Ce que l'on fume dans une cigarette

Une cigarette est constituée de papier, de tabac, contenant des goudrons, de la nicotine , des agents de saveur (arômes), et des traces d'autres composés chimiques. Mais que deviennent ces éléments lorsqu'ils sont brûlés par le foyer incandescent et surtout, quelle quantité de matière arrive dans les poumons du fumeur ? Nous allons condenser toutes les substances arrivant dans les poumons grâce à l'azote liquide, à très basse température, puis réchauffer progressivement ce qui a été récupéré. Cela devrait dégoûter certains de fumer...

1 Précautions

Basse température

• Attention aux basses températures , pouvant congeler ("brûler", par abus de langage) les mains ou les tissus.
• Ne pas respirer les gaz sortant du tube lors du réchauffement, ceux-ci sont toxiques : monoxyde de carbone , nicotine (toxique), goudrons (composés cancérogènes).

2 Matériel

Système permettant de piéger la fumée de cigarette dans un tube refroidi par l'azote liquide à –196 °C.

• Azote liquide
• Cigarette (au choix)
• Piège cryogénique
• Vase Dewar
• Éthanol , quelques mL

3 Protocole expérimental

• Fixer la cigarette à l'aide de scotch sur l'ouverture du tube plongeant au centre du piège cryogénique.
• Dans l'ouverture de l'autre tube, placer un peu de coton ou de papier absorbant de manière à filtrer les fumées et ne pas les inspirer.
• Plonger le piège cryogénique dans un Dewar contenant de l'azote liquide et allumer la cigarette.
• Fumer la cigarette à raison d'une inspiration toutes les deux secondes. Si le fait de "fumer" la cigarette vous dérange, il est possible d'utiliser un système de trompe à eau pour aspirer à votre place. Dans ce cas, une très légère aspiration suffit.
• Une fois la cigarette consumée, l'éteindre et la détacher du tube. Retirer le piège de l'azote liquide et le fixer verticalement sur un support.
• La température du piège remonte progressivement vers la température ambiante et on observe le départ sucessif de divers produits et odeurs par les tubes ouverts : gaz liquéfié (dioxygène , inodore), gaz solidifiés (dioxyde de carbone et monoxyde de carbone , inodores), arômes (odeur à sensation chaude, douceâtre), nicotine , goudrons (odeur âcre).
• À température ambiante, il reste dans le tube des goudrons de couleur foncée. Insérer dans le tube un peu d'alcool pour les solubiliser et observer la teinte marron du liquide.

4 Explications

• Le foyer incandescent de la cigarette, dont la température est de l'ordre de 600°C, est le siège de nombreuses réactions chimiques d'oxydation et de dégradations thermiques.
• Les produits les plus volatils contenus dans la cigarette (arômes et nicotine) passent en phase vapeur par la haute température. Une partie est aussi dégradée en composés carbonés et aromatiques.
• Les produits moins volatils (goudrons) sont dégradés thermiquement et oxydés, conduisant à des composés pouvant présenter une certaine toxicité. De même, la combustion incomplète produit du monoxyde de carbone (gaz inodore et incolore mortel à forte dose) et du dioxyde de carbone (gaz incolore et inodore ne favorisant pas la respiration).
• À –196 °C, tous les composés sortant de la cigarette sont condensés dans le piège cryogénique, même les gaz. Il est donc possible d'obtenir dans ce piège toutes les substances qui seraient arrivées jusqu'aux poumons du fumeur s'il avait fumé la cigarette normalement.
• Lors du réchauffement progressif du piège, les composés s'échappent du tube dans l'ordre de leur température d'ébullition ou vaporisation et de leur volatilité. On peut donc tenter de reconnaître à l'aspect et à l'odeur les divers constituants. À température ambiante, les composés peu volatils (goudrons essentiellement) restent dans le piège ; on peut les solubiliser dans l'alcool et ainsi observe leur couleur peu rassurante...