L’Effet Coca Mentos.Les élèves du club physique chimie du collège le revard

,encadré par madame Volk.

Ce rapport a été rédigé par les élèves de l’atelier scientifique :

Lucie, Adélie, Marie, Manon, Océane, Audrey, Mathilde,

Léa, Laura, Marine, Océane, Laura et Margot.

La page de garde a été faite par Marine.

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Table des matières

Introduction ........................................................................................................... 2

I. Quelle est la nature du geyser ? ...................................................................... 2

II. Le geyser est-il le résultat d’une transformation chimique ? ...................... 3

1) Les différentes explications ......................................................................... 3

2) Elément déclencheur .................................................................................... 4

III. Analyse de différents facteurs influençant la formation du geyser ............. 6

1) Le nombre de mentos® ................................................................................ 7

2) La température ........................................................................................... 11

3) La composition de la boisson..................................................................... 14

IV. Prochaines étapes .......................................................................................... 17

1) Etude de la vitesse : corrélation entre hauteur et vitesse ........................... 17

2) Influence de la forme du récipient ............................................................. 18

V. Impressions ................................................................................................ 18

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Introduction

Le club de physique-chimie du Collège Le Revard s'est intéressé, cette année, à la formation du geyser lorsque l’on met un mentos® dans du coca-cola light®. Le groupe est encadré par Mme Volk, professeur de physique-chimie, et est composé de 13 élèves de 3ème : Lucie, Adélie, Marie, Manon, Océane, Audrey, Mathilde, Léa, Laura, Marine, Océane, Laura, Margot. Nous nous réunissons chaque vendredi, pendant une heure, dans la salle de classe de Mme Volk afin d'étudier ce geyser grâce à de nombreuses expériences que nous imaginons, décrivons, et analysons.

I. Quelle est la nature du geyser ?

Le geyser est composé d’une mousse, c’est-à-dire de bulles de gaz mélangées à un peu de liquide. La première question que nous nous sommes posé a été : « Quel est ce gaz ? » Pour répondre à cette question nous avons réalisé l’expérience suivante : Liste du matériel :

- Coca-cola® - Mentos® - Ballon de baudruche - Erlenmeyer - Tube à essai - Eau de chaux

Schéma de l’expérience :

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Protocole : Pour faire cette expérience, on prend un récipient dans lequel on met du coca-cola

light®, et un autre dans lequel on met de l’eau de chaux. On met un mentos® dans le récipient qui contient le coca-cola light® et on place

rapidement un ballon de baudruche dessus. On attend quelques secondes que le ballon se gonfle.

Quand le ballon est gonflé, on le prend sans faire partir le gaz contenu à l’intérieur. On

le met sur le récipient qui contient l’eau de chaux, puis on attend encore quelques secondes. L’eau de chaux se trouble. Le gaz présent dans le coca-cola light® est donc du dioxyde de carbone. Conclusion : le geyser est formé de mousse, qui est un ensemble de bulles. Ces bulles

sont du dioxyde de carbone.

II. Le geyser est-il le résultat d’une transformation chimique ?

La deuxième question que nous nous sommes posé a été : « Le geyser est-il le résultat d’une

transformation chimique ? » Une transformation chimique est une transformation au cours de laquelle des substances disparaissent et de nouvelles substances apparaissent.

1) Les différentes explications

Pour savoir si cette expérience était une transformation chimique, nous avons fait plusieurs expériences. Ces expériences sont réalisées avec du liquide placé dans une éprouvette graduée.

1ère expérience : Nous avons essayé en dégazant le coca-cola light®. Nous avons pour cela secoué la bouteille, puis nous avons utilisé un agitateur magnétique pour terminer le dégazage. Nous avons ensuite mis un mentos® dans le coca et nous avons pu constater qu'aucun geyser ne se formait. Nous avons donc pu en déduire que le gaz qui forme le geyser est celui qui est déjà dans

le coca-cola light®.

2ème expérience : Nous avons également essayé en faisant fondre un mentos® et en le plaçant ensuite dans le coca-cola®, nous n'avons alors vu aucun geyser. Cette expérience nous a montré que ce n'était pas les constituants du mentos® qui

étaient à l'origine du geyser, mais certainement la forme.

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3ème expérience : Nous avons tenté l'expérience avec du sucre, du sel et des billes de verre. Tous ces matériaux sont granuleux. Les expériences ont alors très bien marché. Lors de l'expérience avec les billes de verre, nous avons récupéré celles-ci intactes, elles avaient donc agit en tant qu'élément déclencheur, ce n'est donc pas une transformation chimique. Cela nous prouve que le geyser n'est pas le résultat d’une transformation chimique. De

plus, c'est la forme du matériau, granuleuse, qui provoque le geyser.

2) Elément déclencheur

Nous avons voulu nous assurer que la formation du geyser était due à l’enrobage du mentos® et non à l’intérieur du mentos®. Pour cela nous avons découpé un mentos® en deux pour en extraire le cœur. Nous l’avons

ensuite mis dans une éprouvette graduée contenant du coca-cola light®. Il n’y a eu aucun geyser. Nous avons ensuite, à l’aide d’une cuillère, enlevé l’enrobage du mentos®. Nous avons ensuite placé l’enrobage dans l’éprouvette afin de voir si le geyser se formait. Il y a eu un geyser. Nous sommes aussi allées sur le site de mentos® et nous avons pu constater que l’extérieur du

mentos® (enrobage fraicheur) était bien différent de l’intérieur (cœur tendre).

Représentation d’un mentos®

Source : http://www.mentos.com/?tld=fr#/home/unwrapped/secret La partie du mentos® déclenchant le geyser est son enrobage. Les bulles se forment à la

surface du mentos®.

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Photographie prise à l’atelier lors d’un dégazage. Les bulles se forment à la surface du mentos®

Pour compléter ces observations, comme les mentos® à la menthe et ceux aux fruits semblaient avoir des textures différentes au toucher, nous avons décidé de réaliser des expériences, pour comparer la hauteur des geysers obtenus avec différents mentos®. Description des manipulations Nous avons pris plusieurs éprouvettes graduées pour chaque mentos aux fruits. Nous avons versé l00 mL de coca cola light® dans chaque éprouvette. Puis, nous avons attribué à chacun de nos camarades un mentos® aux fruits pour pouvoir commencer l'expérience en même temps. Nous avons relevé la graduation de l'éprouvette atteinte pour chaque expérience. Nous avons pu constater que des mentos produisaient de plus gros geysers que d'autres. En effet, le mentos menthe est le grand gagnant avec une graduation atteinte de 210mL.

Difficultés des manipulations Durant ces expériences, nous avons rencontré quelques difficultés, notamment à cause du dégazage du coca cola quand on le verse dans l'éprouvette.

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Par ailleurs, lorsque nous ouvrons la bouteille pour mettre le coca dans les éprouvettes, celui-ci se dégaze rapidement, il faut donc aller vite et mettre la main sur l'éprouvette pour la boucher pour éviter de perdre trop de gaz. Nous avons pu constater que le mentos® à la menthe entraîne la formation d'un plus gros geyser que les mentos® aux fruits. Pour expliquer ces différences, nous avons observé la surface des mentos® avec des loupes. Pour tous les mentos® la surface est très irrégulière et poreuse. Elle présente de nombreuses aspérités difficilement visibles à l’œil nu. Il nous a semblé que la surface des mentos® aux fruits était plus lisse, mais nos observations n’ont pas été très précises. Monsieur BILLARD, chercheur en chimie, nous a montré des images provenant d’un article

et réalisées par microscopie à balayage électronique. Ces images ont confirmé ce que nous avions observé.

Images d’un mentos® à la menthe (a) et d’un mentos aux fruits (b),

obtenues par microscopie à balayage électronique, échelle 200 m(a) et 100 m(b) Source : T. S. Coffey, Am. J. Phys. 76 (6), June 2008

Le dioxyde de carbone, dissout dans l'eau, se transforme en gaz grâce à de la porosité de l'enrobage. L’élément déclenchant la formation du geyser dans le mentos® est donc l’irrégularité de

son enrobage. Plus l’irrégularité est importante, plus le dégazage est important.

III. Analyse de différents facteurs influençant la formation du

geyser

Nous avons ensuite essayé de trouver les différents facteurs influençant la hauteur du geyser.

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Pour étudier ces facteurs, nous avons réalisé les expériences directement dans des bouteilles de cola pour éviter de dégazer le cola en le versant dans un autre récipient.

1) Le nombre de mentos®

Mesure de la hauteur des geysers

Pour étudier l’influence du nombre de mentos®, nous avons ajouté de plus en plus de

mentos® dans des bouteilles de 500 mL de coca-cola light®. Nous avons réalisé un montage à l’aide d’une règle afin de mesurer la hauteur du geyser en fonction du nombre de mentos®. Chaque expérience a été filmée par une webcam. Ensuite, nous avons visionné chaque film et nous avancions «image par image». De ce fait, nous avons pu relever la hauteur atteinte par le geyser.

Schéma du dispositif Photographie du dispositif

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Image obtenue grâce à la réalisation d’un film

Nous avons eu des difficultés pour introduire plus de 3 mentos® à la suite dans la bouteille de cola : le geyser se formait avant que tous les mentos® ne soient dans la bouteille. Quelqu'un a eu l'idée d'utiliser une éprouvette dans laquelle nous avons mis les mentos®. Et comme nous devions la retourner, nous avons utilisé un bout de carton afin de retenir les mentos®. Ensuite, nous avons mis l'éprouvette au-dessus de la bouteille et avons retiré le morceau de carton. Cela nous a permis de les introduire tous en même temps et ainsi éviter que le geyser apparaisse avant la fin de l'introduction de tous les mentos®.

Introduction de plusieurs mentos

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Nous avons obtenu les résultats suivants :

Sur le graphique, on peut constater que plus il y a de mentos®, plus la hauteur est élevée. La courbe augmente beaucoup moins vite et stagne presque à partir de 4 mentos ®. La hauteur du geyser est lié au nombre de mentos®.

Mesure de la pression dans la bouteille

Sous la responsabilité de Monsieur VOLK, chercheur en physique, nous avons réalisé une expérience qui consistait à mesurer la pression dans une bouteille remplie à moitié de coca-cola light® lorsque l’on y ajoute un mentos®. Après avoir mis le mentos® dans la bouteille, il faut la fermer avec un bouchon équipé d’un

capteur de pression. Le dégazage du cola entraîne l’augmentation de la pression. Il est alors nécessaire de bien

tenir le bouchon pour éviter les catastrophes. Le capteur de pression va transmettre l’information sous forme de signaux électriques à une

carte d’acquisition. Cette carte va, de son coté, transformer le signal électrique en données numériques et les transmettre à l’ordinateur. Au final, l’ordinateur affiche les valeurs de pression sous la forme d’une courbe. L’unité de pression est l’atmosphère, la valeur de la pression dans la salle de classe est 1 atmosphère (1 atm).

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Une mesure de pression à l’aide du capteur

Capteur de

pression.

Carte d’acquisition

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Nous avons réalisé ce graphique.

Nous avons pu observer que plus il y a de mentos, plus la pression augmente rapidement. En effet, plus il y a de mentos®, plus la pente est verticale au départ. A partir de 4 ou 5 mentos®, la pente est presque la même. Le graphique représentant la hauteur du geyser en fonction du nombre de mentos® correspond au graphique avec la pression puisque plus il y a de mentos®, plus la hauteur est élevée et à partir de 4 ou 5 mentos®, la hauteur est presque la même. On peut donc dire que le nombre de mentos® influence la hauteur du geyser ainsi que la

pression. La hauteur du geyser est liée à la au changement de pression dans la bouteille.

2) La température

Nous avons ensuite réalisé des expériences en faisant varier les températures. C'est-à-dire que nous avons fait chauffer plusieurs bouteilles à l'aide de becs électriques et que nous avons mis des bouteilles au frigidaire. C'est ainsi que nous avons obtenu des bouteilles à température variée.

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Bouteilles chauffées à l’aide de becs électriques

Mesure de la hauteur

Chaque expérience a été filmée par une webcam et parfois deux car lorsque nous chauffions la bouteille de coca-cola à température trop élevée, une webcam ne suffisait pas à filmer à la fois le départ du geyser et la hauteur maximale atteinte. Ici aussi, nous avons visionné chaque film pour relever la hauteur atteinte par le geyser. Nous avons construit le graphique représentant la hauteur du geyser en fonction de la température du coca-cola light®.

Après de nombreux tests, nous avons remarqué qu'il y avait des difficultés lorsque les températures étaient très hautes. Quand la température dépassait les 60°C, le cola dégazait tout seul.

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Nous avons constaté que plus la température augmente, plus le geyser monte haut.

Monsieur VOLK nous a expliqué que nos résultats pouvaient être modélisés par une loi répandue (loi d’Arrhenius), qui fait intervenir une barrière d’énergie E.

Le modèle correspond bien à nos résultats et permet de déterminer la valeur de l’énergie. E=42 575 J pour une mole de gaz, c’est à-dire 6×1023 molécules de dioxyde de carbone. (L’énergie pour faire bouillir une mole d’eau à 100°C est d’environ 41 036 J).

Mesure de la pression

Ensuite, avec Monsieur VOLK, nous avons mesuré le changement de pression dans les bouteilles pour différentes températures. Nous avons remarqué que plus la température était élevée, plus la pression augmente rapidement et plus elle monte haut, ce qui confirme les résultats obtenus avec les films. Chaque courbe est construite de la même manière, c'est-à-dire qu'elle monte à une certaine hauteur puis elle se stabilise.

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Nous avons pu remarquer qu’à partir d’environ 50°C, le cola dégaze tout seul. De ce fait, à

72°C, la courbe n’est pas exploitable.

3) La composition de la boisson

Nous avons testé la formation du geyser avec de l’eau gazeuse et du coca-cola® normal. Nous nous sommes aperçu que le geyser est très peu élevé avec de l’eau. Avec le coca-cola® normal, il est élevé, mais moins important qu’avec du coca-cola light®. Nous pouvons ainsi penser que des composants dans les colas augmentent la hauteur du geyser mais aussi qu’un composant du coca-cola® normal, qui n’est pas présent dans le coca-cola light®, diminue la formation du geyser. Nous avons donc cherché les différents composants du coca-cola® normal et du coca-cola light® pour faire une comparaison.

On peut trouver dans le coca-cola® normal de l’eau gazéifiée, du colorant caramel, de l’acidifiant : acide phosphorique, du sucre, des extraits végétaux et d’arôme caféine.

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On peut trouver dans le coca-cola light® de l’eau gazéifiée, du colorant caramel, de l’acidifiant : acide phosphorique et acide citrique, des édulcorants : aspartame et acésulfame, des extraits végétaux et d’arôme caféine.

Grâce à ces données, nous pouvons voir que le coca-cola® normal contient du sucre, contrairement au coca-cola light® qui contient de l’aspartame et de l’acide citrique. Pour les expériences suivantes, Monsieur BILLARD, chercheur en chimie à Lyon, nous a apporté les substances chimiques dont nous avions besoin, comme l’acide citrique et

phosphorique et l’aspartame.

a) Sucre ou aspartame

Nous avons voulu savoir si l'aspartame et le sucre avaient une influence sur la formation et la hauteur du geyser. Pour cela, nous avons effectué des expériences. Tout d'abord avec le sucre, à l'aide d'éprouvettes, de mentos® et d'eau gazeuse. Nous avons fait varier la quantité de sucre à chaque nouvelle expérience en gardant la même quantité d'eau gazeuse. Nous avons observé que le sucre n'avait aucune influence sur la formation du geyser et qu’il

pouvait, peut-être, empêcher cette formation car lorsque nous avons fait l'expérience sans mettre de sucre ni d'aspartame, il y a eu des bulles. Enfin, nous avons fait les expériences avec l'aspartame à la place du sucre. Il y a eu la formation de quelques bulles mais il n'y a eu aucun geyser. La présence de sucre dans l’eau gazeuse semble empêcher la formation du geyser.

La présence d’aspartame dans l’eau gazeuse n’empêche pas la formation du geyser, mais

n’augmente pas sa hauteur.

b) Acide phosphorique Nous avons essayé de savoir si l’acide phosphorique, qui est un composant du coca cola ® normal et coca cola light®, avait une influence quelconque sur la formation du geyser. La solution d’acide phosphorique, que nous a apporté Monsieur BILLARD, était presque pure, de ce fait, nous l’avons donc d’abord diluée. Elle restait cependant encore très concentrée.

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Dilution de l’acide phosphorique

Ensuite, nous avons gazéifié de l’eau pour obtenir de l’eau gazeuse nécessaire à notre test. Nous avons d’abord réalisé l’expérience, dans une éprouvette graduée, avec un mentos® et 100 mL d’eau gazeuse. Le geyser qui s’est formé est monté jusqu’à la graduation 110mL. Nous avons refait l’expérience en ajoutant cette fois-ci 1mL d’acide phosphorique. Aucun

geyser ne s’est formé. Nous avons ensuite refait le test avec 2mL d’acide, le geyser n’est pas monté. Avec 3mL et

5mL, le geyser est monté environ jusqu’à la graduation 110mL. En conclusion, nous pouvons penser que l’acide phosphorique contenu dans le cola, n’a

pas d’influence sur la formation du geyser, où, s’il y a influence celle-ci est minime.

c) Acide citrique

Nous avons ensuite essayé de savoir si l’acide citrique, qui est un composant du coca cola light® uniquement, avait une influence quelconque sur la formation du geyser. Pour cela, nous avons mis de l’acide citrique dans de l’eau gazeuse. Pour rendre l’acide

citrique liquide (les poudres provoquent le dégazage), nous avons solubilisé 24g d’acide dans

20 mL d’eau. Grâce à la machine Sodastream®, nous avons gazéifié l’eau que nous utilisions avant chaque

expérience.

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Gazéification d’eau

Nous avons mis 100 mL d’eau gazéifiée dans une éprouvette graduée, puis nous avons versé 1 mL d’acide citrique. Le geyser s’est formé et est monté jusqu’à la graduation 150 mL. Sans

acide citrique, le geyser monte seulement jusqu’à la graduation 110 mL. Nous avons fait la même expérience, à la même température avec 2 mL d’acide citrique. Le

geyser est monté jusqu’à la graduation 130 mL. Avec 3 mL d’acide, le geyser n’est pas monté

plus haut. En conclusion, nous pouvons penser que l’acide citrique contenu dans le coca cola

light®, augmente la hauteur du geyser, mais il ne faut pas trop en mettre.

IV. Prochaines étapes

1) Etude de la vitesse : corrélation entre hauteur et vitesse

Lors des tournages des films sur la formation du geyser dans une bouteille, nous nous sommes aperçu que la vitesse de formation du geyser n’est pas toujours la même. Nous allons donc au cours des prochaines séances, grâce aux films réalisés, étudier la vitesse de formation du geyser en relevant le moment ou le mentos® entre en contact avec le cola et le moment ou le geyser est à sa hauteur maximale. Nous obtiendrons ainsi pour chaque vidéo la vitesse de formation du geyser et nous pourrons la comparer avec sa hauteur. Nous pourrons ainsi répondre à la question : « Est-ce que le geyser est plus haut lorsqu’il se

forme plus rapidement ? »

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2) Influence de la forme du récipient

Au cours de prochaines expériences, nous chercherons aussi à savoir si la forme du récipient a un rapport avec la hauteur du geyser. Afin d’en avoir le cœur net, nous ferons l’expérience

dans différent type de récipients avec la même quantité de cola et le même nombre de mentos®, puis nous tirerons les conclusions des résultats obtenus. Nous effectuerons enfin des tests avec des récipients au diamètre de goulot différent.

V. Impressions

« J’ai beaucoup aimé participer à l’atelier scientifique. En effet, j’ai apprécié imaginer des

expériences, et les réaliser avec du « vrai » matériel a été un véritable plaisir. Même si je ne suis pas de m’orienter dans la chimie plus tard, le club physique-chimie m’a

apporté beaucoup de connaissances. » Lucie

« Au cours de ces séances, j’ai beaucoup apprécié toutes les manipulations que nous avons pu

réaliser. La séance que j’ai préférée est celle où le chimiste Monsieur Billard est venu. Ce jour-là, nous avons fait différentes expériences avec de l’acide phosphorique, de l’acide

citrique et de l’aspartame. Je suis très contente d’avoir pu participer à ce club, cela m’enrichi beaucoup pour la suite car j’aimerais travailler dans la chimie. »

Mathilde

Le club scientifique du Collège le Revard

L’Effet Coca Mentos.Les élèves du club physique chimie du collège le revard

,encadré par madame Volk.