Il faut rendre à César... et plus

Je m'aperçois que j'ai diffusé cette image  :

Il aurait fallu que j'ajoute que c'est tiré d'une vidéo excellente, que l'on trouve sur :
https://www.youtube.com/watch?v=x8Atqz5YvzQ
 Et désolé, je ne peux citer nommément l'auteur, puisqu'il n'apparaît pas.

Mais si vous voulez voir des molécules d'eau bouger, pourquoi pas celui-ci, aussi :
https://www.youtube.com/watch?v=Zl74NCVbA5A

On est bien d'accord : dans l'eau liquide, il y a des molécules d'eau (les objets rouges et blancs... mais entre lesquels il n'y a rien (pas d'air, mais du vide) !
Les "liaisons hydrogène" sont des attractions à distance, sans matérialité, comme quand des aimants agissent les uns sur les autres.

Et dans l'eau liquide, la distance entre deux molécules d'eau est d'environ trois diamètres moléculaires, alors qu'elle serait de l'ordre de 100 diamètres moléculaires dans la vapeur à la pression ambiante.

La fusion du beurre

A propos de changement d'état, nous avons précédemment considéré la cristallisation du sel,  mais pas la congélation de l'eau. Dans le cas le plus simple, de l'eau que l'on refroidit se transforme en glace solide à la température de zéro degré. On peut faire l'expérience de placer une casserole d'eau dans un bain d'azote liquide, à  -196 degrés, et de voir que l'eau dans la casserole congèle. Pas d'un coup, évidemment, mais un peu comme le sel dans la casserole d'eau salée que nous avions chauffée : il y a le même type de phénomènes, à savoir qu'un refroidissement rapide fait de tous petits cristaux, alors qu'un refroidissement lent fait des cristaux plus gros.
C'est la raison pour laquelle les sorbets à l'azote liquide sont si merveilleux : les cristaux sont tout petits, et la consistance est merveilleusement souple.

Cela étant, il y a deux précisions à apporter. La première, c'est que notre eau peut rester liquide à une température inférieure à zéro degré. Ce n'est toutefois pas un état stable : une poussière qui tombe dans cette eau  déclenche une congélation brusque, et tout prend en masse d'un coup.
En effet, il faut des espèces de "support" (on parle de "germes") pour que la cristallisation s'opère et ces supports peuvent être à peu près n'importe quoi : des poussières, du sel, des rayures de la casserole...

La deuxième précision qu'il faut apporter concerne la fixité de la température de fusion de la glace  : tant que de la glace solide est en présence d'eau liquide, la température est 0 degré, constante.
C'est là une propriété qui est utilisé pour l'étalonnage des thermomètres : on les plonge dans un mélange d'eau et de glace que l'on agite un peu pour que la température soit homogène, et la température es alors fixe, de 0 degrés

Avec le beurre, nous n'avons plus un composé pur, mais un mélange de très nombreux composés.
D'abord, le beurre contient une solution aqueuse, comme on s'en aperçoit en le clarifiant : on chauffe doucement, et l'on voit alors trois parties (si l'on fait l'opération dans un récipient transparent :
1. à la partie supérieure, on voit une petite écume
2. dessous, environ 80 pour cent de la masse fait une couche jaune liquide, qui est le beurre clarifié
3. à la base, il y a le "petit lait", qui est une solution aqueuse où sont dissous le lactose (le sucre du lait), des sels minéraux et des protéines (celles qui font noircir le beurre ordinaire quand on le cuit).

Préparer du beurre clarifié, clarifier du beurre, cela consiste à éliminer la couche supérieure, à décanter le récipient pour récupérer la couche liquide intermédiaire, et à séparer donc le petit lait qui est en bas du récipient.
 On notera que c'est dans la couche inférieure que se trouvent nombre de protéines qui peuvent être utilement employées en cuisine, d'autant que cette couche inférieure un goût remarquable.

Mais enfin, maintenant que nous avons clarifié le beurre, nous pouvons étudier expérimentalement le beurre clarifié.
La première des choses à faire, c'est de le refroidir, et nous le voyons reprendre une consistance solide et molle. Si nous refroidissons davantage, alors la consistance devient plus fermes et oui, il y a une évolution de la consistance entre les hautes températures et les basses températures, et inversement. Pour ce beurre clarifié, la fusion commence à - 10 degrés, et elle se termine à environ 55 degrés.

Car il a des composés du beurre qui fondent à -10 degrés, d'autres à -9 degrés, d'autres à moins 8 et ainsi de suite jusqu'à 55. Évidemment, plus il fait chaud, plus la proportion de  composés fondus dans la masse du beurre augmente, de sorte que le beurre devient de plus en plus mou.*

* Des collègues me font observer que les mélanges ne se comportent pas comme des sommes de composés isolés... mais c'est une naïveté de leur part de croire que j'ignore cela, car c'est un phénomène important pour la confection du chocolat. On lira avec intérêt : Kiyotaka Sato, Crystallization behaviour of fats and lipids ; a review,  Chemical Engineering Science 56 (2001) 2255-2265.
Et cela doit nous faire souvenir de la blague selon laquelle Dieu aurait créé le professeur d'université pour couronner la création... mais le Diable aurait créé le "cher collègue" ;-)

L'ébullition

Parmi les changements d'état, il y a le passage de l'état liquide à l'état gazeux, qui a pour nom "évaporation". Et c'est ainsi que l'eau s'évapore à toute température, par exemple.

Cette évaporation diffère de l'ébullition, transition qui, elle, s'effectue à la température fixe  de 100 degrés.

 
Mais rien ne vaut l'expérience qui consister à chauffer de l'eau après y avoir mis un thermomètre.

On rappelle que l'eau est un composé pur, ce qui signifie qu'elle est fait d'une myriade d'objets tous identiques, qui sont des "molécules d'eau".

L'eau n'est pas "une molécule", comme certains le disent certains de façon erronée, mais c'est un composé fait d'un nombre immense de molécules. Et c'est parce que ces molécules sont identiques que l'eau est ce que l'on nomme un composé, ou espèce chimique.
Je parle bien sûr de l'eau pure, et non pas de l'eau du robinet, qui doit son goût à de nombreux "ions" et autres molécules, qui y sont dissous.

Soit donc une casserole d'eau que l'on chauffe, un thermomètre plongé dedans. On voit la température de l'eau passer lentement de 20 degrés à 21 degrés, à 22 degrés, à 23 degrés, etc.

Vers 50 degrés, on commence à voir une fumée bleutée : l'eau commence à s'évaporer notablement, et la vapeur se recondense en microscopiques gouttes de liquide, en arrivant dans l'air plus froid.

Et, finalement, on atteint des températures plus élevées :  70, 80, 90, 91, 92,  93... Et, dans les conditions habituelles, on ne dépasse pas 100 degrés : on a beau pousser le feu, l'ébullition se fait plus tumultueuse mais la température est toujours de 100 degrés, preuve qu'il faut beaucoup d'énergie pour arriver à évaporer l'eau.

En terme microscopiques, cela signifie que l'on a agité les molécules d'eau au point qu'elle puissent se détacher les unes des autres. Et il faut beaucoup d'énergie, car elles "collent" énergiquement.

Voilà pour l'ébullition. Et cette dernière engendre donc de la vapeur, à savoir un gaz, c'est-à-dire un ensemble de molécules d'eau assez éloignées les unes des autres. La vapeur est incolore, invisible... mais quand les molécules d'eau évaporées arrivent  dans l'air,  plus froid, elles n'ont plus assez d'énergie pour rester en phase liquide, et elles forment de petites gouttelettes,  qui sont la raison pour laquelle on voit cette fumée blanche au-dessus des casseroles.
J'insiste : ce que l'on voit, ce n'est pas la vapeur, mais des gouttes d'eau, comme dans les nuages.

Tiens, pour terminer, ajoutons quand même que, dans toute cette affaire, il n'y a pas de réarrangement d'atomes  : les molécules d'eau dans l'eau liquide sont les mêmes qu'en phase vapeur. Et il n'y aura pas d'usure à répéter évaporation et condensation, autant de fois que l'on voudra.

À propos de distillation : prenons garde aux premières fractions

 Certains de mes amis qui distillent ont appris des anciens à ne pas conserver le liquide qui se condense immédiatement après le début de l'opération : on leur a dit que cette fraction contenait des composés toxiques, et, bien que cela apparaisse comme une "perte", ils ont à coeur de bien faire. Certains jettent un verre de liquide, et d'autres, qui veulent faire mieux, jettent jusqu'à un demi litre (d'accord, cela dépend de l'installation, mais je donne une indication pour fixer les idées).

Pour autant, je sais que beaucoup font cela parce qu'ils reproduisent des pratiques qu'on leur a montrées, et pas parce qu'ils comprennent le mécanisme de la chose. Or je crois que rien ne vaut une bonne explication, en plus de la démonstration de l'opération.

Commençons donc par un marc,  c'est-à-dire le résidu d'une fermentation de raisin pressé. Il y a une partie solide, et il y a une partie liquide, et, dans tout cela, il y a des composés odorants, des composés sapides, des composés frais ou piquants que l'on veut récupérer...  avec l'alcool : le but de l'opération, c'est de passer de 10 pour cent en volume d'alcool à 40 à 50 pour cent, en évaporant du liquide sans évaporer de l'eau.

Il faut immédiatement ajouter que l' "alcool" dont on parle ainsi est l'alcool éthylique, ou éthanol. On le nommait jamais "esprit de vin". On sait qu'il est toxique, mais on aime le boire parce qu'il engendre une sensation de bien être... quand c'est avec modération, en plus d'un goût remarquable.

A ne pas confondre avec un autre composés de la même famille des alcools, le méthanol (notons le m en début de mot), ou alcool méthylique, ou encore esprit de bois. Dans les jus fermentés, l'alcool éthylique (l'éthanol) est majoritaire, et il y a du méthanol en moindre quantité.

J'insiste un peu : l'éthanol est un composé merveilleux (avec modération toutefois), parce qu'il donne du peps à des breuvage. Il provoque un sentiment d'euphorie, à petite dose, la seule à laquelle un vrai gourmand le consomme.
En revanche, le méthanol est vraiment  terrible, et l'on n'insistera pas assez sur la différence entre l'éthanol et le méthanol même s'il n'y a qu'une lettre de différence pour la dénomination chimique.

Mais je m'arrête un peu à cette question de dénomination maintenant. Le premier alcool de la famille des alcools, c'est le méthanol, dont les molécules ne contiennent qu'un seul atome de carbone.
Ce méthanol, ou alcool méthylique, est aussi nommé esprit de bois, comme signalé précédemment, car on l'obtient notamment par la pyrolyse du bois : si on chauffe du bois à sec, se dégage du méthanol, et c'est ainsi qu'on l'a produit  pendant longtemps.

Le méthanol, répétons-le,  est toxique,  et l'on doit  absolument l'éviter dans les eaux-de-vie, blanches notamment, sous peine d'empoisonner ceux à qui on offre le breuvage. Il engendre, quand une dose commence à être un peu notable, une crispation des mâchoires, puis, à plus haute dose, il a des effets terribles.

Dans la famille chimique des alcools, après le méthanol, il y a donc l'éthanol, ou alcool éthylique, qui,  lui a 2 atomes de carbone dans sa molécule. C'est celui-là que l'on veut récupérer quand on distille :  dans un vin,  il y en a dix pour cent en volume environ,  et la distillation cherche à porter cette proportion à 40 ou 50 pour cent, ce que l'on nomme des degrés.

Mais, dans la famille des alcools, méthanol, puis éthanol, ne sont pas seuls : il y a aussi le propanol ou alcool propylique ;  le butanol ou alcool butylique ; pentanol, ou alcool pentylique ;  et ainsi de suite avec trois, quatre, cinq, six, sept, huit, etc.  atomes de carbone dans la molécule. Je fais simple, parce qu'il y a des complications : je veux seulement dire que la famille des alcools est immense.

Le distillateur empirique, "traditionnel",  se contente, pour un appareil donné, d'éliminer une certaine quantité du produit qui est distillé en début d'opération  : un verre, un demi litre... Et effectivement, le méthanol bout à une température  de 65 degrés, alors que l'éthanol, lui, bout à la température de 79 degrés.
Bref, si l'on conduit doucement la distillation, c'est bien le méthanol qui part en premier, puis ensuite l'éthanol, et enfin l'eau vers 100 °C.
Ce que je dis là n'est pas parfaitement juste, comme on s'en doute quand on sait que le diable est caché dans les détails, mais c'est une idée qu'il faut certainement avoir pour commencer.

Une conclusion merveilleuse : si l'on introduit un thermomètre dans le système, on verra d'abord la température augmenter, puis se stabiliser un peu tant que du méthanol passe dans les vapeurs, et c'est ensuite que la température réaugmentera pour atteindre un nouveau palier, pendant lequel l'éthanol distille... avant que la température n'augmente à nouveau, jusqu'à atteindre les 100 degrés auxquels l'eau s'évapore.
Autrement dit,  l'usage du thermomètre qui facilite considérablement la conduite des opérations.

Je termine sur cette observation essentielle, qui est à la base de la distillation fractionnée  : généralement, les composés s'évaporent à une température d'ébullition fixe, et tant que le composé présent, alors la température d'ébullition change ne change guère.

Il y a donc mieux que la technique empirique, à condition de comprendre ce que l'on fait. Et c'est là un des apports (anciens) de la chimie. Le fait que ce que j'expose plus haut ne soit pas connu de tous doit nous faire réfléchir aux études que la nation organise pour les citoyens.