Intérêt de cette validation vis à vis des modèles et modélisations
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 Matières : SVT et Physique-chimie Antonin MIRABAUD Chandirane PARTIBANE Thème : modèles et modélisations Elèves de 1°S Sommaire: Problématique Observations Apparition du coca-cola et du bonbon mentos page 3 Composition de ces deux denrées page 3 Mode de fabrication des boissons gazeuses page 4 Propriétés de l’eau page 5 Question -Hypothèse Validation expérimentale : I] L'effet du mentos dans le coca-cola 1) Réaction du glucose pure et du coca-cola 2) Réaction de la gomme arabique et du coca-cola. II) La composition du coca et du mentos A] Composition du coca et du mentos B] La rugosité du mentos III) Le dégazage du coca cola 1) Le dégazage du co2 Exemple pour justifier que la réaction est due a la rugosité des éléments inséré dans les boisson gazeuses 2) La tension superficielle accélération du dégazage Intérêt de cette validation vis à vis des modèles et modélisations Problématique Observations En 2006, la réaction du coca cola et du mentos s'est fait connaître au grand public. Comme on peut le voir dans la vidéo jointe, lors de l'insertion d'un mentos dans une bouteille de coca cola, il y a formation d'un geyser dont la taille varie selon la quantité de mentos mis dans le coca cola. Poussés par la curiosité, nous avons voulu en savoir plus sur cette réaction si médiatisée. Le Coca-Cola (Coke en Amérique du Nord et dans certains pays européens) est une marque commerciale déposée en 1887 d'un soda (boisson gazeuse sucrée), née aux Etats-Unis. Depuis des décennies, bien des chimistes se sont posées la question de la composition du Coca Cola®. L'entreprise américaine a toujours entretenu le secret sur la composition exacte de son produit commercial. Il s'agit probablement du secret le mieux gardé du monde. Officiellement, 3 personnes seulement connaissent la recette exacte du Coca Cola®. Celle-ci serait gardée dans un coffre fort en un lieu tenu, lui aussi, secret. C'était sans compter sur les nouvelles technologies d'analyse de composition chimique qui nous permet aujourd'hui d'avoir la liste des ingrédients utilisés pour la boisson gazeuse américaine. La composition du Coca-Cola : -  15% d’eau gazéifiée (H2O + CO2) - 25% sucre (saccharose) (C12H22O11), glucose (C6H12O6) et caramel (absents dans le Coca Light, remplacés par de l’aspartame) -acide ortho phosphorique (H3PO4) 30% - 4% d’extraits végétaux (essences d’orange, de vanille et de citron) - 10% de caféine (C8H10N4O2) (absente dans le coca light) - 1% de noix de cola - 1% d’acide citrique (C6H8O7) Le Mentos est une marque de confiserie du groupe Perfetti Van Melle. Leur produit se présente sous la forme d'une pastille disponible en différents parfums, vendue en tubes. La composition du mentos: -sucre : saccharose (C12H22O11), glucose (C6H12O6) -acide citrique (C6H8O7) -  cire de carnauba et cire d'abeille-huile végétale hydrogénée -fécule -sucroesters d'acides gras -arômes (menthe) -gomme arabique Mode de fabrication des boissons gazeuses Certaines boissons, comme la bière, sont gazeuses par l’activité de levures, ces êtres unicellulaires sont capable de réaliser la respiration en aérobie (en présence de dioxygène). Lorsqu’elles sont en anaérobie, elles utilisent aussi du glucose mais sans consommation de dioxygène et on retrouve alors dans le milieu de l’éthanol et du dioxyde de carbone. Ce type de métabolisme est appelé fermentation. Un des sous-produits formé étant l’éthanol, on parle de fermentation alcoolique.
 P  our mieux comprendre le comportement des composants du coca-cola, nous avons recherché les propriétés de l’eau :L’eau présente une structure tétraédrique : 104,47' pour H-O-H. Les électronégativités selon Allred et Rochow sont : c (O) = 3, 6 ; c (H) = 2,1 ce qui implique l'existence de deux liaisons polarisées. L'eau présente donc une structure dipolaire : Le moment dipolaire est représenté par un vecteur µ orienté du moins (N, -) vers le plus (P, +), selon l’équation : µ = q . NP ou vecteur µ = q . vecteur d avec le vecteur d orienté du barycentre des charges négatives vers le barycentre des charges positives. Normalement exprimée en coulomb-mètre, l'unité courante utilisée est le debye, en honneur du grand chimiste hollandais Peter Debye
En conséquence, l’eau dissout les molécules ioniques ou polaires, comme le sucre. Mais les molécules apolaires (µ =0), comme le CO2, précipitent. L’eau a un rôle ionisant grâce à son moment dipolaire, H2O devient H3O+ avec l’atome d’oxygène qui arrache un hydrogène à une molécule dissoute. L’eau a un rôle dispersant. La loi de Coulomb définit l’intensité de la force électrostatique entre deux ions. l’intensité de la force d’attraction entre cations et anions est plus faible dans l’eau qu’ailleurs. L’eau a un pouvoir de solvatation, il se crée 3 sortes d’interactions entre le solvant et les molécules de soluté dissous : - l’interaction électrostatique ou force de Van der Waals où le nombre de molécules d’eau en interaction avec l’ion dépend de son diamètre et de sa charge (voir le tableau de correspondance en annexe) - Les liaisons hydrogènes entre 2 H - les liaisons de coordination entre un atome donneur d’électron et un atome receveur
Les éléments contenus dans une bouteille de coca-cola sont donc tous en « équilibre », c'est-à-dire que les éléments sont stables et liés par des liaisons faibles (donc facilement cassables). Pourquoi y a-t-il formation d'un grand geyser lors de l'insertion de mentos dans le coca-cola? Hypothèse 1 : le mentos chasserait le gaz de la boisson. Validation expérimentale de l’hypothèse 1 : Expérience 1
Hypothèse 2 : Le CO2 serait un facteur de la réaction. Validation expérimentale de l’hypothèse 2 : Expérience 2 : Protocole : Nous avons versé 80ml d’une autre eau gazeuse, du Perrier dans un bécher de 250ml. Nous ajoutons un mentos. Après 10min, nous ajoutons de nouveau 1 mentos. Résultats : Nous voyons un beau dégagement de CO2 lors de la première addition de mentos. Ce dégagement s’arrête au bout de 1min. La deuxième addition de mentos ne provoque pas de dégazage. Interprétation : Le dégagement de CO2 de ne se produit que lorsque que le Perrier est encore fraichement ouvert. On peut donc affirmer que le CO2 s’est entièrement échappé lors du premier dégazage correspondant à la formation des bulles. 
Hypothèse 3 : l’enrobage serait constitué de glucose Validation expérimentale de l’hypothèse 3 : Expérience 3 :
Interprétation : Au cours du test à la liqueur de Fehling, le cuivre contenu dans ce réactif oxyde la (ou les) fonction aldéhyde d’un sucre réducteur pour la (ou les) transformer en fonction acide selon cette réaction bilan d’oxydo- réduction :
La liqueur de Fehling initialement bleue se colore en rouge brique à chaud, par l’apparition d’un précipité de cuivre oxydé, et cela uniquement en présence d'un composé qui présente la fonction aldéhyde. C’est le cas des sucres réducteurs, comme le glucose, mais le test n'est pas positif avec le saccharose (sucre de table), celui-ci ne présente pas la fonction aldéhyde R-C-OH. Hypothèse 4 : le glucose de l’enrobage suffirait à créer le geyser. Validation expérimentale de l’hypothèse 1 : Expérience 4 :
 Pour confirmer ce rôle de l’enrobage, voici 2 autres tests : Protocole a : nous avons allègrement décapé l’enrobage du mentos à l’aide de notre salive pour voir si le mentos démuni de son enrobage permettrait la réaction. Le mentos sans enrobage est inséré dans 80ml de coca cola Résultats : L'insertion de mentos sans enrobage ne provoque aucun dégagement gazeux. Aucune réaction ne se produit. Protocole b : On utilise 80ml de coca cola et un mentos pour cette expérience. On enlève délicatement l'enrobage du mentos à l'aide d'un scalpel. On insert les morceaux d'enrobage dans un bécher de 100 ml qui contient déjà 80 ml de coca cola. Résultats : L'insertion de morceaux d'enrobage provoque un dégagement gazeux et l'apparition de mousse. Mais nous n’avons toujours pas de geyser. Or le coca-cola contient déjà du glucose. Hypothèse 5 :, ce serait-une question de concentration de glucose. Validation expérimentale de l’hypothèse 5 : Protocole : Nous préparons 4 béchers de 80ml d’de coca-cola. Le premier sert de témoin, le n°2 reçoit 1gr de glucose, le n°3 reçoit 3gr, le n°4 reçoit 7gr. Résultats : plus il y a de glucose, plus ça mousse. Interprétation : chaque molécule de glucose établit des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau voisines.  Hors le CO2 se trouve en équilibre instable dans les « cages » formées par les molécules d’eau. pas encore corrigé : alors que le CO2 n’en possède pas sous forme dissoute car il ne comporte aucun ion h+. L’eau dissout les molécules ioniques ou polaires, comme le sucre alors que les molécules apolaires comme le CO2 précipitent. dans la boisson pourraient alors prendre la place des molécules de CO2, ce qui pourrait alors former le dégagement du CO2. Il est donc possible d’envisager qu’un mentos entrant dans une bouteille de coca-cola pourrait casser ces liaisons poussant alors les molécules de CO2 a fuirent la bouteille formant alors le geyser ! Résultats : On remarque que l'insertion des morceaux d'enrobage sans le mentos provoquent un dégagement gazeux et l'apparition de mousse contrairement au mentos sans enrobage qui ne provoque aucune réaction. On peut alors supposer qu'il n'y a que l'enrobage du mentos qui interagit dans cette réaction. L'enrobage de mentos est constitué majoritairement de gomme arabique mais nous n’avons pas pu nous en procurer et nous ne pouvons donc pas dire si ce réactif rentre dans la réaction. Bilan : Nous savons désormais que l'élément responsable de la formation du geyser est contenu dans l'enrobage pour ce qui est du mentos et qu'il s'agit du CO2 pour ce qui est du Coca. Nous savons aussi que le CO2 du Coca n'est pas le seul élément à intervenir dans la formation du geyser. Nous allons donc voir dans une deuxième partie s'il s'agit d'un phénomène physique qui pourrait par exemple impliquer le CO2 du Coca et l'enrobage du mentos. II ) Composition du coca et du mentos. Nous nous sommes donc intéressés aux différents élément constituant les deux composants. Nous avons décidé de tester les différents acides puis les différents sucres du coca cola qui pourrait réagir avec le mentos. La composition du Coca-Cola est : -eau gazéifiée (CO2, H2O) 15% -sucre (saccharose) (C12H22O11), glucose (C6H12O6) et caramel 25% -acide ortho phosphorique (H3PO4) 30% -extraits végétaux 4% -caféine (C8H10N4O2) 10% -Noix de cola 1% -acide citrique (C6H8O7) 1% -Escherichia coli sous forme liquide 14% -aspartame (C14H18O5N2) -acésulfame de potassium (C4H4NO4SK) La composition du mentos est : Expérience 1: Pour comparer la réaction avec les différents éléments, nous avons fait de petites expériences avec chacun des sucres et des mentos pour voir lequel réagissait le mieux. Protocole : Nous avons commencé par rajouter 2 carrés de sucre dans du coca cola puis nous avons ajouté un mentos pour voir si, lorsqu’un mentos est plus concentré en saccharose, la réaction est plus importante. Résultats : On observe une effervescence comparable a l’expérience de base mais qui semble provoquer un soupçons plus de mousse. Interprétation : Dans un cristal de sucre, les nombreuses molécules de saccharose sont rangées les unes à côté des autres, de façon très ordonnée. Des liaisons chimiques faibles s'exercent entre les molécules et les maintiennent unies. Mais à la moindre tentation, ces liaisons sont bien insuffisantes, ces tentations pourraient être le saccharose ce qui expliqueraient la remonté des molécules de CO2 qui ne sont plus en équilibre dans la bouteille.  Molécule de saccharose (=glucose+fructose)2) Nous avons ensuite voulu voir l'effet avec l'aspartame qui est un sucre 200 fois plus fort que le saccharose ainsi que l’effet du glucose pur.  Résultats : Le glucose provoque une effervescence beaucoup plus importante que le saccharose mais l'aspartame forme facilement un geyser qui est signe d’une forte réaction.  Interprétation : Lors de l'insertion du glucose pur et des mentos dans le coca cola, les molécules de glucose, étant polaire, se sont dissoutes dans l'eau constituée aussi des molécules polaires. En effet les substances ioniques ou polaires comme le glucose se dissolvent facilement dans l’eau. Les liaisons hydrogène entre le CO2 et l'eau vont alors céder pour relâcher le CO2. Expérience 2 : Essayons maintenant de voir si les acides sont responsables de la réaction. Nous avons dilué 20ml d'une solution d'acide citrique puis nous avons ajouté 80ml de coca-cola et un mentos. De la même manière, nous avons remplacé la solution d'acide citrique par une solution d’acide ortho phosphorique. Observations : Il n'y a aucune réaction avec les différents acides du coca-cola. Les acides ne réagissent donc pas avec le mentos. Acide Citrique Acide orthophosphorique   Interprétation : Les substances ioniques comme l'acide se dissolvent facilement dans l'eau mais les molécules d'acide ne prennent pas assez de place pour casser les liaisons d'hydrogène entre l'eau et le CO2. L'espèce solvatée ne sera pas assez grosse pour provoquer un affaiblissement des liaisons d'hydrogène. Bilan : III : Le phénomène physique :
Dans toutes les boissons, les gaz sont à l'état d'équilibre entre le liquide et l'air tant qu'on ne change pas leur pression dans l'un ou l'autre des éléments. La fabrication d'une eau gazéifiée ce fait en mettant dans la bouteille du gaz carbonique à une pression supérieure à celle du CO2 déjà dissous dans l'eau. Le CO2 se dissout alors dans l'eau pour rejoindre un état d'équilibre entre les deux pressions. Et inversement, à l'ouverture de la bouteille, une dépression se crée car la pression en CO2 de l'air de la bouteille est supérieure à celle de l'air extérieur. Le CO2 retenu par l'eau s'échappe alors de la boisson qui perd peu à peu son gaz. Ce phénomène est le même avec toute les boissons gazeuses, c'est pour cela qu'une réaction avec le coca-cola ne sera pas la même selon la manière d'insérer le mentos dans la boisson, si on verse d'abord la boisson dans un autre récipient, du CO2 va s'échapper et la réaction entre le mentos et le coca-cola sera donc moins importante. Il faut préciser que le CO2 se dissout très mal dans l'eau ayant des molécules apolaires.
a) Aspérités sur le mentos. Alors que toutes les conditions (forte acidité et température élevée) peuvent être réunies dans une bouteille de Coca fraîchement et délicatement débouchée, un geyser ne sort pas spontanément de la bouteille dès son ouverture ! Il manque un amorçage essentiel au dégazage brusque de la boisson. La boisson est dans un état qui ne demande qu'à être perturbé pour évoluer vers un état beaucoup plus stable. Une possibilité est de secouer la bouteille afin de provoquer l'agitation des bulles déjà présentes et engendrer d'autres bulles. Nous avons observé précédemment que le glucose réagissait bien avec la boisson ainsi que l'enrobage du mentos seul, le point commun entre ces deux éléments est leurs rugosités. A l'aide d'un microscope, nous avons pu observer que les mentos sont rugueux, ils possèdent de nombreuses aspérités à leur surface.  mentos à l’orange vu au grossissement x40 Ces aspérités peuvent être microscopiques et invisibles à l'œil nu. du sel de cuisine, du sucre en poudre peuvent être suffisamment rugueux pour servir de points de formation des bulles de CO2 tant qu’ils ne sont pas dissout. De la limaille de fer, du sable, non solubles, sont encore plus efficaces. Nous avons remarqué que les microscopiques dépôts de calcaire collés à la paroi d’un verre favorisent aussi les bulles et la mousse, alors que les verres parfaitement propres et essuyés (sans peluches) peuvent ne pas provoquer de bulles. Quand on agite la bouteille avant de l’ouvrir, le geyser se forme d’autant plus vite que la bouteille est tiède. B) La nucléation. L'introduction de plusieurs mentos dans la boisson gazeuse provoque alors la germination des bulles de gaz carbonique en très grande quantité. Le gaz carbonique dissout s'accumule alors sur les premières bulles formées, les faisant grossir rapidement. Les points de germination ou d'attache sont appelés germes et ce phénomène s'appelle la nucléation (qui vient du mot noyau). On peut aussi remarquer que si le mentos est trop humide (soit déjà utilisé, soit sucé, soit mouillé à l'eau), l'effet de nucléation disparaît presque entièrement. En effet, le sucre étant soluble dans l'eau, l'enrobage perd de sa rugosité rapidement. Conclusion Bibliographie http://www.sciences-en-ligne.com/DIST/Data/Ressources/lic2/chimie/chi_gen/solutions/eau_solvant.htm |
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