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Chapitre 4 – Savons et détergents — Exercices

Terminale Bac Pro | Physique-Chimie | Groupement 5 (Chimie)

Exercices Socle

Socle Exercice 1 – Structure d'une molécule tensioactive

Une molécule tensioactive possède deux parties. Associer chaque partie à sa description :

PartieDescriptionReprésentation
Tête hydrophile……
Queue hydrophobe……

Aide : attirée par l'eau | longue chaîne carbonée / attirée par les graisses | groupe ionique ou polaire / rond | trait

  • Tête hydrophile : groupe ionique ou polaire, attirée par l'eau. Représentée par un rond.
  • Queue hydrophobe : longue chaîne carbonée, fuit l'eau mais est attirée par les graisses. Représentée par un trait.
Socle Exercice 2 – Savon et graisse

On essaie d'enlever une tache de beurre d'un tissu. On teste deux méthodes :

  1. Pourquoi l'eau seule ne suffit-elle pas à enlever la graisse ?
  2. Comment le savon aide-t-il à éliminer la graisse ?
  3. Quel rôle joue la partie hydrophobe du savon par rapport à la graisse ?
  1. L'eau et la graisse (huile) ne se mélangent pas car l'eau est polaire et la graisse est apolaire. La graisse « repousse » l'eau.
  2. Le savon est un tensioactif : sa partie hydrophobe s'entoure des molécules de graisse (micelle), tandis que la partie hydrophile reste en contact avec l'eau → la graisse est emportée lors du rinçage.
  3. La partie hydrophobe (chaîne carbonée) est lipophile : elle s'insère dans les molécules de graisse et les emprisonne au cœur des micelles.
Socle Exercice 3 – Savon vs détergent

Compléter le tableau comparatif :

CritèreSavonDétergent synthétique
Origine……
Eau dure (calcaire)……
Biodégradabilité……
CritèreSavonDétergent synthétique
OrigineNaturelle (huile végétale ou animale + soude)Pétrochimique (synthèse chimique)
Eau dure (calcaire)Forme un précipité insoluble (écume calcaire)Reste efficace (pas de précipité)
BiodégradabilitéBonne (naturel)Variable selon le type (certains persistent)
Socle Exercice 4 – Formation d'une micelle

Les tensioactifs forment des micelles dans l'eau en présence de graisse. Répondre aux questions suivantes :

  1. Dans une micelle, où se trouvent les queues hydrophobes ? Où se trouvent les têtes hydrophiles ?
  2. Pourquoi la micelle peut-elle « transporter » une goutte de graisse dans l'eau ?
  3. Lors du rinçage, que se passe-t-il avec les micelles contenant la graisse ?
  1. Les queues hydrophobes se regroupent au centre de la micelle (loin de l'eau) ; les têtes hydrophiles sont à l'extérieur (en contact avec l'eau).
  2. La graisse est piégée au cœur hydrophobe de la micelle, entourée par les têtes hydrophiles qui la maintiennent en suspension dans l'eau (émulsion).
  3. Les micelles sont emportées par l'eau de rinçage → la salissure est évacuée avec l'eau.
Socle Exercice 5 – pH d'un savon et d'un détergent

Un laborantin mesure le pH de différents produits nettoyants :

ProduitpH mesuré
Savon de Marseille9,5
Gel douche doux5,5
Lessive liquide10,5
Liquide vaisselle7,0
  1. Classer ces produits du plus acide au plus basique.
  2. Pourquoi le gel douche a-t-il un pH proche de celui de la peau (environ 5,5) ?
  3. Quel produit risque d'irriter le plus la peau ? Justifier.
  1. Du plus acide au plus basique : gel douche (5,5) < liquide vaisselle (7,0) < savon de Marseille (9,5) < lessive (10,5).
  2. Un pH proche de 5,5 respecte le film hydrolipidique naturel de la peau (pH ~5,5). Un produit de même pH que la peau évite l'irritation et le dessèchement.
  3. La lessive (pH 10,5) est la plus basique → plus susceptible d'irriter la peau (dénature les protéines de la peau et détruit le film protecteur). Elle est conçue pour laver des tissus, pas pour la peau.

Exercices Standard

Standard Exercice 6 – Classification des tensioactifs

Les tensioactifs se classent selon la nature de leur tête hydrophile :

  1. À quel type de tensioactif appartient le stéarate de sodium (savon) ?
  2. Les tensioactifs cationiques ont des propriétés bactéricides. Proposer un usage possible.
  3. Les tensioactifs non ioniques sont utilisés dans les formulations pour peaux sensibles. Pourquoi leur absence de charge les rend-ils moins irritants ?
  4. Un laborantin mélange un tensioactif anionique et un cationique. Quel problème peut survenir ?
  1. Stéarate de sodium R–COO⁻ Na⁺ : anionique (tête chargée négativement).
  2. Tensioactifs cationiques bactéricides : désinfectants de surfaces, sprays anti-bactériens, après-shampooings (conditionneurs).
  3. L'absence de charge évite les interactions ioniques avec les protéines de la peau et les membranes cellulaires → moins d'irritation et d'effet déstabilisant sur la barrière cutanée.
  4. Les ions + et – s'attirent et peuvent précipiter (inactivation mutuelle). La formulation perd son efficacité lavante.
Standard Exercice 7 – Eau dure et calcaire

L'eau du robinet en régions calcaires contient des ions Ca²⁺ (calcium) et Mg²⁺ (magnésium). En présence de savon, ces ions réagissent avec les ions carboxylate (R–COO⁻) pour former des savons de calcium ou magnésium insolubles.

  1. Que se passe-t-il visuellement quand on utilise du savon dans de l'eau dure ?
  2. Pourquoi les détergents synthétiques fonctionnent-ils mieux que le savon en eau dure ?
  3. Les lessives contiennent souvent des agents séquestrants (ex : phosphates ou EDTA). Quel est leur rôle par rapport aux ions Ca²⁺ et Mg²⁺ ?
  4. Pourquoi les phosphates ont-ils été interdits dans les lessives en Europe depuis les années 2010 ?
  1. Formation d'un précipité blanchâtre et collant sur les surfaces (calcaire savonneux, « caillé de savon »). La mousse est quasi absente.
  2. Les tensioactifs synthétiques ont des têtes hydrophiles différentes (non carboxylate) qui ne précipitent pas en présence de Ca²⁺/Mg²⁺ → efficacité maintenue en eau dure.
  3. Les agents séquestrants forment des complexes stables avec Ca²⁺ et Mg²⁺ (piègent ces ions), empêchant leur interaction avec le tensioactif → le tensioactif reste libre et actif.
  4. Les phosphates provoquent l'eutrophisation des eaux : excès de nutriments (phosphore) → prolifération d'algues → asphyxie des écosystèmes aquatiques (manque d'oxygène).
Standard Exercice 8 – Formulation d'un produit nettoyant industriel

Un technicien en traitement de surface formule un nettoyant alcalin pour dégraisser des pièces métalliques avant traitement. La formulation contient : eau (solvant), tensioactif anionique (2 %), soude NaOH (pH 11), séquestrant EDTA (0,5 %).

  1. Quel est le rôle du tensioactif dans cette formulation ?
  2. Quel est le rôle de la soude NaOH ?
  3. Le pH = 11 présente un risque pour les opérateurs. Quelles précautions de sécurité faut-il prendre ?
  4. Après utilisation, ce produit est rejeté en station d'épuration. Identifier les deux composants qui peuvent poser problème pour l'environnement et expliquer pourquoi.
  1. Le tensioactif émulsionne les graisses et huiles sur les pièces métalliques, permettant leur évacuation par rinçage.
  2. La soude (pH 11) hydrolyse chimiquement les graisses (saponification) et renforce l'action dégraissante. Le milieu basique est aussi actif contre les biofilms bactériens.
  3. Précautions : lunettes de protection, gants résistants aux bases, blouse, rinçage immédiat en cas de projection, neutraliser les déversements accidentels avec de l'acide dilué (bicarbonate).
  4. La soude NaOH (pH élevé) peut perturber le traitement biologique de la station d'épuration (bactéries sensibles au pH). L'EDTA (séquestrant) est persistant et peu biodégradable → accumulation dans l'environnement et complexation des métaux dans les sols.
Standard Exercice 9 – Tensioactivité et tension superficielle

La tension superficielle de l'eau est de 72 mN/m à 25 °C. En ajoutant un tensioactif, elle chute à 35 mN/m.

  1. Qu'est-ce que la tension superficielle ? Donner un exemple concret lié à ce phénomène.
  2. Pourquoi les tensioactifs réduisent-ils la tension superficielle de l'eau ?
  3. Une lessive à haute tension superficielle pénètre-t-elle mieux dans les fibres d'un tissu ? Justifier.
  4. Un opérateur ajoute trop de tensioactif dans un bain de rinçage. Quel problème peut apparaître ?
  1. La tension superficielle est la force cohésive qui maintient les molécules d'eau à la surface entre elles. Exemple : les insectes marchant sur l'eau (gerris), la gouttelette d'eau qui ne s'étale pas sur une feuille de lotus.
  2. Les molécules de tensioactif se placent à l'interface eau/air, tête hydrophile dans l'eau et queue hydrophobe vers l'air. Cette organisation désorganise les interactions eau-eau à la surface → tension superficielle réduite.
  3. Non. Une tension superficielle élevée signifie que l'eau « se contracte » et pénètre moins bien dans les fibres. Une tension superficielle basse (après ajout de tensioactif) permet à l'eau de mieux mouiller et pénétrer les tissus.
  4. Excès de mousse : difficultés de rinçage, problèmes mécaniques dans les machines à laver, émissions de mousse dans les canalisations et stations d'épuration.
Standard Exercice 10 – Fabrication artisanale du savon

La saponification d'une huile végétale par la soude produit du savon et de la glycérine :

Triester (huile) + 3 NaOH → 3 R–COO⁻ Na⁺ (savon) + glycérol

  1. Quel type de réaction chimique est la saponification ?
  2. Donner le groupe fonctionnel du savon produit (R–COO⁻ Na⁺). À quelle famille appartient ce composé ?
  3. Un artisan saphonier utilise 100 g d'huile d'olive (masse molaire de l'ester moyen = 300 g/mol). Calculer le nombre de moles d'huile.
  4. Sachant qu'il faut 3 moles de NaOH par mole d'huile (masse molaire NaOH = 40 g/mol), calculer la masse de soude nécessaire.
  1. La saponification est une réaction d'hydrolyse basique (totale, irréversible).
  2. Groupe –COO⁻ (carboxylate) : appartient à la famille des carboxylates (sels d'acides carboxyliques = savons, acides gras sous forme de sels).
  3. \(n_{\text{huile}} = \dfrac{m}{M} = \dfrac{100}{300} \approx 0{,}333\) mol.
  4. \(n_{\text{NaOH}} = 3 \times 0{,}333 = 1\) mol → \(m_{\text{NaOH}} = 1 \times 40 = \mathbf{40}\) g.
Standard Exercice 11 – Pollution aux tensioactifs

Dans les années 1960, certains détergents synthétiques à chaîne ramifiée créaient des mousses persistantes dans les rivières et stations d'épuration, car ils n'étaient pas biodégradables.

  1. Qu'est-ce que la biodégradabilité d'un tensioactif ?
  2. Pourquoi une chaîne ramifiée est-elle moins biodégradable qu'une chaîne linéaire ?
  3. En quoi la réglementation REACH (Union européenne) a-t-elle amélioré la situation ?
  4. Proposer deux critères environnementaux à vérifier avant de formuler un nouveau produit nettoyant.
  1. Un tensioactif est biodégradable s'il peut être dégradé par des micro-organismes (bactéries) en molécules simples non toxiques (CO₂, H₂O, minéraux) dans un délai raisonnable.
  2. Les bactéries dégradent les chaînes linéaires en commençant par les extrémités (β-oxydation). Les chaînes ramifiées présentent des obstacles stériques qui bloquent les enzymes bactériennes → dégradation très lente.
  3. REACH impose la déclaration et l'évaluation des substances chimiques utilisées. Les tensioactifs non biodégradables ont été progressivement interdits ou restreints (ex : APEO — alkylphénols éthoxylés).
  4. Critères : (1) taux de biodégradation (DBO₅/DCO, test OECD 301) > 60 % en 28 jours pour être considéré rapidement biodégradable ; (2) écotoxicité (test sur Daphnia magna, algues, poissons) pour évaluer l'impact sur les organismes aquatiques.
Standard Exercice 12 – Comparaison de formulations

Deux formulations de liquide vaisselle sont testées dans un laboratoire de cosmétologie :

  1. Laquelle est la mieux adaptée pour un usage en contact prolongé avec la peau (vaisselle à la main) ? Justifier avec deux arguments.
  2. Quel rôle joue l'aloe vera dans la formule B ?
  3. La formule A contient 10 % de tensioactif, la formule B seulement 12 % au total. La formule A est-elle nécessairement plus efficace ? Expliquer.
  1. La formule B est préférable pour usage cutané prolongé : (1) pH = 6,0 est plus proche du pH de la peau (~5,5) que 7,5 → moins d'irritation ; (2) les tensioactifs non ioniques et amphotères sont connus pour être moins irritants que les anioniques pour les peaux sensibles.
  2. L'aloe vera est un agent hydratant et apaisant. Il contre-balance l'effet desséchant des tensioactifs sur la peau.
  3. Non. L'efficacité dépend aussi de la nature des tensioactifs : la synergie entre un non ionique et un amphotère peut être plus efficace par gramme de tensioactif qu'un tensioactif anionique seul. Les mélanges de tensioactifs ont souvent un effet synergique supérieur à la somme des composants.

Exercices Approfondissement

Approfondissement Exercice 13 – Concentration micellaire critique (CMC)

La CMC est la concentration en tensioactif au-delà de laquelle les micelles commencent à se former. Pour un tensioactif donné, CMC = 0,5 g/L.

  1. Expliquer ce qui se passe pour une concentration en tensioactif inférieure à la CMC (comportement des molécules de tensioactif).
  2. Expliquer ce qui se passe pour une concentration supérieure à la CMC.
  3. Un technicien prépare 2 L d'une solution de ce tensioactif à 0,2 g/L. Est-il en dessous ou au-dessus de la CMC ? Le produit est-il efficace pour éliminer les graisses ?
  4. Calculer la concentration massique minimale pour que des micelles se forment dans 2 L de solution. En déduire la masse de tensioactif à dissoudre.
  1. En dessous de la CMC, les molécules de tensioactif sont dispersées individuellement (monomères) dans la solution ou s'adsorbent à l'interface eau/air → réduction de la tension superficielle, mais pas de micelles.
  2. Au-dessus de la CMC, les molécules de tensioactif s'organisent en micelles (agrégats sphériques avec queues hydrophobes au cœur) → possibilité d'émulsionner les graisses.
  3. 0,2 g/L < CMC (0,5 g/L) → en dessous de la CMC. Pas de micelles → le produit ne sera pas efficace pour éliminer les graisses (pas d'émulsification).
  4. Concentration minimale = CMC = 0,5 g/L. Masse pour 2 L : \(m = 0{,}5 \times 2 = \mathbf{1}\) g de tensioactif.
Approfondissement Exercice 14 – Analyse d'un savon par titrage

Un technicien en contrôle qualité titre la teneur en acide gras libre d'un savon (indicateur de surgraissage). Il dissout 5 g de savon dans de l'éthanol chaud, puis titre avec une solution de KOH à 0,1 mol/L. Le volume d'équivalence est Ve = 12,5 mL.

  1. Quelle est la quantité de matière de KOH utilisée à l'équivalence ?
  2. En déduire la quantité de matière d'acide gras libre dans l'échantillon (1 KOH pour 1 acide gras).
  3. Si l'acide gras est l'acide oléique (M = 282 g/mol), calculer la masse d'acide gras libre dans les 5 g de savon.
  4. Calculer le taux de surgraissage (%) : \(\tau = \dfrac{m_{\text{acide gras}}}{m_{\text{savon}}} \times 100\). Un savon surgraissé contient en général 2–10 % d'acides gras libres. Ce savon est-il dans la norme ?
  1. \(n_{\text{KOH}} = 0{,}1 \times 12{,}5 \times 10^{-3} = 1{,}25 \times 10^{-3}\) mol.
  2. \(n_{\text{acide}} = n_{\text{KOH}} = 1{,}25 \times 10^{-3}\) mol.
  3. \(m_{\text{acide}} = 1{,}25 \times 10^{-3} \times 282 \approx \mathbf{0{,}353}\) g.
  4. \(\tau = \dfrac{0{,}353}{5} \times 100 \approx \mathbf{7{,}1\,\%}\). Ce taux est dans la norme (2–10 %) : le savon est correctement surgraissé.
Approfondissement Exercice 15 – Écoconception d'un produit nettoyant

Un laboratoire de cosmétologie reçoit un cahier des charges pour développer un nouveau produit nettoyant « écoresponsable » destiné aux professionnels du traitement de surface. Les contraintes sont :

  1. Proposer un type de tensioactif (anionique, non ionique, cationique ou amphotère) qui satisferait à la fois les critères de biodégradabilité et de compatibilité cutanée. Justifier.
  2. Quel agent séquestrant pourrait remplacer les phosphates tout en respectant le cahier des charges ?
  3. Le technicien propose de remplacer le solvant organique par de l'eau → les propriétés dégraissantes sont-elles maintenues si la formulation est bien conçue ? Justifier.
  4. Donner deux indicateurs environnementaux (en plus de la biodégradabilité) qui pourraient être mesurés pour évaluer l'impact du produit final.
  1. Les tensioactifs non ioniques (ou amphotères) à chaîne linéaire sont généralement bien biodégradables et peu irritants. Par exemple, les glucosides d'alkyle (biosourcés, issus du glucose et d'alcools gras végétaux) sont excellents sur ces deux critères et sont utilisés dans les produits « verts ».
  2. L'EDTA peut remplacer les phosphates comme séquestrant, mais il est lui-même peu biodégradable. Des alternatives plus vertes : citrate de sodium (biodégradable, issu du citron), MGDA ou GLDA (acides aminopolycarboxyliques biodégradables, utilisés dans les lessives écoresponsables).
  3. Oui : une formulation aqueuse bien conçue (avec tensioactifs, séquestrants, agents alcalins doux) peut être aussi efficace qu'un solvant organique pour dégraisser. Les tensioactifs émulsionnent les graisses dans l'eau → élimination par rinçage. L'eau est non CMR et non volatile.
  4. Indicateurs complémentaires : (1) DL50 aquatique (toxicité aiguë sur organismes aquatiques, ex : Daphnia magna) ; (2) empreinte carbone du cycle de vie (bilan ACV — matières premières, fabrication, transport, fin de vie de l'emballage).