Guinguette Marais Poitevin

Le papier tournesol est le membre le plus reconnu des indicateurs chimiques. Comme la plupart des papiers pH, le papier tournesol change de couleur lorsqu’il est exposé à une solution acide ou basique. L’échelle de pH simple va de 0 à 14, 0 étant le plus acide, 7 étant neutre et 14 étant le plus basique ou alcalin. Le papier tournesol est couramment utilisé dans les cours de sciences. En raison de sa grande notoriété, il est également devenu une référence culturelle dans notre société. Il est courant d’utiliser le terme épreuve décisive pour désigner un test dont un seul facteur détermine le résultat.

Contexte

Le papier tournesol offre à un observateur la possibilité d’évaluer le pH d’un échantillon. Le pH est un moyen de caractériser la nature relativement acide ou basique d’une substance en fonction de sa concentration en ions hydrogène. Un ion est un atome qui porte une charge électrique et qui est donc réactif avec son environnement. Une substance acide libère des ions hydrogène (H+) dans l’eau. Les acides sont connus comme donneurs de protons car l’ion H+ possède un proton supplémentaire chargé positivement qui tente de se stabiliser en se combinant avec un ion chargé négativement. Une substance basique libère un ion hydroxyde (OH-) dans l’eau. Les bases sont appelées accepteurs de protons car l’ion hydroxyde accepte un proton pour se stabiliser. Il est intéressant de noter que lorsque des acides et des bases sont combinés, le résultat est un sel neutre. Par exemple, un acide fort comme l’acide chlorhydrique combiné à l’hydroxyde de sodium (une base forte) entraîne une réaction de neutralisation avec comme sous-produits le chlorure de sodium (sel de table) et l’eau.

Le pH est un indicateur biologique important car la plupart des formes de vie ont une plage de pH très réduite dans laquelle elles peuvent survivre. Par exemple, le rapport acide-base dans le corps humain est un équilibre délicat. Même une légère variation du pH du sang dans un sens ou dans l’autre peut entraîner la mort. Les plantes sont également sensibles aux infimes variations du pH du sol. C’est pourquoi un sol trop acide pour une plante est neutralisé avec un engrais à base de carbonate de calcium, une base.

L’échelle simple du pH va de 0 à 14, 7 étant neutre. Les nombres inférieurs à 7 sont considérés comme acides et les nombres supérieurs à 7 sont considérés comme basiques. Plus le nombre est petit, plus la solution est acide. Cela signifie qu’une substance ayant un pH de 1 aura une plus grande capacité à donner un proton à une autre molécule ou à un autre ion qu’une substance ayant un pH de 4. Par exemple, l’acide sulfurique est très efficace pour transférer un ion hydroxyde, alors que l’acide acétique (vinaigre) ne l’est pas. Par conséquent, l’acide sulfurique est considéré comme un acide fort et l’acide acétique comme un acide faible. De même, il existe également des bases fortes et des bases faibles. Une base forte comme l’hydroxyde de potassium, avec ses ions hydroxyde plus abondants, acceptera plus facilement des protons qu’une base faible comme l’ammoniac. Plus ce nombre est élevé, plus la base est forte.

Si le papier tournesol est efficace pour indiquer si une substance est acide ou basique, il ne peut pas rapporter une valeur numérique exacte du pH. On utilise à cet effet des indicateurs universels ou des pH-mètres. Les indicateurs universels sont composés d’une variété de matériaux, chacun changeant de couleur à différentes valeurs de pH, ce qui permet à l’observateur de déterminer plus précisément où se situe la solution en question sur l’échelle de pH. Les indicateurs universels peuvent être imprégnés sur du papier pour en faire du papier pH ou ils peuvent être utilisés sous forme liquide. Une carte de couleurs de référence est fournie avec chaque indicateur universel, qui met en corrélation une couleur particulière avec une gamme de pH. En général, la plupart des indicateurs universels sont précis à deux valeurs près sur l’échelle de pH. Par exemple, un résultat vert peut indiquer un pH de 8 à 9. Cela signifie que les indicateurs universels peuvent déterminer le pH d’un échantillon de manière quantitative dans une certaine fourchette.

Les pH-mètres permettent une quantification encore plus précise en utilisant l’électricité pour déterminer une valeur numérique du pH. Une sonde est placée dans l’échantillon à tester et un courant électrique traverse la sonde. L’électricité étant composée d’électrons, qui ont une charge négative, la force du courant circulant dans le pH-mètre est directement proportionnelle à la concentration en ions hydrogène. Plus il y a d’ions H+ dans la solution, plus le courant circule dans le compteur. Ce nombre est ensuite converti en une valeur numérique de pH qui peut être lue par l’observateur.

Historique

Le terme litmus vient d’un mot vieux norrois qui signifie  » teindre ou colorer.  » Cela tombe bien puisque les lichens utilisés pour fabriquer le litmus ont également été utilisés pour teindre les tissus pendant des centaines d’années. Nous disposons de très peu d’informations sur les débuts du tournesol. Certaines données suggèrent que le papier tournesol a été mis au point par J.L. Gay-Lussac, un chimiste français, au début des années 1800. Gay-Lussac est surtout connu pour sa loi de la combinaison des volumes, qui stipule que lorsque des gaz se forment ou réagissent entre eux à une température et une pression constantes, leurs volumes sont dans des rapports de petits nombres entiers. En d’autres termes, lorsque les gaz se combinent, ils le font toujours de la même manière à condition que la température et la pression restent les mêmes.

Matières premières

Les principales matières premières utilisées pour la fabrication du papier tournesol sont la cellulose du bois, les lichens et les composés adjuvants. Le papier tournesol, comme son nom l’indique, est principalement composé de papier. Le papier utilisé pour fabriquer le papier tournesol doit être exempt de contaminants susceptibles de modifier le pH du système qu’il mesure. Comme la plupart des papiers, le papier tournesol est fabriqué à partir de la cellulose du bois. Le bois est traité avec des solvants avant la fabrication du papier afin d’éliminer les matières résineuses et la lignine du bois. L’un des solvants les plus courants aux États-Unis est un sulfate – soit du sulfate de sodium, soit du sulfate de magnésium.

La capacité du papier tournesol à changer de couleur lorsqu’il est exposé à un acide ou à une base résulte de l’infusion de lichens dans le papier tournesol. Dans le monde végétal, les lichens sont uniques en ce qu’ils sont en fait deux organismes distincts, un champignon et une algue, vivant comme un seul. Les botanistes classent les lichens dans la catégorie des champignons, car ce sont ces derniers qui sont considérés comme responsables de la reproduction sexuée. Cependant, chaque lichen a son propre nom. Environ 15 000 types différents de lichens ont été identifiés. Les lichens poussent sur les rochers, les arbres, les murs, dans le sol et même sous l’eau, dans pratiquement tous les types de climats. Les lichens sont couramment utilisés comme indicateurs de la qualité de l’environnement car ils sont sensibles à divers polluants. Plusieurs variétés de lichens sont utilisées pour produire du tournesol, notamment rocella tinctoria, originaire de la Méditerranée, et lecanora tartarea, un lichen courant aux Pays-Bas. En fait, les Pays-Bas sont l’un des plus grands producteurs de produits de papier tournesol.

Conception

La plupart des papiers tournesols et autres types d’indicateurs de pH sont vendus dans les magasins de fournitures scientifiques. Le papier tournesol est disponible dans des variétés rouges et bleues. La couleur naturelle du papier tournesol est le bleu. Lorsqu’il est mis dans une solution acide, le papier bleu devient rouge. Le papier tournesol rouge est d’abord mélangé à un acide lors de sa fabrication. Le papier devient alors rouge. Lorsqu’il est mis en présence d’une base, le papier retrouve sa couleur bleue naturelle.

Le processus de fabrication

La production de papier tournesol présente de nombreux points communs avec la fabrication du papier. Dans ce processus, la pâte de bois est transformée en papier, le papier est infusé avec la solution de lichen, et le papier est séché et emballé.

Conversion de la pâte de bois

• 1 Dans cette première étape, le bois est déchiqueté et mélangé avec un solvant et de l’eau sous pression de vapeur. La masse obtenue est appelée pâte de bois. La pulpe est étalée sur une bande en treillis métallique et passée sur des rouleaux. Cela crée
  

  L’échelle de pH.

  une fine couche qui peut être séchée et transformée en papier utilisable. Une boîte en bois située sous la bande permet de récupérer les eaux de ruissellement. Comme il y a des fibres récupérables dans cette eau, elle est remélangée à la pâte à papier.

• 2 Pour accélérer le processus de séchage, des pompes d’aspiration d’air sous la bande sont utilisées. Lorsque le papier se déplace le long de la bande, il passe sous une maille ou un cylindre métallique appelé rouleau dandy. L’objectif de ce rouleau est de donner au papier un tissage ou un filigrane qui identifie la qualité du papier et le fabricant. Le papier continue son voyage le long de la bande transporteuse où il est pressé entre deux rouleaux recouverts de feutre (rouleaux de couchage) qui forcent les fibres à se lier en exprimant de l’eau supplémentaire.
• 3 De ces rouleaux de couchage, le papier est poussé à travers deux ensembles de rouleaux presseurs métalliques lisses laissant le papier avec une finition lisse. Le papier est complètement séché en le soumettant, à des rouleaux chauffés, coupé par des coupeurs rotatifs et enroulé sur des bobines.

Infusion de lichens

• 4 Pour rendre le papier actif au niveau du pH, il est ensuite infusé avec une solution aqueuse composée principalement de lichens. Pour ce faire, on fait passer le papier dans un bain de cette solution. Il absorbe la solution et est ensuite passé pour lui permettre de fermenter et de sécher.
• 5 On laisse les lichens fermenter en présence de carbonate de potassium et d’ammoniac. Après fermentation, la masse a une couleur bleue et est ensuite mélangée à de la craie. Le papier tournesol bleu est préparé en imprégnant du papier blanc dans une infusion du mélange tournesol mentionné ci-dessus. Le papier est ensuite soigneusement séché à l’air libre. Le papier tournesol rouge est préparé de manière similaire, mais on y ajoute un petit pourcentage d’acide sulfurique ou chlorhydrique pour qu’il devienne rouge.

Emballage

• 6 Une fois le papier préparé, il est envoyé à une station d’emballage final. Le papier tournesol est généralement vendu en bandes prédécoupées. Les fabricants placent les bandes dans des flacons en plastique refermables. Il est important que l’emballage empêche les bandes d’être exposées à l’humidité car tout liquide entrant en contact avec le papier tournesol pourrait faire changer la couleur de l’indicateur. Il est possible, bien que moins courant, d’acheter du papier tournesol en rouleaux qui peuvent être coupés par l’utilisateur. Les fabricants fournissent également des instructions écrites avec chaque emballage de papier tournesol afin que l’utilisateur sache comment utiliser correctement le produit. Dans le cas des papiers indicateurs ou des solutions universelles, les instructions écrites ne suffisent pas. Une carte de référence des couleurs est également fournie afin que l’utilisateur puisse faire correspondre le résultat du test à la carte de référence pour déterminer le pH.

L’avenir

Le papier tournesol continuera très certainement à être largement utilisé dans l’enseignement en raison de son coût raisonnable et de sa facilité d’utilisation. Cependant, certaines variétés de lichens sont en voie d’extinction. Par conséquent, il est possible que les fabricants de papier tournesol se tournent vers des matériaux synthétiques à l’avenir. C’est ce que font déjà les fabricants d’autres types de papiers pH. De plus, comme le papier tournesol ne peut pas donner de résultats quantitatifs, il ne peut pas remplacer les autres papiers pH et les pH-mètres. En fait, la tendance est de fabriquer des indicateurs de pH encore plus précis et moins subjectifs. L’une de ces tendances consiste à utiliser des sondes en fibre optique dans les pH-mètres afin de les rendre encore plus sensibles.

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