FablabSU

Bonjour ! Nous sommes étudiantes en 1ère année au CMI Physique à Sorbonne Université, et sur cette page vous pourrez retrouver notre carnet de bord du déroulé et de l'aboutissement de notre projet, dans le cadre de l'UE “Fablab” (Semestre 2), qui traite le principe de Pression Osmotique.

Le principe de l'osmose a été découvert en 1748 par Jean Antoine Nollet. Dans un baque en U, ou rectangulaire avec un tube transparent, une solution concentrée en soluté (sel, sucre, sirop, etc…) et un solvant pur (eau distillée), sont tout deux séparés par une membrane semi-perméable. Et le principe de l'osmose consiste en la migration des particules H2O, du solvant pur vers la solution concentrée. En effet, le solvant pur exerce une certaine pression sur la solution concentrée, que l'on appelle la pression osmotique. Cette migration des particules H2O permet un rééquilibrage des pressions entre le solvant et la solution, mais aussi une différence de hauteur notamment pour la solution concentrée.

Notre but ici est de créer le dispositif de l'expérience, en faisant ce que l'on appellera être : les expériences primaires, qui seront les premières expériences faites du dispositif qui permettront d'en vérifier son fonctionnement. Mais aussi d'établir les expériences, ici qui seront dites secondaires, qui seront composées de plusieurs expériences avec une solution, dont nous choisirons le soluté ainsi que ses différentes concentrations et un solvant qui sera ici de l'eau distillée. De relever les observations et données de ces expériences là, et de vérifier une relation, qui aura été réfléchie, qui liera la concentration de la solution et la différence de hauteur (où ici, c'est la différence de hauteur qui indiquera la pression osmotique). On pourra vérifier cette relation par des tableurs (issus des expériences) et le traçage de graphe, notamment sur le logiciel Excel.

* Sofia Silhadi

* Lucie Gallardo

* Wijdane Zonkan

-Présentation de l'UE

-Choix du sujet : “Le principe d'osmose”

-Présentation du matériel à disposition

-Présentation des logiciels utile

- Nous avons commencé par nous mettre d'accord sur le dispositif de l'expérience.

- Nous souhaitons faire un baque rectangulaire en PMMA transparent, dans lequel se situera une membrane en cellophane qui sépara le baque en deux minis baques égaux. Il nous faudra aussi deux tubes qui seront reliés au baque par sa partie supérieure.

- Nous avons fait un schéma plan et un schéma 3D du dispositif n°1 avec ses mesures tel que :

- Les matériaux dont nous avons besoin pour réaliser cela sont : 2 plaques de PMMA de 5*14 cm, 2 plaques de PMMA de 7*14 cm, 2 plaques de PMMA de 7*5 cm, 1 feuille de cellophane de 7*5 cm, 2 tubes capillaires en verre transparents de 10 cm de longueur pour 5 mm de diamètre et d'élastiques. Les plaques de PMMA seront modélisées par le logiciel “Inscape” et seront découper par la découpeuse laser. Le cellophane pourra être prit à nos domicile respectifs et les 2 tubes capillaires seront fournis par notre enseignante d'UE, dans les réserves disponibles à la faculté. Nous avions aussi besoin de mastique et d'un pistolet à colle, afin de pouvoir souder les plaques du dispositif ainsi que les tubes et les élastiques permettront d'attacher le cellophane au tube.

- Les difficultés que nous pourront rencontrer seront la mise en place de la membrane et l'étanchéité du dispositif. En effet, il se pourrait que les matériaux ne soient pas assez étanches et laisse passer les solutions que nous mettrons dans le baque.

- Par la suite, durant la séance, nous avions trouver un autre dispositif, le dispositif n°2, qui sera constitué d'un baque en PMMA transparent, d'une potence et d'un tube capillaire en verre transparent.

- Nous avons fait des schémas plans et en 3D du dispositif n°2 tel que :

- Les matériaux dont nous avons besoin pour le réaliser sont : 2 plaques de PMMA de 5*14 cm, 2 plaques de PMMA de 7*14 cm, 2 plaques de PMMA de 7*5 cm, une potence, 1 feuille de cellophane de 5 mm de diamètre et d'un périmètre de 15,71 mm, des élastiques, et 1 tube capillaire en verre transparents de 10 cm de longueur pour 5 mm de diamètre. Les plaques de PMMA seront modélisées par le logiciel “Inscape” et seront découper par la découpeuse laser. Le cellophane pourra être prit à nos domicile respectifs et le tube capillaire sera fournit par notre enseignante d'UE, dans les réserves disponibles à la faculté. Nous avions aussi besoin de mastique et d'un pistolet à colle, afin de pouvoir souder les plaques du dispositif ainsi que les tubes et d'élastiques pour attaquer la membrane au tube.

- La seule difficulté que nous pourront rencontrer est la mise en place de la membrane, car il faut que le cellophane soit adapté et que la feuille ne se coupe pas.

- Après avoir évoquer les 2 dispositifs que nous pouvons réaliser pour notre projet, nous avions décider de partir sur la fabrication du deuxième dispositif, qui est le plus simple à réaliser que le premier. Cela nous permettra d'avoir une idée sur le fonctionnement de notre membrane et des problèmes rencontrés afin de les résoudre à la suite. Et si le temps nous l'accorde, nous pourrons mettre en place le deuxième dispositif afin d'établir les expériences sur la pression osmotique.

- Nous nous sommes également mis d'accord sur les solutions à mettre dans notre dispositif pour le tester. Nous souhaitons mettre de l'eau dans le baque et de l'eau avec du sulfate de cuivre dans le tube, afin de tester le fonctionnement de la membrane et que le cellophane est bien un matériau qui laissera passer le soluté (ici le sulfate de cuivre pour le test). Comme celui-ci provoque un précipité bleu au contact de l'eau, si on voit apparaître du bleu dans le baque, c'est que le cellophane est un bon matériau pour nos expériences mais si nous ne voyons pas de précipité se former, c'est qu'il faudra changer le matériau qui jouera le rôle de la membrane.

- Nous avons établis de petites recherches concernant la mise en place de l'expérience au sujet de la membrane par exemple. Nous avons vérifié que le cellophane est adapté pour jouer le rôle de la membrane semi-perméable. En effet, il devient mou et glissant au contact de l'eau.

- Nous avons également vérifié que nous avions le matériel nécessaire pour fabriquer le dispositif, la séance prochaine, c'est-à-dire, cellophane de différents types, au cas où celui que l'on prendra ne fonctionne pas, pistolet à colle pour souder les plaques de PMMA, du mastique (joint de salle de bain) pour créer le matériel, étanche, et des élastiques pour attacher le cellophane au tube.

- Nous avons également regardé des vidéos sur différentes expériences sur la pression osmotique, afin de voir ce qui nous attendait et savoir quel matériel avait été utilisé.

- Aujourd'hui, nous avons décidé de modifier les dimensions de la boîte pour : 14 cm de largeur, 10 cm de longueur pour chacune des plaques de PMMA. Ce qui nous donne une boîte rectangulaire avec une profondeur de 10 cm.

- Nous avons changé également le matériau du tube et opté pour une seringue en plastique dont on a coupé le bout pour en donner l'aspect d'un tube d'une longueur de 10,6 cm et de diamètre de 1 cm.

- Nous avons également ajouté à notre dispositif, un bouchon en caoutchouc, où nous allons insérer le tube dans celui-ci, afin de pouvoir créer une meilleure étanchéité de notre boîte. Nous devrons alors découper un trou du diamètre du bouchon, soit 1,5 cm.

- Nous avons dessiner la boîte sur le logiciel “MakerCase” et de l'envoyer sur le logiciel “InScape” pour commencer la découpe.

- Une fois les plaques coupées, nous devrons les souder au pistolet à colle entre elles, puis y ajouter le mastique, aux soudures, pour créer une boîte étanche. Le bouchon permettra de remplir le boîte uniquement d'eau et de pouvoir la vider une fois les expériences finies.

- Nous devrons aussi tester la membrane que nous avons apporter. Nous avons amené différents cellophane au cas où il y ait un problème.

- Après avoir souder les plaques entre elles, nous avions décidé de rajouter du scotch en plus autour des bords de la boîte, pour qu'elle soit plus étanche.

- Une fois la boite monté, nous avons tester les différents cellophane qui étaient différents filmes étirables. Nous avons observé que ces-dernier ne laissent pas passer l'eau ni le soluté. Nous avons alors abandonné l'idée du filme étirable.

- Nous avons également tester avec d'autres types de plastiques pour la membrane, le scotch, mais il laisse passer l'eau et le soluté (sulfate de cuivre). Nous avons également tester avec du plastique disponible dans l'atelier, il ne laissait pas la solution passer.

- Notre objectif pour les prochaines séances est de trouver une membrane qui serait semi-perméable, que nous aurions tester au préalable chez nous.

- Semaine d'arrêt des cours

- Nous avions commencé la recherche de membrane semi-perméable, nous avions même demander à notre chargé de TD en chimie de nous conseiller sur des matériaux qui pourront être semi-perméable.

- Nous avions recherché sur internet, différents sites ainsi que différentes vidéos, en français et dans d'autres langues, afin de trouver des idées de membrane en s'inspirant des expériences déjà réalisées sur la pression osmotique.

- Nous n'avions pas pu faire la séance de Fablab en présentiel, car celle-ci a été annulée pour cause de cas-contact de notre chargé de Fablab.

- Nous avions toujours continuer à faire nos recherches sur les membranes, nous avions tester chacune chez nous différents matériaux à notre disposition, différents type de cellophane et nous nous tenions au courant grâce à notre groupe WhatsApp pour le projet. Les matériaux ne fonctionnait pas car, soit ils laissaient passer le solvant et les solutés (exemple : sirops, chocolat en poudre, sucre, etc…), soit ils ne laissaient rien passer, ni le solvant ni le soluté.

- Nous avions continuer de tester différentes membranes sans résultats voulus. Donc nous avions décider de revenir à notre idée de départ sur le cellophane, nous avions pu nous le procurer chez un fleuriste. Des expériences chez nous on put être établi et on a pu en tirer que le cellophane ne laissait passer que de l'eau. L'expérience a été établie avec du chocolat en poudre et celle-ci se révélait ne laisser que l'eau et pas le chocolat, car aucun changement de couleur de l'eau n'a été constaté.

- On a donc garder l'idée du cellophane comme membrane, que l'on s'est procurer chez le fleuriste.

- Lors de notre arrivée au Fablab, nous avons décidé de resouder la boîte que nous avions conçue, car le scotch sur les côtes s'était dégradé avec le temps. Néanmoins nous avons remarqué que la boite avait des problèmes de fuite. En effet, l'eau s'infiltrait dans les bords des scotchs et cela coulait sur la table.

- Après cela, nous avons établie l'expérience avec la membrane récupérée et du sulfate de cuivre. Les données de l'expérience sont :

1. Masse sulfate de cuivre = 0,4 g
2. Volume sulfate de cuivre = 6,2 ml
3. Concentration sulfate de cuivre = 0,065 g/ml ou 65 g/L

- Nous avons observé que, la solution du tube futaie, en effet l'eau qui coulait était légèrement bleue, on a comprit que le sulfate de cuivre coulait à travers la membrane. Nous nous étions alors dit que cela été sûrement dut à un trou causé dans la membrane. A partir de ça, on a établi de nouveau l'expérience en re-soudant de nouveau bien la membrane, avec exactement les mêmes données de l'expérience faite précédemment, mais l'observation a été la même, la solution continuait de couler. Par conséquent, nous avions put en conclure que le sulfate de cuivre solide, était constitué de molécules beaucoup trop petites pour la membrane, ce qui expliquait que le sulfate de cuivre passait à travers la membrane.

- Après nos constatations, nous avons essayé de tester la même expérience précédente avec du sucre vanillé que nous avions amené dans le doute, avec exactement, les mêmes données que celles établies précédemment. Mais l'expérience ne fonctionnait pas car nous avions constaté que la membrane était fissurée, ce qui causait le passage de l'eau et du sucre dans le baque central rempli d'eau.

- Après cela, nous avons recommencer l'expérience cette fois ci en faisant beaucoup plus attention à la mise en place de la membrane, et nous avions constaté que l'eau sucrée ne coulait pas dans le baque. C'était une première réussite pour nous.

- A partir de cela, nous avons attendu le reste du temps afin de voir s'il aurait eut une différence de hauteur ou non, cependant nous n'avons rien remarqué, nous nous sommes donc dit que l'expérience pourrait durer plusieurs heures avant de voir une éventuelle différence de hauteur d'eau dans le tube.

- Nous avons décidé de garder la boite chez l'une d'entre nous, afin de pouvoir tester le dispositif pendant quelques heures (ou jours éventuellement), afin d'avoir la certitude sur le fonctionnement de notre dispositif.

- L'une d'entre nous avait amener le dispositif chez elle afin de pouvoir tester de nouveau celui-ci. Une vidéo du dispositif a été prise lors de l'expérience, tel que :

- Nous avions voulu essayer de mesurer une différence de hauteur de la solution de sulfate de cuivre Δh, en fonction d'une différence de temps, d'un temps t à un temps t+Δt.

- Néanmoins celle-ci n'a de nouveau pas fonctionner, car, la solution de sulfate de cuivre “remontait” dans les plis de la membrane (cellophane), il s'agissait donc d'un problème d’étanchéité et non de la démarche scientifique entretenue. Et durant cette semaine, diverses même expériences ont été établies avec le même dispositif mais le même problème est survenu, celui de l'étanchéité, soit la boîte fuyait du aux finissions non-imperméables, soit la membrane était fissurée ou non, et la solution s'infiltrait dans le baque.

- Jour férié : Pâques

- Malgré le jour férié nous avions poursuivie comme à notre habitude notre démarche et ressayer individuellement cette fois-ci, chez nous, avec ce que nous avions à notre disposition, car nous avions comprit qu'il s'agissait du dispositif qui n'était pas assez étanche et non de notre démarche.

- Par conséquent, nous nous sommes mises chacune à réessayer de faire l'expérience une nouvelle fois, mais cette fois-ci avec un verre, un tube que nous avions récupérer du fablab, du cellophane que l'on s'est chacune répartie, et comme soluté, cela variait en fonction de ce que nous avions chez nous, comme du sirop, du sucre roux ou encore, du sulfate de cuivre, qui avait été récupérer par l'une d'entre nous durant les semaines précédentes.

- En effet, nous avions essayé de mesurer une différence de hauteur Δh en fonction d'un temps Δt. Pour cela nous avions à notre disposition un verre rempli d'eau, un tube dans lequel nous avions une solution d'eau sucré avec du sucre roux et la membrane séparant les deux liquides. La concentration du sucre n'a pas été prse en compte car il s'agissait d'un essai expérimental. Il n'y a malheureusement pas de photos qui ont été prises car, il s'agissait seulement d'un essai expérimental avec le verre qui est étanche. Cependant, au temps t=0, nous avions une hauteur de solution h0, et le dispositif a été laissé durant une nuit entière, soit 9h ici, et au bout des 9h, nous avions put constater qu'il y avait enfin une différence de hauteur, mais il s'agissait d'une minime différence de hauteur, soit Δh = h1-h0 = 0,5 ml. Par conséquent, en 9h nous avions obtenue une différence de hauteur de 0,5ml, qui est très peu pour un temps si long.

- Nous pouvons alors énoncer que notre démarche est finalement correcte mais que le dispositif réalisé durant les séances de Fablab, est quant à lui, in fonctionnel, mais est aussi la cause de notre perte de temps immense sur la suite de notre démarche.

- Par soucis de temps, le reste des expériences sera maintenant établies chez nous durant les vacances de Pâques avec pour dispositif, un verre d'eau, un tube de diamètre plus petit que celui utilisé pour le 1er dispositif, soit ici : D1 = 1,3 cm, le cellophane jouant le rôle de la membrane et la solution variera en fonction des solutés présents chez chacune d'entre nous, l'une effectuera avec du sirop et l'autre avec du sucre roux.

- Pendant les vacances, nous avons pu réaliser nos expériences et noter les résultats. Nous avons utilisé un tube gradué, la membrane semi perméable et un verre d'eau pour remplacer notre boîte. La solution était du sucre roux mélangé dans de l'eau car le sucre roux est coloré et les molécules ne passent pas la membrane. Nous avons réaliser 4 expériences avec des concentrations initial en sucre différentes.

t=0h S4

t=9h S4

- Après avoir laissé chaque solutions environ 9 heures. Nous avons noté le volume final ainsi que la concentration.

Solution S1 - S2 - S3 - S4

Concentration initiale (mol/L) 0,58428 - 1,1685 - 1,752848 - 2,3371

Volume final (L) 3,80E-03 - 0,0044 - 0,006 - 0,0069

Concentration finale (mol/L) 3,08E-01 - 5,31E-01 - 5,84E-01 - 6,77E-01

- Nous trouvons bien des résultats en adéquation avec la loi de la pression osmotique. En effet, puisque Π=(n/V)*R*T avec R et T fixe, si N Varie pour chaque solution alors V doit aussi varier pour que la pression soit à l'équilibre. En effet on veut que Πverre=Πtubefinal et pour cela il faut que le volume varie.

- On peut aussi remarquer que ci4=ci1*4 alors que cf4~cf1*2, c’est-à-dire plus la quantité de matière initiale est grande, plus la concentration finale va diminuer par rapport à l’initiale. Cela signifie donc que l’équilibre des pressions correspond à une pression plus proche de cf1 que de cf4.

Nos expériences ont donc validées la loi de la pression osmotique car nous obtenons bien une droite.