Fiche explicative de la leçon: Colloïdes et suspensions Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les suspensions et les colloïdes et expliquer leurs propriétés.

Imaginons que nous avons deux verres d’eau. On ajoute une cuillère de sucre dans l’un, et une cuillère de sable dans l’autre. Quelle est la différence entre ces deux mélanges ? Le sucre se dissout dans l’eau pour former un type de mélange appelé solution. Les molécules de sucre sont séparées par les molécules d’eau et réparties uniformément dans la solution.

En revanche, le sable ne se dissout pas dans l’eau. Nous pouvons remuer le mélange pour répartir le sable, mais avec le temps, le sable se déposera au fond. Nous appelons ce genre de mélange une suspension.

Un troisième type de mélange est appelé colloïde. Un exemple de colloïde est le lait, où des globules de gras et de protéine sont répartis uniformément dans l’eau. Ces particules sont plus grandes qu’une molécule de sucre, mais plus petites qu’un grain de sable. Comparons les compositions, les tailles des particules et la stabilité de ces types de mélanges.

Les suspensions, comme le sable dans l’eau, sont par définition hétérogènes, ce qui signifie qu’elles ont une composition inégale. Alors que nous pouvons remuer le mélange pour lui donner l’apparence d’une homogénéité, au fil du temps, le sable se déposera au fond du récipient. Les suspensions contiennent de grandes particules d’environ 1‎ ‎000 nm ou plus.

Des solutions comme le sucre dissous dans l’eau sont par définition homogènes, ce qui signifie qu’elles ont une composition uniforme. Étant donné que les molécules de sucre sont séparées et dispersées uniformément à travers l’eau, toute région de la solution que nous regardons aura la même composition que n’importe quelle autre. À moins que nous ne changions la température, la concentration ou d’autres caractéristiques de la solution, le sucre restera dissous dans l’eau. Les particules dans les solutions sont typiquement des atomes individuels, des ions ou des molécules. Ces particules sont beaucoup plus petites que les amas ou les grains trouvés dans les suspensions.

En fonction de comment nous les regardons, les colloïdes peuvent être hétérogènes ou homogènes. À première vue, un verre de lait peut sembler homogène, car la couleur et la composition de la substance sont partout les mêmes. Cependant, au niveau microscopique, leur composition est souvent hétérogène.

Si nous regardons le lait à une échelle microscopique, nous verrons certaines régions contenant des gouttelettes de gras et de protéine, et d’autres régions contenant uniquement de l’eau. À moins que le lait ne subisse un changement physique, comme le chauffage, ou un changement chimique, comme lorsqu’il devient tourné, le colloïde restera stable. Les particules dans un colloïde sont généralement entre 1–1‎ ‎000 nm et sont constitués de grandes molécules ou d’agrégats de molécules.

Dans les colloïdes, les particules en suspension constituent ce qu’on appelle la « phase dispersée ». La phase ou le milieu à travers lequel les particules sont réparties s’appelle le « milieu de dispersion ».

Pour le lait, à la fois la phase dispersée et le milieu de dispersion sont des liquides, mais la phase dispersée ou le milieu de dispersion peuvent être chacun un solide, un liquide ou un gaz.

Comme nous l’avons mentionné précédemment, la phase dispersée et le milieu de dispersion d’un colloïde peuvent être solides, liquides ou gazeux. Le tableau ci-dessous indique des noms et des exemples de colloïdes avec différents états de milieu de dispersion et de phase dispersée.

Avec un milieu de dispersion solide, nous pouvons former un colloïde avec du gaz dispersé pour créer une mousse solide, y compris un matériau léger tel que la mousse de polystyrène. Un liquide dispersé à travers un solide peut créer des gels tels que la gélatine ou la gelée d’agar. Un solide dispersé à travers un solide est connu sous le nom de sol solide, un exemple en est le verre coloré.

Un solide dispersé à travers un liquide est connu sous le nom de sol et peut être utilisé pour produire des peintures et des encres. Une émulsion est un liquide dispersé dans un liquide, des exemples en sont le lait ou la mayonnaise. La dispersion de gaz à travers un liquide peut former des mousses comme la mousse à raser et les crèmes à faible densité.

Avec un milieu de dispersion gazeux, on peut avoir des solides dispersés sous forme d’aérosols solides, tels que la fumée, ou des liquides dispersés sous forme d’aérosols liquides, tels que des brumes ou du brouillard. Il n’y a pas de colloïdes gaz-gaz, car deux gaz se mélangent au niveau atomique ou moléculaire pour former des solutions, et non pas des colloïdes.

Une propriété importante des solutions, des colloïdes et des suspensions est leur stabilité. Alors que les colloïdes et les solutions restent mélangés, les suspensions finiront par voir leurs constituants se séparer. Considérons les suspensions d’eau et de sable mentionnées au début. Nous pouvons remuer le sable pour le disperser temporairement dans l’eau, mais avec le temps, le sable se déposera au fond du récipient. En revanche, un colloïde, comme la peinture, restera stable.

Les colloïdes sont par définition des mélanges stables. Cependant, nous pouvons changer la stabilité du colloïde en changeant certaines de ses propriétés. Bien que de nombreux facteurs contribuent à la stabilité, le facteur le plus important est la taille des particules. Les particules plus grandes sont moins stables et plus susceptibles d’engendrer une séparation. Par exemple, comme les entreprises laitières veulent que leur lait dure longtemps, elles utilisent parfois un processus appelé « homogénéisation », qui décompose les gouttelettes de gras en gouttelettes plus petites. Des particules plus petites conduisent à un colloïde plus stable et rendent la gras moins susceptible de se séparer lorsque la crème s’élève à la surface.

Un autre facteur clé de la stabilité des colloïdes est l’interaction particule-particule du milieu dispersé. En d’autres termes, des interactions particule-particule fortes peuvent perturber la stabilité en provoquant l’agrégation et à terme, la séparation de la phase dispersée. Par exemple, le processus de fabrication du fromage à partir de lait implique l’utilisation d’une enzyme pour permettre aux graisses et aux protéines de se lier ensemble par une attraction forte. Lorsque ces particules de gras et de protéine se combinent, elles forment des particules plus grandes, qui se séparent ensuite du colloïde sous forme de fromage caillé.

La force des interactions particule-particule dans un colloïde peut changer lorsque nous modifions la température, le pH ou la concentration de la solution. Pour cette raison, les colloïdes sont souvent fabriqués et stockés de manière particulière afin de préserver leur stabilité.

De nombreux colloïdes sont des mélanges thixotropes. Un mélange thixotrope est une substance dont la viscosité diminue lorsque nous l’agitons ou la secouons. Un bon exemple est le ketchup, qui peut souvent rester collé au fond de la bouteille sous forme de liquide visqueux. Si nous secouons ou tapotons la bouteille, la force de cisaillement appliquée au ketchup peut réduire sa viscosité, l’amenant à se liquéfier et à sortir du récipient.

Si on a affaire à un mélange stable, on peut se demander comment on peut déterminer s’il s’agit d’une solution ou d’un colloïde. Une approche repose sur ce qu’on appelle l’effet Tyndall. L’effet Tyndall décrit la diffusion de la lumière lorsqu’elle passe à travers un colloïde ou une suspension fine.

L’effet Tyndall repose sur le fait que les particules dans les colloïdes ont approximativement la même taille que les longueurs d’onde de la lumière visible, de l’ordre de quelques centaines de nanomètres. Cette taille comparable signifie que la lumière avec des longueurs d’onde plus courtes entre plus souvent en collision avec des particules et se diffuse plus intensément que la lumière avec des longueurs d’onde plus longues. Dans les solutions, les particules sont trop petites pour dévier la lumière.

La diffusion de la lumière dans l’effet Tyndall est visible surtout de deux façons. Premièrement, étant donné que le colloïde diffuse la lumière dans toutes les directions, le faisceau lumineux est visible dans le colloïde lui-même. Le passage d’un faisceau lumineux à travers une solution n’est visible que sur les surfaces sur lesquelles tombe le faisceau lumineux. La deuxième effet visible de l’effet Tyndall est la teinte de la lumière. Étant donné que la lumière de longueur d’onde plus courte telle que la lumière bleue est diffusée plus intensément, la lumière diffusée sur le côté du faisceau aura une teinte bleuâtre. Inversement, étant donné que la lumière de longueur d’onde plus longue telle que la lumière rouge est diffusée moins intensément, la lumière qui passe directement à travers le colloïde aura une teinte rougeâtre.

Un exemple quotidien de l’effet Tyndall est le faisceau visible de phares de voiture dans le brouillard. Bien que la coloration de cette lumière ne soit pas clairement visible, nous pouvons voir que le colloïde d’eau suspendu dans l’air disperse la lumière pour rendre le faisceau visible. Lorsqu’il traverse une solution d’air, le faisceau n’est visible que directement depuis les ampoules ou sur les surfaces sur lesquelles il tombe.

Exemple 4: Identification d’une solution à partir du comportement de la lumière qui la traverse

Lequel des graphiques suivants représente un bécher contenant une solution ? 

Réponse

On nous demande d’identifier l’image qui représente la lumière traversant une solution. La différence entre les trois images est dans la visibilité du faisceau lumineux dans le bécher. Pour répondre à cette question, nous devons comprendre l’effet Tyndall.

L’effet Tyndall est la diffusion de la lumière lorsqu’elle passe à travers un colloïde ou une suspension fine. La diffusion de la lumière rend le faisceau lumineux visible à l’intérieur du colloïde. Lorsque la lumière passe à travers une solution, l’effet Tyndall n’a pas lieu, de sorte que le faisceau de lumière reste invisible dans la solution.

L’image avec un faisceau de lumière invisible passant à travers le bécher est le choix A, alors la réponse correcte est A.

Il y a plusieurs façons de produire des colloïdes. Ces méthodes appartiennent en grande partie à deux catégories : la dispersion et la condensation.

Les méthodes de dispersion impliquent de prendre des particules plus grandes, les diviser en particules plus petites entre 1 et 1‎ ‎000 nm de diamètre, et ainsi former un colloïde. Brûler du bois pour fabriquer de la fumée, broyer du maïs pour fabriquer de l’amidon de maïs et l’ajouter à l’eau, et broyer des pigments pour les mélanger à la peinture sont tous des exemples de formation de colloïdes par dispersion.

Les méthodes de condensation, en revanche, reposent sur la prise de petites particules et leur agrandissement, généralement avec des tailles de particules inférieures à 1‎ ‎000 nm. Un exemple de condensation est la formation de brouillard ou de nuages. Les petites gouttelettes d’eau dans l’air se combinent pour obtenir des particules plus grandes formant un colloïde visible.

Dans un laboratoire ou une usine, il existe diverses façons d’obtenir des colloïdes. Pour obtenir un colloïde par dispersion, un procédé industriel peut utiliser un courant électrique ou un agent peptisant pour diviser et distribuer de grandes particules.

Pour obtenir un colloïde par condensation, un procédé industriel peut modifier l’état d’une substance avec une méthode soigneusement contrôlée. On peut également réaliser une réaction chimique qui entraîne la formation d’agrégats de molécules.

Un exemple courant est l’obtention de soufre colloïdal par la méthode de la condensation. L’équation chimique de ce processus est la suivante :