Méduse chimique

Des gouttes de solutions se transforment en incroyables méduses !

Difficulté :
Danger :
Durée :
10 minutes
Aperçu vidéo de l’expérience

Réactifs

Sécurité

  • Portez des gants et des lunettes de protection.
  • Réalisez l'expérience sur le plateau.
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

Quelle est la hauteur optimale pour verser les gouttes de solutions salines ?

Essayez de verser goutte à goutte les solutions à des hauteurs variant de 1 à 15 cm afin que les « méduses » aient des tailles différentes.

Puis-je conserver les méduses ?

Oui ! Si vous souhaitez conserver vos méduses, laissez la boîte de Pétri sécher complètement. D'ici 2 à 3 semaines, vous aurez un disque multicolore de silicates insolubles.

Le verre liquide ne se répand pas pour recouvrir toute la surface de la boîte de Pétri. Que faire ?

Dans ce cas, prenez délicatement la boîte de Pétri en la laissant posée sur la table et agitez-la doucement en cercles. Cela aidera le verre liquide à se répandre sur toute la surface.

La solution FeSO4 est très sombre. Est-elle périmée ?

Elle peut être sombre, mais elle fonctionnera quand même. Continuez l'expérience !

Instructions pas à pas

Versez la solution de silicate de sodium (verre liquide) dans la boîte de Pétri.

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Appliquez maintenant les solutions de composés métalliques (appelés sels métalliques) à la surface de la solution de silicate de sodium.

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Une réaction d'échange d'ions se produit entre le silicate de sodium et les sels métalliques. Il en résulte la formation de silicates métalliques insolubles. Ceux-ci ressemblent à des méduses !

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L'eau va progressivement s'évaporer et laisser derrière elle une couche multicolore de silicates insolubles.

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Élimination des déchets

Éliminez les déchets solides avec les ordures ménagères. Versez les solutions dans l’évier et rincez abondamment à l’eau.

Description scientifique

Si nous prenons deux substances  et  susceptibles de se diviser en parties appelées ions , et , , et les mélangeons dans une solution, ces parties pourraient former de nouvelles substances : et . Si ne serait-ce qu'une seule de ces nouvelles substances précipite ↓ ou s'échappe sous forme gazeuse ↑, il est dit que les substances ont participé à une réaction d'échange d'ions.

Dans notre expérience, le silicate de sodium Na2SiO3 entre dans une réaction d'échange d'ions avec divers sels, comme le CuSO4. Séparément, ces deux substances existent dans une solution sous la forme des ions suivants : Na+ , SiO32- , Cu2+  et SO42- . Mais si l'on mélange les solutions, les ions cuivre Cu2+  et les ions silicates SiO32-  forment des silicates de cuivre insolubles CuSiO3↓. En raison de la viscosité du verre liquide, ils prennent la forme d'une méduse chimique.

Pourquoi les méduses apparaissent-elles dans le verre liquide ?

Lorsque vous les versez dans la boîte de Pétri, les gouttelettes de la solution ne se mélangent pas avec le verre liquide comme on pourrait s'y attendre. Elle restent isolées, formant ces structures fascinantes que nous appelons méduses de silicate. Avouez que certaines d'entre elles ressemblent véritablement à de vraies méduses !

Leur structure complexe est en grande partie due à l'effet d'« éclaboussures », lorsque la goutte percute la solution dense d'une certaine hauteur. Nous verrons ultérieurement la manière dont l'ajustement de la hauteur de la chute peut agir sur la structure de votre méduse.

En savoir plus

Pourquoi les gouttes ne se dissolvent-elles pas dans le verre liquide ?

C'est principalement à cause de la viscosité de la solution de silicate de sodium : la goutte est à l'origine assez compacte. C'est pourquoi vous devez bien mélanger le verre liquide concentré avec de l'eau ; si vous ne le faites pas, les méduses tomberont en morceaux dans les zones les moins visqueuses.

Alors, qu'est-ce que la viscosité ? On peut la décrire comme « le manque de capacité à s'écouler ». Plus la viscosité d'une substance est élevée, moins elle s'écoule facilement. Par exemple, l'eau est extrêmement facile à verser, tandis que le chocolat fondu l'est moins et le miel encore moins. Par conséquent, nous dirions que l'eau n'est pas visqueuse du tout, le chocolat fondu est plus visqueux que l'eau et le miel est le plus visqueux des trois.

Cependant, ce n'est pas la seule raison pour laquelle les gouttes conservent leur forme d'origine. On pourrait penser en effet qu'une goutte se dissoudrait graduellement dans du verre liquide, or qu'est-ce qui les en empêche ? Le miel se dissout dans l'eau ! Et nous avons mélangé le verre liquide avec de l'eau facilement ! Il y a quelque chose qui cloche.

Il s'avère que des réactions chimiques assez spécifiques entre la goutte et le verre liquide forment des structures insolubles. Voici quelques-unes des réactions impliquées dans le processus. N'oubliez pas que le verre liquide est essentiellement du silicate de sodium Na2SiO3.

3FeCl3 + 3Na2SiO3 → Fe2(SiO3)3↓ + 6NaCl CuSO4 + Na2SiO3 → CuSiO3↓ + Na2SO4 CuSO4 + Na2SiO3 + H2O → Cu(OH)2↓ + Na2SO4 + SiO2

Ces réactions se produisent assez rapidement. En fait, elles forment rapidement une fine pellicule de composés insolubles entre la solution de verre liquide et les solutions de sels métalliques. C'est cette pellicule qui empêche les gouttes de se dissiper !

Comment la hauteur de la chute affecte-t-elle la forme de la méduse ?

En fait, cela dépend de la façon dont vous mélangez l'eau et le verre liquide. Moins le mélange est homogène, plus la goutte a de chances de toucher une zone aqueuse ou, au contraire, visqueuse (où il y a plus de verre liquide). Les gouttes se dissiperont moins dans un environnement visqueux et plus dans une zone aqueuse.

Cependant, supposons que les solutions ont bien été mélangées. Si vous versez des gouttes de solutions de sels métalliques d'une hauteur d'environ 1 à 2 cm, vous obtiendrez de petites boulettes ressemblant à des grains de caviar. Les méduses les plus belles résultent probablement d'une chute de hauteur de 5 à 10 cm. Si des gouttes de solutions tombent d'une hauteur d'environ 20 à 30 cm (une tâche difficile en soi ; le plateau en plastique s'avèrera utile), elles se briseront pratiquement lors de l'impact. Plus vous montez, plus la goutte fera d'éclaboussures au-delà de la boîte de Pétri. Encore faut-il, bien sûr, toucher la cible !

Quelle différence y a-t-il entre les quatre solutions ?

Cette expérience implique quatre solutions de sels métalliques : du sulfate de cuivre bleuâtre CuSO4, du chlorure de fer(III) FeCl3 jaunâtre-orangé, du sulfate manganique MnSO4 incolore et un sulfate de fer(II) FeSO4 brun-jaunâtre.

Chacune des solutions a sa spécificité. Commençons par le sulfate de cuivre : une solution bleuâtre de CuSO4. Ces méduses sont les plus stables du groupe et elles conserveront leur couleur et leur forme pendant plusieurs jours.

Les méduses faites de sulfate de manganèse(II) MnSO4 sont transparentes et vraiment remarquables si on les met sur un fond de couleur sombre. Essayez en positionnant un papier ou tout autre support noir sous la boîte de Pétri. En outre, elles changent progressivement de couleur, pour finir dans le brun-rosé. Pourquoi ? Chaque ion manganèse Mn2+ (de MnSO4) peut encore se séparer d'au moins 2 électrons supplémentaires, que d'autres atomes aimeraient s'approprier ! C’est exactement ce qui se passe : le dioxygène de l’air О2 oxyde progressivement le manganèse en oxyde de manganèse Mn_O{2}, ce qui donne sa couleur à la méduse :

Mn2+ – 2e- → Mn4+ MnSO4 + O2 → MnO2↓ + SO42-

Pourquoi utilisons-nous deux solutions contenant des ions de fer ? À première vue, la réponse peut sembler évidente : chaque composé contient différents anions (ions chargés négativement), l'un contient du chlorure Cl- et l'autre contient du sulfate SO42-/. Mais ce n’est pas la principale différence. Regardez de plus près : le fer est différent ! Dans le cas du chlorure, c'est Fe3+ et dans le cas du sulfate, c'est Fe2+. La différence n'est que d'un seul électron :

Fe3+ + e- → Fe2+ Fe2+ – e- → Fe3+

Mais leurs propriétés, et notamment la couleur, diffèrent de manière significative !

Vous remarquerez peut-être aussi de petites taches orange se formant dans les gouttes des méduses noires de sulfate de fer(II) FeSO4. Ce métal est oxydé par le (c'est-à-dire perd un de ses électrons au profit du) dioxygène de l'air. Lorsque cela se produit, leur couleur commence à ressembler à celle des méduses de chlorure de fer(III) !

Une autre propriété intéressante du chlorure de fer (III) FeCl3 est la vitesse à laquelle il réagit avec le silicate de sodium. Pourquoi est-ce ainsi ? Le 3+ à côté de l'ion de fer Fe3+ signifie que l'ion fer a le triple de la charge positive d'un électron. Les autres ions impliqués dans l'expérience, Cu2+, Fe2+ et Mn2+, ont tous une charge moindre, soit deux fois la charge positive d'un électron. Les silicates insolubles se forment lorsqu'une particule de fer chargée positivement (disons Fe3+) rencontre une particule de silicate SiO32- chargée négativement. Plus la différence de charge entre les participants à la réaction est grande, plus ils s'attirent fortement et rapidement.

C'est pourquoi le chlorure de fer(III) réagit avec le verre liquide beaucoup plus rapidement que les autres sels. Si rapidement, d'ailleurs, que les composés insolubles en formation pressent littéralement la goutte à la surface du verre liquide.

Ça, c’est intéressant !

Qu'est-ce que le verre liquide ?

Le verre liquide est un liquide épais – il s'agit d'une solution de silicate de sodium Na2SiO3 et, rarement, de silicate de potassium K2SiO3 dans l'eau.

Comment est-il obtenu ? On pourrait penser que le plus simple serait de dissoudre les silicates dans l'eau. Mais il s'avère que c'est une méthode très coûteuse. À l'échelle industrielle, un mélange de matières premières et une solution concentrée d'alcali (NaOH) sont chauffés à haute pression. Les matières premières contiennent du dioxyde de silicium (SiO2). C'est ainsi que le silicate de sodium est fait.

En réalité pourtant, ce n'est pas tout à fait la même substance que le silicate de sodium Na2 SiO3. Il serait correct d'écrire Na2O(SiO2)n, car la solution contient encore beaucoup de dioxyde de silicium et de substances apparentées. Normalement n = 1,4 – 1,8.

À quoi sert le verre liquide ?

Le verre liquide est utilisé en construction, comme solution de liaison dans la préparation du béton et du ciment.

Les matériaux inflammables tels que le tissu, le bois et le carton sont également traités avec du verre liquide pour éviter qu'ils ne prennent en feu. Le verre liquide est souvent utilisé pour un collage efficace du papier et du carton.

Comment le verre liquide réagit-il avec le verre normal ?

Vous devez faire attention lorsque vous manipulez du verre liquide avec du verre normal. Si du silicate de sodium sèche sur du verre normal, il devient opaque.

Pourquoi cela se produit-il ? C'est assez simple : le verre normal comme le verre liquide ont comme base des composés très similaires – les silicates. En substance, le verre liquide se dissout légèrement dans le verre normal (pour être tout à fait exact, c'est l'inverse : le verre normal se dissout dans la forme liquide). La structure de la surface du verre normal est alors égèrement modifiée et cesse d'être transparente.