Atelier «Le laboratoire du petit chimiste» Expériences

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1 Atelier «Le laboratoire du petit chimiste» Expériences Expérience «Une encre qui disparaît et réapparaît» Sous l effet de différentes solutions, de l encre passe alternativement de la couleur bleue à l état incolore. - cartouche d encre bleue effaçable contenue dans le stylo encre ; - 1 bouteille d eau du robinet ; - 1 bouilloire ; - du vinaigre blanc ; - du bicarbonate de sodium ; - 1 grand bocal transparent ; - 1 pipette ; - 1 cuillère. 1. Verser une goutte d encre dans le bocal, puis ajouter de l eau très chaude (chauffée à l aide de la bouilloire) jusqu à la moitié du bocal. Faire observer ce qu il se passe. 2. À l aide d une pipette, verser ensuite une vingtaine de gouttes de vinaigre dans le verre, et mélanger. Observer ce qu il se passe. 3. Verser ensuite un tout petit peu de bicarbonate de sodium (environ 1/4 de cuillère à café) et faire constater le résultat. 4. Puis ajouter à nouveau du vinaigre (2 pipettes environ), puis du bicarbonate, et ainsi de suite... Remarque : les quantités respectives de produit à ajouter sont indicatives, elles peuvent éventuellement être à réajuster. Il s agit de les adapter, de manière à pouvoir passer alternativement d un liquide de couleur bleue à un liquide incolore. Au contact de l eau chaude, le pigment de l encre subit une transformation et devient incolore. L encre bleue effaçable est en effet sensible à l acidité du milieu dans lequel elle se trouve, elle ne se révèle qu en milieu acide. Or l eau du robinet est légèrement basique et tend donc à faire disparaître la couleur de l encre. Le fait que l eau soit très chaude accélère la réaction et entraîne donc une décoloration rapide de l encre. Le vinaigre ajouté restitue un milieu acide, il agit sur le pigment et entraîne un retour à la couleur bleue d origine. Le bicarbonate (basique) réagit quant à lui avec le vinaigre, les deux produits se neutralisent. L effet du vinaigre n étant plus actif, l encre redevient alors incolore. Et ainsi de suite! Deux paramètres interviennent ainsi dans cette expérience : la température et la réaction acide / base. 1/9

2 Expérience «Des bulles qui dansent!» Il s agit d une expérience visuelle donnant lieu à la formation de petites bulles colorées qui montent et descendent entre le fond et la surface d un récipient rempli d huile. Cette expérience est basée sur la réaction chimique entre du bicarbonate déposé au fond du récipient et du vinaigre (additionné de colorant) ajouté dans celui-ci. - 1 flûte à champagne transparente ; - du bicarbonate de sodium ; - du vinaigre blanc additionné de colorant vert ; - 1 pipette ; - de l huile végétale ; - 1 cuillère à café. 1. Verser 1 petite cuillère de bicarbonate de sodium au fond du verre (en veillant à ne pas en mettre sur les côtés du verre). 2. Ajouter ensuite très doucement de l huile (en s aidant d une cuillère pour le verser) jusqu à mi-hauteur du verre. L huile et le bicarbonate ne doivent pas se mélanger. 3. Prélever, à l aide de la pipette, un peu de vinaigre coloré en vert, puis en verser quelques gouttes dans le verre contenant l huile et le bicarbonate de sodium. Observer ce qu il se produit. 4. Ajouter encore l équivalent d une pipette entière du mélange vinaigre/colorant sous forme de gouttes, puis quelques secondes après, une seconde pipette, de manière à recouvrir toute la surface de l huile. De petites bulles colorées se mettent à danser dans le verre! Elles entrent dans un incessant va-et-vient entre le fond et la surface. Du fait de leurs propriétés, vinaigre et huile ne peuvent en effet pas se mélanger, des gouttelettes de vinaigre se forment ainsi à la surface de l huile. Cependant, le vinaigre étant plus dense que l huile, les gouttes descendent au fond du verre où elles rencontrent le bicarbonate de sodium. Une réaction chimique a alors lieu entre le bicarbonate et l acide acétique contenu dans le vinaigre, conduisant, entre autres, au dégagement de dioxyde de carbone (CO 2 ) qui va former de petites bulles sur les gouttes de vinaigre. La réaction complète entre bicarbonate de sodium et le vinaigre blanc est la suivante : NaHCO 3 + CH 3 COOH CO 2 + H 2 O + CH 3 COONa Moins denses que l huile, les bulles de CO 2 remontent vers la surface, entraînant les gouttes de vinaigre coloré, et éclatent une fois parvenues à la surface. Délestées de celles-ci, les gouttes de vinaigre retombent alors au fond du verre, puis remontent à nouveau du fait de la réaction chimique, et ainsi de suite 2/9

3 Expérience «Éruption volcanique!» La réaction entre le bicarbonate et le vinaigre peut donner lieu à des expériences visuelles, mais aussi colorées si quelques gouttes de colorant alimentaire sont ajoutées au vinaigre. L effervescence résultant de cette réaction peut aussi être mise en scène. Par exemple, en réalisant une petite maquette de volcan et en plaçant les produits au centre de celui-ci, l effervescence donnera l effet d une éruption volcanique. - du bicarbonate de sodium ; - du vinaigre blanc additionné de colorant rouge; - 1 volcan en plâtre contenant un verre et placé dans une bassine ; - 1 cuillère. 1. Remplir les trois quarts du verre placé au cœur du «volcan» avec du vinaigre coloré en rouge. 2. Ajoutez ensuite rapidement deux grosses cuillères de bicarbonate de sodium. Observer ce qu il se passe. Quand ils entrent en contact, le bicarbonate de sodium (basique) et le vinaigre (acide) réagissent et entraînent un dégagement de dioxyde de carbone (CO 2 ). La formule du bicarbonate de sodium (dont le véritable nom est l hydrogénocarbonate de sodium, et qui est appelé également bicarbonate de soude) est NaHCO 3. La réaction acide/base qui se produit entre l acide acétique (CH 3 COOH), contenu dans le vinaigre, et le bicarbonate de sodium est la suivante : NaHCO 3 + CH 3 COOH H 2 CO 3 + CH 3 COONa Or, l acide carbonique, H 2 CO 3, se décompose immédiatement en eau (H 2 O) et en dioxyde de carbone, d où l équation bilan suivante : NaHCO 3 + CH 3 COOH CH 3 COONa + H 2 O + CO 2 L effervescence qui se forme dans le volcan quand les 2 produits entrent en contact est due au dioxyde de carbone. 3/9

4 Expérience «Le chou rouge indicateur naturel du ph» Cette expérience visuelle et colorée est basée sur la particularité des pigments anthocyanes contenus dans le chou rouge de changer de couleur en fonction de l acidité environnante. L ajout de divers produits (de ph différent) à une solution de jus de chou rouge permet ainsi de constituer toute une palette de couleurs. - du jus de chou rouge (préalablement préparé et conservé dans une bouteille hermétique) ; - 6 tubes à essai placés dans leur support ; - pipettes ; - cuillères ; - entonnoirs ; - du bicarbonate de sodium ; - de la lessive en poudre ; - du citron ; - de l acide chlorhydrique (25%) ; - de la lessive de soude. 1. À l aide d un entonnoir, remplir 1/3 de chacun des 6 tubes à essai avec du jus de chou rouge. 2. Ajouter ensuite dans ceux-ci les produits à tester selon les indications suivantes et observer ce qu il se passe. Tube n 1 : ne rien ajouter, il s agit du tube témoin Tube n 2 : ajouter 1 ou 2 goutte(s) d acide chlorhydrique (on obtient une coloration rouge) Tube n 3 : ajouter une dizaine de gouttes de jus de citron puis agiter (le mélange devient rose) Tube n 4 : ajouter (à l aide d une cuillère et d un entonnoir) un peu de bicarbonate de sodium puis bien agiter (le mélange prend une teinte turquoise) Tube n 5 : ajouter (à l aide d une cuillère et d un entonnoir) un peu de lessive en poudre puis agiter doucement (le mélange devient vert) Tube n 6 : ajouter quelques goutte(s) de soude (on obtient une coloration jaune) Précautions : Attention, les solutions d acide chlorhydrique et de lessive de soude ne doivent pas entrer en contact avec la peau ou les yeux, ni être inhalées ou ingérées! Le chou rouge (qui est d ailleurs plutôt violet ) doit sa couleur à des molécules de la famille des anthocyanes, des colorants naturels. En fonction de l acidité environnante, ces molécules ont la particularité de changer de couleur (du fait d un changement de leur structure). C est ainsi que le chou rouge peut jouer le rôle d indicateur naturel du ph du milieu dans lequel il se trouve. D une manière générale, les nuances de rouge, rose ou violet correspondent à un milieu acide, tandis que les teintes de bleu, vert et jaune témoignent d un milieu basique. 4/9

5 Expérience «Une couleur peut en cacher une autre!» La chromatographie sert à séparer les constituants d un mélange liquide ou gazeux. La chromatographie d encres constituées d un mélange de plusieurs pigments peut donner lieu à des effets colorés esthétiques. - 1 feutre de couleur marron ; - des feutres d autres couleurs ; - du papier buvard ; - 1 paire de ciseaux ; - 1 ou plusieurs verre(s) ; - de l eau. 1. Découper une grande bande de papier buvard (éventuellement plusieurs bandes). 2. En bas de celle-ci, à environ 2 cm de l extrémité, faire un point d 1 cm de diamètre avec un feutre de couleur brune ou autre. 3. Placer la ou les bande(s) de papier dans un ou plusieurs béchers contenant un peu d eau. Le papier doit toucher l eau mais le niveau de celle-ci doit se situer au-dessous des tâches de couleur. 4. Patienter une dizaine de minutes en observant régulièrement les bandes de papier. Observer ce qu il s est produit. La technique de la chromatographie a été inventée en 1903 par le botaniste russe Tswett ( ) dans le cadre de ses recherches sur les pigments végétaux. Ce procédé d analyse chimique sert à séparer les constituants d un mélange liquide ou gazeux. Cette séparation est basée sur la distribution différente de ces composés entre deux phases, l une mobile et l autre stationnaire. Dans cette expérience, l eau (phase mobile) monte dans le papier (phase stationnaire) par capillarité et entraîne les différents constituants des encres. La vitesse de migration de ceux-ci va varier selon leurs caractéristiques (taille, structure, etc.), ce qui permet donc de les séparer. Les différentes bandes de couleurs qui sont observées sur les bandes de papier permettent ainsi de distinguer les différents pigments d une encre donnée. 5/9

6 Expérience «Le secret des super-absorbants!» Les propriétés super-absorbantes des couches-culottes sont dues à une poudre contenue dans celles-ci : le Polyacrylate de sodium. Cette expérience permet de mettre en évidence, de manière visuelle, l action et le rôle de cette poudre. - 1 couche-culotte pour bébé ; - 1 paire de ciseaux ; - 1 verre ; - 1 bassine ; - 1 bouteille contenant de l eau additionnée de colorant jaune ; - 1 sac plastique. 1. Dans le verre, verser un peu d eau colorée en jaune (environ ¼ du verre). 2. Découper une couche-culotte. Montrer au public les 3 parties qui peuvent être identifiées dans celle-ci : le voile intérieur en contact avec la peau, l intérieur composé de cellulose et d une poudre absorbante, et une partie imperméable. 3. En tenant la couche dans le sac plastique, arracher le coton constituant la partie intérieure. Lorsque tout le coton a été placé dans le sac, secouer ce dernier afin de libérer la poudre contenue dans le coton. Retirer ensuite le coton du sac, il ne doit rester que la poudre tombée au fond de celui-ci 4. Récupérer l équivalent d une cuillère à café de poudre absorbante puis ajouter celle-ci dans le verre. 5. Patientez quelques instants jusqu à formation d un gel. Retourner alors le verre au-dessus de la bassine (mais ne pas le secouer!) afin de faire observer au public la transformation qui s est produite. Précautions : Attention, la poudre ne doit être ni avalée, ni mise en contact avec les yeux (risques d irritations), ni inhalée! La poudre récupérée dans la couche-culotte est du Polyacrylate de sodium, un polymère super-absorbant (de formule : [-CH 2 -CH(COONa)-]n, cf. schéma page suivante). Les polymères sont de longues chaînes de molécules caractérisées par l enchaînement et la répétition, un grand nombre de fois (plusieurs dizaines de milliers de fois), d un même motif (atomes ou groupe d atomes). Lorsque la poudre de polyacrylate de sodium entre en contact avec de l eau, les ions sodium Na + se dissocient, rendant alors le polyacrylate négatif (les fonctions carboxylate R-COO - du polymère se retrouvant libres). Celui-ci va donc avoir tendance à capter facilement les molécules d eau. L eau pénètre également dans le réseau de polymères par un phénomène de pression osmotique, la concentration en ions sodium y étant plus importante. Du fait de l absorption de l eau, le réseau constitué par les longues chaînes de macromolécules enchevêtrées et reliées entre elles va alors se déployer, emprisonnant l eau à l intérieur. La poudre va gonfler et former un gel. Le phénomène s arrête lorsque les chaînes sont «tendues» au maximum. Les matières super-absorbantes peuvent absorber et conserver quelques centaines voire un millier de fois leur poids en eau! L absorption est maximale lorsque l eau est pure, elle est moindre quand elle contient des ions (eau du robinet, urine, etc.) car ceux-ci, attirés également par le polyacrylate, peuvent alors prendre la place des molécules d eau. 6/9