtements (d’un cas général sans parler de la feuille), il existe des sprays contre tous les liquides, ces sprays sont super-hydrophobes. Mais dans notre cas, nous allons utiliser de la gélatine animal (de porc).
Lors de l'expérience, nous avons vu que la feuille avec le revêtement gélatine était plus résistante à l'eau que notre feuille brut. Cependant elle ne peut pas répondre à notre problématique puisqu'elle est , d'une part transparente et d'autre part nous ne pouvont pas écrire sur celle-ci car elle est trop rigide...
Principe de l'hydrophobie :
