La science du XVIIIème siècle – Contexte 

Dans le précédent billet du petit bêtisier scientifique, nous nous étions arrêtés en 1585 et aux balbutiements de la physique moderne. Grâce à Galilée, nous comprenions pour la première fois qu’étudier la vitesse d’un objet ne permet pas de déterminer si des forces lui sont appliquées.
A peine une génération plus tard, Newton va transformer l’essai avec la conclusion suivante:
Si la vitesse d’un corps ne permet pas de déterminer les forces qu’il subit, la variation de sa vitesse, quant à elle, le permet.

Newton va alors formaliser les équations de la mécanique et poser, avec Leibniz, les bases du calcul différentiel et intégral.
Les deux siècles qui nous séparent du sujet d’aujourd’hui vont alors être riches en découvertes.
Torricelli (l’élève de Galilée) va inventer le baromètre ce qui va le conduire à mettre en évidence le premier vide permanent et lui permettre de vérifier la théorie de son maître sur la chute des corps. Blaise Pascal va significativement faire avancer la connaissance scientifique en probabilité et mécanique des fluides. L’électromagnétisme va doucement émerger lui aussi grâce à Coulomb et Volta (inventeur de la pile électrique). Enfin, la biologie va se développer princièrement au 18ème siècle grâce aux travaux de Buffon et Lamarck.
A cette époque, on assiste aussi progressivement à la mort de l’alchimie et c’est dans ce contexte que s’inscrit l’erreur dont je vais vous parler aujourd’hui.

La théorie phlogistique

A l’origine de la phlogistique se trouve une question simple encore non résolue à la fin du 17ème siècle : « pourquoi certains corps brûlent et d’autres non? ». Il faut dire que le moyen-âge et l’inquisition sont passés par là, et que l’Homme est manifestement passé maître dans l’art de faire brûler des trucs.
Deux scientifiques allemands (J.J Becher puis G.E Stahl) vont alors successivement s’intéresser à la question et élaborer une théorie basée sur un fait observable : un corps semble perdre de la masse en brûlant.
La théorie établit alors que toute matière contient du phlogiston, une substance incolore et inodore qui s’échappe lors de la combustion pour peu qu’il dispose d’un endroit où s’échapper (par exemple : l’air). Plus une matière contient du phlogiston, plus elle est inflammable. A ce titre, le charbon et le dihydrogène contiennent du phlogiston presque pur.
En fait, l’idée de matérialiser la chaleur et notamment le feu n’est pas nouvelle. Aristote, 2 millénaires plus tôt, déclarait avec autorité que toute chose sur terre était composée de quatre éléments: l’eau, la terre,  l’air et le feu…  Comme quoi, quand un scientifique se trompe quelque part dans le monde, Aristote n’est jamais vraiment loin.

Les détracteurs de la théorie 

La théorie phlogistique va séduire de nombreux intellectuels de l’époque. D’ailleurs, lorsqu’en 1774, Joseph Priestley découvre l’oxygène en faisant chauffer de l’oxyde de mercure dans un tube à essai, il le baptise simplement « air déphlogistiqué ».
Pourtant, un détail préoccupe certains membres de la communauté scientifique et notamment un français nommé Antoine Lavoisier. Le chimiste réprouve particulièrement l’observation fruste selon laquelle tout corps perd de la masse en brûlant.
En effet, déjà à l’époque, les métallurgistes savent que certains métaux (comme le plomb) lorsqu’ils sont chauffés à l’air, forment une chaux qui est plus lourde que le métal initial. Le métal ayant pourtant perdu son phlogiston, comment expliquer qu’il s’alourdisse ?
Cette contradiction manifeste ne suffit pourtant pas à mettre à bas la théorie phlogistique qui reste encore la seule à tenter d’expliquer les phénomènes de combustion.
Lavoisier décide alors d’élaborer sa propre théorie et pour cela il va s’appuyer sur les travaux d’un phlogisticien (Joseph Priestley) qui a notamment permis de mettre en évidence l’existence de l’oxygène.
Et le coup de génie de Lavoisier va consister à ne plus voir la combustion comme la perte d’une substance mais, au contraire, comme la création d’un corps par combinaison d’un combustible avec un gaz: l’oxygène.

Si le gain de masse de certains métaux transformés en chaux s’explique alors, la théorie de Lavoisier permet également de justifier la perte de masse du carbone qui, lors de sa combustion, réagit avec l’oxygène pour former un gaz : le dioxyde de carbone.
L’idée de composer et décomposer des éléments comme l’air ou l’eau est absolument inédite, et la théorie de Lavoisier va donner naissance à ce que les historiens appellent: la « Révolution chimique ».

Quand une erreur en remplace une autre

Pourtant, la nouvelle théorie de Lavoisier ne fait pas complètement l’unanimité. Certains lui reprochent entre autre la façon dont il justifie le dégagement de chaleur.
En effet, quand il décrit sa théorie dans son Traité élémentaire de chimie (1787), Lavoisier explique le dégagement de chaleur accompagnant la combustion d’un corps en faisant appel, lui aussi, à une substance magique : « le calorique » (substance issue d’une nouvelle théorie portée par l’écossais Joseph Black).
Souvent considéré comme un ersatz du phlogiston par ses détracteurs, le calorique est décrit comme un fluide de masse presque nulle imprégnant les corps et notamment capable de faire varier le volume d’un objet lors du passage de son état solide à liquide ou liquide à gaz.

La fin de la phlogistique et du calorique

Pour mettre fin à plus d’un siècle de méprise, il faudra compter sur le travail de deux hommes.
Le premier: Benjamin Thompson (à ne pas confondre avec J.J Thomson: prix Nobel de Physique 1906) publie ses travaux en 1804 sous le titre « Mémoire sur la chaleur » avec la ferme intention d’infliger au calorique ce que Lavoisier a précédemment fait au phlogiston. Malheureusement pour lui, l’ouvrage sera décrié par la communauté scientifique qui lui reprochera son manque de rigueur.
Pour l’anecdote, Benjamin Thomson, alias Lord Rumford, faute d’avoir durablement démoli la théorie de Lavoisier, épousera quand même sa veuve en 1805 et, ironie parisienne, une rue perpendiculaire à la rue Lavoisier sera nommée « rue Rumford ». La voie finira par être supprimée en 1854 lors du percement du boulevard Malesherbes.
Le coup de grâce sera finalement porté en 1840 par un brasseur de bière, un autodidacte britannique du nom de James Joule. Joule s’est particulièrement intéressé à la conversion du travail mécanique en chaleur, et ses résultats vont notamment permettre de conclure quant à la vraie nature de la chaleur. Pour la première fois, la chaleur est perçue, au même titre que le travail, comme une forme d’énergie et non un fluide.

Références:
http://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/lavoisier.html
http://histoires-de-sciences.over-blog.fr/article-31362064.html
http://www.larecherche.fr/idees/histoire-science/calorique-ou-erreur-lavoisier-01-12-2013-165001
Remarque:
J’ai trouvé assez amusant, qu’à ce jour, il ne soit pas fait explicitement référence à la théorie du calorique sur la page Wikipedia française d’Antoine Lavoisier. Pourtant, le chimiste y faisait clairement appel dans son traité élémentaire de chimie:

« Nous savons, en général, que tous les corps de la nature sont plongés dans le calorique, qu’ils en sont environnés, pénétrés de toutes parts, et qu’il remplit tous les intervalles que laissent entre elles leurs molécules : que, dans certains cas le calorique se fixe dans les corps, de manière même à constituer leurs parties solides; mais que le plus souvent il en écarte les molécules, il exerce sur elles une force répulsive, et que c’est de son action ou de son accumulation plus ou moins grande que dépend le passage des corps de l’état solide à l’état liquide, de l’état liquide à l’état aériforme. »    – Antoine Laurent de Lavoisier, Traité élémentaire de chimie

Sans plus attendre donc, retrouvons ce que vos verres d’alcool peuvent encore contenir de plus étonnant.

Pastis ou Ricard? voilà un sujet clivant s’il en est… loin devant ces bisbilles chastes sur la religion ou l’interdiction de la GPA. Mais que les aficionados du consensus se rassurent, aujourd’hui nous n’allons pas parler goût mais couleur.
Plus exactement, nous allons voir comment en ajoutant un liquide transparent (l’eau) à un autre liquide transparent (le Pastis), nous obtenons toujours un liquide blanc et opaque. Cette opération consistant à troubler un alcool avec de l’eau s’appelle le louchissement (‘fallait au moins inventer un mot pour ça!), on le retrouve également avec l’absinthe ou le ouzo.

Et ce qui va justement nous intéresser, ce sont ces huiles. Car si l’huile n’est pas soluble dans l’eau (gros gros scoop!), en revanche elle l’est dans l’alcool (et votre nez nous en remercie car c’est grâce à ça que l’on créé des parfums). Du coup, dans un mélange contenant 45% d’éthanol, ces huiles essentielles acceptent de se dissoudre intégralement. Notez bien que les huiles présentes dans le Pastis ou le Ricard pur sont complètement transparentes, en fait la couleur légèrement ambrée du Pastis pur est donnée par une faible quantité de colorant (souvent du caramel).
Lorsque vous allongez votre Pastis avec de l’eau, ces huiles essentielles ne sont plus solubles dans ce nouveau liquide contenant trop d’eau pour elles. Les molécules se rassemblent alors sous forme de micelles. On obtient alors des micro-gouttelettes d’huiles au milieu de l’eau et de l’alcool, ce qui donne à votre boisson cet aspect laiteux.

Ok mais pourquoi cet aspect blanc lait? l’huile, c’est pas blanc que je sache…

C’est pas faux. Mais si le Pastis allongé est blanc, il l’est au même motif que le lait, le brouillard ou les nuages : grâce la diffusion de Mie.
La diffusion de la lumière est une propriété propre aux fines particules de matière leur permettant de disperser la lumière reçue dans toutes les directions et ce sans perte d’énergie.
Les gouttelettes d’huile contenues dans notre pastis allongé sont à peine plus grandes que la longueur d’onde de la lumière visible (de l’ordre du micromètre). Dans cette configuration, les gouttelettes dispersent toutes les longueurs d’onde dans toutes les directions et produisent donc cette lumière blanche caractéristique du lait (qui également une émulsion de corps gras dans l’eau). Ce phénomène s’appelle la diffusion de Mie.

Le saviez-vous?

Il existe un autre phénomène de diffusion qui apparaît lorsque les particules de matière sont cette fois petites devant la longueur d’onde de la lumière. Ce phénomène s’appelle la diffusion de Rayleigh et, contrairement à la diffusion de Mie (qui ne privilégie pas de longueur d’onde particulière), la lumière diffusée à cette fois une intensité d’autant plus grande que la longueur d’onde du rayon incident est petite (c’est une loi en 1/λ⁴).
Les couleurs avec une longueur d’onde faible auront donc tendance à être plus diffusées.

Bonus Track & DVD – Une petite expérience pour l’apéro

Si vous voulez frimer à l’apéro, dîtes à vos amis que vous pouvez faire revenir leur Pastis à l’état transparent, le tout sans ajouter d’eau.
Pour cela, ajoutez un peu de liquide vaisselle dans le Pastis et laissez la magie opérer.

On savait déjà les irlandais peu enclins au conformisme. C’est vrai, ils n’utilisent pas le système métrique, roulent à gauche et ne se servent même pas de leurs mains pour marquer des buts.
Et bien, leur bière n’échappe pas à la règle. Alors que les bulles de toutes les bières semblent monter dans le verre, la Guinness, quant à elle, produit des bulles qui préfèrent descendre au fond du verre.

Ce phénomène, baptisé sobrement ‘effet cascade Guinness’, n’a d’abord longtemps qu’animé les débats de comptoir, mais en 2012 un groupe de scientifiques irlandais prennent le sujet en main et rédigent un papier de 5 pages sur le sujet [ici].
En résumé ce phénomène s’explique en deux points:

La question à 1000 livres: pourquoi ces flux convectifs varient-ils donc d’une forme de verre à l’autre?

Et bien tout d’abord, il faut comprendre que le mouvement de liquide dans un verre est la conséquence de la force de traînée produite par les bulles qui remontent.
Les cyclistes connaissent bien cette force provoquée par un objet en mouvement dans un fluide lorsqu’ils choisissent de se mettre juste derrière un autre vélo pour bénéficier de cette traînée.
En d’autres termes, lorsqu’une bulle se déplace, elle va avoir tendance à entraîner du liquide avec elle.
Ensuite, il faut comprendre que dans un verre évasé (comme dans une pinte), les bulles seront moins présentes près des parois du verre. Ce phénomène s’appelle l’effet Boycott, du nom du biologiste qui a découvert en 1920 ce phénomène assez intuitif en étudiant la sédimentation des globules rouges dans une éprouvette.

Les bulles étant ainsi moins nombreuses sur les parois, la force de traînée dirigée vers le haut sera plus importante au centre du verre. Le liquide aura donc tendance à remonter au centre du verre puis ‘par  aspiration’ à descendre le long des parois.

Rhum – une histoire d’odeur

Si on vous demande en soirée quel est votre alcool préféré, voici une réponse qui vous permettra de cabotiner un peu.
Sachez que si vous aimez le rhum, vous partagez sans doute ça avec le tout puissant. En effet, voilà quelques années que les scientifiques étudient la composition chimique de notre galaxie, et notamment celle de la nébuleuse d’Orion qui a la particularité d’être relativement proche et facile à observer (on peut d’ailleurs l’observer avec une bonne paire de jumelles).
Or les études spectroscopiques menées ont permis de mettre en évidence la présence de molécules organiques dans notre univers dont le fameux formiate d’éthyle connu pour donner son odeur caractéristique au rhum.
Enfin, parmi la centaine de molécules organiques détectées à ce jour ne figure toutefois pas encore la molécule de Carvone (confiant son odeur à la menthe).
Donc si notre galaxie a manifestement l’odeur du rhum, elle ne baigne malheureusement pas dans les effluves d’un mojito céleste…

Références:
Pour le Pastis:
http://www.uzeb.com/temp/emulsion.pdf
http://wiki.scienceamusante.net/index.php?title=Trouble_et_d%C3%A9trouble_du_Pastis
http://www2.ac-toulouse.fr/ai-gers/ENSS/spip.php?article187
https://sciencetonnante.wordpress.com/2012/07/09/la-physico-chimie-du-pastis/
Les phospholipides:
https://sites.google.com/site/tensioactifststan/les-tension-actifs-et-la-biologie/biologie-et-tensioactif
Pour la diffusion de la lumière:
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doschim/decouv/couleurs/loupe_diff_lumiere.html
http://vercors-net.com/dossiers/sciences/couleurs.html
Pour la Guinness:
http://arxiv.org/pdf/1205.5233v1.pdf
Pour le rhum:
https://sciencepourtous.wordpress.com/2012/01/13/lunivers-aurait-un-gout-de-framboise-et-une-odeur-de-rhum/
https://sciencepourtous.wordpress.com/category/general/
Autres articles sur la science et l’alcool:
Whisky et essais nucléaires anglais:
http://sciences.blog.lemonde.fr/2009/05/05/les-essais-nucleaires-aident-a-dater-le-whisky/
Absynthe et le mystère de l’altération de l’esprit
http://www.livescience.com/2504-absinthe-mind-altering-mystery-solved.html

Sources photos:
Flux Guinness:
http://arxiv.org/pdf/1205.5233v1.pdf
La nébuleuse d’Orion:
http://fr.wikipedia.org/wiki/N%C3%A9buleuse_d%27Orio
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Vodka – une histoire de goût

Pas besoin d’être un chimiste établi pour savoir qu’au pays des alcools forts, la vodka fait consensus. Sans odeur, sans goût, la petite eau (traduction littérale de vodka) se marie avec à peu près tout.
Et c’est bien normal, puisque toutes les vodkas sont composées exclusivement d’un mélange

Je vois déjà les amateurs de Grey Goose ou de Beluga faire la moue, jurant que toutes les vodkas ne se valent pas… Et c’est bien ce qui a intrigué un groupe de chercheurs russes et américains qui se sont mis en tête de trouver ce qui pouvait motiver la préférence de certains consommateurs pour une marque plutôt qu’une autre.
Pour cela, les chercheurs se sont intéressés aux travaux d’un certain Dmitri Mendeleïev (oui, oui celui du tableau périodique).
Souvent reconnu pour son travail sur la classification des éléments, le professeur Mendeleïev n’en était pas moins un homme aux multiples facettes, un genre de couteau suisse humain à la fois inventeur, poète, maroquinier, aéronautes, … Au tableau (oh oh) de ces nombreux exploits, on lui attribue souvent l’invention de la vodka.
C’est en effet au cours de sa thèse que Mendeleïev s’est aperçu que des composés (des genres de grappes de molécules) appelés « hydrates d’éthanol » se formaient dans des solutions contenant 40% d’éthanol et 60% d’eau.

L’étude des chercheurs [disponible ici] semble indiquer que la proportion de ce composé « hydrate d’éthanol » varie d’une marque à l’autre et pourrait bien être responsable des nuances de goût ressenties par certains consommateurs (sans dire s’il en faut beaucoup ou au contraire s’il en faut moins).
Ci-dessous, une répartition des marques de vodka étudiées en fonction de la proportion d' »hydrate d’éthanol » relevée (les marques les plus en bas sont celles contenant le plus ce composé et donc s’éloignant le plus d’un mélange pur éthanol/eau).

Alors là, attention. On touche au patrimoine français. Alors qu’on se le dise haut et fort, comprendre et transmettre ce qui va suivre relève de l’acte citoyen.

La bulle emprisonnée dans la fibre de cellulose va donc absorber le gaz carbonique environnant (dissous dans le champagne) et grossir jusqu’à atteindre un taille critique l’amenant à se dégager de la fibre. La magie, c’est qu’elle laisse toujours derrière elle une petite bulle capable d’amorcer une nouvelle fois le processus.