Comparaison de gels liquides et solides

Nous avons vu dans les expériences du Slime^® et du polyacrylamide, tout deux des gels, que l'un était liquide et l'autre solide. Quelles sont vraiment les différences entre un liquide et un solide ? Comment expliquer ces différences en terme de liaison physique et liaison chimique ?

1 Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

• Se laver les mains après avoir touché le polyacrylamide. Ne pas le faire brûler dans une flamme.

2 Matériel

• Slime^®
• Polyacrylamide (PAM)

3 Protocole expérimental

Gel de polyacrylamide (à gauche) et Slime^® (à droite).

Effectuer les tests suivants sur les deux matières, et observer les différences :

• Les poser sur une surface lisse ou dans un récipient : le Slime^® prend lentement la forme de la surface ou du récipient, le PA reste en place.
• Les prendre entre deux doigts : le Slime^® coule lentement, le PAM en coule pas.
• Les couper en deux morceaux et les rassembler : le Slime^® reforme un seul bloc, le PAM ne se recolle pas.
• À 30 cm au-dessus d'une surface lisse, les laisser tomber : le Slime^® rebondi difficilement, le PAM rebondi mieux.
• Les chauffer au bain-marie (dans une casserole qui trempe dans de l'eau chaude) séparément : le Slime^® devient plus fluide et coule plus vite, le PAM ne se liquéfie pas.

4 Explications

• Dans le polyacrylamide, les longues chaînes moléculaires sont réticulées chimiquement, par des liaisons chimiques covalentes qui sont relativement robustes. Le résultat est une matière élastique mais solide (tests n°1 et 2). La cassure des liaisons covalentes (c'est à dire chimiques) n'est pas réversible, il n'est pas possible de reformer ces liaisons facilement (test n°3). Les liaisons chimiques assurent la cohésion de l'ensemble du solide, même si celui-ci est constitué à 95% d'eau, à la manière d'une éponge. Lorsque le solide rebondi sur une surface, le réseau solide se déforme, mais tend à revenir rapidement vers la forme initiale, le PAM rebondi assez bien (test n°4). Une faible température ne permet pas de casser les liaisons chimiques (test n°5).
• Dans le Slime^®, les longues chaînes moléculaires sont réticulées physiquement, par des liaisons hydrogènes et des forces de van der Waals, qui ne sont pas très robustes. Le Slime^® est un gel très visqueux mais c'est un liquide (tests n°1 et 2). La cassure des liaisons physiques est réversible, on peut les défaire et les faire autant que l'on veut (test n°3). Le Slime^® est aussi constitué d'eau à 95% mais les forces assurant sa cohésion ne sont pas assez fortes pour empêcher sa déformation. Lorsqu'il rebondi sur une surface, les chaînes glissent les unes sur les autres, l'énergie mécanique est dissipée par frottement entre les chaînes, il ne rebondi pas très bien (test n°4). Une faible température suffit pour rompre les liaisons physiques par agitation thermique des molécules. Les forces assurant la cohésion du Slime^® sont moins fortes, il devient plus fluide lorsqu'on le chauffe (test n°5). Il retrouve ses propriétés à température ambiante.
• Pour voir un exemple de gel liquide qui rebondi très bien, voir l'expérience de la balle rebondissante.

5 Vidéo

• Vidéo de l'expérience (3,9 Mo, QuickTime), animation du 18/02/2005 - Chimie en fête.