Silicate de calcium

Obtenez un mélange auto-solidifiant !

Difficulté :
Danger :
Durée :
5 minutes
Silicate de calcium

Réactifs

Sécurité

  • Portez des gants et des lunettes de protection.
  • Réalisez l’expérience sur le plateau en plastique.
Règles générales de sécurité
  • Éviter tout contact des produits chimiques avec les yeux ou la bouche.
  • Éloigner les jeunes enfants, les animaux et les personnes sans équipement de protection des yeux de la zone où sont réalisées les expériences.
  • Ranger ce coffret d’expériences hors de portée des enfants de moins de 10 ans.
  • Nettoyer la totalité du matériel après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients sont hermétiquement fermés et convenablement stockés après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients vides sont correctement éliminés.
  • Ne pas utiliser d’autre matériel que celui fourni avec le coffret ou recommandé dans la notice d’utilisation.
  • Ne pas remettre les denrées alimentaires dans leur récipient d’origine. Les jeter immédiatement.
Informations générales de premiers soins
  • En cas de contact avec les yeux : laver abondamment à l’eau en maintenant les yeux ouverts si nécessaire. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’ingestion : rincer la bouche abondamment avec de l’eau, boire de l’eau fraîche. Ne pas faire vomir. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’inhalation : transporter la personne à l’extérieur.
  • En cas de contact avec la peau et de brûlures : laver abondamment à l’eau la zone touchée pendant au moins 10 minutes.
  • En cas de doute, consulter un médecin sans délai. Emporter le produit chimique et son récipient.
  • En cas de blessure, toujours consulter un médecin.
Conseils pour les adultes superviseurs
  • L’utilisation incorrecte des produits chimiques peut engendrer des blessures et nuire à la santé. Réaliser uniquement les expériences décrites dans les instructions.
  • Ce coffret d’expériences est à utiliser uniquement par des enfants de plus do 10 ans.
  • Compte tenu de très grandes variations des capacités des enfants, même au sein d’un groupe d’âge, il convient que les adultes surveillants apprécient avec sagesse quelles sont les expériences appropriées et sans risque pour les enfants. Il convient que les instructions permettent aux adultes surveillants d’évaluer chacune des expériences afin de pouvoir déterminer son adéquation à un enfant particulier.
  • Il convient que l’adulte surveillant s’entretienne des avertissements et des informations de sécurité avec l’enfant ou les enfants avant de commencer les expériences. Il convient d’accorder une attention particulière à la sécurité lors de la manipulation d’acides, d’alcalis et de liquides inflammables.
  • Il convient que la zone où sont réalisées les expériences soit sans obstacle et ne soit pas située près d’une réserve de denrées alimentaires. Il convient qu’elle soit bien éclairée et aérée, et à proximité d’une adduction d’eau. Il convient d’utiliser une table solide dont la surface est résistante à la chaleur.
  • Il convient d’utiliser complètement les substances contenues dans des emballages non refermables au cours d’une expérience, c’est-à-dire après l’ouverture de l’emballage.

FAQ et dépannage

L’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 ne se dissout pas bien dans l’eau.
Est-ce normal ?

Oui, parfaitement. L'hydroxyde de calcium n'est que légèrement soluble dans l'eau. Dissoudre le volume donné d'hydroxyde de calcium dans son intégralité nécessiterait presque 2 litres d'eau ! Heureusement, cette expérience nécessite seulement de bien mélanger l'hydroxyde de calcium avec de l'eau, et non de le dissoudre complètement.

Pourquoi dois-je continuer à verser le liquide d'un gobelet à l'autre ?

Lorsque vous mélangez le contenu des deux gobelets, vous créez le mélange qui finira par se solidifier. Cette transition d’un état à l’autre est plus facile à observer si vous continuez à verser le mélange. C’est aussi la raison pour laquelle vous devriez d’abord verser le verre liquide dans un gobelet séparé. En l'ajoutant directement à l'hydroxyde de calcium, le mélange se solidifierait trop rapidement.

Le liquide ne s’est pas solidifié : il a seulement formé des grumeaux. Qu'est-ce qui ne va pas ?

Peut-être que l’hydroxyde de calcium et l’eau n’étaient pas suffisamment bien mélangés. Cela peut entraîner une réaction irrégulière, ou avec un retard important. Essayez de mélanger le contenu plus uniformément, ou recommencez l'expérience.

Instructions pas à pas

Préparez tout d'abord deux gobelets : l'un avec une solution de silicate de sodium (également appelée verre liquide) et l'autre avec une solution d'hydroxyde de calcium.

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À première vue, lorsqu'on mélange les deux liquides, il ne se produit rien de particulier...

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Élimination des déchets

Éliminez les déchets solides avec les ordures ménagères.

Description scientifique

Le verre liquide est essentiellement du silicate de sodium Na2SiO3 . Il se dissout très bien dans l'eau. Le Ca2+ remplace facilement le sodium Na+ pour produire du silicate de calcium CaSiO3 , qui est presque complètement insoluble et ressemble à une poudre blanche.

Pourquoi absorbe-t-il tout le liquide contenu dans la tasse, au lieu de se déposer au fond comme le ferait un précipité digne de ce nom ? La réponse réside dans la façon dont le silicate de calcium se forme. La réaction se produit surtout à la surface de minuscules particules de Ca(OH)2 non dissoutes, leur fournissant des aiguilles de cristaux de CaSiO3 , qui s'imbriquent dans celles des particules avoisinantes, absorbant tout le liquide en même temps. Remplacez le Ca(OH)2 par du CaCl2, plus soluble, et vous obtiendrez le même CaSiO3 tombant doucement vers le fond.

De même, des substances apparemment différentes comme la craie, la coquille d'œuf et le marbre sont toutes à base du même composé : le carbonate de calcium CaCO3. C'est précisément le processus de formation de chaque substance qui conditionne l'apparence qu'elle aura.

Quelle est la substance que nous avons obtenue ?

Le matériau produit dans cette expérience peut être appelé un plastique.

Les plastiques sont généralement des composés organiques qui contiennent une proportion importante d'atomes de carbone et d'hydrogène liés entre eux. Or, le plastique utilisé dans cette expérience est d'une nature différente : il ne contient pas de carbone du tout. Il est composé de silicium Si, d’oxygène O, de sodium Na et de calcium Ca. La réaction clé utilisée pour produire ce matériau est la combinaison d'atomes de silicium et d'oxygène : une combinaison que l'on peut souvent trouver dans les silicates. Les silicates étant des substances inorganiques, de tels plastiques sont appelés plastiques inorganiques ou silicates.

Qu'est-ce que le verre liquide ?

Le verre liquide se compose principalement de silicate de sodium Na2SiO3 et de quelques autres silicates de sodium similaires, la seule variable entre eux étant les proportions entre les atomes de sodium Na, de silicium Si et d'oxygène O. Le verre liquide est en réalité une forme stable de la solution de silicate de sodium dans l'eau.

En savoir plus sur la nature et la structure du verre liquide

Le verre liquide est un polymère inorganique. Les molécules de polymère sont très grosses, mais relativement simples, et consistent en un grand nombre de fragments répétitifs (monomères) reliés les uns aux autres par des liaisons chimiques. Vous pouvez imaginer un polymère comme une chaîne composée d’un certain nombre d’éléments identiques.

Le verre liquide, cependant, est un polymère anionique. Une fois dissous dans l'eau, les polymères anioniques forment de longues chaînes chargées négativement, avec un nombre correspondant d'ions chargés positivement qui les entourent dans la solution. Le verre liquide (qui est en fait du silicate de sodium Na2SiO3) est spécifiquement constitué d’anions de silicate polymérique (-Si-O-Si-O-) avec des ions Na+ flottant autour d’eux.

Pourquoi le mélange réactionnel se solidifie-t-il ?

Le mélange se solidifie en raison d'une réaction chimique entre ses deux composants principaux : l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2 et le verre liquide (Na2SiO3). Ensemble, ils forment un matériau solide insoluble dans l'eau. Ce matériau ressemble fortement au verre de silicate commun utilisé dans les vitres, les miroirs, les verres à boire, etc. qui est constitué d'ions calcium, sodium et silicate liés.

Pourquoi ce mélange vitreux est-il ductile, et non dur ?

La nature de l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2 en détermine le résultat. Si nous ajoutons une autre source de calcium (par exemple, CaCl2), nous créerons un matériau solide et craquelant qui ressemble beaucoup au sable.

Il n’y a pas beaucoup d’ions calcium Ca2+ dans la solution. Comparé aux hydroxydes de sodium Na ou de potassium K, l'hydroxyde de calcium est beaucoup moins soluble dans l'eau. Lorsqu'il se dissocie dans l'eau, très peu d'ions calcium Ca2+ entrent dans la solution :

Ca(OH)2 ↔ Ca2+ + 2OH

C'est pourquoi le matériau se forme relativement lentement, et à travers toute la solution simultanément.

Au début de ce processus, des particules minuscules mais sans cesse croissantes de silicate de calcium insoluble se forment. Progressivement, de fins liens se matérialisent entre ces particules, les connectant dans un amas qui se répand peu à peu à travers toute la solution. Ces liens sont plutôt forts, de sorte que la particule résultante ne s'effondre pas. Ces liens sont également flexibles, de sorte que la substance résultante reste ductile pendant un certain temps.

Essayez de penser à la flexibilité des liens d'un matériau vitreux comme celui-ci. Il est impossible de plier une tige de verre de l'épaisseur d’un crayon : elle cassera (n’essayez pas cela à la maison, c’est dangereux !). Mais il est possible de courber une tige de verre de la finesse d'un fil. Ces liens sont encore plus minces, invisibles à l'œil nu et sont donc beaucoup plus flexibles. De plus, même si certains liens se brisent sous l'effet d'une pression excessive, cela n'affectera pas le réseau dans son ensemble.

Les molécules d'eau jouent également un rôle clé dans la flexibilité du plastique de silicate. Elles agissent comme un « airbag » temporaire, empêchant les amas de se coller les uns aux autres. Ces molécules d'eau sont réellement piégées entre ces amas de silicate de sodium. Elles n'ont d'autre choix que de rester : le silicate de sodium cristallise dans toute la solution, absorbant tout le liquide en même temps.

Pourquoi le matériau perd-il de la flexibilité avec le temps ?

La substance sèche lorsque l'eau s'évapore. Le silicate de calcium séché ressemble à du sable blanc.

En savoir plus

Encore une fois, l'eau est la clé. Plus précisément, la clé réside dans la manière dont elle s’évapore. Au fur et à mesure que le matériau sèche, les molécules d'eau n'empêchent plus les amas de silicate de calcium de se coller les uns aux autres.

En outre, la formation des liens que nous avons décrits ci-dessus n'est pas la fin du processus. Les ions calcium Ca2+ entrent lentement dans la solution et lient fermement les amas croissants de matériau les uns aux autres. C’est la raison pour laquelle les propriétés du plastique de silicate deviennent similaires à celles d’une tige de verre, qui casserait plutôt que se plier.

Peut-on inverser le processus de séchage et rendre le matériau flexible à nouveau ?

Non, nous ne pouvons pas. Il n’y a aucun moyen de recréer ce matériau, en partant du silicate de calcium semblable à du sable. Ce matériau est ductile, notamment en raison de la façon dont nous l'avons obtenu à partir des réactifs initiaux.