Systèmes colloïdaux

Le lait est une solution colloïdale de globules gras dans une solution à base d'eau.

Un colloïde est une substance sous forme de liquide ou galénique semi-solide sous laquelle peuvent se présenter des préparations pharmaceutiques, cosmétiques, etc. qui contient en suspension des particules suffisamment petites pour que le mélange soit homogène. Il ne diffuse pas à travers les membranes hémi-perméables, et, dans un fluide, il forme une dispersion homogène de particules dont les dimensions vont de 2 à 200 nanomètres.

Les colles et les gels sont des colloïdes et forment des suspensions dites colloïdales. Les suspensions colloïdales sont intermédiaires entre les suspensions (particules de taille supérieure à 200 nm) et les solutions vraies (particules de taille inférieure à 2 nm).

La pectine (polysaccharide), certaines protéines, telles l'ovalbumine ou la gélatine, forment des solutions colloïdales, dites macromoléculaires et permettent de fabriquer des flans et des gelées. D'autres glucides de haut poids moléculaire, tels l'amidon ou la cellulose, peuvent également former des colloïdes. Les peintures sans odeur, le lait ou le plasma sanguin sont des solutions colloïdales. Les métaux, comme l'argent (Collargol) ou l'or, peuvent se présenter sous forme de solution colloïdale, bien qu'il s'agisse plutôt de micro-suspension. Les composés tensio-actifs (détergents) forment des solutions colloïdales dites micellaires. Les pellicules photographiques sont des gels.

Définition d'un colloïde

Un colloïde désigne toute substance comportant deux phases distinctes, et dont les particules d'une phase, discontinue, sont bien plus petites, et diffusées dans l'autre phase.

On distingue différentes catégories de colloïdes selon la nature des phases en présence :

Par abus de langage, on verra souvent l'appellation colloïde désigner seulement la phase diffusée (la plus "fine").

Etat des connaissances sur les colloïdes

Connaissances chimiques

La stabilité d'une solution colloïdale résulte de l'équilibre entre les interactions attractives et les interactions répulsives qui s'exercent sur les particules. Ces interactions dépendent notamment de la température, du pH et des électrolytes dissous : les argiles et limons forment des solutions colloïdales qui floculent en présence de métaux ou de sels, ce qui explique l'envasement des estuaires.

Néanmoins, cette stabilité est plus cinétique que réellement thermodynamique^[1].

En effet, la sédimentation de la phase diffusée et donc la séparation des deux phases est l'état final de tout colloïde (cf. courbes de potentiels thermodynamiques du système). C'est la vitesse de ce phénomène de floculation/sédimentation, très lente, qui donne cette apparence de stabilité.

Connaissances physiques

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Colloid  ». du 01/07/2009

Interactions interparticulaires

Les forces suivantes jouent un rôle important dans l'intéraction entre particules colloïdales :

• Répulsion par volume exclu : Des particules solides (corps durs) ne peuvent s'interpénétrer.
• Interaction électrostatique : Les particules colloïdales portent souvent des charges électrostatiques ce qui les fait s'attirer ou se repousser. Les charges contenues dans la phase continue (ions en solution) ainsi que la mobilité des deux phases affectent cette interaction.
• Forces de van der Waals : Elles sont dues à l'interaction entre deux dipôles pouvant être aussi bien permanent qu'induis. Une particule n'ayant pas de moment dipolaire permanent peut en acquérir un temporairement suite à une fluctuation de densité électronique. Un tel dipôle temporaire peut induire un dipôle dans une particule voisine. Le dipôle temporaire et le dipôle induit s'attirent alors l'un l'autre. Les forces de Van der Waals sont toujours présentes sauf s'il y a égalité entre les indices de réfraction des deux phases. Ces forces sont de courte portée et attractives.
• Forces entropiques : D'après le deuxième principe de la thermodynamique, un système évolue vers un état qui maximise son entropie. Il peut en résulter des forces effectives même entre des sphères dures.
• Forces stériques : Des surfaces couvertes de polymères ou des polymères non adsorbés en solution peuvent produire une répulsion stérique supplémentaire ou, plus étonnant, une attraction par déplétion. Ces deux effets sont principalement d'origine entropique.

Stabilisation d'une dispersion colloïdale (peptisation)

On cherche à stabiliser une dispersion colloïdale en empêchant l'agrégation des particules de la phase dispersée. Les deux principaux mécanismes sont la stabilisation stérique et la stabilisation électrostatique. La stabilisation électrostatique est basée sur la répulsion des charges de même signe. Des phases différentes ont souvent des affinité électrostatiques différentes ce qui provoque la formation d'une double couche électrique à l'interface. Dans un milieu dispersé, l'aire de l'interface est d'autant plus importante que les particules sont petites. Dans une dispersion colloïdale stable la masse de la phase dispersée est trop faible pour que la gravité vainque la répulsion électrostatique. La charge portée par les particules peut être observée en appliquant un champ électrique : toutes les particules migrent alors vers la même électrode ce qui indique qu'elles portent des charges du même signe

Destabiliser une dispersion colloïdale (floculation)

Lorsque les particules s'agrègent à cause des interactions interparticulaires, on parle de dispersion instable. Certaines applications (traitement des eux usées, épitaxie de cristal colloïdal) demandent de provoquer une telle floculation. On peut y parvenir suivant différent procédés :

• Suppression de la barrière électrostatique qui empêche l'agrégation via l'ajout de sel ou la modification du pH. Ces méthodes neutralisent ou "écrantent" les charges portée par les particules. Celle-ci se rapprochent alors à portée des forces de Van der Waals qui les coagulent entre elles.
• Ajout d'un polymère chargé de façon opposée aux particules ce qui lui permet de former des ponts entre elles. Par exemple des particules de silice ou d'argile chargées négativement peuvent floculer par l'addition d'un polymère chargé positivement.
• Ajout d'un polymère non adsorbant pour induire une attraction de déplétion.
• La déformation des particules peut augmenter les forces de Van der Waals, leur faisant dépasser les forces de stabilisation. Les colloïdes coagulent alors suivant certaines orientations.

Les suspensions colloïdales de basse fraction volumique forment des suspensions d'agrégats qui finissent par sédimenter (ou crèmer) lorsque leur taille devient trop importante pour que l'agitation thermique (mouvement brownien) puisse contrebalancer la gravité. Les suspensions de haute fraction volumique forment des gels colloïdaux aux propriétés viscoélastiques. Le dentifrice par exemple coule lorsqu'il est poussé hors du tube mais reste ensuite sur la brosse à dent.

Un modèle d'atome

Les physiciens ne pouvant bien souvent pas voir les atomes directement, il leur arrive d'utiliser les colloïdes comme modèle simpliste mais aisément observable. On retrouve chez les colloïdes les forces qui gouvernent la structure et le comportement de la matière atomique. On retrouve les analogues colloïdaux des transitions de phase (cristallisation, interface entre un liquide de colloïdes et un gaz de colloïdes, point critique, etc.). Des particules colloïdales ayant une taille proche du micron peuvent être observées avec un microscope optique comme par exemple un microscope confocal. La taille (~10⁴ fois celle d'un atome) implique également une dynamique plus lente qui peut être ainsi aisément observée en temps réel.

Cristaux Colloïdaux

Microscopie électronique d'un cristal colloïdal composé de silica amorphe hydraté (diamètre d'une particule : 600 nm)

Un cristal colloïdal est un réseau ordonné de particules pouvant s'étendre loin dans l'espace (typiquement de l'ordre d'un millimètre voir d'un centimètre) et qui semblent analogues aux cristaux atomiques ou moléculaires ^[2]. La nature fournit l'exemple de l'opale, une pierre précieuse dont les régions de couleur spectralement pures sont en fait un cristal colloïdal de sphères de silice (SiO₂)^[3][4] Ces particules sphériques ont précipité dans des étangs à forte teneur en silice et ont formé cet empilement périodique après des années de sédimentation et de compression sous l'action des forces hydrostatiques et de gravitation. La périodicité des cristaux colloïdaux laisse des vides régulièrement espacés, typiquement de quelque centaines de nm, qui agissent comme un réseau de diffraction optique pour les ondes électromagnétiques, en particulier la lumière visible.^[5][6]

En effet, on sait depuis longtemps qu'à cause de la répulsion éléctrostatique, des particules chargées dans un milieu aqueux peuvent exhiber des corrélations à longue distance similaires à celles d'un cristal avec des séparation interparticulaires souvent bien plus grandes que la taille des particules elles-mêmes. Ces phénomènes sont toujours associés à une iridescence attribuée à la diffraction de la lumière visible.

Les nombreuses expériences qui ont exploré la physique et la chimie de ces cristaux colloïdaux ont permis l'émergence de techniques relativement simples de synthèse de colloïdes monodispersés. ^[7].

Méthodes de fabrication des colloïdes

à venir (pour l'instant, se référer à emulsion, section "technologie")

Exemples de colloïdes

Certaines peintures, ce qu'on appelle couramment aérosols comme la laque ou les déodorants, mais aussi certains aliments sont des colloïdes.

Les colloïdes alimentaires^[1]

On rencontre couramment de nombreux colloïdes parmi nos aliments. Quelques exemples:

• la mousse, qui est une catégorie de colloïdes à part entière (gaz dans liquide);
• la crème glacée, qui est un mélange d'air et de crème;
• les yaourts.

Les colloïdes magnétiques

On fabrique aussi, pour des besoins industriels, de petites billes de polymères qui sont destinées à être diffusées dans des liquides, notamment de l'eau, et qui auront alors un comportement de colloïde.

Souvent en polystyrène, ces petites billes peuvent subir un traitement particulier : l'intégration de poudre de fer lors de la synthétisation du polymère permet de rendre ces objets sensibles aux phénomènes électro-magnétiques.

Dès lors, les billes répandues dans un liquide seront sensibles aux champs électriques. En particulier, elles vont s'organiser de façon ordonnée en fonction de ce champ, en se comportant comme des dipôles électriques induits.

Les colloïdes magnétiques ont des applications notamment dans la biochimie, en tant qu'éléments constitutifs d'une méthode de séparation^[8] permettant d'obtenir des résultats similaires à l'électrophorèse ou à la chromatographie.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Émulsion
• Sol
• Aérosol
• Gel
• Hydrocolloïde

Ressources externes

• Conférence de l'Université de tous les savoirs par Jérôme Bibette

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