Catégorie, espèce chimique

Qu'est-ce qu'un composé ?

Voilà une question lancinante... qui montre la faillite de l'enseignement de chimie au collège. En effet, je me souviens bien que nos cours commençaient par bien distinguer un corps pur, un mélange, une molécule, et je me souviens bien, aussi, d'ailleurs, que certains de mes condisciples  avaient le plus grand  mal à comprendre la notion de mole, de molécule, et les différences entre les divers objets.
Je me souviens aussi de ma déception à recevoir de tels cours, alors que je m'attendais presque à accéder immédiatement à des explosions, des transformations merveilleuses, la Pierre philosophale, en quelque sorte. 

Pour la difficulté de certains à penser la notion de mole, je suis un peu démuni, mais pour le reste, je suis bien certain que oui, ces introductions étaient ennuyeuses. Commencer par une série de définitions ? Ce n'est pas amusant.
Et beaucoup ont dû fermer les écoutilles à ce moment, jugeant que la matière n'avait pas grand intérêt (je passe, d'ailleurs, sur la confusion entre la technique chimique, la chimie proprement dite donc, et la science de la chimie, qui est en réalité la physique). 

Ce qui est apparent, d'après les innombrables échanges que j'ai aujourd'hui avec le monde, le public, mes interlocuteurs, mes amis que je rencontre lors de conférences ou par email, c'est que toutes les notions introductives de la chimie ne sont pas acquises, et que les efforts de nos professeurs sont donc en pure perte.
Il faut d'ailleurs observer que nombre d'entre eux "suivent les manuels", et que les manuels ne sont pas toujours merveilleusement faits. Pour avoir travaillé dans l'édition scolaire, je peux attester que le temps de rédaction, après  la publication des programmes, est court : quelques mois... alors que je mets dix ans avant de faire un livre ? Certes, les manuels sont parfois rédigés par des équipes, mais je peux attester que le temps manque cruellement pour arriver à quelque chose de bien différent de ce que l'on avait.
Et puis, ne suffit-il pas de lire ces manuels ? Certes, ils ont fait beaucoup de progrès, avec des photographies en couleur, des encadrés... Les éditeurs et les auteurs se sont donné beaucoup de mal, ont dépensé beaucoup d'énergie... mais la question n'est pas là : il reste que ces définitions, données dans un cadre rigoureux, ne correspondent pas au besoin, ne font pas rêver. Et si le socle est vermoulu, rien ne peut s'ériger. 

En vulgarisation, au contraire, on éviterait absolument de commencer par donner des définitions, et l'on prendrait sans doute un exemple, un exemple marquant, frappant, excitant.
On commencerait par montrer l'intérêt de la chose, sans formaliser immédiatement.
Existe-t-il une bonne raison pour laquelle l'enseignement pourrait faire différemment ? Le cadre scolaire est-il une justification suffisante ? Je ne le crois pas, car seul l'objectif compte : que les élèves acquièrent la notion enseignée. Et les enfilades de définitions ennuyeuses sont contre productives. Il faut donc les abandonner. 



Et répondre à la question de mon interlocuteur : qu'est-ce qu'un composé ? 

Mais avant de  répondre à sa question de fond, je propose de considérer sa question de détail : cette personne me dit que je lui dis qu'un composé, c'est un ensemble de molécules identiques. Pourquoi ne comprend-elle pas cela ? Parce que c'est abstrait, et que je propose toujours d'être d'abord concret.
Un composé ? On perle aussi d'espèce chimique, pour simplifier. Une espèce, c'est une catégorie, un groupe d'objects identiques.
Une espèce animale, par exemple le chat, c'est une catégorie d'animaux qui sont tous des chats.
En chimie ? Prenons l'eau, qui est donc un composé. L'eau est une matière, et, surtout pour un élève qui étudie les lettres, les mots sont importants. Il y a des noms d'objets particuliers (ce crayon), des noms de catégories (les marteaux). Parmi les catégories, il y a des catégories abstraites ou concrètes.


Bref, tout cela est bien difficile, et je propose d'être encore plus concret.i Parfaitement concret.

Prenons un verre, et mettons-y de l'eau.
Dans le verre, il y a de l'eau, et cette eau est une matière : nous pouvons  la toucher, la voir, la sentir (elle ne sent probablement rien), la boire, la sentir couler dans la bouche. La matière de notre corps interagit avec elle. Si nous prenons une loupe, nous continuons à voir la même chose : de l'eau. Mais si nous prenions un super-microscope, nous verrions un grouillement de petits objets tous identiques. Ces objets doivent avoir un nom : ce sont des molécules. De même pour  du sucre : un cristal de sucre serait vu, au super-microscope, comme un ensemble de petits objets tous identiques : des molécules. Mais les molécules dans l'eau  et les molécules dans le sucre apparaîtraient différemment, au super-microscope, et cela nous oblige à dire que l'eau est faite de molécules d'eau, et le sucre de molécules de sucre. 

Si nous regardons maintenant ces molécules avec non plus des super-microscopes, mais des super-super-microscopes, nous voyons que chaque molécule d'eau est faite d'objets de diverses sortes, et que les molécules de sucre sont faites d'objets de diverses sortes. Ces objets ont un nom : atome. 

Le fer ? Ou plus exactement, ce clou en fer ? Lui n'est pas fait  de molécules, mais d'atomes, et, mieux, d'atomes tous de la même sorte : des atomes de fer. Le fer est le nom d'un élément, une matière dont tous les atomes sont identiques. 

La vodka ? Cette fois, on verrait deux sortes de molécules  : des molécules d'eau et des molécules d'une autre sorte, que l'on nomme éthanol. La vodka est un mélange, donc. 

Et les composés, dans cette affaire ? L'eau, matière, est un composé, puisqu'elle est faite de molécules qui sont faites, "composées" de plusieurs sortes d'atomes. Le fer n'est pas un composé, et la vodka n'est pas un composé, puisque ce n'est pas un corps  pur. 

Le sel ? Celui de cuisine, le "chlorure de sodium",  n'est pas composé de molécules, mais d'ions, d'atomes qui ont échangé de petites parties, les "électrons"... mais faut-il d'emblée aller dans les complications ? Je propose que nos réponses aux questions soient progressives... sans quoi nous retomberons dans la litanie des définitions, et ne répondront pas bien aux questions de nos amis. 

Vient de paraître aux Editions de la Nuée Bleue : Le terroir à toutes les sauces (un traité de la jovialité sous forme de roman, agrémenté de recettes de cuisine et de réflexions sur ce bonheur que nous construit la cuisine)

Les valorisations de l'huile

Soit de l'huile, qu'en faire ?
On se propose ici de discuter des formulations de l'huile, afin de mettre cette dernière en valeur… quand elle en vaut la peine.
Partons du fait qu'un système matériel peut s'examiner du point de vue physique et du point de vue chimique. On peut donc changer le système de ces deux façons.
Commençons par la chimie, en observant qu'une huile « de terroir » est composée au premier ordre de triglycérides : l'huile est un mélange de très nombreux composés de ce type, différant par les résidus en acides gras. Chaque type de triglycéride a un point de fusion particulier, c'est-à-dire un comportement particulier. Par exemple, il y a des triglycérides solides à la température ambiante et solide dans la bouche, à la température de 37 degrés, et ils seront comme des solides. Mais il y a aussi des triglycérides solides à la température ambiante et liquides en bouche. Puis les triglycérides liquides à la température ambiante, et, donc, également liquides en bouches. Plus finement, la viscosité des liquides augmente avec la température. Et, surtout, le mélange des divers triglycérides donne à un mélange de ces derniers des comportements mécaniques ou rhéologiques particuliers. Puis, à des ordres bien supérieurs, l'huile contient des composés qui peuvent être odorants, sapides, ou avoir une action trigéminale (la fameuse « ardence » de certaines huiles d'olive).
Une première de diversifier l'huile initiale consiste donc à la fractionner, soit en séparant la partie odorantes/sapides/trigéminales de la masse des triglycérides, ce qui revient à faire une « huile essentielle d'huile », soit en fractionnant les triglycérides.
Comment faire un tel fractionnement ? On peut distiller, à pression atmosphérique ou sous vide, afin de limiter les dégradations, mais on peut aussi faire des « cristallisations fractionnées », comme quand on met de l'huile d'olive au réfrigérateur, ce qui permet de séparer des cristaux de triglycérides par filtration. Ainsi, on obtient des huiles différentes à partir de l'huile initiale… en répétant quand même que le terroir, c'est surtout la partie odorante/sapide/trigéminale.
Les traitements chimiques précédents conservent tous les composés, mais on peut aussi ne faire disparaître, ou bien en faire apparaître. La manière la plus simple est bien sûr le simple chauffage, qui fait des « goûts de cuits », mais il peut aussi chauffer en présence d'autres composés, comme par exemple avec des bases, pour faire des savons… ce qui me fait penser que, si l'on a séparé d'abord les composés non triglycéridiques et qu'on les remet ensuite dans les savons, on aura des « savons de terroir ».
Pour la question physique, les solutions découlent principalement de l'idée des « systèmes dispersés » : à l'aide d'autres produits, qui peuvent être des gaz, des liquides ou des solides, on peut faire des gels, des mousses, des émulsions, des suspensions. Les solides ? Par exemple, du sucre, du sel, mais aussi des acides citrique ou tartrique, des acides aminés, des grains d'amidon… ou des mélanges de tous ces produits. Pour les liquides, il peut s'agir de vin, de café, de bière, de thé, de bouillons, d'eau de pressage de l'huile… Les gaz ? C'est principalement l'air, mais le dioxyde de carbone, si utile pour l'effervescence des boissons gazeuses, ne doit pas être oubliée.
Pour faire une émulsion, on part d' « eau » (liste précédente), on y dissout des composés tensioactifs, et l'on disperse de l'huile, tout comme lors de la confection d'une sauce mayonnaise. Les composés tensioactifs ? Les plus courants sont les phospholipides et les protéines… que l'on trouve naturellement dans les matières végétales que l 'on a pressées pour obtenir l'huile : les tissus végétaux sont faits de cellules qui sont elles-mêmes limitées par des membranes faites phospholipides, avec des protéines incluses. Le procédé est exactement comme dans une mayonnaise, et le goût final dépendra du goût de l'huile et de celui de la phase aqueuse. La consistance de l'émulsion ? Elle dépend de la proportion d'huile et d'eau, mais aussi du procédé, les homogénéisations permettant de bien stabiliser les émulsions, comme le sait bien l'industrie du lait.
Pour les suspensions, la dispersion de solides dans l'huile peut inclure des solides cristallisés, ou amorphes, ou des gels simples ou complexes.
Le sucre, par exemple, est fait de cristaux, mais on sait faire un sirop concentré que l'on coule sur un plan de travail froid pour obtenir un « verre » que l'on peut diviser. Mais, pour faire plus évolué, on peut disperser un gel dans l'huile, ce qui permet d'obtenir des systèmes que j 'ai nommé des gerhardts. Partons par exemple d'une « eau » (le jus de citrons de Menton si nous voulons valoriser de l'huile d'olive) et gélifions-la à l'aide d'un gélifiant qui peut être la gélatine, l'agar-agar, etc. Une fois le gel pris, mixons-le gel dans l'huile, et nous obtenons alors un gerhardt hydrophobe.
Observons que nous aurions pu faire un peu plus complexe en dispersant un « gibbs », que l'on obtient en faisant une émulsion coagulée : on part d'eau, on ajoute des protéines thermocoagulantes, puis on émulsionne de l'huile, et l'on coagule les protéines par chauffage.
Mais nous avons grillé les étapes, car nous aurions aussi pu disperser de l'eau dans le gel, simplement. Ou bien évoquons les « gels d'huile », tel le gibbs précédent que l'on chauffe pour en évaporer l'eau.
Il existe bien d'autres solutions, mais la complexification risque de conduire à des procédés coûteux, alors que l'on sait bien que l'industrie alimentaire se limite au plus simple, tels les yaourts qui résultent seulement du stockage du lait avec des ferments… ce qui me conduit à évoquer les procédés microbiologiques qui conduisent éventuellement à d'autres solutions, pour l'huile.
Terminons avec les mousses. On peut partir d'eau et de protéines, fouetter pour faire une mousse, et disperser ensuite de l'huile dedans. Ou bien on peut faire de « l'huile Chantilly », en faisant une émulsion que l'on foisonne en la refroidissant, comme l'on fait pour une crème fouettée. A ce jour, je crois être le seul à avoir réalisé un tel produit (avec de l'huile d'olive). Un tel système n'est pas stable au réchauffement, mais on n'oubliera pas que l'on peut stabiliser une mousse comme dans ces « würtz » que j'ai proposés il y a longtemps.






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A propos de crème au beurre

Les recettes qui ratent sont des occasions d'analyse, de compréhension. Et, dans ces travaux d'exploration, j'ai l'impression qu'il vaut toujours mieux faire la chose au premier ordre, disons en première approximation, quitte à voir ensuite si le résultat ne suffirait pas à répondre à la question posée.

Voyons un exemple, avec un message arrivé ce matin : 

Monsieur,
En espérant que vous voudrez bien m'éclairer sur ce phénomène, je me permets de vous faire part d'un problème rencontré depuis quelques années avec le gâteau susnommé (dit aussi Le Cannois). Je précise tout de suite que nous faisons ce gâteau depuis 3 générations dans ma famille, et que je n'avais jamais eu ce problème pendant des décennies (j'ai commencé très jeune...). N'étant pas scientifique, je vais tenter de vous le décrire. 
Voici la recette : travailler une tasse de sucre avec 100 gr de beurre ramolli. Ajouter 2 oeufs, puis le jus d'une demi-orange, les zestes d'une orange et d'un demi-citron, enfin 1 tasse de farine et un sachet de levure alsacienne. Cuire à four moyen 1/2 heure. Mélanger le jus de l'autre demi-orange avec une petite tasse de sucre et verser ce mélange sur le gâteau chaud dans son moule. 
Le problème : depuis quelques années, quand j'ajoute le jus d'orange, le mélange sucre + beurre + oeufs, bien lisse et homogène auparavant,   se décompose : je ne sais comment décrire exactement à quoi il ressemble, n'ayant pas les termes adéquats. On a l'impression que le gras se sépare du reste en quelque sorte. L'ajout de la farine ensuite  ne rend pas complètement  l'appareil homogène et même si le goût ne semble pas altéré, la consistance une fois cuit me semble moins aérée.
Peut-être vous faudrait-il une photo ? Ou bien comprenez-vous tout de suite la réaction qui s'opère dans l'appareil ? Serait-ce lié à la fabrication du beurre qui a changé ? 
Par avance, je vous remercie vivement si vous pouvez dissiper ce mystère culinaire, et vous adresse mes salutations gastronomiques.

Ouf, c'est trop touffu pour un petit esprit comme le mien. Allons à l'os, à savoir que la recette est (pour ce qui concerne les masses) : 

1. sucre et beurre
2. oeuf entiers
3. jus d'orange
4. farine
5. poudre levante
6. cuisson
7. ajout de liquide sucré

Des données supplémentaires : 

 - le sucre, c'est du sucre
- le beurre, c'est environ 80 pour cent de matière grasse et 20 pour cent d'eau
- les oeufs apportent de l'eau, des protéines, des phospholipides : environ 50 grammes d'eau, plus le reste
- le jus d'orange, c'est essentiellement de l'eau
- je milite pour que la poudre levante soit nommée poudre levante, et pas "levure", car la "levure" est un ensemble de cellules vivantes, alors que la poudre levante est un mélange de poudres minérales qui produisent un gaz en présence d'eau et de chaleur
- la cuisson coagule les protéines et empèse la farine

Mais c'est en réalité beaucoup trop, pour analyser la question de ma correspondante, parce que la catastrophe survient seulement quand on ajoute le jus d'orange au mélange beurre + sucre + oeuf. Il faut donc analyser plus finement ce mélange. 

Quand on mélange du sucre et du beurre, il pourrait se produire que, avec beaucoup de sucre et peu de beurre, les grains de sucre s'entourent de beurre, mais, en réalité, dans le procédé décrit, on disperse les grains de sucre dans le beurre. Il peut se produire que le sucre reste sous la forme de grains, mais il se peut aussi que le sucre se dissolve dans l'eau du beure, formant des poches de sirop dans la matière grasse. Et c'est l'hypothèse que je privilégie, car de toute façon, on ajoute ensuite des oeufs, c'est-à-dire beaucoup d'eau. La recette qui m'est transmise est imprécise (une tasse ?), mais je compte 20 grammes d'eau venant du beurre, plus 100 grammes d'eau venant des oeufs. Tant qu'une tasse de sucre fait moins que 120 grammes, tout le sucre peut se dissoudre... d'où ma prévision d'un appareil très lisse. Bref, je crois que l'on est, à ce stade, à une émulsion de type eau dans huile... assez fragile : je sais que j'ai réussi à mettre 200 pour cent de d'eau dans du beurre, mais l'émulsion devient de plus en plus instable (et molle).

Et si l'on ajoute encore du jus d'orange, on a bien intérêt à bien ajouter le jus d'orange très doucement, en fouettant vigoureusement, sans que la préparation chauffe excessivement, sans quoi l'émulsion tourne comme une mayonnaise qui rate ! J'observe que l'on ajoute du jus d'orange, lequel est un liquide acide, qui peut modifier la stabilité des protéines.

Qu'est-ce qui pourrait avoir changé et qui expliquerait les échecs récents ? 

La loi impose que le beurre ne contiennent pas plus de 18 pour cent d'eau, de sorte que je vois au contraire une évolution positive, qui protège la recette. Les oranges seraient-elles  plus acides  ou moins acide? Pas certain. Bref, je risque de passer bien longtemps à chercher toutes les modifications possibles alors que la question est moins de comprendre que de réaliser un cannois réussi. Et la règle me semble alors la même que pour les crèmes au beurre : ajouter les liquides très lentement, en battant énergiquement. Car la farine ne parviendra effectivement pas à rétablir une émulsion qui aurait tourné, ni la coagulation des oeufs à forcer un ensemble stable dans toute la masse.



Reste maintenant à faire l'essai.













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Comment faire un bon TPE ou TIPE

Un travail personnel encadré ?  Un travail d'initiative personnelle encadrée ?

Ces deux exercices sont proposés aux élèves respectivement en classe de Première ou de préparation aux écoles d'ingieurs, et la gastronomie moléculaire, d'une part, la cuisine moléculaire ou la cuisine note à note, d'autre part, attirent de nombreux élèves, qui m'interrogent donc à propos de sauce mayonnaise, de soufflé, de perles d'alginate, etc.
Les mêmes sujets reviennent sans cesse, et j'ai déjà discuté la question du manque d'originalité, en signalant qu'un sujet rabâché n'est pas condamné pour  autant... si le candidat fait quelque chose d'original, et montre en quoi ce qu'il fait ne provient pas d'un des innombrables sites qui ont traité le sujet. Ici, je cherche à considérer la question, en prenant le cas terrible de la sauce mayonnaise, sans doute la plus étudiée des préparations dans les TPE ou les TIPE. 

Première faute à ne pas faire : choisir un sujet trop vaste. Première option à bien prendre : choisir un phénomène. 

J'ai déjà expliqué souvent que les TPE ou TIPE sont en réalité des exercices où l'on demande aux  élèves de montrer qu'ils savent appliquer le savoir qu'ils ont à des cas concrets (puisque les élèves disent préférer du concret).
Et, selon les textes officiels, l'exercice vise à mettre en oeuvre la méthode scientifique, laquelle passe par
(1) identification d'un phénomène,
(2) quantification dudit phénomène,
(3) réunion des données en "lois" synthétiques,
(4)  proposition de mécanismes compatibles quantitativement avec les lois,
(5) recherche d'une  prévision déduite de la "théorie" (l'énoncé de l'ensemble des mécanismes),
(6) test expérimental de la prévision théorique,
et l'on boucle à l'infini, puisqu'une théorie est toujours insuffisante. 

Cette description permet à la fois de comprendre que la science n'a pas de fin, mais, également, elle conduit à comprendre que n'importe quelle phrase théorique mérite une exploration.
A propos de la mayonnaise ? On a dit que les phospholipides du jaune d'oeuf étaient responsable de l'émulsification, c'est-à-dire de la dispersion de l'huile, en gouttelettes, dans l'eau apportée par le jaune (50 % du jaune) et par le vinaigre (jusqu'à 94 %).
Puis on a découvert que les protéines étaient plus importantes, au point que l'on peut  faire une sauce émulsionnée sans jaune, mais avec seulement du blanc, lequel est fait de 90 % d'eau et de 10 % de protéines.
Que faire, maintenant ? Considérer des cas où cette description théorique est prise en défaut, comme par exemple quand une émulsion se déstabilise, parce que des solutés de l'huile migrent à la surface des gouttelettes d'huile, et en chassent les protéines.
Ou bien faire la chasse aux adjectifs (les protéines étaient plus "importantes") pour les remplacer par la réponse à la question "Combien ?". 

Mais je m'aperçois que je vais bien trop vite, et qu'il y aurait lieu, de façon plus coordonnée -en vue d'aider nos jeunes amis-, de repartir de la question : soit un élève qui a décidé d'étudier la mayonnaise pour son TIPE ou son TPE ; que pourrait-il faire ? 

Commencer par identifier un phénomène, donc.
La confection de la mayonnaise ? Un sujet bien trop vaste, puisqu'il y a beaucoup trop de phénomènes.
 Analysons, en effet.

Supposons que nous partions d'un oeuf.
Nous le "clarifions" : la rupture de la coquille est un premier phénomène.
Puis nous séparons le jaune du blanc. Si le jaune, qui est "liquide", peut se séparer, c'est qu'il est pris dans une membrane, comme on s'en aperçoit en piquant un jaune  avec une épingle, et en laissant couler doucement le jaune par le trou. Comment cette membrane se rompt-elle qvuand on "touille" le jaune dans le bol ?
Puis on ajoute du vinaigre au jaune : là, il est bon de savoir que le jaune est fait de "granules" (visibles au microscope optique) dispersés dans un plasma, de sorte que se pose la question de savoir comment le vinaigre et le jaune se mêlent. Le plasma est-il seulement dilué par le vinaigre ? Les granules sont-ils modifiés ?
Passons à l'ajout d'une goutte d'huile qui est battue par le fouet : comment une goutte au contact d'un fil du fouet se divise-t-elle ? 

Et ainsi de suite : on voit que l'analyse de la sauce mayonnaise  se divise en un nombre considérable de phénomènes... et que le sujet "la sauce mayonnaise" est bien trop vaste ! 

Autre écueil : vouloir faire de la recherche scientifique, lors de ces travaux de TPE ou de TIPE. 

En effet, les élèves méconnaissent le fait que nos connaissances sont bien trop faibles, et qu'ils vont rapidement buter  sur la limite des connaissances actuelles.
Par exemple, la division d'une  goutte d'huile par le fil du fouet est un problème très difficile de physique des fluides. Or les textes officiels ne demandent pas aux élèves de faire de la recherche scientifique, mais seulement d'explorer les phénomènes. Ce serait déjà merveilleux, pour ce cas de division de la gouttelette, s'ils comprenaient la physique qui est mise en oeuvre pour décrire le phénomène.
Oui, on leur propose de faire une expérience à propos du phénomène exploré, mais certainement pas une expérience qui mette en oeuvre des faisceaux de neutrons, par exemple. A eux d'imaginer ou de reproduire des expériences qui sont à leur portée.
Par exemple, on pourrait très bien imaginer un petit dispositif qui mette en évidence l'effet de la vitesse de passage du fouet dans la goutte d'huile, avec une interprétation du phénomène prise à des publications scientifiques déjà publiées. Cette option aurait le mérite de conduire nos jeunes amis à travailler pour comprendre les publications, grâce à la formation qu'ils ont déjà. 

Car c'est là un point important de ces travaux : on demande aux élèves de faire état des connaissances qu'ils ont reçues, de mettre en oeuvre toutes ces lois P = m.g, U  =  R. I dans des cas concrets. Répétons que le but n'est pas qu'ils produisent de la connaissance scientifique, même s'ils en sont en réalité capables.
On leur demande de faire un beau travail soigneux, intelligent, cohérent, organisé... Tout cela est dans les textes officiels : pourquoi se lancer sans les regarder d'abord ? 

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