Semaine thématique « Expériences autour de l’ eau » : Jour 1 ou petites histoires d’eau et d’huile

Pour bien démarrer les grandes vacances, nous te proposons une semaine où tu pourras t’amuser à réaliser quelques expériences amusantes, surprenantes et te poser quelques questions sur les phénomènes que tu observes.
N’oublie pas de prendre des photos de tes expériences, et nous les publierons ici.

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On a choisi le thème de l’eau, tout simplement parce que l’eau couvre une grande partie de notre planète, qu’il y a des tas de  phénomènes à comprendre et aussi parce que cela va nous permettre de parler de la mer, qui sera peut-être le lieu de tes vacances.

Pour commencer, on va te parler aujourd’hui du comportement de l’huile par rapport à l’eau. Comme tu le sais sûrement, ces deux liquides ne sont pas très amis parce que chimiquement parlant, ils sont trop différents. Nous l’avions expliqué dans un précédent article (voir ici). Conséquence : à chaque fois qu’on va les mettre ensemble, ils vont se séparer : chacun dans son coin.

Fig 1 : Les molécules d’eau aiment se lier entre elles
Fig 1 : Les molécules d’eau aiment se lier entre elles
Figure 5 : Les molécules d’eau n’ont aucun point commun avec une molécule de gras
Figure 2 : Les molécules d’eau n’ont aucun point commun avec une molécule de gras, elles ne se lient pas entre elles

Pour bien démarrer les grandes vacances, nous te proposons une semaine où tu pourras t’amuser à réaliser quelques expériences amusantes, surprenantes et te poser quelques questions sur les phénomènes que tu observes.

Quels vont être les conséquences de cette immiscibilité ?
Pour la planète, cela peut avoir des conséquences dramatiques (pense aux marées noires…nous y reviendrons après les expériences)

 Les expériences :

Matériel :
Il te faut quelques petites choses que tu trouveras facilement dans la cuisine :
– Deux petits flacons identiques pouvant se fermer (petits pots d’aliments pour bébé par exemple),
– une paille
– de l’huile,
– de l’eau,
– une balance (pas forcément très sophistiquée, un jouet peut convenir)
PS : si tu n’as pas de balance, tu peux la fabriquer toi-même avec un cintre et de la ficelle, voir la photo N°2)

Expérience N°1 : une histoire de densité

Tu remplis un des flacons avec un peu d’eau du robinet (tu repères le niveau). Tu peux y ajouter un colorant alimentaire pour mieux voir.
Tu fais la même chose avec le second flacon, mais cette fois-ci avec une quantité trois fois plus grande d’huile (repère-toi avec une graduation par exemple).

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 Si tu as une balance à ta disposition, tu peux vérifier que le flacon d’huile est plus lourd que le flacon contenant de l’eau.

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Maintenant, tu verses l’eau dans le flacon contenant l’huile (ou bien tu peux verser les deux dans n’importe quel ordre, dans un plus grand verre).
Avant de commencer, essaie de deviner comment va s’organiser la séparation des deux liquides. Lequel va se retrouver au fond du verre ? Lequel sera à la surface ?

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Qu’observes-tu ?
Normalement, tu observes ceci.

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Bien que l’huile soit plus lourde que l’eau, c’est l’huile qui se retrouve au-dessus de l’eau.
Tu peux même refaire l’essai, en rajoutant l’un ou l’autre des liquides dans le verre… Si c’est l’eau, elle va directement plonger dans le fond, si c’est l’huile, elle va rester en surface.

Si tu as utilisé un pot qui peut se fermer avec un bouchon hermétique, tu peux t’amuser à secouer l’ensemble. L’huile et l’eau vont d’abord se mélanger (à première vue) mais après quelques instants, l’huile et l’eau regagnent leur place initiale !

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Enfin tu peux encore t’amuser à rajouter un glaçon dans le verre.
Bien que le glaçon soit également de l’eau (à l’état solide), le glaçon flotte au-dessus de l’huile.

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Explications
Ce qui compte ce n’est ni masse, ni le volume des deux corps, mais leur densité respective. Elle est définie comme la masse d’une unité de volume : 1 litre ou 1 mètre cube par exemple. C’est beaucoup plus pratique pour comparer le comportement de deux fluides car la comparaison concerne des quantités égales. Dans le cas où l’un des deux est solide, cela permet de prévoir la flottabilité (voir l’article sur le sous-marin).

Cette notion de densité d’un matériau est liée à deux choses :
– la nature de ses constituants (molécules ou atomes), notamment leur taille,
– la façon dont ces constituants  sont organisés. S’ils sont très serrés, le matériau sera plutôt dense. S’il y a du vide ou de l’air, il sera peu dense.

La densité est une caractéristique propre d’une substance.

Bref, si on revient à notre expérience :
Les molécules d’huile sont très longues et bien plus grandes que les molécules d’eau. Lorsqu’elles se retrouvent, elles se gênent mutuellement et sont peu organisées ce qui conduit à une structure assez peu compacte.
Dans l’eau, l’attraction entre molécules conduit à une structure bien organisée et assez compacte : la densité est donc plus élevée que l’huile.
Dans la glace, les molécules s’associent dans les trois dimensions et cela forme un superbe réseau hexagonal (nous l’avions vu ici)

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Expérience  N°2 : où coincer la bulle ?

Tu reprends le récipient rempli de tes deux liquides. Tu plonges une paille jusqu’au fond du récipient et tu souffles doucement. Puis tu observes le cheminement des bulles …

paille

Qu’observes-tu ?

Les bulles remontent très facilement jusqu’à la frontière (ou interface) eau/huile mais restent bloquées à ce niveau. Elles finiront par remonter mais mettront beaucoup de temps.

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Explications
Comme on l’a vu précédemment, les molécules d’eau sont petites : l’air peut rapidement se frayer un chemin entre elles. Les molécules qui constituent l’huile sont longues et encombrantes. Il est donc assez difficile de circuler entre elles.
Cette propriété qui s’intéresse à la résistance à l’écoulement au sein d’un liquide s’appelle la viscosité. Celle de l’huile est plus élevée que celle de l’eau.
Les bulles d’air restent donc coincées à l’interface.

Synthèse
En conclusion de ces deux expériences, on peut faire le parallèle avec les marées noires. Tu sais, cela se produit lorsqu’un pétrolier fait naufrage et laisse s’écouler sa cargaison de pétrole en mer. Cela peut également arriver lorsqu’un puits de pétrole en mer a un incident d’exploitation.
C’est une catastrophe écologique pour plusieurs raisons.
Tout d’abord, le pétrole est un mélange d’hydrocarbures, dont la plupart se comportent comme des huiles.
Après brassage, et quelques autres phénomènes physico-chimiques dans l’eau de mer, certains hydrocarbures du pétrole se séparent. Ceux qui sont plus denses que l’eau (les goudrons par exemple), sédimentent et se retrouvent au fond de la mer. Mais la plupart des hydrocarbures ont une densité plus faible (comme l’huile), et s’étalent en surface de l’eau.

Les victimes sont nombreuses pour tout un tas de raisons. Parmi l’une d’elle, on peut citer la limitation des échanges d’oxygène entre l’air et l’eau, comme ce que nous avons vu lors de l’expérience. Les végétaux et les animaux formant le plancton sont les premières victimes mais ensuite, toute la chaîne alimentaire est affectée.

plongeur
« L’air va vite me manquer avec cette flaque de pétrole ! »

Texte : Pascale BAUGE – Le Monde et Nous : http://lemondeetnous.cafe-sciences.org/
Illustrations : Stéphanie DUBUT – Stef Comics http://stefcomics.blogspot.fr/

Rendez-vous demain, pour la suite …

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