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Bougie : petites expériences autour de la flamme

Dossier - Expériences de physique à faire chez soi
DossierClassé sous :physique , expérience , chimie

Découvrir, grâce à de petites expériences de physique, quelques principes scientifiques tout en s'amusant, c'est le défi réussi de ce dossier. Venez résoudre ces énigmes du quotidien et familiarisez-vous avec les notions d'inertie, de gravité ou encore de force centrifuge.

  
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Michael Faraday, ancien apprenti relieur devenu l'un des plus célèbres physiciens et chimistes anglais du XIXe siècle, garda toute sa vie le goût de la manipulation concrète. C'est ce qu'il entreprit de transmettre à un jeune auditoire en 1860, lors de six conférences consacrées à la bougie, car « il n'y a pas de porte plus ouverte pour entrer dans l'étude de la philosophie naturelle ». Suivons donc son exemple. Tout, tout, tout, vous saurez tout sur la bougie.

Une flamme de bougie se compose de plusieurs couleurs. Mais pourquoi ? © Nile, Pixabay, DP

Les différentes couleurs d'une flamme de bougie

Allumez une bougie et observez la flamme. Quelles sont ses différentes couleurs ? Il y a à peu près trois zones de couleurs différentes :

  • La plus vaste, en haut, est opaque, brillante, plutôt jaune-blanc mais tirant vers le jaune-orangé à son sommet.
  • À l'intérieur de celle-ci, la zone qui contient la mèche est quasi transparente et sombre.
  • Enfin, du bleu est visible au bas de la flamme.
Sur le bas de la flamme, on aperçoit une zone bleue. © J. Samuel Burner, CC by 2.0

L'expérience de la flamme et de la passoire

  • La grille près de la mèche

Maintenez la grille d'une passoire sur la flamme, près de la mèche. Que constatez-vous ? La flamme ne traverse pas la grille. De la fumée - blanche, d'odeur un peu piquante - est produite, alors que la flamme n'en émettait pas.

Laissez un moment la passoire près de la mèche, puis enlevez-la. Qu'y voyez-vous ? De la cire de bougie s'est déposée en surface. La fumée blanche est donc de la vapeur de cire. En effet, la bougie est d'abord liquéfiée par la chaleur de la flamme, monte par capillarité dans la mèche, puis est évaporée.

La vapeur de cire obtenue brûle, c'est-à-dire réagit chimiquement avec l'oxygène (donnant lieu, au total, à plusieurs milliers de réactions), ce qui libère de la chaleur, qui évapore la cire, et ainsi de suite.

  • La grille dans le haut de la flamme

Placez maintenant la passoire dans la partie jaune-blanc de la flamme. Que se passe-t-il ? La fumée est noire et monte droit, en un long tube.

En plaçant une grille sur le haut de la flamme, on observe que celle-ci ne la traverse pas ! © Dunod
  • Un morceau de carton

En extérieur et sans l'enflammer, maintenez pendant quelques secondes un morceau de carton fort dans la flamme, d'abord un peu au-dessus de la mèche, puis vers le sommet. Qu'observez-vous ? La fumée noire laisse un dépôt qui s'enlève avec le doigt. Sur le verso, le carton est roussi : quand il est près de la mèche, la tache décrit à peu près un cercle ; près du sommet, plutôt un disque. Même chose pour le dépôt noir. Cela correspond, dans les deux cas, aux régions du carton en contact avec la partie jaune-blanc de la flamme. C'est là que la température est la plus haute, et que la majeure partie du dépôt noir se forme.

La fumée est noire et monte droit, en un long tube. © Nicolas Constans

Cette zone est la plus chaude parce que la combustion y est la plus efficace. En effet, c'est sur les bords de la flamme que se rencontrent l'oxygène et la vapeur de cire, qui réagissent. La zone jaune-blanc n'est pas cependant restreinte à la périphérie : elle occupe toute la largeur de la flamme au niveau du sommet. Car plus la vapeur de cire s'élève au-dessus de la mèche, plus l'oxygène a eu le temps de la consumer et donc de progresser vers l'axe de la flamme. Voilà pourquoi celle-ci a une forme conique.

La suie et ses mystères

Le dépôt noir, ce sont des suies, boules de carbone d'environ un centième de micromètre de diamètre. On connaît mal le détail de leur formation, mais on sait qu'une température de l'ordre de 1.500 °C et un excès de vapeur de bougie par rapport à l'oxygène sont nécessaires. Ces conditions sont atteintes dans la zone jaune-blanc. La couleur jaune vient de la combustion des suies, portées à incandescence : exactement comme un fer chauffé au rouge, elles émettent de la lumière (plutôt blanche à 1.500 °C au centre de la zone, et plutôt orange au sommet de celle-ci, à 700 °C).

Si une bougie allumée ne fume pas, c'est parce qu'elle est formulée de façon à ce que la totalité des suies soient brûlées dans la flamme. La zone sombre, quant à elle, n'est pas lumineuse, car l'oxygène y arrive plus difficilement : la cire y brûle peu, et à une température assez faible pour qu'elle ne forme pas de suie.

Les bougies produisent de la suie, un dépôt noir. Pourquoi ? © Nevit Dilmen, CC by-sa 3.0

Le bas de la flamme n'est pas jaune : là non plus, il n'y a pas de production de suie. En effet, à cet endroit, la vapeur de bougie n'est pas en excès par rapport à l'oxygène, car celui-ci y arrive en permanence par le mouvement de l'air environnant (l'air chauffé monte). En outre, la zone est à 1.200 °C, trop peu pour former de la suie. La couleur dominante est plutôt bleue. Elle vient de la lumière émise lorsque deux paires d'atomes très instables (carbone-carbone et carbone-hydrogène, intervenant dans les réactions de combustion) se recombinent avec d'autres composés chimiques.

De la bougie au briquet

Coiffez un briquet d'une passoire. Puis, appuyez sur le bouton pour en laisser s'échapper le gaz. De l'autre côté de la grille de la passoire, allumez le jet de gaz avec une bougie ou une allumette. Que constatez-vous ?