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Show de chimie magique

Posters de bienvenue :les encres

sympathiques

Réactifs

– Solution de thymolphtaléine : dissoudre 0,5 g de cet indicateur depH dans 20 ml d’éthanol.

– Solution de thiocyanate de potassium : dissoudre 2,5 g de thiocya-nate de potassium (KSCN) dans 50 ml d’eau distillée.

– Solution de NaOH 0,01 M.– Solution de chlorure de fer(III) (FeCl3) 0,1 M.

DémonstrationQuelques jours avant le show, un message de bienvenue invisible aété inscrit sur une grande feuille de papier joseph (il s’agit d’une

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sorte de papier poreux couramment employé en chimie, notam-ment en guise de papier-filtre) : une première phrase en employantla solution de thymolphtaléine et une autre avec la solution de thio-cyanate de potassium, ces deux solutions étant des « encres » inco-lores. Lors du show, la première phrase apparaîtra en bleu si onhumecte la feuille, à l’aide d’un spray, avec la solution de NaOH.Lorsqu’on projettera ensuite, sur la même feuille, la solution acidede chlorure de fer(III), la phrase bleue disparaîtra et un autre mes-sage sera révélé, mais cette fois en rouge !


Les couleurs se rebiffent

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Explication

La thymolphtaléine est un indicateur acido-basique qui, étant incoloreen milieu acide ou neutre, vire au bleu foncé au-dessus de pH 11.Quant à l’ion thiocyanate, c’est, en chimie analytique, un réactif dechoix pour identifier les cations fer(III) :

Fe3�(aq) + 3 SCN�(aq) [Fe(SCN)3(H2O)3](aq)

Coloration rouge sang

Les couleursse rebiffent

Incroyable mais vrai !

DémonstrationTremper un papier au tournesol bleu dans une solution bleue desulfate de cuivre (CuSO4) 0,1 M : quand on l’en retire, il est rouge.À présent, on trempe ledit papier rouge dans une solution rouged’ammoniaque contenant de la phénolphtaléine : cette fois, le papieren ressort bleu.

Explication

En raison de phénomènes d’hydrolyse, la solution de sulfate de cui-vre est acide, ce qui fait virer au rouge l’indicateur qu’est le tourne-sol. La couleur bleue réapparaît, bien évidemment, en milieubasique, en l’occurrence dans l’ammoniaque qui, elle-même, estrouge parce qu’un indicateur approprié, la phénolphtaléine, y a étédissous.



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Le caméléon minéral

DémonstrationÀ 50 ml d’une solution aqueuse de permanganate de potassium(KMnO4) 0,01 M, on ajoute 25 ml de NaOH à 5 %. Ce mélange, decouleur violette, est déversé lentement sur un entonnoir muni d’unpapier-filtre rempli de 15 g de dioxyde de manganèse (MnO2) fine-ment pulvérisé, ledit entonnoir étant posé sur un erlenmeyer. Onconstate que le filtrat est une solution vert émeraude ! Si, à présent,on acidifie ce filtrat à l’aide d’acide sulfurique (H2SO4) dilué, onremarque qu’il redevient violet ! Cette séquence de réactions peutêtre répétée indéfiniment.

ExplicationC’est une réaction réversible de commutation-dismutation qui sous-tend cette spectaculaire démonstration. En milieu basique :

2 MnO4�(aq) + MnO2(s) + 4 OH�(aq)

Violet

3 MnO24

�(aq) + 2 H2O(l)Vert

Lors de la réacidification :

3 MnO24

�(aq) + 4 H�(aq)Vert

2 MnO4�(aq) + MnO2(s) + 2 H2O(l)

Violet

NB : 1. Il est même possible, dans des conditions particulières, defaire apparaître un véritable drapeau chimique dans un seul et mêmetube à essai, en l’occurrence une couche inférieure bleu ciel [ion hypo-manganate, MnO4

3�(aq)], surmontée d’une couche intermédiaire vertfoncé [ion manganate, MnO4

2�(aq)] et d’une couche supérieure violette[ion permanganate, MnO4

�(aq)].

2. Un autre « caméléon minéral » à base de vanadium a également étédécrit.

Commutation

Dismutation


Mais où sont donc passées les vapeurs rutilantes ?

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Mais où sont doncpassées les vapeurs

rutilantes ?

DémonstrationLorsqu’on recueille des vapeurs rutilantes de dioxyde d’azote, NO2(g),dans un erlenmeyer et qu’on y ajoute du charbon actif (qui est ducharbon de bois ou de tourbe ayant subi un traitement spécial), onconstate, ayant bouché l’erlenmeyer, qu’après agitation vigoureusede celui-ci, les vapeurs rutilantes disparaissent complètement.

ExplicationCe tour permet de montrer que le charbon actif, qui est très fine-ment divisé, présente l’intéressante propriété d’adsorber très effica-cement les gaz.

En vracDom Pierre Pérignon (1639-1715), cellérier d’une abbaye bénédictineproche d’Épernay, est devenu célèbre grâce à sa technique de « collage »visant à clarifier le champagne. Pour ce faire, il suffit d’ajouter auvin une substance coagulante – de la bentonite par exemple – qui sedéposera progressivement en adsorbant toutes les particules ensuspension qui troublent le précieux liquide.



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Comment enfoncerun clou dans du bois

à l’aide d’une banane ?

DémonstrationUne banane est congelée dans de l’azote liquide durant quelquesminutes. À l’aide de gants en matière isolante, ladite banane peutêtre employée comme marteau pour enfoncer un clou dans un mor-ceau de balsa.

ExplicationÀ près de – 195 °C, l’eau que contient la banane est, bien entendu,tout à fait congelée, ce qui a pour effet de rendre la banane aussidure qu’un marteau. Par ailleurs, le balsa est un bois très tendre etfort léger (densité 0,15), qui sert notamment à construire les modè-les réduits d’avions.

NB : 1. D’autres démonstrations classiques avec l’azote liquide ontété décrites : faire voler une fleur en éclats comme si elle était en porce-laine, retirer toute une série de ballons d’une Thermos (cf. page 29) etc.

2. Des crèmes glacées onctueuses peuvent être préparées en quelquessecondes (voir page 191) devant les convives grâce à l’emploi d’azote (oud’air) liquide.

L’argent n’a pas d’odeur,les cendres encore moins !

DémonstrationOn commence par enflammer un billet de monnaie factice, main-tenu à l’aide d’une pince, après l’avoir immergé dans de l’éthanol


Allumer une bougie avec un glaçon…

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(C2H5OH) à 95 %. Le billet en question se retrouve à l’état de cendres.Puis on demande un autre (vrai) billet à une personne de l’assemblée.Celui-ci est, cette fois, trempé dans une solution constituée de 100 mld’éthanol et de 75 ml d’eau, puis enflammé à son tour. Au grandétonnement des spectateurs, il brûlera sans subir de dommage !

Explication

La flamme doit, dans ce dernier cas, vaporiser à la fois l’éthanol etl’eau (dont la capacité calorifique est élevée). La vaporisation de l’eaupermet, grâce à son caractère fortement endothermique, de mainte-nir relativement basse la température du billet de banque, ce quil’empêche de brûler.

Allumer une bougieavec un glaçon

et l’éteindre avecun fluide invisible

DémonstrationUn chandelier muni de bougies est déposé sur la table. On a, en réa-lité, préalablement incorporé [☞ Précautions à prendre, mettre desgants !] à la mèche de chaque bougie un tout petit morceau desodium. Le tour consiste à allumer chacune de ces bougies avec unegoutte d’eau en provenance d’un cube de glace que l’on tient dansle creux de sa main : c’est absolument extraordinaire ! Mais plusfort encore ! Voilà maintenant que pour éteindre ces flammes, ilsuffit de verser sur elles le contenu d’un bécher… vide !



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ExplicationLes métaux alcalins réagissent violemment avec l’eau, avec dégage-ment d’hydrogène,

2 Na(s) + 2 H2O(l) 2 Na�OH�(aq) + H2(g)

lequel, au contact de l’oxygène atmosphérique, s’enflamme et faitbrûler la mèche des bougies :

H2(g) + ½ O2(g) H2O(g)

Quant au bécher apparemment vide, il contient en fait de l’hexa-fluorure de soufre, SF6, lequel est un gaz incolore (c’est-à-dire invi-sible) et inerte, parmi les plus denses que l’on connaisse : c’est ainsiqu’on peut le « verser » sur la flamme d’une bougie, obligeant alorscelle-ci à s’éteindre par manque du comburant qu’est l’oxygène.

Le volcan chimique

DémonstrationOn remplit une capsule de porcelaine avec des cristaux oranges dedichromate d’ammonium, (NH4)2Cr2O7, jusqu’à mi-hauteur. Le réci-pient est ensuite posé sur une plaque faisant office d’isolant thermi-que. À l’aide d’une pissette contenant de l’acétone, on humectequelque peu les cristaux puis on y met le feu au moyen d’une allu-mette. On déclenche ainsi une véritable éruption volcanique, unesorte de Vésuve en miniature : de magnifiques étincelles sont proje-tées en l’air, tandis que l’ensemble de la masse cristalline orangéegonfle progressivement et devient, à la fin de la réaction, une poudreultra-légère teintée en vert.

ExplicationLe phénomène observé est dû à une réaction redox au départ d’uncomposé chimique qui fournit à la fois l’oxydant et le réducteur :


La raison pour laquelle les glucides…

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(NH4)2Cr2O7(s) N2(g) + 4 H2O(g) + Cr2O3(s) + énergieOrange Vert

Une telle réaction de décomposition se poursuit d’elle-même dès225 °C, avec un dégagement important de chaleur et d’azote, ce quiexplique le gonflement spectaculaire du solide résiduel, en l’occur-rence Cr2O3.

NB : 1. L’oxyde de chrome(III), Cr2O3, est en fait la substance quientre dans la composition de l’encre verte utilisée pour l’impression desdollars américains.

2. Ce même Cr2O3 ainsi obtenu peut être accessoirement transforméen chrome métallique par aluminothermie.

3. Il est aussi possible de réaliser un volcan chimique en faisant réagirde l’acide sulfurique concentré (H2SO4) sur du permanganate de potas-sium (KMnO4), mais cette démonstration est fort dangereuse à réaliser.

La raison pour laquelleles glucides étaient

jadis appelés deshydrates de carbone

DémonstrationUn petit bécher est rempli à mi-hauteur de sucre semoule et on yajoute prudemment environ 40 ml d’acide sulfurique concentré(H2SO4). Après avoir délicatement mélangé le tout à l’aide d’une tigede verre, on observe un noircissement et un gonflement de la masseen réaction.

Explication

C12H22O11(s) 12 C(s) + 11 H2O(l)Saccharose

Flamme

H2SO4 conc.



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On constate que le sucre (saccharose) est déshydraté par l’acidesulfurique : il se retrouve sous forme de carbone ! Voilà pourquoion écrivait jadis sa formule comme s’il s’agissait d’un « hydrate decarbone », C12(H2O)11. En réalité, le saccharose est un disaccharide,en l’occurrence du α-D-glucopyrannose (« glucose ») relié à duβ-D-fructofurannose (« fructose ») par un pont acétalique qui connecteles deux carbones anomériques.

De ce fait, pour information, le saccharose n’est pas un « sucreréducteur » (cf. pages 46 à 49).

NB : Le mécanisme de cette réaction est plus complexe qu’il n’yparaît car il y a en outre dégagement de gaz tels que CO2, CO (toxique !)et SO2 (irritant !). Cette expérience sert d’illustration dans plusieurs livresde chimie et est l’une des manipulations que peuvent réaliser eux-mêmesles visiteurs du département de chimie du Deutsches Museum à Munich.

Le brin de Nylonvenu de nulle part

DémonstrationDissoudre, dans un bécher de 250 ml, 2 ml de chlorure de déca-nedioyle, ClCO–(CH2)8–COCl, dans 100 ml de dichlorométhane,CH2Cl2. Le tout est surmonté d’une boule à décanter de 125 ml

O

O

HOH2C

OH

HOHO

OH

CH2OH

H

H

CH2OH

OH

H

O

β

α

Saccharose

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Le brin de nylon venu de nulle part

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dans laquelle on a introduit 50 ml d’une solution aqueuse conte-nant 1,1 g d’hexane-1,6-diamine, H2N–(CH2)6–NH2, 2 g de carbo-nate de sodium, Na2CO3, ainsi qu’un peu de phénolphtaléine. Enlaissant s’écouler lentement et doucement la solution aqueuse sur laphase organique plus dense, on constate que les deux phases sontimmiscibles et qu’il apparaît, à l’interface, un brin (sorte de tubecollabé) que l’on peut enrouler sur une tige de verre et dont la lon-gueur peut facilement dépasser 10 mètres. Ceci fait penser à unprestidigitateur qui retire, sans discontinuer, une enfilade de fou-lards d’un chapeau melon.

NB : Il est recommandé de préparer le chlorure d’acide au moment del’emploi en faisant réagir l’acide dicarboxylique ad hoc (ici, l’acide déca-nedioïque, HOOC–(CH2)8–COOH) avec du chlorure de thionyle (SOCl2)en présence d’une petite quantité de N,N-diméthylformamide [ou DMF,un solvant aprotique polaire, HCON(CH3)2].

ExplicationLa réaction de polycondensation interfaciale peut être schématiséecomme suit :

Chlorure de décanedioyle

Hexane-1,6-diamine

n H2N (CH2)6 NH2(aq)

+ n HCl(aq)

O

C

O

CH NH NH

Nylon-6,10

(CH2)6 (CH2)8 Cl(s)

n

O O

C C(CH2)8+ n Cl Cl(CH2Cl2)



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On se doit de signaler que c’est Wallace Hume Carothers, unbrillant chimiste américain mort tragiquement en 1937 à l’âge de41 ans, qui mit au point, au sein de la compagnie E.I. Du Pont deNemours, la fabrication d’une fibre entièrement synthétique imitantla soie, à savoir le Nylon. Un tel polymère a, sans conteste, révolu-tionné la mode : on en est loin, actuellement, de la présentation despremiers bas en Nylon à l’exposition internationale de 1939 à SanFrancisco, bas qui, à l’époque, n’étaient disponibles que pour lesemployées de la firme Du Pont !

NB : Le nom déposé Nylon dérive du nom proposé à l’origine par lesresponsables du marketing de chez Du Pont : Norun, qui signifie que lesbas faits de cette matière sont indémaillables. Par inversion des voyelles,Norun est devenu Nuron puis Nulon, Nilon et enfin Nylon.

Ces polymères (polyamides) sont désignés par deux nombres :ceux-ci correspondent, respectivement, au nombre d’atomes de car-bone que comprend la diamine monomère et le diacide carboxyli-que monomère.

En vrac1. Magie chimique ! Obtenir un polymère à partir d’un monomère

qui n’existe pas ? Oui, c’est parfaitement possible : l’alcool viny-lique, CH2=CHOH, n’est pas isolable car il se tautomérise immé-diatement en éthanal, CH3–CHO. Mais le poly(alcool vinylique),le PVA comme on dit, existe bel et bien !

2. Certaines abeilles sécrètent des membranes en polyester envue d’emballer le miel afin de le protéger de l’humidité et desparasites. Et avec une fermeture Zip s’il vous plaît !

3. Aucun chimiste n’a encore réussi à produire de manière à la foisélégante, simple et propre un matériau polymère aussi résistantque les soies des araignées ! Certaines espèces d’aranéides peu-vent élaborer jusqu’à sept sortes de soies à diverses fins !

4. Afin d’adhérer à leur support, les moules sécrètent une subs-tance aussi efficace que les résines époxy, et qui, de surcroît,colle même sous l’eau !


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