Lampe a lave, sans lampe

Créé un mouvement et des montées et descentes de couleurs qui ressemblent aux lava lampes.

Difficulté

Easy Facile

Durée

10 minute(s) minute(s)

Disciplines scientifiques

Chimie, Science de la matière, Physique

huile, miscible, densité, réaction acido-basique, acide, base, bicarbonate, vinaigre Lampe_a_lave,_sans_lampe_53888956_633310763775164_653025167194193920_n.jpg

Introduction

Cette lampe célèbre est un des souvenirs hypnotisants des années 70. Nous allons voir comment réaliser une version débrouillarde et chimique de cette lampe.

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• Matériel et outils

Bocal

Généralement en verre, le bocal peut être selon l’usage et l’époque ; en faïence, en grès ou en céramique. Parmi les avantages du verre, on peut noter la transparence permettant de voir son contenu et la possibilité de facilement désinfecter en chauffant à haute température. Le couvercle de bocaux servant aux conserves comporte un joint de caoutchouc (généralement orange, voir photo ci-dessous). Il est relié au pot par un dispositif mécanique qui permet de le plaquer fermement sur l'orifice pour assurer l’étanchéité de la fermeture.

Bocal

Vinaigre blanc

Le vinaigre d'alcool ou vinaigre blanc peut être obtenu à partir d'un alcool de betteraves. Le vinaigre blanc est un mélange d'eau et d'acide acétique à hauteur de 6 à 8%. L'acide acétique est obtenu par fermentation d'alcool de betterave ou de maïs.

Vinaigre blanc

Bicarbonate

Le bicarbonate de sodium est un produit qui sert à tout !

Désodoriser le frigo, se laver les dents, favoriser la digestion, laver les surface salles... Et surtout, c'est le chouchou des expériences de wikidébrouillard !

Il est parfois appelé bicarbonate de soude mais il ne faut surtout pas le confondre avec la soude qui est très corrosive et peut être très dangereuse.

Bicarbonate

Encre

L'encre est un liquide fortement teinté qui sert à marquer le support, papier, textile. Les encres sont utilisées pour l'écriture, le dessin, l'impression ou la décoration.

Les encres peuvent être constituées de colorants dissous qui imprègnent ou mordent le support, comme les teintures, ou de dispersions de pigments dans un liant, comme les peintures.

L'encre est généralement conditionnée en cartouches, flacons, bouteilles ou bidons pour son transport. Certains de ces flacons peuvent servir d’encrier. Elle était autrefois, et encore aujourd'hui plus rarement, distribuée sous forme sèche, de pastilles à diluer dans l'eau ou de « bâton ».

Encre

Colorant

Un colorant est une substance utilisée pour apporter une couleur à un objet à teinter.

En chimie, les groupement d'atomes dont l'absorption lumineuse cause la couleur s'appelle un chromophore. Un colorant soluble se désigne comme teinture, sinon c'est un pigment.

Dans les techniques d'application, comme la pharmacie ou la cuisine, un colorant peut contenir une combinaison de molécules solubles et de particules insolubles. En biologie, on parle de pigments plus que de colorants, dans tous les cas.

Colorant

Huile

Les huiles végétales sont essentiellement constituées d'acides gras et les huiles animales d'esters de la glycérine.

Huile

Pot en verre

Pot en verre (récupéré après consommation de yaourt, etc.)

Pot en verre

Seringue

Seringue à piston

Seringue

Paille

Une paille, ou chalumeau, est un tube léger, généralement fait en plastique, dont on se sert pour aspirer, et le plus souvent boire, un liquide.

Paille

Cuillère à soupe

Cuillère à soupe

Cuillère à soupe

Étape 1 - Préparer le matériel

Rassemble le matériel. Si tu n'as pas de seringue, tu peux la remplacer par un morceau de paille que tu boucheras avec ton doigts ou encore une pipette. L'encre peut être remplacée par du colorant alimentaire.

Étape 2 - Mettre le bicarbonate

Mets du bicarbonate de sodium dans le fond du premier bocal (environ 1 cuillère à soupe).

Étape 3 - Remplir d'huile

Remplis le bocal d'huile (verser lentement l'huile contre la paroi du bocal pour que le bicarbonate reste au fond).

Étape 4 - Faites un mélange vinaigre + colorant

Dans un autre bocal, fabrique ton mélange coloré. Tu ajoute quelques gouttes de ton encre à environ 30 ml de vinaigre. Le résultat doit être nettement coloré. Il est possible de fabriquer plusieurs mélanges avec des encres ou colorants différents.

Étape 5 - Aspirer

Prélève quelques gouttes de ton mélange coloré. Il est possible de le faire avec une seringue, une pipette ou un bout de paille coupé qu'on bouche avec le doigt après l'avoir plongé dans le mélange.

Étape 6 - Injecter

Dépose ton mélange coloré à la surface de l'huile dans le premier pot. Il est préférable de le faire goutte à goutte en répartissant les gouttes sur la surface de l'huile.

Étape 7 - Résultat

Les gouttes de vinaigre coloré descendent puis remontent dans l'huile.

Comment ça marche ?

Observations : que voit-on ?

Les gouttes de vinaigre coloré descendent doucement dans l'huile pour atteindre le fond. Elles rejoignent le bicarbonate au fond du pot. Il y a formation de minuscules bulles à la surface du vinaigre coloré. Puis la goutte de vinaigre remonte dans l'huile pour rejoindre la surface. Ce cycle se reproduit plusieurs fois pour chaque goutte.

Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?

Si le vinaigre n'est pas assez coloré, on a du mal à distinguer les gouttes par transparence dans l'huile.

Si on met trop de vinaigre d'un coup dans le pot, on arrive plus à distinguer ce qu'il se passe.

La hauteur d'huile dans le pot doit être assez importante pour que le phénomène soit visible (environ 10cm suffisent).

Le pot doit avoir une surface relativement lisse pour qu'on puisse distinguer nettement ce qu'il se passe à l'intérieur en regardant sur le côté du pot.

Explications

Huile et vinaigre ne se mélangent pas. Quand on met de l'huile et du vinaigre dans un pot et qu'on secoue très fort, cela forme des goutelettes qui finissent par se rejoindre et reforment une couche de vinaigre qui flotte à la surface de l'huile. On dit que huile et vinaigre ne sont pas miscibles. L'huile flotte à la surface du vinaigre car l'huile est moins dense que le vinaigre. Moins dense signifie que si on pèse 1l d'huile et qu'on pèse ensuite 1l de vinaigre, le litre de vinaigre pèse plus lourd que le litre d'huile. La différence est assez faible donc il faut être très précis pour pouvoir vérifier cela.

Quand on dépose une goute de vinaigre à la surface de l'huile, le vinaigre coule car il est plus dense que l'huile.

Une fois au fond du bocal, le vinaigre rentre en contact avec le bicarbonate. Il se produit alors une réaction chimique. Cette réaction chimique libère un gaz (le CO2). Ce CO2 forme des petites bulles. Ces bulles restent collées au vinaigre et finissent par former une espèce de bouée pour la goutte.

Une fois que la "bouée" formée par les miniscules bulles de gaz est assez importante, la goutte de vinaigre remonte à la surface de l'huile.

Une fois à la surface de l'huile, les petites bulles à la surface du vinaigre explosent. Quand la "bouée" qui entoure le vinaigre devient trop petite, le vinaigre coule à nouveau et le cycle se reproduit.

La "lampe lave" dure jusqu'à ce que l'acidité du vinaigre ou le bicarbonate soit épuisé. Quand la réaction chimique s'arrête, il n'y a plus production de petites bulles de CO2 et la goutte colorée reste au fond.

Plus d'explications

Cette lava lampe fait intervenir plusieurs phénomène. Il y a la densité. Il y a l'hydrophobicité. Il y a la réaction bicarbonate-vinaigre. Il y a la tension superficielle. Cela fait vraiment beaucoup de choses qui se produisent en même temps !

Le vinaigre coule dans l'huile car il est moins dense que l'huile

Les différentes matières ont des propriétés différente. La densité compare des matières deux à deux. Dire qu'un corps est plus dense qu'un autre signifie que la masse volumique du corps n°1 est plus importante que la masse volumique du corps n°2. La masse volumique d'un corps se calcule en divisant le poids de ce corps par son volume. Par exemple pour un litre d'eau on va diviser 1kg (le poids d'un litre d'eau) par son volume (1l).

Dans le système de mesure international, l'unité de référence utilisée pour la masse volumique est le kg/m3.

Dans ce système, dire qu'un litre d'eau pèse 1kg se dit : la masse volumique de l'eau est de 1000 kg / m3 (il y a 1000l dans un m3). En fait ce n'est pas tout à fait exact. En effet la température influe sur la masse volumique d'un corps.

Ainsi la masse volumique de l'eau est de 1000 kg / m3 à 4°C et de 998,3 kg / m3 à 20°C

La masse volumique du vinaigre est très proche de celle de l'eau car le vinaigre contient essentiellement de l'eau donc 998,3kg/m3 à température ambiante

La masse volumique d'une huile est en général comprise en 800 et 900 kg / m3 à température ambiante. Comme 998 > 900, quand on verse de l'huile dans un bocal qui contient du vinaigre, l'huile se répartit à a surface du vinaigre.

Ceci peut aussi s'exprimer en utilisant le concept de poussée d'Archimède. "« Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé. Cette force est appelée poussée d'Archimède. Elle s'applique au centre de masse du fluide déplacé, appelé centre de poussée. »" (issu de Wikipedia).

Quand la poussée d'archimède d'un corps compense son poids, ce corps flotte. Quand la poussée d'archimède d'un corps ne compense pas son poids, le corps coule (qu'il soit liquide ou solide n'y change absolument rien !) Or la poussée d'archimède qui s'applique sur le volume d'huile dépend du poids du volume de vinaigre "déplacé", donc de sa masse volumique.

L'huile et le vinaigre ne se mélangent pas car le vinaigre est hydrophile alors que l'huile est hydrophobe

Les molécules sont formées d'atomes assemblés entre eux. Cet assemblage n'est pas toujours complètement "parfait" et dans certaines molécules, les électrons qui entourent un atomes sont attirés par "l'atome d'à côté". C'est le cas de l'eau de formule H2O. Les életrons des atomes d'hydrogène sont attirés par l'atome d'oxygène et au final dans une molécule d'eau (neutre électriquement) les atomes d'hydrogène sont "un peu" positifs et les atomes d'oxygène "un peu négatifs".

Au final les atomes d'hydrogène d'une molécule d'eau sont attirés par l'atome d'oxygène de la molécule d'à côté.

Quand les molécules (d'eau ou autres) interagissent entre elles de cette façon, on appelle les force qui les attirent les unes vers les autres "liaison hydrogène".

Quand une molécule est fortement concernée par ce genre de phénomène ont dit qu'elle est "polaire" car des "pôles électriques" ont tendance à se former à l'intérieur. Quand une molécule n'est que peu ou pas concernée par ce phénomène on dit qu'elle est "apolaire".

Les molécules polaires ont donc tendance à s'attirer les unes les autres. Dans ces conditions quand on mélange des molécules polaire et apolaires, les molécules polaires s'attirent, se rapprochent, forment de micro goutelettes et excluent les molécules apolaires. C'est ce qui se passe avec le vinaigre et l'huile. L'eau est polaire, l'huile apolaire. (Le vinaigre est essentiellement formé d'eau). Les molécules d'eau restent scotchées entre elles donc les deux liquides ne se mélangent pas.

Un composé "hyrdrophile' (qui aime l'eau, qui va se mélanger avec l'eau) est polaire. Un composé hydrophobe (qui fuit l'eau, qui va s'exclure de l'eau) est apolaire.

Quand on met du bicarbonate de sodium avec du vinaigre, il se produit une réaction dite "acido-basique" dont un des résultats est la production de CO2 (dioxyde de carbone)

Le bicarbonate de sodium se dissocie au contact de l'eau en ions sodium (Na⁺) et  bicarbonate (HCO₃⁻) :

NaHCO₃ → Na⁺ + HCO₃⁻.

Le vinaigre contient une part d' acide éthanoïque (environ 5 %), composé d'ions oxonium (H₃O⁺) et éthanoate (CH₃COO⁻) :

CH₃COOH <–> H₃O⁺ + CH₃COO⁻.

Les ions oxonium réagissent avec les ions bicarbonate et forment de l’acide carbonique : (H₂CO₃) : H₃O⁺ + HCO₃- → H₂CO₃ + H₂O

Instable, l’acide carbonique se dissocie immédiatement en formant du dioxyde de carbone (CO₂), et de l'eau (H₂O) :

H₂CO₃ → H₂O + CO₂

La réaction complète se résume ainsi :

NaHCO₃ + CH₃COOH → CO₂ + H₂O + CH₃COONa

Le CO2 une fois formé est soluble dans l'eau. Toutefois lorsque l'eau arrive à saturation de CO2, l'excédent commence à former des bulles qui finissent par remonter. C'est l'effervescence. (C'est la même chose que pour le sel de cuisine. Le sel de cuisine est soluble dans l'eau. Mais quand on arrive à saturation, le sel en excès reste sous forme solide).

Le bicarbonate de sodium est aussi appelé bicarbonate de soude.

Les bulles de dioxyde de carbone restent collées sur le vinaigre quand la goutte est au fond du pot et elles éclatent à la surface de l'huile en raison de la tension supercielle

Le vinaigre réagit avec le bicarbonate pour former du CO2. Celui-ci est en trop grandes quantités pour rester dissout dans le vinaigre, il forme de petites bulles. Sa densité est beaucoup plus faible que celle du vinaigre dont il remonte à la surface de la goutte de vinaigre.

Quand il arrive à la surface de la goutte de vinaigre, il rencontre de l'huile. Si le seul phénomène en cours était la différence de densité, la bulle remonterait seule à la surface de l'huile. Mais ce n'est pas le cas.

Le CO2 possède lui même une légère charge positive car la charge négative de l'atome de carbone C ne suffit pas tout à fait à équilibrer les charges positives des atomes d'oxygène O. Donc le CO2 se retrouve a avoir plus d'affinité pour l'eau (molécule polaire) que pour l'huile (molécule apolaire). Cette affinité du CO2 pour l'eau qui compose le vinaigre fait que la bulle de CO2 est plus stable en restant scotchée sur le vinaigre qu'en remontant dans l'huile. La tension qui existe à la surface de la bulle est plus faible au contact du vinaigre qu'au contact de l'huile. Donc la bulle reste scotchée jusqu'à ce que "l'effet bouée" fasse remonter le tout. Une fois à la surface, la bulle entre en contact avec l'air, la tension de contact à la surface de la bulle diminue brutalement et la bulle éclate.

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Éléments pédagogiques

Sources et ressources

Vous trouverez les réponses sur les vraies lampes à lave sur Wikipédia, n'hésite pas à visiter à consulter les liens externes cités à la fin de la page pour la fabrication d'une lampe. (attention fabriquer une vraie lampe à lave peut être dangereux)

Poussée d'Archimède : https://fr.wikipedia.org/wiki/Pouss%C3%A9e_d'Archim%C3%A8de

Réaction bicarbonate - vinaigre : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fus%C3%A9e_au_bicarbonate_de_sodium

Liaison hydrogène : https://fr.wikipedia.org/wiki/Liaison_hydrog%C3%A8ne

Tension superficielle : https://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_superficielle

Dernière modification 19/05/2020 par user:Geneviève.

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