Papier tournesol

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Le papier de tournesol est le membre le plus reconnu des indicateurs chimiques. Comme la plupart des papiers pH, le 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 pédagogiques. Grâce à sa large reconnaissance, il est également devenu une référence culturelle dans notre société. Il est courant d'utiliser le terme test décisif pour désigner un test dans lequel un seul facteur détermine le résultat.

Contexte

Le papier tournesol permet à un observateur d'évaluer le pH d'un échantillon. Le pH est un moyen de caractériser la nature acide ou basique relative d'une substance en fonction de sa concentration en ions hydrogène. Un ion est un atome porteur d'une charge électrique et donc réactif avec son environnement. Une substance acide libère des ions hydrogène (H+) dans l'eau. Les acides sont connus comme des donneurs de protons car l'ion H+ a un proton supplémentaire chargé positivement qui essaie 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 acceptera un proton pour se stabiliser. Chose intéressante, lorsque les acides et les bases sont combinés, le résultat est un sel neutre. Par exemple, un acide fort comme l'acide chlorhydrique combiné à de l'hydroxyde de sodium (une base forte) entraîne une réaction de neutralisation avec les sous-produits chlorure de sodium (sel de table) et eau.

Le pH est un indicateur biologique important car la plupart des formes de vie ont une très petite plage de pH dans laquelle elles peuvent survivre. Par exemple, le rapport acide-base dans le corps humain est un équilibre délicat. Même un léger changement du pH du sang dans les deux sens peut entraîner la mort. Les plantes sont également sensibles à de minuscules changements de pH dans le sol. C'est pourquoi un sol trop acide pour une plante est neutralisé avec un engrais de carbonate de calcium, une base.

L'échelle de pH simple 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 avec un pH de 1 aurait une plus grande capacité à donner un proton à une autre molécule ou ion qu'une substance avec un pH de 4. Par exemple, l'acide sulfurique est très efficace pour transférer un ion hydroxyde, tandis que l'acide acétique (le vinaigre) ne l'est pas. Par conséquent, l'acide sulfurique est considéré comme un acide fort et l'acide acétique est considéré comme un acide faible. De même, il existe aussi des bases fortes et faibles. Une base forte comme l'hydroxyde de potassium, avec ses ions hydroxyde plus abondants, acceptera plus facilement les protons qu'une base faible comme l'ammoniac. Plus le nombre est grand, plus la base est forte.

Alors que le papier de tournesol est efficace pour indiquer si une substance est acide ou basique, il ne peut pas rapporter une valeur de pH numérique exacte. Des indicateurs universels ou des pH-mètres sont utilisés à cette fin. Les indicateurs universels sont composés d'une variété de matériaux, chacun changeant de couleurs différentes 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 et transformés en papier pH ou ils peuvent être utilisés sous forme liquide. Une carte de couleur de référence est fournie avec chaque indicateur universel qui corrèle une couleur particulière avec une plage de pH. De manière générale, la plupart des indicateurs universels sont précis à deux valeurs près sur l'échelle de pH. Par exemple, un résultat vert pourrait indiquer un pH de 8-9. Cela signifie que les indicateurs universels peuvent déterminer le pH d'un échantillon de manière quantitative dans une certaine plage.

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

Historique

Le terme tournesol vient d'un mot en vieux norrois signifiant « teindre ou colorer ». Cela convient puisque les lichens utilisés pour fabriquer le tournesol sont également utilisés pour teindre les tissus depuis des centaines d'années. Très peu d'informations sont disponibles sur les débuts du tournesol. Certaines données suggèrent que le papier tournesol a été développé par J.L. Gay-Lussac, un chimiste français au début des années 1800. Gay-Lussac est surtout connu pour sa loi de combinaison des volumes, qui stipule que chaque fois que des gaz se forment ou réagissent les uns avec les autres à une température et une pression constantes, leurs volumes sont dans de petits rapports de 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 de tournesol sont la cellulose de bois, les lichens et les composés auxiliaires. 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 qui pourraient modifier le pH du système qu'il mesure. Comme la plupart des papiers, le papier tournesol est fabriqué à partir de cellulose de 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 de tournesol à changer de couleur lorsqu'il est exposé à un acide ou à une base est le résultat de l'imprégnation du papier de tournesol avec des lichens. 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 comme des champignons car ce sont les champignons qui sont considérés comme responsables de la reproduction sexuée. Cependant, chaque lichen a son propre nom distinct. Environ 15 000 types de lichens différents ont été identifiés. Les lichens poussent sur les rochers, les arbres et les murs, dans le sol et même sous l'eau dans pratiquement tous les types de climats. Les lichens sont couramment utilisés comme indicateur de la qualité de l'environnement car ils sont sensibles à divers polluants. Plusieurs variétés de lichen sont utilisées pour produire du tournesol dont la rocella tinctoria, originaire de la Méditerranée, et lecanora tartarea, un lichen commun aux Pays-Bas. En fait, les Pays-Bas sont l'un des plus grands producteurs de produits en papier tournesol.

Conception

La plupart du papier de tournesol et d'autres types d'indicateurs de pH sont vendus par l'intermédiaire de fournisseurs de fournitures scientifiques. Le papier de tournesol est disponible dans les 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 de tournesol rouge est d'abord mélangé avec un acide lors de sa fabrication. Cela fait apparaître le papier en 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 de tournesol a de nombreuses caractéristiques en commun avec la fabrication de papier. Dans ce processus, la pâte de bois est convertie en papier, le papier est infusé avec la solution de lichen, et le papier est séché et emballé.

Transformation 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 résultante est appelée pâte de bois. La pâte est étalée sur une bande de 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 caisse en bois sous la ceinture retient l'eau de ruissellement. Puisqu'il y a des fibres récupérables dans cette eau, elles sont re-mélangées avec la pulpe.
• 2 Pour accélérer le processus de séchage, des pompes d'aspiration d'air sous la bande sont utilisées. Au fur et à mesure que le papier se déplace le long de la bande, il passe sous un treillis ou un cylindre en fil métallique appelé rouleau dandy. Le but du rouleau dandy 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 À partir de ces rouleaux de couchage, le papier est poussé à travers deux ensembles de rouleaux de presse en métal lisses, laissant le papier avec une finition lisse. Le papier est complètement séché en le soumettant à des rouleaux chauffés, coupé par des couteaux rotatifs et enroulé sur des bobines.

Infusion de lichens

• 4 Pour rendre le papier pH actif, il est ensuite infusé avec une solution aqueuse constituée majoritairement de lichens. Cela se fait en faisant passer le papier dans un bain de la solution. Il absorbe la solution et est ensuite passé pour lui permettre de fermenter et de sécher.
• 5 Les lichens fermentent en présence de carbonate de potassium et d'ammoniaque. Après fermentation, la masse a une couleur bleue et est ensuite mélangée à de la craie. Le papier de tournesol bleu est préparé en imprégnant du papier blanc dans une infusion du mélange de tournesol mentionné ci-dessus. Le papier est ensuite soigneusement séché à l'air libre. Le tournesol rouge est préparé de la même manière, mais un petit pourcentage d'acide sulfurique ou chlorhydrique est ajouté pour le faire virer au rouge.

Emballage

• 6 Une fois le papier préparé, il est envoyé vers une station d'emballage final. Le papier tournesol est généralement vendu en bandes prédécoupées. Les fabricants placent les bandelettes 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 pouvant être découpés par l'utilisateur. Les fabricants fournissent également des instructions écrites avec chaque paquet de papier tournesol afin que l'utilisateur sache comment utiliser correctement le produit. Dans le cas des papiers ou des solutions indicateurs universels, les instructions écrites ne suffisent pas. Une carte de référence couleur est également fournie afin que l'utilisateur puisse faire correspondre le résultat du test à la carte de référence pour déterminer le pH.

Le futur

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