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S09 – 🧪 TP 1 – Mesure de la CMC par conductimétrie⚓︎

🎯 Objectifs du TP⚓︎

Objectifs scientifiques et cosmétologiques⚓︎

  • mettre en évidence le comportement d’un tensioactif en solution aqueuse,
  • comprendre le lien entre conductivité et concentration en ions libres,
  • déterminer expérimentalement la concentration micellaire critique (CMC),
  • relier un résultat expérimental à une organisation moléculaire.

Objectifs méthodologiques (préparation E2)⚓︎

  • exploiter un résultat expérimental,
  • analyser un graphique scientifique,
  • identifier une rupture de comportement,
  • rédiger une conclusion scientifique argumentée.

🧴 Contexte professionnel⚓︎

Les tensioactifs sont des composants essentiels des produits cosmétiques lavants(shampooings, gels douche, savons liquides).

Le dodécylsulfate de sodium (SDS) est un tensioactif ionique couramment utilisé. En formulation cosmétique, il est essentiel de connaître la concentration minimale efficace à partir de laquelle les micelles se forment : la CMC.

📎 Documents fournis⚓︎

Document 1 – Le dodécylsulfate de sodium (SDS)⚓︎

Le dodécylsulfate de sodium ou Laurylsulfate de sodium (noté en abrégé SDS dans la littérature anglo-saxonne où son nom est Sodium Dodecyl Sulphate) est un tensioactif ionique que l’on trouve dans les shampooings.

SDS

L’anion dodécylsulfate présente la particularité de posséder une tête hydrophile et une chaîne carbonée hydrophobe.

dodecylsulfate

Document 2 – La CMC : Concentration Micellaire Critique⚓︎

En solution aqueuse, les ions dodécylsulfate peuvent s’organiser en donnant des agrégats microscopiques nommés micelles.
On envisage ici la formation de micelles sphériques : le cœur de la micelle est constitué des parties hydrophobes de l’ion dodécylsulfate ; les têtes polaires de cet ion, ainsi que des contre-ions Na⁺, se trouvent à la surface.

Les micelles ne se forment que si la concentration en tensioactif introduit C(SDS)\(_{introduit}\) est supérieure à une valeur limite appelée concentration micellaire critique (CMC).

On distingue deux situations :

  • Situation 1 :
    La concentration en tensioactif introduit C(SDS)\(_{introduit}\) est inférieure à la CMC.
    Les ions \(C_{12}H_{25}OSO_{3}^{-}\) sont libres en solution et leur concentration C(SDS)\(_{libre}\) est égale à la concentration introduite.

  • Situation 2 :
    La concentration en tensioactif introduit C(SDS)\(_{introduit}\) est supérieure à la CMC.
    Des micelles se forment.
    La concentration C(SDS)\(_{libre}\) des ions \(C_{12}H_{25}OSO_{3}^{-}\) libres est alors égale à la CMC, même si la concentration introduite continue d’augmenter.

micelle

Document 3 – Tout est question de concentration⚓︎

Quand on ajoute du SDS à une solution aqueuse, celui-ci se dépose à la surface avec ses têtes hydrophiles en contact avec l’eau et les queues hydrophobes apolaires orientées vers l’air, afin de minimiser les interactions défavorables entre ces dernières et la phase aqueuse polaire.

Une fois que toute la surface est recouverte de SDS (la CMC est alors atteinte), les molécules de tensioactif ne peuvent plus s’y fixer. La seule façon d’empêcher les queues apolaires d’entrer en contact avec la phase aqueuse est alors que ces dernières s’agglutinent pour former des micelles.

Les micelles peuvent alors piéger les salissures grasses, qui se concentrent au centre hydrophobe de la micelle. C’est le principe d’action des lessives, détergents, savons et shampooings.

Document 4 – Rappel : principe de la dilution⚓︎

La dilution consiste à obtenir une solution moins concentrée à partir d’une solution initiale plus concentrée, appelée solution mère.

Lors d’une dilution :

  • la quantité de soluté reste la même,
  • seul le volume de solution augmente.

La relation de dilution s’écrit :

\(C_{mère} \times V = C_{fille} \times V'\)

où :

  • \(C_{mère}\) est la concentration de la solution mère,
  • \(V\) est le volume de solution mère prélevé,
  • \(C_{fille}\) est la concentration de la solution obtenue,
  • \(V'\) est le volume final de la solution diluée.

On définit le facteur de dilution \(F\) par :

\(F = \dfrac{V'}{V}\)

Plus le facteur de dilution est élevé, plus la solution obtenue est diluée.

⚠️ Lors d’une dilution :

  • le prélèvement se fait à l’aide d’une pipette,
  • le volume final est ajusté dans une fiole jaugée.

Document 5 – Comprendre “hydrophile / hydrophobe” sans avoir fait la polarité⚓︎

L’eau est une molécule polaire :

  • l’oxygène attire plus fortement les électrons → il porte une charge partielle négative notée $ \delta^-$
  • les hydrogènes portent une charge partielle positive notée $ \delta^+$

On peut retenir : l’eau “aime” les charges (ou les zones avec $ \delta^+$ / $ \delta^-$).

1) Liaisons “polaires” et “non polaires” (version simple)⚓︎

  • Une liaison est dite polaire quand les électrons sont plus attirés par un des deux atomes → on obtient deux extrémités : $ \delta^-$ et $ \delta^+$
  • Une liaison est dite non polaire quand les électrons sont partagés à peu près également → pas de charges partielles marquées

Règle pratique (niveau TP) :

  • les liaisons impliquant O (oxygène) et souvent S–O sont fortement polaires
  • les liaisons C–C et C–H sont (quasi) non polaires

2) Application au SDS⚓︎

  • Tête hydrophile (sulfate) : elle contient plusieurs atomes O et porte une charge négative globale (\(…SO_3^-\))

→ donc fortes interactions avec l’eau (attraction eau ↔ charge / ( \delta )) → hydrophile

  • Queue hydrophobe (chaîne carbonée \(C_{12}H_{25}\)) : elle contient surtout des liaisons C–C et C–H

→ zone non polaire, sans charge marquée → l’eau interagit très peu avec cette zone → hydrophobe

Phrase à retenir :

Chargé / très polaire → hydrophile ; non polaire (C–C, C–H) → hydrophobe.

🧠 PARTIE A – Exploitation documentaire préalable⚓︎

1. Structure du tensioactif SDS⚓︎

1. Identifier les deux parties de l’ion dodécylsulfate.




2. Préciser le comportement de chacune vis-à-vis de l’eau.




3. Expliquer pourquoi la tête est hydrophile et la queue hydrophobe (à l’aide du Document 5). Pour t’aider, réponds aux 3 sous-questions :

3a. Repérer sur la tête les éléments qui rendent la zone “aimée par l’eau” :

  • présence de quel(s) atome(s) ?
  • présence d’une charge globale ?



3b. Repérer sur la queue le type de liaisons majoritaires (C–C ? C–H ? autres ?) et dire si cette zone est plutôt polaire ou non polaire.



3c. Conclure en une phrase : “Donc la tête est … car … ; la queue est … car …”




2. Organisation en solution aqueuse⚓︎

4. Décrire l’organisation des molécules de SDS :

  • lorsque la concentration est inférieure à la CMC,
  • lorsque la concentration est supérieure à la CMC.





5. Expliquer ce qu’est une micelle et préciser son rôle en cosmétologie.





3. Définition de la CMC⚓︎

6. Proposer une définition précise de la CMC.




7. Expliquer pourquoi la CMC correspond à une concentration seuil.





🧪 PARTIE B – Manipulation expérimentale⚓︎

4. Protocole expérimental⚓︎

Une solution mère de SDS de concentration massique \(C_{mère}\) = \(11,5\) \(g·L^{-1}\) a été préparée à l’avance afin d’éviter la formation de mousse.

On prélève différents volumes \(V\) de cette solution mère, que l’on dilue avec de l’eau distillée pour obtenir un volume final de 50 mL.

5. Principe de la dilution⚓︎

8. Rappeler le principe de la dilution reliant \(C_{mère}\), \(V\), \(C_{fille}\), \(V'\).





9. Définir le facteur de dilution \(F\).





6. Préparation des solutions⚓︎

10. Remplir le tableau suivant :

on a :

  • La solution mère de SDS a une concentration massique : \(C_{mère} = 11,5{g·L}^{-1}\).
  • Les solutions filles de SDS ont un volume de 50 mL
Solution S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9
Volume prélevé (mL) 1,0 3,0 5,0 9,5 10,5 12,5 14,5 16,0 17,5
Facteur de dilution
Concentration (g·L⁻¹)

11. Décrire le protocole de préparation et la verrerie utilisée, parmi

  • Burette graduée, pipettes jaugées de 5, 10 et 20mL.
  • Petits béchers de prélèvement ou transvasement.
  • Béchers de 50mL.
  • Fiole jaugée de 50mL.






⚠️ Consigne importante : mesurer les solutions dans l'ordre S1 → S9 (de la moins concentrée à la plus concentrée). Rincer la sonde du conductimètre à l'eau distillée entre chaque mesure.

7. Conductivité et concentration⚓︎

La conductivité \(\sigma\) d’une solution ionique est proportionnelle à la concentration en ions libres : \(\sigma = k \times C\)

12. Quelle est l’allure attendue de la courbe \(\sigma = f(C)\) ?





8. Mesure de la conductivité⚓︎

Solution S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9
Concentration (g·L⁻¹)
Conductivité (mS·cm⁻¹)

🧠 PARTIE C – Exploitation des résultats⚓︎

13. Tracer le graphique \(\sigma = f(C)\).

14. Mettre en évidence deux zones de comportement.





15. Déterminer graphiquement la CMC du SDS (en g·L⁻¹).





✍️ PARTIE D – Interprétation cosmétologique (E2)⚓︎

16. Le fait d’augmenter fortement la concentration en SDS au-delà de la CMC est-il pertinent ? Rédiger une réponse argumentée (6 à 8 lignes).






🧾 Conclusion⚓︎

Valeur de la CMC – sens physico-chimique – intérêt en formulation cosmétique.







🔗 Lien explicite avec la méthode⚓︎

Pour analyser correctement ces documents, se référer à :

➡️ Fiche méthode 03 – Interpréter un graphique / tableau (ex : CMC)