Nemo et la densité

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Bien le bonjour à tous 🙂

Aujourd’hui on s’attaque à un très beau film d’animation : le monde de Nemo !

Et tout particulièrement à la scène où les poissons de l’aquarium s’échappent dans des sacs en plastiques. Regardez l’image ci-dessus, rien ne vous choque ? … Je veux dire mis à part les poissons qui parlent et les étoiles de mer avec des yeux 😉

Mmmmh quelque chose cloche… des sacs remplis d’eau ne devraient pas flotter à ce point sur de l’eau…Étudions cet extrait chimie à l’appui 🙂

Modélisation

Pour modéliser le problème on considère que les sacs plastiques sont des sphères de rayon R  (les physiciens adorent les sphères ! =P). Ces sphères contiennent un certain volume d’eau : noté Veau, et un certain volume d’air : noté Vair. On néglige la présence du poisson dans le sac plastique.

Pour bien comprendre j’ai préféré partir d’un sac partiellement rempli afin de ne pas se situer dans un cas trop particulier (sac totalement rempli ou vide).

Notre mission si nous l’acceptons : déterminer le volume du sac plastique qui est immergé et le comparer à Veau et à Vair !

Pour l’instant sur le schéma le volume immergé du sac plastique est choisi afin qu’il soit quelconque. 

schéma avec poisson

Système : sac plastique

Référentiel : terrestre, galiléen

Bilan des forces :

Le poids du sac : noté P

La poussée d’Archimède exercée par l’eau sur le sac : noté Π

La poussée d’Archimède exercée par l’air sur le sac

On va pouvoir négliger la poussée d’Archimède exercée par l’air sur le sac, cette force étant négligeable devant les deux autres. En effet la masse volumique de l’air est très faible devant celle de l’eau : ρair  = 1,225 kg.m-3 et ρeau  = 1000 kg.m-3 on a un facteur mille entre les deux donc un facteur mille entre les deux poussées d’Archimède.

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Calcul

Calculons le poids :

Le poids c’est le poids de l’eau et de l’air contenus dans le sachet plastique, on néglige le poids du poisson et des parois en plastique.

éq1

Calculons la poussée d’Archimède :

La poussée d’Archimède c’est le poids du fluide déplacé par le solide immergé…clarifions cela.

La poussée d’Archimède correspond à la somme des forces de pressions exercées par l’eau sur le sac plastique, ainsi elle ne s’applique pas sur toute la sphère mais que sur la partie immergée. Sa norme est égale au poids de l’eau qui a été déplacé par le ballon.

éq2

On remarque que le poids s’applique au centre de gravité de toute la sphère, alors que la poussée d’Archimède s’applique au centre de gravité du solide immergé.

Comme le solide est au repos, d’après la première loi de Newton à l’équilibre, les deux forces se compensent. On a donc :

éq3

Avec les expressions des forces et en simplifiant par g et en projetant selon ez, on a :

éq4

On isole Vimm :

éq5

Bon maintenant c’est bien on a une expression du volume du sac plastique immergé… « et maintenant que vais je-faire ? »

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On a vu tout à l’heure que ρair  << ρeau  , ainsi ρair  ÷ ρeau  = 1,225.10-3 kg.m-3 <<1 . Si l’on suppose que les deux volumes Veau et Vair sont du même ordre de grandeur on a alors :

éq6

On en déduit donc que Vimm ≈ Veau ! 

Cela signifie donc que le volume du sac plastique immergé correspond au volume d’eau dans le sac plastique. Autrement dit que la ligne de flottaison se situe au niveau de l’eau dans le sac :), d’où le schéma modifié.

schéma ligne flottaison

giphy (2)

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Ainsi dans le dessin animé les sacs plastiques devraient être presque totalement immergés :)…(Notez que j’ai mit un P majuscule à physicien…ça n’arrivera pas souvent ^^)

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Mais on est dans la mer …

Mais au fait les sacs plastiques sont dans de l’eau de mer, l’eau de mer est salée et est donc plus dense que l’eau douce. C’est l’exemple de la mer morte où l’on flotte beaucoup plus facilement que dans d’autres mers car elle est beaucoup plus salée…Mmmh peut être que le film a raison alors…

wikipédia mer morte

Par Pete — Travail personnel de la personne qui a téléchargé le document. (Original text : Uploaded to en: by Pete, on 14 May 2005), CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=192989

Et si on essayait de déterminer la densité de l’eau de mer nécessaire pour faire flotter les sacs plastiques. 

Supposons cette fois que les sacs sont totalement remplis d’eau comme dans le film.Vair = 0. Notre mission : déterminer la masse volumique de l’eau de mer pour que la ligne de flottaison soit au niveau de la moitié du sac plastique. On veut donc Vimm = Veau /2

schéma mer

De même que précédemment à l’équilibre le poids et la poussée d’Archimède se compensent, on a donc :

éq7

Pour qu’ un sac rempli d’eau puisse flotter sur la mer, il faut donc que cette dernière ait une masse volumique de  2000 g.L-1 !!!

La masse volumique de la mer morte est de 1240 g.L-1 on est donc loin des 2000 g.L-1 !

Cette masse volumique semble donc peu plausible, mais est elle seulement possible ?

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Pour 1L d’eau pure on a 1000g.

Pour 1L d’eau de mer, il faut donc 1000g de plus pour atteindre 2000 g.L-1 !

Il faut donc 1000 g de sel NaCl dans un litre, donc une concentration de 1000 g.L-1 .

Cette valeur dépasse la solubilité du sel dans l’eau qui est de 375 g.L-1 , cela signifie que l’on ne pourra jamais atteindre la concentration de  1000 g.L-1 car le sel ne se dissout plus. Une masse volumique de 2000 g.L-1 pour l’eau de mer est physiquement impossible.

Aucune mer au monde quel que soit sa salinité ne pourra donc faire flotter un sac rempli d’eau 🙂

Et n’oubliez jamais : P sherman 42 wallaby way sydney 😉

Bibliographie

  • Wikipédia : mer morte, eau de mer : pour toutes les valeurs numériques de densité et de solubilité
  • Watts up science : https://wattsupscience.wordpress.com/?s=Ballon, avec un article de qualité sur un ballon de basket qui flotte, je m’en suis inspiré pour les calculs, merci à Charlie et Damien 
  • Je remercie l’émission faux raccords grâce à qui j’ai pu voir que en effet il y avait un problème de physique dans cet extrait du film :

 

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BBC : prix Nobel Walter

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 Un jour un grand homme a dit :

« Chemistry is, well technycally, chemistry is the study of matter. But I prefer to see it as the study of change. » WW

(La chimie c’est, et bien techniquement, la chimie c’est l’étude de la matière. Mais je préfère l’envisager comme l’étude de ce qui change.)

# musique de tambours #

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Résumons rapidement Breaking Bad en quelques mots : chimie, enquêtes policières, drames familiaux, cancer, trafiques d’argent, de drogues, crimes…tout ça tout ça ! Bref un joyeux mélange explosif.

Attention ceci est une alerte spoiler de niveau 4 ! Restez calme, ceci n’est pas un exercice ! Je répète alerte spoiler niveau 4 !

Étudions la chimie de l’épisode 1 de la saison 1.

Walter contribue à un prix Nobel

page 1 BD1

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page 3 BD1Dans la maison de Walter on peut voir dès l’épisode 1 l’affiche suivante :

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Breaking bad, saison 1 épisode 1

Sur cette affiche, il est précisé que Walter a contribué au prix Nobel de Chimie de 1985. Ce prix Nobel a été décerné aux professeurs Herbert A. Hauptman et Jerome Karle pour leur « développement de méthodes directes de détermination des structures cristallines. »

Précisons un peu tout cela :

Tout d’abord qu’est-ce qu’une structure cristalline ? 

Dans structure cristalline on peut repérer le mot cristal (comme dans « crystal meth »). Un cristal c’est un solide dont les éléments (atomes, ions, molécules…) sont organisés selon un motif qui se répète un grand nombre de fois. Des cristaux bien connus sont : la neige, les pierres précieuses, le sucre, le sel, les métaux… et aussi la méthamphétamine sous sa forme pure, qui lui vaudra le surnom de « crystal meth ».

La structure cristalline c’est donc tout simplement la manière dont sont organisés les éléments de notre cristal (atomes, ions, molécules…).

Structure cristalline du sel, de formule NaCl (s), agencement régulier et périodique d’ions Na+ et Cl  :

structure cristalline sel

Ci-dessous la structure cristalline de la méthamphétamine, de formule C10H16NCl, cela n’est peut-être pas super visible mais les molécules sont organisées périodiquement dans l’espace. On en reparlera bientôt ;).

structure cristalline meth

Quelle est l’importance de connaitre ces structures ?

 En chimie bien connaitre les structures cristallines est primordial, cela revient à avoir une photo 3D précise de notre cristal. En biochimie par exemple il est important de connaitre l’agencement dans l’espace et la structure de grosses molécules comme des protéines ou des enzymes pour comprendre leur mode d’action. 

Comment fait-on pour déterminer ces structures ?

Pour obtenir des informations sur la structure d’un objet on utilise la lumière. En regardant comment cette lumière aura été modifiée après avoir interagit avec notre cristal on pourra en déduire la structure du cristal.

L’interaction lumière-matière qui nous intéresse ici c’est la diffraction. Notre cristal possède un agencement périodique d’atomes (par exemple), ainsi chaque atome va constituer « un obstacle » pour la lumière.

Chaque atome va donc diffracter la lumière dans certaines directions de l’espace et on obtient donc une figure d’interférence que l’on peut analyser. (Pour ceux qui connaissent cela fonctionne comme un réseau).

Schéma de fonctionnement de la diffraction des rayons X sur un cristal

Schéma de diffraction des RX

Cependant pour pouvoir se diffracter (interagir) avec les atomes, la lumière doit avoir une longueur d’onde du même ordre de grandeur que nos atomes (environ 10-10 m). Dans le cas contraire notre lumière « évite » en quelque sorte l’obstacle.

 A savoir : la longueur d’onde notée λ, c’est la distance que parcoure l’onde pendant sa période. Plus la longueur d’onde est faible, plus l’onde possède une énergie importante. (La fameuse formule E = hc/λ).

Pour que la longueur d’onde corresponde il faut donc utiliser des rayons X, qui possèdent une petite longueur d’onde (environ 10-10 m). Une petite longueur d’onde signifie grande énergie, il n’est donc pas prudent de s’exposer longtemps aux rayons X.

L’analyse des rayons diffractés va nous donner des informations sur la structure du cristal. Et l’information qui intéresse le plus les chimistes c’est la densité électronique du cristal.

La densité électronique c’est comment les électrons se répartissent au sein du cristal. On peut en déduire la position moyenne de nos atomes, leur nature, les types de liaisons entre ces atomes…c’est vraiment surpuissant comme information !

Cependant le chimiste fait alors face à un problème majeur en science physique : le problème de phase ! Et c’est là que le prix Nobel de 1985 intervient.

Le problème de phase

La phase d’une onde c’est en quelque sorte son retard par rapport à une autre onde, ou un autre groupe d’onde : on parle de différence de phase.

Ce retard entre les ondes est de l’ordre de grandeur de leur période. Pour les rayons X, la période est très petite et vaut environ T = 3*10-19 s.

Pour pouvoir observer un retard de cet ordre de grandeur (et donc mesurer la différence de phase), il faut que l’on ait un appareil qui prenne des photos toutes les 3*10-19 s. Il est impossible d’avoir un appareil avec une telle précision. Ainsi on ne peut mesurer la différence de phase des rayons X diffractés, l’information sur la phase est alors moyennée dans les images que l’on obtient.

Or sans la phase on ne peut obtenir la densité électronique du cristal et donc on ne peut déterminer précisément la position des atomes et leur agencement dans l’espace.

(La densité électronique s’obtient en faisant une transformée de Fourrier inverse de l’onde diffractée, sans phase on a accès à une quantité réelle et on ne peut donc pas faire de transformée de Fourrier)

La solution du chimiste : la fameuse méthode directe ! Prix Nobel de 1985.

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 La méthode directe

 La méthode directe s’appelle ainsi car elle permet de déterminer la densité électronique directement des données collectées.

Son principe est simple : il faut déterminer les différences de phases des ondes diffractées. Pour cela deux hypothèses sont réalisées :

 1. La densité électronique de notre cristal est toujours positive ou nulle en tout point du cristal.

Cette hypothèse est très valable, en effet la densité c’est le nombre d’électrons par unité de volume. Les électrons existent (densité positive) ou n’existe pas (densité nulle).

2. Il faut qu’un grand nombre de mesure de l’intensité soit réalisé.

En effet pour déterminer la différence de phase, Hauptman et Karle utilisent des équations dont la validité n’est que statistiquement probable. Avec un grand nombre de mesure devant le nombre d’équation on va statistiquement tendre vers des phases plus « justes ».

Et Walter White dans tout ça ?

Sur l’affiche il est précisé que Walter a travaillé sur « the proton radiography », c’est à dire sur la radiographie des protons ;). Mais dis-moi Jamie c’est quoi une radiographie ?

 Et bien c’est très simple :

 La radiographie classique fonctionne un peu comme des ombres chinoises, on envoie un faisceau de rayons X sur la zone du corps humain que l’on veut observer. Les différents organes traversés vont plus ou moins absorber les rayons X, et on récupère une image avec un détecteur à la sortie du corps humain.

 Les organes ayant fortement absorbés les rayons X apparaîtront en noir sur la radio (les os), et ceux n’ayant pas absorbés (tissus mous) apparaîtront en blanc. On obtient en quelque sorte « une ombre chinoise » de nos os.

Première radiographie de l’histoire prise le 22 décembre 1895 

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 Mais quid de la radiographie des protons ?

 Les protons sont capables de pénétrer beaucoup plus dans la matière que la lumière et donc que les rayons x, on peut donc supposer obtenir des images d’objet qui absorbaient beaucoup trop les rayons X.

Cependant les premières radios obtenues avec cette méthode sont peu prometteuses : les images sont floues. Ce problème vient de la diffusion des protons lorsqu’ils se déplacent dans un objet, en raison de leur charge électrique.

De plus la radiographie des protons est encore peu employée aujourd’hui, produire un faisceau de proton coûte en effet relativement cher.

Il est difficile de voir comment Walter White aurait pu contribuer au prix Nobel de 1985, même si les deux champs d’études sont liés, l’objectif étant d’obtenir des images ou des informations sur la structure de la matière.

Si vous avez des idées sur la manières dont Walter aurait pu participer à ce prix Nobel, n’hésitez pas à le mettre dans les commentaires 🙂

Bibliographie

 

Incroyable ! On dirait de la magie !

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Harry Potter et la chambre des secrets

Bien le bonjour à tous 🙂

Nous voici en route pour une nouvelle année à Poudlard, avec son lot d’elfes de maison, de gâteau renversé sur la tête, de voiture volante, de saule cogneur et autre basilic : bref une scolarité tout à fait classique…Dumbledore président ! 😉

– Aujourd’hui nous allons rempoter des mandragores, qui peut me dire quelles sont les propriétés de la mandragore ?

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– La mandragore, ou mandragora est utilisée pour ramener ceux qui ont été pétrifiés à leur état d’origine. Elle est aussi très dangereuse, le cri de la mandragore est mortel pour quiconque l’entend !

Merci miss Granger, mais quand est-il d’un point de vue chimique ? 😉

Les mandragores existent 

La mandragore est une plante qui existe bel et bien, son nom botanique est Mandragora officinarum. Ces racines ont un aspect humanoïde qui est à l’origine de nombreux mythes, c’est d’ailleurs l’un d’entre eux qui est repris dans Harry Potter : elle émet un cri mortel lorsqu’on la déracine.

La mandragore :

    

wikipédia

Cette plante est constituée de nombreux alcaloïdes, ce sont des molécules organiques cyclique contenant un atome d’azote dans leur cycle. Elles sont très souvent d’origine naturelle et ont des propriétés pharmacologiques à faible dose.

La caféine, la morphine, la nicotine, et la strychnine sont des alcaloïdes (la terminaison en « ine » est caractéristique).

A forte dose certains alcaloïdes peuvent être mortels. Ainsi même si la mandragore a un effet anesthésique (supprime la sensibilité du système nerveux) qui aurait pu être exploitable, son utilisation fut très limitée par un nombre important d’effet secondaire (présence de trop d’alcaloïdes).

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L’astuce du chimiste est alors d’isoler la molécule présente dans les racines de mandragores et responsable de l’effet thérapeutique. Ainsi c’est en 1885 que le chimiste français Crouzel réussi à isoler la mandragorine ou encore appelée l’atropine.

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 Pas si loin…;)

Dans Harry Potter la mandragore sert à ramener à la vie les personnes pétrifiées par le terrible basilic, nous allons voir que les effets de l’atropine n’en sont pas si loin 😉

L’atropine est utilisée comme antidote des gaz de combat neurotoxiques comme par exemple le gaz VX ou le gaz sarin. Ces gaz ont la particularité d’être tous des composés organophosphorés : ils possèdent une liaison phosphore-carbone.

Ces gaz de combats sont hautement toxiques pour l’organisme car ils provoquent une stimulation trop importante des cellules nerveuses du système parasympathique : celui qui contrôle le fonctionnement autonome des organes, des glandes et des vaisseaux sanguins.

Cette sur-stimulation mène à la contraction des pupilles, une salivation importante, des urinations involontaires, des convulsions et à une mort par asphyxie causée par l’arrêt des muscles respiratoires.

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Film the rock, 1996, Dr. Stanley Goodspeed joué par Nicolas cage, tentant de récupérer les capsules contenant le VX

Pour comprendre le rôle de l’atropine en tant qu’antidote, il faut tout d’abord étudier l’action des composés organophosphorés :

Ces gaz provoquent dans le corps humain une inhibition de la cholinestérase : une enzyme responsable de l’hydrolyse (la destruction) de l’acétylcholine en choline. C’est une réaction d’hydrolyse d’un ester (acétycholine) en un acide carboxilique (acide acétique) et un alcool (choline).

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Or l’acétylcholine est un neurotransmetteur (messager chimique entre deux neurones), elle se fixe sur les récepteurs du neurone post-synaptique et provoque la propagation du message nerveux entre les neurones, pour conduire à terme à la contraction/activation des muscles.

La contraction est stoppée par la destruction du neurotransmetteur par la cholinestérase.

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https://youtu.be/nM_v114rjwo, Chantal Proulx

Ainsi l’inhibition de la cholinestérase par les composés organophosphorés conduit à une présence permanente de l’acétylcholine sur le récepteur et donc à une contraction permanente des muscles, pouvant aller jusqu’à l’asphyxie.

L’atropine : l’arme ultime contre le basilic

L’atropine agit en se fixant sur les récepteurs post-synaptiques à la place de l’acétylcholine, ainsi l’abondance d’acétylcholine n’a aucun effet puisque ces dernières n’ont pas accès aux récepteurs.

De plus même si l’atropine est fixée aux récepteurs, elle est inerte et ne provoque pas d’influx nerveux : les muscles du système parasympathique se relâchent donc par absence de signal.

L’atropine permet donc d’éviter l’activation permanente des muscles du système parasympathique : ceux qui fonctionnent de façon autonome. Et donc d’empêcher une sorte de paralysie, mais qui ne concernerait pas les muscles du système somatique (les muscles que l’on fait fonctionner volontairement, notamment pour se mouvoir).

Prendre de l’atropine après un fougueux mais téméraire eye contact avec notre ami le basilic ne vous rendra donc pas vos mouvements, mais cela vous permettra de rester en vie, du moins temporairement 😉

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Bibliographie

 

Tintin et le caoutchouc

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Tintin au Congo (Ed. Casterman 1946)

Bien le bonjour à tous 🙂

Dans la bande dessinée Tintin au Congo, notre cher ami Tintin redouble d’ingéniosité pour nuire aux animaux d’Afrique.

Afin de se venger d’un buffle l’ayant projeté dans l’eau, Tintin utilise les propriétés de l’hévéa pour construire un lance pierre géant et assommer le pauvre animal. Analysons ce passage chimie à l’appui 😉

Voici le passage étudié : 

 

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Le caoutchouc

Comme nous l’avions vu dans l’article sur : La chimie du ballon de basket, le caoutchouc est un polymère. C’est à dire qu’il est constitué de molécules de très grande taille (et de très grande masse molaire) : des macromolécules.

Ces macromolécules sont caractérisées par la répétition de petites molécules : on parle d’unité de répétition. Ces petites molécules s’obtiennent après réaction d’une molécule de départ avec elle-même, cette molécule de départ c’est le monomère.

Dans le cas du caoutchouc naturel :

  • La « molécule de départ » = monomère est l’isoprène

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  • La macromolécule : est une répétition d’une petite molécule provenant de l’isoprène de départ (après qu’il ait réagit)

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Le polymère caoutchouc est donc constitué d’un nombre important de ces macromolécules : longue chaîne que l’on peut assimiler à des spaghettis, le polymère correspond alors à l’ensemble du plat de spaghetti.

Dans Tintin

Tintin extrait le caoutchouc de « l’arbre à caoutchouc », aussi appelé hévéa. La sève de cet arbre : le latex, est un liquide laiteux constitué de 70 % d’eau et de 30 % de caoutchouc.

Comme le précise très bien Tintin, le latex sortant de l’arbre doit ensuite être séché pour faire partir l’eau et ne conserver que le caoutchouc. Cependant Tintin a oublié de nous faire part d’une étape cruciale, celle qui donne son élasticité au caoutchouc : la vulcanisation !

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La vulcanisation est une réaction chimique qui consiste à relier chaque longue chaîne (formant une macromolécule) entre elles. Cela revient à relier tous les spaghettis entre eux.

Pour cela il faut ajouter un ingrédient indispensable : le soufre. Ce dernier va réagir avec les doubles liaisons présentes dans nos chaînes et former des ponts entre les chaînes.

Le soufre, présenté dans la réaction ci-dessus, est sous sa forme solide la plus stable : appelé Sα ou encore S8.

Soufre S8, chaque boule correspond à un atome de soufre :

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wikipédia

Les ponts ainsi formés agissent tels des ressorts sur notre polymère. Quand on l’étire le polymère se déforme puis, il revient dans son état initial lorsque la contrainte est stoppée.

La vulcanisation est une étape délicate, trop de soufre entre nos chaînes va rigidifier la structure et le composé ne sera plus élastique. De même trop peu de ponts va conduire à une faible élasticité.

Tintin ne peut donc pas utiliser directement le caoutchouc sortant de l’hévéa pour fabriquer son lance pierre.

Un grand merci à mon prof de Chimie de prépa qui nous a présenté le cours sur les polymères de manière ludique et attractive avec cet exemple :).

Bibliographie

 

Gandalf le blanc

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Gandalf le blanc, le retour du roi

– « Hahahaha ! Vous n’avez aucun pouvoir ici Gandalf le gris » (Théoden en mode vieux schnock)

– (petite musique sacrée « haaaaaaaâ ! »)

– Hahaa ! Et bim dans ta face Sarouman, mes vêtements sont d’une blancheur éclatante (Gandalf)

– « Oh non ce n’est pas possible ! Comment fait-il pour avoir des vêtements aussi blancs ?! » (Sarouman)

– Et bim ! Coup de bâton !

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Là est toute la question, comment Gandalf fait-il pour passer de gris à blanc éclatant ? Dans le livre il est précisé que « il est renvoyé sur terre car sa tâche n’est pas finie », mais devant cette explication un peu oiseuse le chimiste ricane doucement et un mot lui vient en tête : azurants ! 

photo présentation.pngJuste le blanc 😉

Tout d’abord précisons ce qu’est « le blanc » : c’est un mélange de toutes les couleurs. Lorsque la lumière arrive sur un objet, pour que ce dernier nous apparaisse blanc, il faut donc qu’il renvoie vers nos yeux toutes les longueurs d’ondes du spectre visible (donc toutes les couleurs).  

Si un objet absorbe une couleur du spectre visible, il apparaît de la couleur complémentaire. Et s’il absorbe toutes les couleurs il est noir. On peut donc déterminer les couleurs qu’un objet absorbe grâce au cercle chromatique.

La couleur absorbée est à l’opposé de la couleur que l’on observe :

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– Mais dis-moi Jamy, quel rapport avec notre cher ami Gandalf ?

– Et bien c’est très simple…

Le souci que devrait avoir notre ami Gandalf, c’est que ses vêtements sont faits de coton. Le coton est composé essentiellement de cellulose : un polymère (répétition d’un même motif chimique) de D-glucose.

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Les fibres du coton proviennent donc de ces longues chaînes, liées entre elles par des liaisons hydrogènes (liaison électrostatique entre un hydrogène et un oxygène ici, un peu moins forte qu’une véritable liaison covalente).

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Le principal souci du coton c’est qu’il absorbe dans le bleu, ainsi normalement tous nos habits faits de coton devraient nous apparaître jaunâtre (couleur complémentaire du violet-bleu).

Pour pallier à ce problème, notre ami Gandalf, vraiment en avance sur son temps à bien pris soin d’ajouter des azurants optiques à sa magnifique cape blanche.

Les azurants

Les azurants optiques sont des composés qu’on ajoute aux vêtements (environ 1% en masse), pour que ces derniers apparaissent blancs et non jaunâtres, voir même « plus blanc que blanc ».

Les azurants sont souvent des dérivés de stilbène et possèdent des groupements sulfates. Ces groupements rendent la molécule polaire et donc lui assurent une bonne solubilité dans l’eau (ce qui est important car les azurants sont très utilisés dans les lessives).

De plus ces groupements sulfates vont permettre à l’azurant de se lier à la cellulose par des liaisons hydrogènes (encore et toujours). Les liaisons se font entre les oxygènes de l’azurant (groupement sulfate) et les hydrogènes des alcools de la cellulose.

azurant optique

L’azurant a cette capacité d’absorber la lumière dans l’ultra-violet (il est donc incolore). Cette absorption lui confère une importante énergie : la molécule est alors dans un état excité et va donc pouvoir libérer son surplus d’énergie sous forme de chaleur ou en émettant de la lumière : c’est la fluorescence !

Les azurants sont donc des molécules fluorescentes : elles peuvent donc émettre de la lumière et notamment de la lumière bleue (vers 400-500 nm), ainsi elles complètent la couleur manquante dans le spectre, que la cellulose avait absorbée.

Mais ce n’est pas tout, car en plus de renvoyer toutes les couleurs, l’azurant émet de la lumière : d’où ce blanc éclatant, que l’on qualifie souvent de « plus blanc que blanc ».

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Lessive avec des azurants optiques

En bonus voici le fameux sketch de Coluche où il se moque des lessives qui lavent « plus blanc que blanc » !

Bibliographie

Roger Rabbit et la trempette

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Image du film qui veut la peau de Roger Rabbit

Bien le bonjour à tous 🙂

Back to the 80’s (et non the future ;)) avec le célèbre film : « qui veut la peau de Roger Rabbit ». Dans ce film les Toons sont vivants et cohabitent avec les humains. Roger Rabbit, le héros du film est accusé du meurtre de Arvin Acme, directeur de la fameuse société ACME. Il est donc pourchassé par le juge de la ville qui connaît le seul moyen de tuer un Toon : la trempette ! Etudions cette trempette chimie à l’appui :).

Voici un extrait qui explique ce qu’est la trempette :

La trempette c’est donc le mélange de térébenthine, benzène et d’acétone. Mais alors :

  • Ces composés sont-ils miscibles ?
  • Ces composés sont-ils nocifs ? Corrosifs ?
  • Ces composés attaquent ils le plastique ?

 

Térébenthine

Plus précisément appelée essence de térébenthine, c’est un liquide incolore d’odeur caractéristique de pin. Il est obtenu par hydrodistillation (séparation d’un composé organique : ici la térébenthine et d’une phase aqueuse par chauffage et recondensation des vapeurs) d’une résine de pin tel que le pin maritime par exemple.

La térébenthine se compose d’un mélange de terpènes : molécules issues de l’association d’unités à 5 carbones de type isoprène. Ils sont les principaux constituants des huiles essentielles de plantes et de fleurs. La térébenthine est composée majoritairement d’α-pinène et de β-pinène.

Acétone

C’est un liquide incolore, volatil et très utilisé en chimie organique en tant que solvant : il est notamment miscible (forme une seule phase) avec l’eau. L’acétone est le principal constituant de certains dissolvants pour retirer le vernis à ongle. Il est aussi utilisé comme dissolvant pour les colles et les peintures.

Benzène

Le benzène est un liquide incolore, il est utilisé comme solvant en chimie organique même si son utilisation est de plus en plus limitée et remplacée par le toluène (structure très proche). Le benzène n’est pas miscible avec l’eau et comme de nombreux solvants il est très volatil. La vente et son emploi sont très réglementés depuis que l’on sait qu’il est cancérigène.

Dans Roger Rabbit

 L’aspect :

Dans le film la trempette a une couleur verdâtre, cependant la térébenthine, l’acétone et le benzène sont tous les trois incolores, un colorant à sûrement dû être rajouté par notre cher juge DeMort pour rendre sa substance bien plus inquiétante. Térébenthine, acétone et benzène sont miscibles entre eux, leur mélange doit donc à priori former une seule phase.

Dip

On peut également remarquer que nos trois composés sont de bons solvants pour des molécules organiques. De plus une des caractéristiques de ces trois solvants est qu’ils sont volatils : c’est à dire qu’ils s’évaporent facilement à température ambiante. Laissez reposer un bécher d’acétone et au bout d’un certain temps le bécher sera vide.

Cette caractéristique est à peu près respectée dans le film puisque l’on voit bien des vapeurs au-dessus du baril, cependant l’aspect blanchâtre de ces vapeurs ferait plutôt penser à de la vapeur d’eau.

Dissolvant pour peinture :

Un solvant organique est souvent ajouté à la peinture afin de pouvoir la liquéfier et de pouvoir plus simplement l’étaler. La peinture une fois appliquée va sécher : les solvants présents vont alors s’évaporer. Ainsi si l’on jette un solvant organique sur une peinture cette dernière va se dissoudre dans le solvant.

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C’est ce qu’on observe dans le film lorsque le juge trempe la chaussure dans la trempette, cette dernière voit sa couleur se dissoudre dans le baril, grâce à la présence de nos composés parfois utilisés comme dissolvant à peinture comme nous l’avons vu plus haut.

Tuer les Toons :

Supposons que les Toons soient constitués de matière plastique. Les plastiques sont des polymères : c’est à dire un assemblage régulier d’une même unité moléculaire. Le plastique le plus simple et le plus utilisé est le polyéthylène (PE). Il est présent dans de nombreux jouets, mais aussi dans les sacs en plastique des supermarchés.

PE

Certains solvants organiques peuvent détériorer les plastiques : comme le benzène. En effet si le solvant interagit bien avec le polymère,ce dernier va « gonfler » afin de favoriser le nombre de molécule de solvant en contact avec ses atomes : le polymère se détériore donc.

Si le solvant n’interagit pas avec le polymère, ce dernier va rester recroquevillé sur lui-même (on parle de pelote statistique) : il n’est pas détérioré.

Ainsi la trempette serait mortelle pour les Toons notamment à cause du benzène qui solvaterait bien le polyéthylène, et provoquerait la détérioration du Toon.

polymère solvant 

Bibliographie

 

One piece, ice and salt

présentation définitive.png

Salut à tous 🙂

 Alors que je lisais un chapitre du fameux manga One Piece, je suis tombé sur un phénomène qui m’a tout de suite rappelé l’article sur le « ice and salt challenge » que j’ai publié dernièrement. Pour les curieux l’article est disponible ici : Ice and salt challenge

Je vous rappelle les grandes lignes de cet article :

  • On connaît tous : sel + glace = fonte de la glace
  • Mais le mélange sel et glace fait aussi diminuer paradoxalement la température de la glace
  • Explication : les ions du sel veulent se loger entre les liaisons de cohésion de la glace (liaisons hydrogène)
  • La destruction de ces liaisons nécessite de l’énergie prise à la glace sous forme de chaleur donc sa température diminue

Dans One Piece

L’histoire se déroule au scan 321 de One Piece ou encore à l’épisode 228 pour les animés. Durant cet épisode l’équipage du chapeau de paille rencontre un des trois générales de la marine :  Aokiji. Ce dernier possède les pouvoirs d’un fruit du démon : il a la capacité de contrôler la glace.

Un combat s’engage entre l’équipage de Luffy et le général Aokiji. La différence de niveau entre les pirates et Aokiji se fait très vite ressentir et ce dernier finit par geler complètement des parties du corps de certain membres de l’équipage, notamment Sanji et Zorro, 

Ces deux derniers, en véritables guerriers des mers, n’attendent pas leur médecin et décident de soigner eux même leurs bras gelés en se jetant dans la mer 

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One piece, scan 321 page 4, Oda Eiichirō

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One piece, scan 321 page 5, Oda Eiichirō

 

Quel est le problème ?

Comme nous l’avons vu sur l’article « ice and salt challenge », le sel appliqué sur de la glace en contact avec la peau provoque de graves brûlures. Nos deux pirates se jettent dans la mer constituée d’eau salée, ainsi s’il est vrai que la glace va fondre plus rapidement qu’avec de l’eau douce, d’importantes brûlures devraient être visibles sur leurs bras. Mais n’oublions pas que nos deux pirates sont de sacrés durs à cuire 😉

Bibliographie

 

Ice and salt challenge

ice-and-salt.png (Photo : @gendarmerie nationale)

Un challenge est revenu à la mode sur les réseaux sociaux : le « ice and salt challenge ». Ce dernier consiste à s’appliquer du sel sur la peau puis de rajouter de la glace par-dessus. Très vite une sensation de brûlure se fait sentir, l’objectif du défi étant de tenir le plus longtemps possible.

Mais alors comment des ingrédients si communs peuvent-ils provoquer de si sévères brûlures ? Analysons le phénomène, chimie à l’appui !

Observations

 Petite expérience made in les petits béchers 😉

Explications

Pour comprendre ce phénomène il faut tout d’abord s’intéresser à la structure de l’eau.  L’eau liquide est constituée d’un très grand nombre de molécules d’eau (De 5 à 6 moles d’eau pour un verre d’eau, donc environ 1024 molécules H2O) qui établissent des liens électrostatiques entre elles (appelés liaisons hydrogènes). Ces liaisons se font et se défont en permanence, et chaque molécule est assez libre de son mouvement.

Agencement des molécules d’eau en phase liquide       

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Liaison hydrogène entre deux molécules d’eau

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En phase solide l’agencement des molécules est beaucoup plus figé, les molécules d’eau restent proches d’une position d’équilibre. Elles forment des liaisons hydrogènes durables entre elles et la structure obtenue est symétrique.

Agencement des molécules d’eau en phase solide (glace)

 ice.png L’eau passe de l’état liquide à solide à 0°C : c’est la solidification. L’action inverse, lorsque que l’on fait fondre la glace est la fusion.

Maintenant que se passe -t- il lorsque l’on met en contact du sel avec de la glace ?

Le sel solide a lui aussi une structure bien organisée et très symétrique. Le sel est constitué d’ions sodium Na+ (en violet sur la figure) et d’ions chlorure Cl(en vert sur la figure), et sa formule brute est NaCl (s).

Structure solide du sel : NaCl(s)

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wikipédia

Les liaisons entre les ions Na+ et Cl sont de nature ioniques (liaisons entre un cation et anion).

Pour la suite il est important de comprendre que casser une liaison chimique nécessite de l’énergie et construire une liaison fournit de l’énergie.

Pour bien comprendre cela on peut imaginer deux amoureux s’embrassant (#MétaphoreStValentin), essayez de les séparer : il va falloir y mettre du sien : donc de l’énergie. Inversement lorsque l’on va les rassembler, l’un va courir vers l’autre et le « choc » de leur rencontre va libérer de l’énergie.

Lorsque l’on dépose du sel sur un glaçon ce dernier possède une fine pellicule d’eau liquide à sa surface, le sel NaCl (s) va donc se dissoudre dans cette pellicule d’eau. Cette dissolution ne nécessite pas d’énergie et n’en fournit pas non plus : on dit que ce phénomène est athermique.

Dissolution et solvatation de NaCl par H2O

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http://www.edumedia-sciences.com

Puis les ions solvatés vont entrer en contact avec la glace solide, ils vont alors désirer s’insérer entre les liaisons hydrogènes et arracher les molécules d’eau à la glace. Ce phénomène va augmenter la solvatation des cations et des anions.

Cependant ce processus casse des liaisons hydrogènes entre les molécules d’eau, et pour cela il faut de l’énergie (processus endothermique). Cette énergie va venir de la glace sous forme de chaleur. La glace va en effet fournir de la chaleur pour permettre la solvatation des ions.

Les conséquences de tout ceci sont la diminution de la température de la glace (perte de chaleur) et la fonte de cette dernière puisque l’on casse les liaisons hydrogènes qui permettaient la cohésion de la glace solide.

Et voilà tout le paradoxe : le processus diminue la température de la glace et la fait fondre en même temps !

La température de la glace peut ainsi descendre jusqu’à -21,6°C et provoquer d’importantes brûlures par le froid. Pour être plus précis on dit que l’eau forme un mélange eutectique avec le sel. C’est le mélange de deux corps purs qui fond et se solidifie à température constante.

Bibliographie

 

Le pudding à l’arsenic (2)

Bien le bonjour à tous 🙂

Voici la suite de l’étude des ingrédients de notre fameux pudding à l’Arsenic. Aujourd’hui nous allons étudier l’Arsenic justement !

Lien vers le premier article : Le pudding à l’arsenic (1)

 L’Arsenic

 arsenic

L’arsenic de numéro atomique 33 et de symbole chimique As est un composé plutôt abondant sur Terre (51 ième élément du tableau le plus abondant). Plus de 99% de l’arsenic présent dans la croûte terrestre l’est sous forme de minerai. Dans l’atmosphère l’arsenic provient des industries de production de As2O3 : le trioxyde d’arsenic, ce dernier étant principalement utilisé pour blanchir le verre. Enfin l’activité volcanique ou les feux de forêts peuvent être responsable d’émissions naturelles d’arsenic.

Tous les composés de l’Arsenic sont très toxiques, le plus célèbre est celui sous sa forme d’oxyde As2O3 : le trioxyde d’arsenic. Ce dernier est responsable de nombreux empoisonnements célèbres de l’histoire, il fait également partie des composants de la mort aux rats.

Le trioxyde d’arsenic se présente sous la forme d’une poudre blanche, inodore et sans goût. Au Moyen-Âge c’était le poison favori des meurtriers, il fut également très utilisé à la renaissance notamment chez les Borgia (famille italienne très influente au XVe siècle).

Trioxyde d’Arsenic : As2O3

Arsenic_trioxidewikipédia

Ce poison était très intéressant au Moyen-Âge car ses symptômes sont semblables à ceux du Choléra qui sévissait à l’époque. On lui donne même le surnom de « poudre de succession » à cause de son emploi fréquent pour accélérer les éventuelles successions.

 Symptômes

L’arsenic inorganique (sous forme d’oxyde, de sels ou d’ions) est essentiellement absorbé par voie orale. Il est ensuite transféré dans le sang et distribué rapidement dans tous les organes (surtout le foie et les reins).

Les symptômes en cas d’ingestion aiguë sont :

  • Vomissements
  • Paralysie
  • Douleurs abdominales
  • Diarrhées sanguinolentes
  • Sensation de sécheresse de la gorge
  • Convulsions
  • Délire et mort

Ces symptômes surviennent rapidement, dans les heures suivant l’ingestion.

Etiquette du trioxyde d’Arsenic

étiquettes

 www.ineris.fr

Pour des intoxications suraiguës (très forte dose sur un court instant) la mort peut survenir rapidement, quelques heures après l’ingestion. La dose létale chez l’Homme est estimée entre 1 et 3 mg/kg/j. Ce qui signifie qu’il faut pour tuer un Homme d’environ 80 kg, lui administrer environ 240 mg d’arsenic en un jour.

Mode d’action

Il est important de noter que l’arsenic inorganique est surtout présent aux degrés d’oxydation III et V. Pour le trioxyde d’Arsenic par exemple l’atome d’arsenic est au degré d’oxydation III. Les arséniates (As III) et les arsénites (As V) n’interagissent pas de la même façon sur le corp humains, mais ils sont tous les deux toxiques. On remarque cependant que les arséniate sont 60 fois plus toxique que les arsénites.

L’As (V) est toxique à cause de sa réduction en As (III) dans le corps humain. L’Arsenic (III) est très proche chimiquement du Phosphore. Ces deux éléments sont d’ailleurs situés dans la même colonne du tableau périodique (colonne 15). Ils sont tous les deux capables de former cinq liaisons, ainsi l’arsenic (III) va pouvoir remplacer des phosphates (groupement R-PO42-) dans les réactions de glycolyse (assimilation du glucose pour produire de l’énergie) et de synthèse de l’ATP (« monnaie énergétique » du corps). Ces deux dernières réactions ont alors été inhibées par l’arsenic.

Phase 3 de la glycolyse : récupération de d’énergie par phosphorylation

 glycolyse point

L’As (III) quant à lui va inhiber le complexe pyruvate déshydrogénase qui catalyse la transformation de l’acide pyruvique en acétyl co-enzyme A. Cette dernière est nécessaire à la formation d’ATP. La conséquence directe de cette inhibition est une diminution de la production d’ATP.

Formation d’acétyl co-enzyme A catalysée par le complexe pyruvate déshydrogénase

acéty-CoAL’arsenic provoque donc une diminution de l’ATP dans le corps et, connaissant le rôle majeur de cette dernière (« monnaie énergétique du corps ») dans les différents métabolismes du corps humain, cela explique les conséquences néfastes de l’ingestion d’arsenic.

 Bibliographie