theobromine's blog

Pour vivre un organisme a besoin d’énergie. Le métabolisme représente la dépense énergétique pour assurer une série de fonctions telles que le maintien des activités vitales, la thermorégulation, le travail musculaire, etc ..

La source d’énergie, c’est l’alimentation. Glucides, lipides et protides apportent des composés organiques qui vont être brûlés par l’organisme.

Evidemment le rôle des aliments ne se limite pas à cet aspect énergétique. Pensons aux besoins en vitamines, oligo-éléments, …

Ce laboratoire va s’attacher à voir comment on peut déterminer le contenu énergétique d’un aliment (à titre d’exemple, une noisette fraîche). Schématiquement il suffit de brûler cet aliment et de « recueillir » et mesurer l’énergie dégagée sous forme de chaleur. C’est de la CALORIMETRIE.

Comment mesurer cette chaleur dégagée ? On va utiliser cette énergie pour chauffer une masse d’eau connue. En admettant qu’il n’y pas de pertes (ce qui n’est pas le cas, mais nous verrons dans le mode opératoire qu’il y a moyen de les évaluer) et sachant que par définition 1 calorie c’est la quantité de chaleur pour élever d’un degré un gramme d’eau, il suffira de mesurer l’échauffement ΔT=(T_f-T_i) de la masse m_eau de l’eau et de calculer l’énergie nécessaire pour produire cet échauffement.

Attention aux confusions dans les unités : en diététique le terme calorie représente en fait 1000 calories (1 kcal) « physiques ». Actuellement on utilise le kilojoule kJ (4,2 kJ = 1 kcal).

Calori-nut par cesuchimie

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Mode opératoire

• Un fruit sec dont on connaît la valeur énergétique. On peut déterminer ainsi le pourcentage de pertes ;
• Un fruit sec de valeur énergétique « inconnue ». Dans le calcul final on tient compte du pourcentage de pertes et on compare éventuellement avec la valeur « réelle » (étiquette). On pourra aussi vérifier l’intérêt de l’étalonnage

Partie expérimentale :

• Peser exactement une noix, noisette, amande … m_fruit
• Peser exactement une boîte de soda sèche
• Remplir d’eau à moitié (150-200g) la boîte de soda. Peser. Par différence entre masse de la boîte remplie d’eau et celle de la boîte sèche on aura la masse d’eau m_eau.
• Suspendre la boîte à un fil par la languette d’ouverture
• Réaliser le montage ci-contre (espace entre la noisette et la boîte : 3-4 cm).
• Prendre la température initiale T°_i de l’eau (attendre que cette température soit stable)
• Enflammer le fruit sec à l’aide d’une allumette.
• Attendre que le fruit sec soit totalement brûlé en agitant l’eau de temps en temps avec le thermomètre.
• Prendre la température finale T°_fde l’eau.
• Répéter plusieurs fois cette expérience.

Partie calculs :

• On utilise la formule Q=m_eau.c_eau.ΔT avec c_eau = 4,184 J.(°C.g)^-1.
• On évalue la valeur énergétique pour 100g de fruit sec brûlé ;
• On évalue le pourcentage de pertes en comparant la valeur expérimentale à la valeur « réelle » ;
• On procède de même pour le fruit sec « inconnu ». En utilisant le pourcentage de pertes déterminé ci-dessus on peut évaluer la valeur « réelle » de ce fruit sec.

Etant donné que l’énergie nécessaire pour élever 1g d’eau de 1°C est de 4,2 joules, la formule suivante nous permettra d’évaluer le contenu énergétique du fruit (en kJ/g)

Partie communication : Réaliser un rapport présentant l’expérience, les mesures effectuées et les résultats obtenus.
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Contenu énergétique d’un fruit sec (calorimétrie)

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Quelques documents, pages web intéressants

• Les besoins alimentaires de l’homme (dossier en français du CNDP)
• Composition nutritionnelles de fruits et légumes
• et aussi tableau des calories

Attention, une manipulation de laboratoire ne peut se faire qu’en connaissance complète des risques encourus et des précautions à prendre.

The invention of a self propelling engine, capable of working without fuel economically and for a considerable time, has often been attempted, and was, perhaps, never before so nearly accomplished as about the time of the introduction into practical use of Faure’s electric storage batteries; but at the present moment it appears that electric power has to give way once more to steam power. Mr. Honigmann’s invention of the fireless working of steam engines by means of a solution of hydrate of soda—NaO HO—in water is not quite two years old, and has in that time progressed so steadily towards practical success that it is reasonable to expect its application before long in many cases of locomotion where the chimney is felt to be a nuisance.

A lire distraitement cette citation on en viendrait à penser qu’enfin une solution efficace, propre, opérationnelle … a vu le jour et que le moteur à combustion a fait son temps. Oui mais voilà, cet article est extrait d’une revue sérieuse, le Scientific American de … avril 1885 (le n°483) et ce moteur révolutionnaire n’a pas l’air d’avoir connu sa révolution. Dommage ? Pas sûr, la révolution industrielle et la période qui s’en suivit (et dont nous sortons) n’eut certainement pas eut lieu sans le charbon et les hydrocarbures abondants et bon marché. Que serait notre monde ? (je ne suis pas uchroniste 🙄 ) …

Pour une lecture plus confortable de l’article ci-dessous, cliquez sur l’icone plein écran (en haut à droite de la barre Scribd)

D’autres infos sur le site Museum of Retro technology.

A lire aussi les autres billets traitant de thermodynamique et de chaleur de réaction.

Dans une précédente note, j’ai abordé le cas des phénomènes thermiques accompagnant les réactions de dissolution (ΔH molaire de dissolution). Evidemment on ne peut s’empêcher de s’interroger. A quoi ça sert ? (sciences pures vs sciences appliquées).

Un exemple « amusant » est celui de la réaction fortement exothermique entre la chaux CaO et l’eau H2O  qui a servi à la réalisation de canettes de café auto-chauffantes (mais aussi de plats cuisinés).

Hélas, entre l’idée et la réalisation, des problèmes peuvent apparaître. Malgré un dosage « pointu » (la température atteinte ne peut dépasser 60-65°C au risque de brûlures) certains accidents  se produisirent et poussèrent une grande marque de café à abandonner cette idée.

 D’autres, par contre, ont persévéré et c’est sur la base d’une video d’un site officiel que j’ai réalisé cette animation (assez lourde à télécharger … patience et visionnez la en plein écran Touche F11) expliquant le dispositif auto-chauffant.

Pourquoi ne proposeriez vous pas à vos élèves de fabriquer un dispositif similaire : le challenge … élever d’une quarantaine de dégrés (la température initiale normale étant d’une vingtaine de degrés) un volume de 250mL d’eau à partir de la réaction

 CaO  +  H2O  -> Ca(OH)2  (ΔH= -65,2kJ/mol)

Nous allons évaluer la variation d’enthalpie d’une transformation chimique : la dissolution d’un sel. Suivant la nature du sel le processus peut être endothermique ou exothermique. Sur le net j’ai découvert cette simulation assez fidèle 

 

Cliquez ici pour un affichage plus confortable  et puis F11 pour le plein écran

 Et en vrai … ? Cette manipulation demande un investissement minimum. Comme calorimètres des gobelets (photo ci-dessous et quelques détails techniques ici) en PVC ferons l’affaire. Le mode opératoire est simple (pour NaOH, NH4NO3, …)

• peser 1/20ème de mole du composé;
• introduire dans le calorimètre en PVC 180 ml d’eau froide (en moles … 200 fois plus que de soluté. L’eau peut alors être assimilée au milieu extérieur);
• attendre que la température de l’eau à l’intérieur du calorimètre se stabilise (température initiale Ti);
• introduire la substance à dissoudre, reboucher immédiatement le calorimètre;
• agiter avec le thermomètre pour avoir une dissolution complète et attendre que la température se stabilise (température finale Tf);
• effectuer trois fois cette mesure pour chaque composé;

Mesures et résultats. Rappelons que la formule pour la chaleur dégagée ou absorbée est Q = m.c. ΔT (en toute rigueur on mesure la chaleur absorbée/cédée par le milieu extérieur, l’eau, et non la chaleur cédée/absorbée par le système chimique étudié. Mais ces deux quantités sont égales au signe prêt. Par convention, un phénomène exothermique aura une variation d’enthalpie négative et un phénomène endothermique une variation d’entalpie positive).

Remarque sur les grandeurs et unités. Dans la formule il faut veiller à respecter les « bonnes » unités. Q s’exprimera en joules (J)

• m en g qui correspond à la masse d’eau (le milieu extérieur) soit 180g,
• c=4.186 joules/(g.°C) (capacité calorifique de l’eau),
• ATTENTION ΔT = Tf – Ti est pris en valeur absolue. Le signe de ΔH dépendra du caractère exothermique (<0) ou endothermique (>0) de la réaction. le ΔH correspond à Q ramené à une mole de composé dissous (dans notre cas ΔH=20.Q).

Et ça donne quoi ? Et bien les résultats sont honorables (sachant que nous avons utilisé des thermomètres gradués précis au degré et que les variations de température observées sont de quelques degrés).

La lecture de T_f est évidemment délicate … en retirant le thermomètre du calorimètre, la température indiquée va changer. Une façon d’éliminer cette erreur est de procéder comme indiqué ici … à condition d’avoir le matériel

Attention, une manipulation de laboratoire ne peut se faire qu’en connaissance complète des risques encourus et des précautions à prendre

Il y a peu, la découverte de flacons d’acide picrique  au fond des armoires de laboratoires de chimie a retenti (j’exagère un peu) au propre comme au figuré dans le milieu scolaire belge et ailleurs .

Que faisait ce produit dans nos armoires ? Nul ne le sait vraiment. Il faut avouer que nos armoires recèlent parfois des « trésors » oubliés et dangereux et que rien n’est réellement fait par la Communauté Française pour régler ce problème … pas de directives véritablement claires, pas de mesures efficaces, pas d’aide financière à l’élimination des déchets …

L’acide picrique porte aussi le nom de trinitrophénol (produit apparenté au trinitrotoluène appelé aussi TNT) et , cristallisé, il peut exploser par simple friction ou élévation de température.

Ce produit (synthétisé en 1788 à partir d’acide nitrique et d’indigo riche en phénols) a d’abord été utilisé comme colorant jaune (?) et puis très vite la découverte de ses capacités explosives et des possibilités de stabilisation par Turpin  orientèrent son utilisation vers la fabrication d’explosifs . On peut aussi constater qu’en 1876, que Mr Eugène Curie dans un compte-rendus de l’académie des sciences préconisait l’utilisation de l’acide picrique dans le traitement des plaies.

L’acide picrique fut à l’origine d’une catastrophe en 1917 dans le port d’Halifax au Canada où, suite à une collision,  un navire transportant quelques tonnes d’acide picrique et d’autres joyeusetés du même style explosa provoquant la mort de 2000 personnes et plus de 9000 blessés (l’explosion la plus forte d’origine non atomique). (récit ici  et ici, reportage TV canadienne et film inspiré de l’événement).

Alors que faire si on en trouve au fond d’une armoire ? Dans le n° de mars 2007,  le SIPPT belge (Service Interne de Prévention et de Protection au Travail) consacre un article à ce sujet explosif (téléchargement ici , voir pages  1 et 2) et explique la procédure à suivre (document équivalent sur le site du centre de crise)

Et pour le fun …

• un petit problème  (voir page 4) lié à l’explosion de l’acide picrique
• une enquête chimico-conan doylesque où Holmes et Watson montrent l’intérêt qu’il y a à connaître la chimie pour résoudre une énigme mystérieuse … (et pourquoi ne lanceriez-vous pas vos élèves sur la piste …)
• au bac 2000 (série S) : dosage pH-métrique de l’acide picrique

Pour en savoir plus : Guide des matériaux énergétiques

Tous les liens étaient accessibles le 26 août 2007. En cas de lien brisé, je dispose des documents pdf (enquête « le cristal jaune », guide des matériaux énergétiques) et je peux vous les envoyer.

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