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Détermination de l'ordre de grandeur de la taille d'une molécule présente dans l'huile d'olive

Expérience de Benjamin Franklin

réf: document d'accompagnement, volume 1 physique p 71 et fiche n°6 page 86 (attention ces numéros de pages correspondent à une version qui a été remaniée depuis). 

La différence essentielle avec le protocole proposé page 86 consiste en l'utilisation de poudre de lycopode (lycopodium) en lieu et place du talc. J'y ai trouvé deux avantages.

  1. D'abord, le talc est difficile à saupoudrer uniformément à la surface du plan d'eau. Il a tendance à tomber en petits paquets qui vont mal s'étaler, même lorsqu'on utilise un tamis. En revanche la poudre de lycopode beaucoup plus "légère" peut facilement être dispersée sous forme de poussière qui se déposera en une fine couche à peu près uniforme si on agit précautionneusement. Il pourrait être utile de faire une démo aux élèves avant de les laisser manipuler.
  2. Ensuite, quand on dépose la goutte d'huile, la couche qui se forme, pour peu qu'on ait pris soin de la déposer au milieu du cristallisoir, adopte quasiment systématiquement la forme d'un disque. Ce n'est presque jamais le cas avec le talc où on observe des figures très irrégulières. Avec la poudre de lycopode l'expérience est très spectaculaire.

Matériel:

  • Fil métallique de l'ordre de 0.5 mmm de diamètre (les meilleurs essais que j'ai réalisés l'ont été avec un fil de rechange de balance de torsion)
  • Palmer
  • Triple décimètre
  • Cristallisoir de 33 cm de diamètre
  • Huile d'olive (extra vierge!!!)
  • Poudre de lycopode 

Principe de la manip

C'est celui décrit page 87, sous le titre "Technique sans dilution".

Réalisation

Saupoudrage du lycopodium à l'aide d'une spatule et d'une simple passoire à thé (ou un "chinois"). On peut aussi utiliser un tampon de coton hydrophile trempé dans la poudre puis légèrement secoué et tapé au-dessus de l'eau.  

Pour améliorer la visibilité de la manip, on peut colorer l'eau dans le cristallisoir (quelques gouttes d'encre couleur d'un stylo plume). 

Compter environ une spatule pour un cristallisoir de 33cm de diamètre soit 1g de lycopodium par manipulation

Déposer doucement une goutte d'huile glissant le long du fil métallique préalablement trempé dans l'huile

L'huile s'étale immédiatement en une belle tache quasiment circulaire
Remarque: il faut absolument éviter les "effets de bords" du cristallisoir sur l'extension de la tache d'huile. C'est pourquoi le cristallisoir doit être assez grand (diamètre du cristallisoir égal à deux fois le diamètre de la tache obtenue et eau à ras bord du cristallisoir => c'est une manip qui peut mouiller les manipulateurs!). Il faut aussi que la couche de poudre de lycopode (ou de talc) soit très fine  sinon la goutte d'huile risque de ne pas s'étaler 

Mesure du diamètre de la tache. J'ai choisi volontairement de vous montrer ici l'une des moins belles taches d'huile.

 

Mesures et calculs

J'ai réalisé le dépôt de la goutte d'huile à l'aide d'un fil de 0,5 mm de diamètre (mesure avec un palmer)

Le diamètre de la tache d'huile est de 17 cm

On admet (première approximation) que le diamètre de la goutte (considérée sphérique) est celui du fil.
Le calcul conduit à Vhuile= 4/3 * (PI) * (0.25.10-3)3 soit Vhuile = 6,5.10-11 m3

L'aire de la tache est S = (PI)* (8,5.10-2)2 soit S = 2,3.10-2 m2

Longueur des molécules L = Vhuile /S soit L = 6,5.10-11/2,3.10-2

Finalement L = 2,8.10-9 m

Toutes les manip que j'ai réalisées (quatre ou cinq pour l'instant) ont fourni le même ordre de grandeur qui correspond tout à fait à ce que donne la littérature.

Conclusion

Manip simple à mettre en oeuvre mais qui exigera pour les élèves beaucoup de soins. Elle est rapide. En une dizaine de minutes tout peut être fait. On peut aussi faire mesurer le diamètre du fil à l'aide d'un palmer.

Enfin on a le temps de faire nettoyer le cristallisoir aux élèves avec un liquide pour vaisselle. C'est nécessaire pour faire une nouvelle expérience.