Le jet de mousse

Cette expérience amusante, appelée parfois "le dentrice de l'éléphant", illustre une réaction de décomposition autocatalytique de l'eau oxygénée, avec production d'une gerbe de mousse très chaude.

1 Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

• Attention à se protéger les yeux et les mains et ne pas toucher la mousse car elle contient de l'eau oxygénée concentrée (risques de brûlures chimiques) et elle est très chaude (risques de brûlures thermiques). Éliminer la mousse avec une serpillière humide, bien rincer les surfaces touchées. (À faire en extérieur de préférence !)
• La formation de diiode peut être irritante, aérer la pièce après l'expérience.

2 Matériel

• Grand cristallisoir, à défaut une grande bassine
• Grande éprouvette étroite ou erlenmeyer
• Petit bécher
• Gants en latex
• Iodure de sodium NaI ou iodure de potassium KI
• Eau oxygénée à 130 volumes H₂O₂
• Liquide vaisselle concentré

3 Protocole expérimental

Expérience du jet de mousse dans un grand bécher.

• Dans le petit bécher dissoudre l'équivalent de deux spatules d'iodure de sodium dans quelques millilitres d'eau tiède.
• Dans l'éprouvette, verser 1 mL de liquide vaisselle puis 5 mL d'eau oxygénée concentrée . Homogénéiser.
• Placer l'éprouvette à l'intérieur du cristallisoir, bien au centre. Poser l'ensemble sur une surface qui ne craint pas les produits chimiques.
• Verser rapidement la solution d'iodure de sodium dans l'éprouvette et se reculer.
• Observer la formation de plus en plus rapide de mousse qui jaillit de l'éprouvette. La mousse fume, elle est très chaude. Remarquer sa faible coloration marron.

4 Explications

• Il y a plusieurs réactions successives et simultanées pour comprendre cette expérience, qui est plus complexe qu'on ne peut le penser :

1. La demi-pile du couple H₂O₂/H₂O est

H₂O₂ + 2 H⁺ + 2 e^– = 2 H₂O     E⁰ = 1,77 V

sauf qu'ici la réaction ne s'effectue pas en milieu acide, mais neutre. En ajoutant 2 OH^– de chaque côté et en simplifiant par 2 H₂O, on trouve l'équation

H₂O₂ + 2 e^– = 2 OH^–

qui correspond au couple

H₂O₂/OH^–     E⁰' = 1,35 V

Ce potentiel apparent est calculé en utilisation la loi de Nernst

E⁰'_H2O2/OH^– = E⁰_H2O2/H2O – 0,06 pH

avec pH=7 puisque nous somme dans une solution neutre.

2. La demi-pile du couple I₂/I^– est

I₂ + 2 e^– = 2 I^–     E⁰ = 0,54 V

3. Comme 1,35 V > 0,54 V, l'oxydant H₂O₂ réagit avec le réducteur I^– selon

H₂O₂ + 2 I^– → I₂ + 2 OH^–

En mesurant le pH, celui-ci augmente bien, au delà de 8. Le diiode donne au milieu réactionnel une teinte marron et une odeur iodée.

4. Ce faisant, le pH devient de plus en plus basique. Au delà de pH = 8, le diiode I₂ est instable et se transforme en ions iodates IO₃^– et iodures I^–. Le milieu prend une teinte jaune pâle.

5. Les ions iodates IO₃^– (oxydants) réagissent avec l'eau oxygénée pour former du dioxygène (cette fois-ci, c'est le couple O₂/H₂O₂)

6. Parallèlement à cette réaction, il y a la possibilité de dismuter H₂O₂ selon l'équation :

2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂(g)

Cette réaction est très lente à pH neutre car sa cinétique est limité par les transferts d'électrons. Mais elle peut être catalysée par les ions Fe³⁺, le platine ou encore les ions H⁺ ou HO^–. Dans notre cas, c'est l'apparition d'un pH basique (ions HO^–) qui va accélérer cette dismutation (les transferts d'électrons sont accélérés en milieu acide ou basique).

• Ces réactions sont exothermiques, elles dégagent de la chaleur, d'où la formation d'un léger brouillard autours de la mousse, provenant de la recondensation de la vapeur d'eau.
• C'est une réaction autocatalysée par la chaleur qu'elle produit : la chaleur accélère les réactions. Pour cette raison on observe que la réaction s'accélère de plus en plus.
• La mousse provient des minuscules bulles de dioxygène O₂ produites par la réaction. Le liquide vaisselle, qui n'entre pas en jeu dans la réaction chimique, est simplement là pour emprisonner ces bulles et forme une fine mousse. Comme la réaction s'accélère la mousse monte de plus en vite. Il est facile de montrer qu'il s'agit bien de dioxygène en trempant dans la mousse une baguette de bois incandescente : celle-ci se rallume.
• Pour un jet encore plus rapide, ajouter un peu d'acide sulfurique dans l'eau oxygénée.

Quant au nom de "dentifrice de l'éléphant", cette expérience le tient par la forme du jet de mousse qui sort de l'éprouvette, comme du dentifrice qui sort de son tube, en plus grand !

5 Variantes possibles

Il est possible de produire de la mousse avec d'autres réactions chimiques, à condition qu'elles produisent un gaz et d'y ajouter du liquide vaisselle. Exemples :

Mélange	Gaz produit	Danger
poudre de craie (calcaire) et vinaigre	CO2	-
cachet effervescent et eau	CO2	-
eau oxygénée et permanganate de potassium	O2
eau oxygénée et sulfate de fer (II) heptahydraté	O2
eau oxygénée et chlorure de fer (III)	O2
acide chlorhydrique et poudre d'aluminium	H2

Une idée très astucieuse consiste à remplacer l'iodure de potassium (ou sodium) par du foie broyé, environ 1 g, et peu onéreux. En effet, le foie contient une enzyme, la catalase, qui dismute l'eau oxygénée. On évite ainsi la formation de diiode toxique. De plus, cette méthode permet d'ajouter des colorants pour obtenir des mousses colorées, alors qu'en présence de diiode ces colorants réagissent aussi. La réaction est à peine plus lente.

6 Vidéo

• Vidéo : expérience du jet de mousse avec commentaire (3,7 Mo, QuickTime), animation du 18/02/2005 - Chimie en fête.
• Vidéo : expérience du jet de mousse (520 ko, QuickTime), © 2004 Annie Sendin, Lycée Max Linder (Libourne).

Merci à Annie Sendin pour son aide à l'interprétation de la réaction.