Certains liquides sont miscibles entre eux alors que d'autres ne le sont pas. Pour ces derniers, un mélange forcé donne une émulsion qui est instable : les deux phases se séparent.
Les substances chimiques liquides peuvent être classées en deux groupes : les substances hydrophiles, qui sont miscibles avec l'eau et les substances hydrophobes qui ne le sont pas. Ces dernières sont caractérisées par la présence de longues chaînes carbonées.
Afin de rassembler ces deux groupes, on utilise des substances qui sont à la fois hydrophiles et hydrophobes : les tensioactifs. En formant des micelles, ils permettent de stabiliser les émulsions.
Les mélanges de liquides
La miscibilité
Miscibilité
On dit que deux liquides sont miscibles quand ils forment un mélange homogène au niveau microscopique. Il est alors impossible de distinguer les deux constituants du mélange.
L'eau et l'éthanol sont miscibles en toutes proportions.
L'eau et l'huile ne sont pas miscibles. Ces substances forment deux phases distinctes : l'huile, moins dense, forme la phase supérieure.
Les émulsions
Considérons que l'on essaye de mélanger de l'huile et du vinaigre afin de préparer une vinaigrette.
Le vinaigre et l'huile ne sont pas miscibles : leur mélange forme deux phases bien distinctes.
Une forte agitation permet de forcer le mélange. On obtient un mélange homogène à l'œil nu. C'est une émulsion.
Après quelques minutes de repos, l'huile et le vinaigre se séparent à nouveau en deux phases bien distinctes, c'est le processus de démixtion.
Emulsion
Une émulsion est le mélange forcé de plusieurs liquides non miscibles. La structure d'une émulsion est constituée de petites gouttes d'un liquide dans l'autre liquide.
Une émulsion vue au microscope optique
La vinaigrette préparée plus haut à base d'huile et de vinaigre forme une émulsion instable.
Les liquides mélangés n'étant pas miscibles, une émulsion est par nature instable. Il se produit le phénomène de démixtion qui conduit à la formation de deux phases. Au cours de la démixtion, les gouttelettes d'un des liquides se rapprochent et s'additionnent pour devenir de plus en plus grandes, jusqu'à rassembler tout ce liquide en une phase.
Dans la vinaigrette préparée plus haut, au cours de la phase de repos, les gouttelettes d'huile se rapprochent, s'additionnent et finissent par reformer une phase d'huile qui surnage sur le vinaigre.
On peut faire le lien entre :
- Le mélange de deux liquides non miscibles qui forme une émulsion instable.
- Le mélange d'un liquide et d'un solide non soluble qui forme une suspension également instable, comme c'est le cas pour les pigments dans les peintures.
Le mélange forcé de deux espèces "qui ne s'aiment pas" ne crée pas un mélange homogène au niveau microscopique et en conséquence n'est pas stable en l'état.
Les conditions de miscibilité
On distingue deux sortes de substances chimiques liquides :
- Les substances hydrophiles, qui ont une affinité pour l'eau et qu'on va donc retrouver dans la phase aqueuse.
- Les substances hydrophobes, qui n'ont pas d'affinité pour l'eau et qu'on va retrouver dans la phase organique (ou phase grasse).
En termes de miscibilité :
- Les espèces hydrophiles sont miscibles entre elles.
- Les espèces hydrophobes sont miscibles entre elles.
- Une espèce hydrophile n'est pas miscible avec une espèce hydrophobe.
L'eau, l'éthanol, l'acide éthanoïque (qui donne son goût au vinaigre) sont des espèces hydrophiles miscibles entre elles.
Les différentes huiles alimentaires, le beurre fondu, mais aussi les alcanes liquides tels le cyclohexane (solvant très utilisé en chimie) sont des espèces hydrophobes miscibles entre elles.
La structure des espèces hydrophiles et des espèces hydrophobes
On observe un lien simple entre la nature hydrophile ou hydrophobe d'une substance et sa structure moléculaire :
- Les espèces hydrophiles sont constituées de molécules de petite taille et contenant des groupes caractéristiques (contenant des atomes d'oxygène par exemple).
- Les espèces hydrophobes sont constituées de molécules qui ne sont constitués que d'atomes de carbone et d'hydrogène (et ne contiennent donc pas de groupes caractéristiques contenant des atomes autres comme l'oxygène par exemple) ou qui possèdent de longues chaînes carbonées et peu de groupes caractéristiques en proportions.
La structure des lipides
Lipides
On appelle lipide tout corps gras entrant dans la composition d'un être vivant.
Les lipides du corps humain sont constitués en grande majorité des triglycérides.
Les lipides sont constitués en majorité de molécules que l'on appelle en chimie organique des esters.
Un ester est une molécule constituée par l'addition d'un alcool et d'un acide. Dans le cas des triglycérides, l'alcool est du glycérol et les acides sont des acides gras à longue chaîne carbonée (de 16 à 22 atomes de carbone).
Les lipides sont donc hydrophobes.
Un triglycéride, la palmitine, formée par l'addition de glycérol et de trois molécules d'acide palmitique.
On note que les chaînes carbonnées font 16 atomes de longueur, et qu'elles représentent la plus grande partie de la molécule.
Les formules des lipides étant longues à écrire, on utilise une représentation simplifiée dans laquelle :
- Les chaînes carbonées sont représentées par des lignes brisées, voire une seule ligne brisée.
- Les parties contenant des groupes caractéristiques (identifiables par la présence d'atomes d'oxygène) par un rond.
Deux représentations simplifiées d'un triglycéride
Les tensioactifs
Les espèces tensioactives
Tensioactif ou espèce tensioactive
On appelle tensioactif une substance amphiphile, c'est-à-dire possédant une partie hydrophile et une partie hydrophobe, qui permet de mélanger deux liquides non miscibles en une émulsion stable.
La partie hydrophile est constituée généralement d'un groupement caractéristique contenant de l'oxygène ou d'une partie chargée électriquement (ion).
La partie hydrophobe est constituée d'une chaîne carbonée assez longue (mais pas aussi longue que pour les lipides car sinon la molécule entière devient uniquement hydrophobe).
Représentation d'une espèce amphiphile
La moutarde contient des phospholipides qui ont des propriétés tensioactives mises à profit pour stabiliser la vinaigrette.
On trouve également des tensioactifs naturels dans le jaune d'œuf : les lécithines.
Les micelles
Micelle
Une micelle est formée par l'agrégation de molécules tensioactives à la surface de contact sphérique entre deux liquides non miscibles.
Une micelle
Les tensioactifs se placent de manière à ce que :
- Leur partie hydrophile soit en contact avec la phase aqueuse.
- Leur partie hydrophobe soit en contact avec la phase organique.
Ainsi l'émulsion est stabilisée car les gouttelettes n'ont plus tendance à se rapprocher ni à fusionner.
Les applications domestiques des espèces tensioactives
Les tensioactifs permettent de faciliter et de stabiliser les émulsions.
On les utilise en cuisine pour stabiliser les émulsions culinaires comme :
- La vinaigrette, stabilisée par la moutarde qui contient des tensioactifs sous forme de phospholipides.
- La mayonnaise, stabilisée par le jaune d'œuf (et la moutarde) qui contient des tensioactifs sous forme de lécithines.
On utilise aussi beaucoup les tensioactifs dans les détergents afin de rendre solubles les graisses dans l'eau (en formant des micelles).