Vidéo de la leçon: Colloïdes et les suspensions Chimie

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Dans cette leçon, nous allons apprendre comment décrire les suspensions et les colloïdes et expliquer leurs propriétés. Pour comprendre ce que sont les suspensions et les colloïdes, il faut d’abord comprendre les mélanges. Un mélange est simplement la combinaison de deux ou plusieurs substances chimiques différentes qui ne réagissent pas ensemble. Dans un mélange chimique, les substances conservent généralement leur comportement chimique initial. Les mélanges peuvent être homogènes ou homogènes avec une composition uniforme. Ou ils peuvent être aussi hétérogènes avec une composition différente selon l’endroit où vous regardez.

Nous utilisons aussi le terme «stable» pour parler d’un mélange. Les mélanges peuvent être stables avec une composition constante dans le temps, ou instable avec une composition qui change avec le temps. Pour les suspensions et les colloïdes, nous utilisons plus de termes pour décrire certains types de mélanges. Mais avant d’examiner ces catégories, récapitulons ce qu’est une solution.

Une solution est un mélange d’une ou de plusieurs substances dissoutes dans une autre substance. Les substances dissoutes sont appelées les solutés, et la substance dans laquelle elles sont dissoutes est appelée le solvant. Si deux substances ou plus sont mélangées à l’échelle atomique, nous avons une solution. Nous connaissons déjà des solutions comme le soda, l’eau de mer et le dissolvant. Mais les solutions ne sont pas forcément liquides, nous verrons plus d’exemples plus tard.

Colloïde et suspension deviennent des termes importants dès que nous dépassons l’échelle de quelques atomes, et que les morceaux de substance sont plus grands. Nous appelons colloïde un mélange avec des morceaux de substance légèrement plus grands dans un milieu continu d’une autre substance. Le diamètre des particules dans un colloïde est généralement compris entre un et 1000 nanomètres. Par définition, les colloïdes sont homogènes ; ils gardent une composition constante. Avec les colloïdes et les suspensions, il est nécessaire d’agrandir un peu pour pouvoir parler de la composition. Nous prendrons en moyenne une superficie légèrement plus grande que lorsque nous parlons de solutions. Et par définition, les colloïdes sont également stables. Ils ne se séparent pas tout seuls. Il y a des manières de déstabiliser un colloïde, mais nous y reviendrons plus tard.

On appelle la ou les substances réparties en morceaux microscopiques dans le milieu, la phase dispersée. Et on appelle le milieu continu qui les entoure, le milieu de dispersion. Ainsi, la phase dispersée est dispersée dans tout le milieu de dispersion. Nous examinerons quelques exemples dans un instant. La terminologie utilisée pour une suspension est très similaire. Nous avons toujours une phase dispersée et un milieu de dispersion, mais les particules sont en général un peu plus grosses. La principale différence entre une suspension et un colloïde est que les suspensions sont instables. Les morceaux de substance finissent par se regrouper pour former des zones de concentration élevée, laissant des zones de faible concentration. Par conséquent, les suspensions sont également par définition hétérogènes. En regardant à différents endroits, on voit que la composition du mélange n’est pas uniforme.

Nous allons à présent examiner quelques exemples de solutions, de colloïdes et de suspensions. En général, lorsque nous faisons des mélanges, nous mélangeons un solide, un liquide ou un gaz avec un autre solide, liquide ou gaz. Nous allons remplir ce tableau ainsi : les solutions iront au bas, les colloïdes iront au milieu et les suspensions iront en haut. En haut, nous avons donc le soluté ou la phase dispersée. Et sur le côté gauche, nous avons l’état de ce solvant ou milieu de dispersion. Les solides ont tendance à être stables sur de longues périodes, nous n’avons donc pas tendance à penser aux mélanges solide-solide comme étant des suspensions, mais ils peuvent être des colloïdes. Par exemple, on peut fabriquer des verres colorés en introduisant de très petites particules d’autres matériaux dans le verre. Et il est possible d’avoir des solutions solide-solide. Par exemple, les alliages sont constitués par un mélange de différents types de métaux à l’échelle atomique.

Examinons maintenant les mélanges liquide-liquide. L’huile et l’eau sont deux liquides qui ne se mélangent pas naturellement. Cependant, si vous les secouez, vous obtiendrez de minuscules gouttelettes d’une phase dans l’autre. Le lait est un colloïde où diverses graisses et protéines sont en suspension dans l’eau. On peut dire que le lait est un colloïde parce qu’il subit des changements chimiques en devenant acide. On considère que la matière avec laquelle on démarre est stable. Le vinaigre, notre exemple de solution liquide-liquide, est un mélange d’acide éthanoïque ou d’acide acétique et d’eau. Il existe quelques variétés de mélange gaz-gaz. Par définition, un gaz est constitué de particules séparées, nous ne pouvons donc former qu’une solution et non un colloïde ou une suspension.

Nous pouvons décrire l’air comme différents gaz dissous dans l’azote. Nous considérons que l’azote est le solvant simplement parce qu’il constitue la majeur partie de l’air. Qu’en est-il des autres combinaisons? Le sang est un bon exemple de solide dispersé dans un liquide. Différents types de cellules sont en suspension dans l’eau, mais elles se sépareront au fil du temps. C’est ce que nous observons lorsque nous centrifugeons le sang : il se sépare en différentes couches. Les encres sont, quant à elles, de bons exemples de colloïdes solides-liquides. Elles sont souvent constituées de particules solides dispersées dans l’eau. Et comme solution, nous avons l’eau sucrée, du sucre qui est normalement un solide dissous dans l’eau. Évidemment, nous pouvons avoir des mélanges liquide-solide.

Les suspensions de liquides dans des solides ne sont pas courantes, mais il y a quelques exemples de colloïdes, comme la gelée : de l’eau dispersée dans de la gélatine. Et nous avons également des solutions liquide-solide telles que le mercure mélangé à de l’or solide. Ensuite, nous avons des gaz dans des liquides. Un vaporisateur permet d’obtenir des suspensions de liquide dans des gaz, mais nous pouvons aussi former des colloïdes liquide-gaz comme la brume. Dans de bonnes conditions, les très petites gouttelettes d’eau sont stables dans l’air. La seule solution pour obtenir une solution liquide-gaz serait de laisser le liquide s’évaporer pour former un gaz, ce qui ne compte pas.

Regardons plutôt les mélanges gaz-liquide. La mousse du bain est constituée de fines couches de savon et d’eau entourées d’air. Mais les bulles formées s’effondrent rapidement. Pour avoir une mousse stable, il faut de plus petites bulles comme celles de la mousse à raser ou des blancs d’œufs fouettés. Notre solution gaz-liquide est l’eau gazéifiée, du dioxyde de carbone dissous dans l’eau. Nous avons finalement les mélanges un peu moins courants de solides et de gaz. La poussière dans l’air est un mélange solide-gaz instable. C’est une suspension. Mais des particules plus fines comme celles contenues dans la fumée peuvent former des colloïdes stables. Mais comme pour les mélanges liquide-gaz, nous n’avons pas de solution solide-gaz.

Nous n’avons pas l’habitude de penser aux suspensions gaz-solides. Le solide est plutôt considéré comme une structure stable. Nous pouvons donc former des colloïdes .Un bon exemple est la mousse plastique. Et il est possible de former des solutions gaz-solides. Par exemple, le palladium est un métal lourd qui absorbe l’hydrogène gazeux. Il ne s’agit que de quelques exemples, et certains sont parfois en désaccord sur le classement comme colloïdes ou suspensions. Un solide en suspension dans un gaz a un nom spécial : un aérosol solide. Et la brume est un exemple d’aérosol liquide. Ensemble, on les appelle aérosols.

Nous allons maintenant examiner certaines des propriétés clés des colloïdes et des suspensions. L’eau est incolore, et les graisses et les huiles sont en général peu colorées, un peu de jaune peut-être. Alors pourquoi le lait, qui est un mélange composé principalement de graisse et d’eau, est-il blanc? Outre le gras et l’eau, le lait contient d’autres substances, mais elles aussi sont peu colorées. Le lait est un colloïde avec des globules de graisse en suspension dans un milieu continu d’eau. L’eau est le milieu de dispersion, et les graisses et autres produits chimiques sont la phase dispersée. En traversant le lait, la lumière est dispersée. Toutes les couleurs de la lumière se répartissent dans le lait, ce qui le fait apparaitre blanc.

L’effet Tyndall est un phénomène spécial que nous rencontrons avec les colloïdes et de très fines suspensions, mais ceci n’est pas l’effet Tyndall. L’effet Tyndall est plutôt la façon dont différentes longueurs d’onde de la lumière interagissent de manière différente avec un colloïde ou une suspension. L’effet Tyndall est quelque chose que nous observons avec des particules d’une taille comprise entre 40 à 900 nanomètres, ce qui est assez proches des longueurs d’onde de la lumière visible. Les longueurs d’onde plus courtes, comme la lumière bleue, se dispersent davantage lorsqu’elles interagissent avec ces colloïdes ou suspensions.

Si nous éclairons de côté du lait avec une lumière blanche, une plus grande partie de la lumière rouge passera directement. En regardant latéralement, le lait apparaît légèrement bleu, car une plus grande partie de la lumière bleue est dispersée sur le côté. Ceci est l’illustration de l’effet Tyndall. Différentes longueurs d’onde de la lumière sont diffusées à différents degrés, produisant une couleur différente du blanc pur.

Si vous remarquez une teinte bleutée dans votre lait dans le réfrigérateur, ce n’est peut être pas parce qu’il est périmé. Ce tout simplement l’effet Tyndall. Nous pouvons utiliser l’effet Tyndall pour vérifier rapidement si un liquide est une solution, une suspension ou un colloïde. Si la lumière n’est pas absorbée par la solution, elle passera directement à travers. D’un autre côté, s’il s’agit d’un colloïde, la lumière sera diffusée et le liquide apparaîtra blanc avec une teinte bleutée en observant latéralement. Et si nous avons une suspension avec des particules assez grandes, la lumière sera toujours diffusée, mais il n’y aura pas d’effet Tyndall, donc pas de teinte bleutée.

Nous allons examiner maintenant un autre effet appelé la thixotropie, qui est la propriété à devenir moins visqueux plus on applique une contrainte longtemps. C’est une propriété apparemment étrange qui se produit lorsque l’on agite des colloïdes et des suspensions. Au début, il peut être difficile d’agiter. Mais plus on agite, plus le mélange devient facile à remuer car il devient moins visqueux. La viscosité initiale vient du fait que les particules dans la suspension ou le colloïde s’agglutinent pour former des structures régulières. En remuant, on brise ces structures, ce qui permet aux particules de circuler les unes autour des autres. C’est pourquoi il est plus facile de faire sortir le ketchup de la bouteille en la secouant. Il s’écoule mieux.

Nous allons à présent examiner la dernière propriété générale des colloïdes et des suspensions : la stabilité. Nous avons déjà dit que les suspensions sont instables et les colloïdes stables. Nous n’avons cependant pas exploré pourquoi. Premièrement, instable signifie qu’un mélange finira par se séparer. Cela n’indique pas combien de temps cela prendra. Techniquement, toute dispersion de particules qui finit par se séparer est une suspension. La stabilité d’une dispersion de particules dépend de beaucoup de choses, certaines plus subtiles que d’autres : les interactions particule-particule, les interactions particule-solvant, les interactions solvant-solvant, etc. Mais nous allons nous concentrer ici sur les deux caractéristiques principales.

Prenons une dispersion de particules et agrandissons ces particules, elles s’agglutineront plus facilement, car il est plus difficile de les garder en suspension. Cela rendra la suspension plus instable. Et si nous avons exactement le même type de particules mais que nous changeons leur superficie de manière à ce qu’elles s’attirent plus fortement, elles s’agglutineront et ne resteront pas en solution. Le mélange sera moins stable. Si nous voulons obtenir une dispersion plus stable, nous pouvons charger les particules pour qu’elles se repoussent entre elles. Plus elles auront de charges du même type, plus elles se repousseront entre elles. La stabilité des particules pourra par exemple être affectée par un changement de température, la concentration de sel dans la solution ou le pH.

Pour finir, nous allons examiner les deux types de méthodes pour préparer des colloïdes et des suspensions. Les méthodes de dispersion consistent à prendre de gros morceaux de substance et à les briser en de plus petites particules qui peuvent ensuite être dispersées. Et les méthodes de condensation consistent à prendre de plus petites particules ou des substances dissoutes et à en faire de plus grosses particules. Nous pouvons avoir au départ une solution ou un colloïde, et produire un colloïde ou une suspension. Nous pouvons utiliser la méthode de dispersion pour broyer l’amidon et l’ajouter à de l’eau pour produire une suspension ou un colloïde. En pratique, la méthode de condensation s’observe quand on injecte du gaz carbonique dans une solution d’hydroxyde de calcium, pour former ce qu’on appelle l’eau de chaux. Une fine suspension de carbonate de calcium sous forme solide est produite. Ce processus produit également de l’eau, mais je l’ai laissée de côté ici.

Voici maintenant une question de mise en pratique.

Parmi les substances ou phénomènes suivants, lequel est un exemple d’aérosol solide, un solide dispersé dans un gaz ? (A) La brume, (B) Le brouillard, (C) La peinture, (D) L’air ou (E) La fumée.

L’expression clé de la question est «aérosol solide», ce que nous avons déjà défini. C’est un solide dispersé dans un gaz. Dispersé signifie ici réparti. Nous avons ici une boîte qui contient un morceau de solide entouré de gaz. Le solide est en un seul morceau. Il n’est pas dispersé. Nous recherchons plutôt de minuscules particules de solide réparties dans le gaz.

Regardons maintenant nos cinq options et voyons laquelle pourrait correspondre. La brume se compose de fines gouttelettes d’eau en suspension dans l’air. Le brouillard est exactement la même chose, mais en beaucoup plus dense de sorte qu’on voit moins loin. Dans ces conditions, l’eau est un liquide et non pas un solide. Nous avons donc affaire à un aérosol liquide et non à un aérosol solide, donc ce ne sont pas les bonnes réponses. Les peintures, quant à elles, sont généralement constituées de particules solides de pigment en suspension dans de l’huile ou de l’eau. Les peintures sont donc bien des mélanges solides-liquides qui peuvent être des colloïdes ou des suspensions. Quoi qu’il en soit, le milieu de dispersion pour la peinture n’est pas un gaz. C’est un liquide, donc la peinture n’est pas la bonne réponse.

La quatrième option, l’air, est un mélange de nombreux gaz différents. Nous considérons donc que c’est un mélange de gaz, bien qu’on puisse aussi parler de solution de gaz, car il y a beaucoup plus d’azote que les autres gaz. L’air n’est pas la bonne réponse car il ne contient pas de solide dispersé. Il faudrait que l’air soit poussiéreux ou rempli de fumé pour que cela fonctionne. Et enfin, nous avons la fumée, qui consiste en de fines particules produites par la combustion dispersées dans l’air. Parmi ces cinq options, la seule qui soit un exemple d’aérosol solide, un solide dispersé dans un gaz, est la fumée.

Regardons maintenant les points clés. Les suspensions et les colloïdes sont des mélanges constitués d’une phase dispersée dans un milieu de dispersion. La phase dispersée est constituée de bulles ou de particules individuelles dispersées dans une phase continue solide, liquide ou gazeuse. On considère que tout mélange instable, et donc hétérogène comme celui-ci, est une suspension. Instable signifie que le mélange finit par se séparer avec le temps, et hétérogène signifie que la composition n’est pas uniforme. Et ce type de mélange qui est également stable et homogène est un colloïde.

Les suspensions et les colloïdes sont thixotropes, ce qui signifie que plus on les agite, plus ils se liquéfient. Les colloïdes et certaines suspensions fines présentent l’effet Tyndall : ils dispersent certaines fréquences de lumière plus que d’autres. C’est cet effet qui peut donner une teinte bleutée au lait. Les deux méthodes pour produire ces substances sont la méthode de dispersion dans laquelle on affine d’abord des particules avant de les répartir dans le milieu de dispersion en mélangeant. Et la méthode de condensation dans laquelle on utilise des réactions chimiques pour former des particules à partir d’une solution ou à partir de particules plus petites.