Sucre et sel s'agglomèrent, mais il faut les traiter à l'inverse : pourquoi ?
― L'un perd de l'eau, l'autre en absorbe, et tous deux durcissent
Ce sont deux grains blancs, et tous deux se prennent en bloc dans la cuisine. Pourtant, ce qui réussit avec le sucre aggrave le cas du sel. Le résultat final se ressemble, mais le chemin pour y arriver va dans le sens opposé.
Vous ouvrez un paquet de sucre resté longtemps au placard : tout est pris en un seul bloc. Du bout de la cuillère, vous le piquez, et cela fait un « toc » bien dur.
Et la boîte de sel, sur la même étagère ? Elle est humide et le sel ne sort plus, même en la secouant. Vous ouvrez le couvercle et appuyez du doigt : le bloc s'effrite en craquant.
Les astuces qu'on entend souvent sont, elles aussi, opposées. Pour le sucre : glisser une tranche de pain de mie. Pour le sel : un déshydratant ou quelques grains de riz grillé. On ajoute de l'humidité d'un côté, on en retire de l'autre.
Deux grandes raisons expliquent l'agglomération
La surface des grains de sucre est couverte d'un film très fin de solution sucrée. Quand l'air est sec, seule l'eau s'échappe, et le sucre dissous redevient cristal dans les interstices entre les grains. C'est ce qui joue le rôle de colle.
Le sel contient des composés qui attirent la vapeur d'eau de l'air. Les jours humides, ils captent l'eau et la surface se dissout ; les jours secs, elle sèche de nouveau, et des ponts se forment entre les grains.
Dans les deux cas, ce qui se forme à la fin est la même chose : un « pont de cristal ». La différence tient au sens dans lequel l'eau s'est déplacée pour le construire. Cette différence de sens explique directement la différence de remède.
Pourquoi le sucre se prend-il dans un endroit sec ?
Le sucre semoule ordinaire paraît sec et coulant, mais il contient un peu d'eau. Cette eau est saturée de sucre : un film de sirop épais enrobe la surface des grains.
Dans un air sec, seule l'eau de ce film s'évapore. Le sucre restant n'a nulle part où aller : il cristallise à l'endroit précis où deux grains se touchent. D'innombrables fines colonnes se forment, et le contenu du paquet ne fait plus qu'un bloc.
C'est pourquoi l'astuce du pain fonctionne. La vapeur d'eau qui s'en dégage reconstitue le film et dissout de nouveau les ponts. Le côté gauche de la figure 1 montre ce flux, où l'eau s'en va.
Pourquoi le sel se prend-il les jours humides ?
Le sel lui-même, le chlorure de sodium, n'est pas très avide d'eau. Sa surface ne commence à se dissoudre que lorsque l'humidité de l'air dépasse environ 75 %.
Or le sel de table contient en petite quantité d'autres composés issus du nigari (l'eau mère des marais salants). Le principal, le chlorure de magnésium, commencerait à capter l'eau dès environ 33 % d'humidité. C'est une valeur courante dans une cuisine, même hors saison des pluies.
L'eau captée dissout un peu la surface du sel. Puis un jour sec arrive : l'eau s'évapore, et le sel dissous se solidifie aux points de contact des grains. Mettre un déshydratant dans la boîte à sel sert à empêcher cette toute première étape.
Le sel raffiné, appauvri en nigari, s'agglomère moins parce qu'il contient bien moins de ces composés qui captent l'eau. À l'inverse, le sel solaire ou le sel d'algues s'humidifie facilement, pour la même raison. Plus les grains sont gros, moins il y a de points de contact : le gros sel, même pris en bloc, s'effrite donc plus facilement.
En résumé
Le sucre et le sel se prennent en bloc grâce au même « pont de cristal ». Mais ce qui déclenche sa formation est, pour le sucre, le départ de l'eau, et pour le sel, son arrivée. Voilà pourquoi deux remèdes opposés sont tous deux justes : du pain dans le sucre, un déshydratant dans le sel.
Les grains blancs ne durcissent pas pour une seule raison.
Que l'eau soit partie ou qu'elle soit venue, elle laisse le même pont.
On retrouve cette idée qu'un peu d'eau peut au contraire lier fortement les grains dans l'article sur le sable mouillé. Quant à la façon dont un aliment devient sucré sans sucre, elle est traitée dans l'article sur la patate douce rôtie.
- Versez une cuillère à soupe de sucre et une de sel dans deux petites soucoupes, et laissez-les dans la même pièce de trois jours à une semaine. Choisissez une saison de pluies ou des jours pluvieux : la différence sera plus nette.
- Chaque jour, touchez doucement la surface avec la pointe d'une brochette en bambou et comparez. Le sel devrait devenir humide et brillant, le sucre sec et blanchâtre.
- Une fois pris, ajoutez un petit morceau de pain de mie au sucre seulement et couvrez. Après un jour, le sucre s'est désagrégé, alors que le sel n'a pas changé.
L'intérieur d'un réfrigérateur est sec, donc peu adapté à la conservation du sucre. Un sucre mis au frigo durcit particulièrement : c'est exactement le même phénomène que dans cette expérience.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau du programme de chimie au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matière universitaire, non vue au lycée (chimie physique, génie alimentaire)
- RechercheSujet que les chercheurs étudient encore, pas même enseigné comme acquis à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Prise en masse : phénomène par lequel un tas de poudre ou de grains se soude peu à peu en un seul bloc. C'est l'un des défauts les plus redoutés dans les usines qui manipulent des poudres.
- Déliquescence : propriété d'une substance qui absorbe la vapeur d'eau de l'air et se transforme d'elle-même en solution. Le chlorure de magnésium et le chlorure de calcium en sont des exemples typiques.
- Pont de cristal : fine colonne formée au point de contact entre deux grains, quand le composé dissous redevient cristal. C'est la véritable nature de la prise en masse.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : quelle quantité de sucre forme les ponts ?
L'eau qui sèche dans le paquet est très peu de chose. Peut-elle pourtant former un bloc ? Calculons la quantité à l'aide de la solubilité.
| En symboles | M ＝ W × （S ÷ 100） |
| En mots | masse de sucre des ponts ＝ masse d'eau partie × masse de sucre dissoute dans 100 g d'eau ÷ 100 |
| D'où vient cette formule | C'est la définition même de la solubilité. Quand seule l'eau quitte une solution saturée, ce qui y était dissous reste sous forme de cristaux, par conservation de la masse. |
| Masse d'un paquet de sucre semoule | 1000 g |
| Proportion d'eau dans le sucre semoule | environ 1 % (0,01) |
| Saccharose dissous dans 100 g d'eau à 20 ℃ | environ 204 g |
| Sens des symboles et unités | M est la masse de sucre des ponts (en grammes), W la masse d'eau partie (en grammes), S la solubilité (en grammes pour 100 g d'eau) |
| Masse d'eau dans le paquet | 1000 × 0.01 ＝ 10 |
| Sucre dissous dans cette eau | 10 × 2.04 ＝ 20.4 |
| Proportion par rapport au paquet entier | 20.4 ÷ 1000 ＝ 0.0204 |
Si toute l'eau d'un paquet s'en va, 20,4 g de sucre redeviennent cristal. Cela ne représente qu'environ 2 % du total. Mais les grains de sucre sont minuscules : un paquet en contient des dizaines de millions. Les ponts se concentrent aux seuls points de contact, et 2 % suffisent donc largement pour former un bloc.
LycéeLycée+L'humidité à laquelle la dissolution commence est bien déterminée
LycéeAu-dessus d'une solution saturée, la tendance de l'eau à s'évaporer est plus faible que pour l'eau pure. C'est l'abaissement de la pression de vapeur. Une solution saturée ne sèche donc jamais complètement, même dans l'air sec, et elle prend de l'eau à l'air humide.
Lycée+L'humidité pour laquelle ces deux effets s'équilibrent s'appelle l'humidité relative critique. Elle est d'environ 75 % pour le chlorure de sodium et d'environ 33 % pour le chlorure de magnésium hexahydraté. Dès que l'humidité de la pièce dépasse cette valeur, la surface des grains commence à se transformer en solution. Du côté du sucre, la même idée est traitée à travers une grandeur appelée activité de l'eau.
Univ.Ce qui détermine la vitesse de prise en masse
La théorie de la prise en masse repose sur la quantité de liquide rassemblée aux points de contact entre grains et sur la croissance cristalline qui s'y produit. L'équation de Kelvin décrit comment la courbure du liquide modifie la pression de vapeur, et la théorie des forces de pont liquide relie la quantité de liquide à la force d'attraction entre grains. On sait aussi que l'humidité relative critique d'un mélange de sels est plus basse que celle de chacun de ses composants. En génie alimentaire, on rassemble tout cela sur un seul graphique, l'isotherme d'activité de l'eau, pour concevoir la conservation.
📖 Dérivation des formules et compléments : Déliquescence (Wikipédia en japonais) ／ Solubilité (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Quand un pont casse-t-il ? La force nécessaire pour briser une poudre agglomérée devrait dépendre de l'épaisseur et du nombre des ponts. Mais on manque de moyens pour mesurer la répartition des contacts dans un paquet, et la prédiction repose encore sur l'expérience.
- L'effet des variations de température On sait que la prise en masse progresse plus vite sur une étagère soumise à des écarts jour-nuit. On l'attribue aux allers-retours de l'eau et à la recristallisation, mais on ignore combien de cycles font avancer le phénomène et de combien.
- Les additifs anti-agglomérants On ne s'accorde pas sur la façon dont agissent les fines particules qui rendent une poudre coulante : recouvrent-elles la surface, ou gênent-elles la croissance des ponts ? Aucune explication ne fait consensus.
Le contenu de cet article n'est donc qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Beaucoup de ce qui se passe dans une cuisine reste un problème ouvert pour les ingénieurs.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : solutions et dissolution | Quand l'eau s'évapore, ce qui était dissous réapparaît |
| Lycée | Chimie : solubilité et abaissement de la pression de vapeur | Le calcul de la vérification et l'explication de la solution saturée |
| Lycée+ | Chimie : humidité relative critique | Le sel se comporte différemment à 75 % et à 33 % |
| Univ. | Chimie physique, génie alimentaire | Équation de Kelvin et isothermes d'activité de l'eau |
| Recherche | Génie des poudres | Résistance des ponts et action des anti-agglomérants |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Du pain pour le sucre, un déshydratant pour le sel : deux remèdes opposés |
- Fondation d'intérêt public Centre de l'industrie du sel (塩事業センター), « Encyclopédie du sel » (塩百科)
- Société japonaise de génie alimentaire (日本食品工学会) et al., dir., « Manuel de génie alimentaire » (食品工学ハンドブック), chapitre sur l'activité de l'eau et la conservation
- Manuel de chimie (化学便覧), volume fondamental : rubriques sur la solubilité et la déliquescence du chlorure de sodium, du chlorure de magnésium et du saccharose
- Association de l'industrie sucrière (精糖工業会), documents explicatifs « Types et propriétés du sucre » (砂糖の種類と性質) : rubriques sur l'eau du sucre semoule et le sucre inverti
※Cet article est une vulgarisation scientifique. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à comprendre le mécanisme. Pour la conservation des aliments, suivez en priorité l'étiquette du produit et les consignes du fabricant.