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PHYSIQUE - CHIMIE Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 13 Le document d’accompagnement ci-dessous a pour but d’aider les professeurs qui enseignent la physique-chimie au collège et de les guider pour la mise en application des récents programmes. Il ne s’agit pas, bien entendu, d’un manuel. Le document ne prétend pas aborder la totalité des acti- vités évoquées par le programme. Le choix des activités illustrées par les diverses fiches a été guidé par le souci d’éclairer les professeurs lorsque le groupe de travail disciplinaire a estimé qu’il pouvait être particulièrement opportun d’apporter une information : l’importance relative dans le document d’accompagnement des différentes rubriques n’est pas en rapport direct avec le temps qu’il convient de leur consacrer. Rappelons que le programme propose dans la colonne «exemples d’activités» une liste non obliga- toire et non exhaustive d’exemples qui peuvent être exploités en expériences de cours, en travaux pratiques ou en travaux de documentation. Conformément à cette indication, le document ci-dessous illustre soit des activités mentionnées expli- citement par le programme, soit d’autres en complément. Le choix de telle ou telle activité n’est jamais une obligation, la liberté pédagogique du professeur est à cet égard entière. Il convient seulement de traiter les champs de connaissance mentionnés dans la colonne du programme intitulée «contenus- notions» et de construire le socle minimal défini par la colonne «compétences». Le document est constitué de trois parties : – CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES – PARTIE THÉMATIQUE – ANNEXE La partie thématique est constituée de «fiches» repérées par les lettres. C : Complément scientifique D : Document pédagogique E : Fiche Expérimentale H : Fiche Historique La typologie ci-dessus n’a rien d’absolu, elle a été seulement introduite par la commodité des lecteurs. Les fiches D décrivent des séquences d’activités et contiennent des suggestions pédago- giques ; certaines des informations écrites ou graphiques qu’elles contiennent peuvent être soumises directement aux élèves. En revanche, les fiches C sont destinées à l’information des professeurs. Les fiches ont été classées ci-dessous dans l’ordre dans lequel les diverses activités sont mentionnées par le programme du cycle central. Cet ordre ne correspond pas à celui de l’exposition des diverses matières par le professeur, rappelons en effet que : Le programme de 5e est constitué par les rubriques A1 - L’eau dans notre environnement et C1 - Le courant électrique en circuit fermé. Le statut de la fiche D6 - Activités relatives à l’environnement, à la météorologie et au climat , placée en annexe, est particulier. Elle décrit certaines activités pouvant être abordées en classe de 5e et poursuivies jusqu’en 3e et d’autres conçues pour être abordées à partir de la classe de 4e.

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PHYSIQUE - CHIMIE

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 13

Le document d’accompagnement ci-dessous a pour but d’aider les professeurs qui enseignent laphysique-chimie au collège et de les guider pour la mise en application des récents programmes.Il ne s’agit pas, bien entendu, d’un manuel. Le document ne prétend pas aborder la totalité des acti-vités évoquées par le programme. Le choix des activités illustrées par les diverses fiches a été guidépar le souci d’éclairer les professeurs lorsque le groupe de travail disciplinaire a estimé qu’il pouvaitêtre particulièrement opportun d’apporter une information : l’importance relative dans le documentd’accompagnement des différentes rubriques n’est pas en rapport direct avec le temps qu’ilconvient de leur consacrer.Rappelons que le programme propose dans la colonne «exemples d’activités» une liste non obliga-toire et non exhaustive d’exemples qui peuvent être exploités en expériences de cours, en travauxpratiques ou en travaux de documentation.Conformément à cette indication, le document ci-dessous illustre soit des activités mentionnées expli-citement par le programme, soit d’autres en complément. Le choix de telle ou telle activité n’est jamaisune obligation, la liberté pédagogique du professeur est à cet égard entière. Il convient seulement detraiter les champs de connaissance mentionnés dans la colonne du programme intitulée «contenus-notions» et de construire le socle minimal défini par la colonne «compétences».

Le document est constitué de trois parties : – CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES– PARTIE THÉMATIQUE– ANNEXE

La partie thématique est constituée de «fiches» repérées par les lettres.C : Complément scientifiqueD : Document pédagogiqueE : Fiche ExpérimentaleH : Fiche Historique

La typologie ci-dessus n’a rien d’absolu, elle a été seulement introduite par la commodité deslecteurs. Les fiches D décrivent des séquences d’activités et contiennent des suggestions pédago-giques ; certaines des informations écrites ou graphiques qu’elles contiennent peuvent être soumisesdirectement aux élèves. En revanche, les fiches C sont destinées à l’information des professeurs.Les fiches ont été classées ci-dessous dans l’ordre dans lequel les diverses activités sont mentionnéespar le programme du cycle central. Cet ordre ne correspond pas à celui de l’exposition des diversesmatières par le professeur, rappelons en effet que :Le programme de 5e est constitué par les rubriques A1 - L’eau dans notre environnement et C1 - Le courant électrique en circuit fermé.Le statut de la fiche D6 - Activités relatives à l’environnement, à la météorologie et au climat, placéeen annexe, est particulier. Elle décrit certaines activités pouvant être abordées en classe de 5e etpoursuivies jusqu’en 3e et d’autres conçues pour être abordées à partir de la classe de 4e.

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La physique et la chimie tiennent une place nécessaire dansl’éducation à l’environnement, et ce dès le cycle central ducollège.Elles permettent, d’une part, d’analyser les questions d’envi-ronnement, au sens large, sur des bases rationnelles et objec-tives, ce qui est le propre de toute approche scientifique. Lesgrandeurs telles que masse, volume, concentration sont néces-saires à la compréhension des données sur la pollution. Desnotions liées aux états physiques de la matière et leurschangements selon les conditions de température sont indis-pensables à la compréhension de nombreux phénomènesnaturels et d’applications domestiques ou industrielles. Desactivités expérimentales menées conjointement à l’utilisationde modèles microscopiques de la matière permettentd’appréhender la notion de pureté, ou de comprendre lephénomène de dilution. La notion - difficile - de conservationde la matière est à la base d’une analyse rationnelle de ques-tions d’environnement, comme le tri intelligent des déchets etle recyclage des produits, par exemple.Elles permettent, d’autre part, d’amener les élèves à un comportement responsable du fait d’une compréhensionscientifique de la nature des enjeux : ne pas brûler n’importequoi, ne pas jeter n’importe quoi n’importe où, en particulierà l’évier ou dans l’atmosphère. Ce comportement ne doit passe limiter au respect d’interdits. Il doit aussi être positif entermes de décision et d’action : se renseigner sur lespropriétés de tel ou tel produit, en particulier sur sa nocivité,le manipuler avec les précautions requises, opérer un tri

sélectif des déchets, vérifier qu’une source électrique ne pré-sente pas une tension dangereuse, etc.Le professeur peut puiser dans le domaine de l’environnementde nombreux exemples pour illustrer son cours. Il est évidem-ment intéressant de faire le lien entre les activités de classe etl’environnement local ou plus éloigné de l’élève : la maison,les moyens de transport, les activités agricoles, artisanales ouindustrielles, le climat, etc. Des données locales sur la pollu-tion de l’eau ou de l’air et sur les procédés de purificationadaptés peuvent être analysées, au moins en termes deconcentrations et de possibilités d’actions sur celles-ci. L’étudedes combustions permet de faire le lien avec l’utilisationcorrecte des moyens de chauffage, mais aussi avec les incen-dies de forêt et les moyens de les maîtriser. L’étude des chan-gements d’état de l’eau permet d’aborder la formation des précipitations, question évidemment sensible dans les zonesinondables ou menacées par le risque d’avalanches. Le programme permet d’illustrer quelques questions de météoro-logie (voir le document consacré à ce thème). Des visites d’entreprises, comme les stations d’épuration, par exemple,peuvent également être organisées avec grand profit dès lecycle central du collège.Ces différents thèmes liés à l’environnement fournissent desoccasions privilégiées de travail interdisciplinaire.Ainsi, la référence permanente au cadre de vie quotidien est,d’une part, une bonne façon de faire émerger progressive-ment les concepts de sciences physiques et, d’autre part, unélément indispensable de la formation du citoyen.

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4ePhysique - Chimie14

CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES

II - Physique-chimie et français

L’enseignement de physique-chimie doit développer chezl’élève des compétences transdisciplinaires. Il constitue notam-ment un champ d’application des méthodes acquises en fran-çais : l’élève doit apprendre à s’exprimer et à structurer sonjugement. Les activités en physique-chimie peuvent et doiventcontribuer au développement de la maîtrise de l’expressionaussi bien orale qu’écrite.

Au collège, en classe de français, l’élève apprend à maîtriserprogressivement les formes de discours :– La narration abordée en 6e est approfondie en classes de5e et de 4e en y intégrant la description.– L’argumentation, repérée dans les programmes dès laclasse de 6e n’est véritablement étudiée qu’en classe de 3e.La connaissance de ces éléments est indispensable au profes-seur de physique pour que professeur et élèves utilisent lemême langage. Une collaboration entre les professeurs des

deux disciplines est souhaitable et certaines activités expéri-mentales seront d’excellentes activités-supports de narration etd’argumentation. Les exemples ci-dessous peuvent être utilisésau moment opportun ; la démarche est valable sur l’ensembledes classes du collège. Les phrases en italique correspondentà ce que le professeur peut attendre de l’élève. Deux notionstrès importantes doivent être exploitées par le professeur dephysique-chimie : le schéma narratif et l’utilisation des lienslogiques.

A - Comment utiliser le schéma narratif simple ?•

Cette structure permet de rendre compte de la successionlogique d’événements dans un récit. Elle comporte plusieursétapes nommées en classe de français état initial, agent (ouélément) déclencheur1, état final.

I - Physique-chimie et environnement

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Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 15

ÉTAT INITIALDescription du dispositif et des réactifs (quoi,

où, quand, comment ?)

– Un morceau de fusain est suspendu à unbouchon par une tige métallique.– Un flacon bouché est rempli de dioxygène.– De l’eau de chaux est versée au fond duflacon.

Remarques : – L’utilisation de cette méthode nécessite la schématisation destrois phases, ce qui a pour avantage d’obtenir des récits respectant la chronologie des événements.– En classe de français, les élèves sont habitués à rechercher«l’agent déclencheur». Cet élément est essentiel égalementpour la compréhension d’un phénomène physico-chimique.– Il est recommandé aux élèves d’écrire des phrases à structure simple mais correcte. En particulier, une phrase seraécrite pour chaque détail observé.

B. Comment utiliser les mots de liaisontraduisant des lieux logiques qui unissent des phrases dans une argumentation ?•

• À partir d’un résultat expérimental - l’eau dechaux ne se trouble qu’en présence de dioxyde decarbone - on pourra exprimer :

– la condition :L’eau de chaux se trouble si elle est en présence de dioxydede carbone.– la cause :L’eau de chaux se trouble car (parce que) elle est en présence de dioxyde de carbone.– la conséquence :Du dioxyde de carbone est en présence d’eau de chauxdonc (alors) l’eau de chaux va se troubler.

• Pour l’interprétation d’une manipulation : une première argumentation

À propos d’une autre combustion, l’élève pourra réutiliser letest du dioxyde de carbone.

«AGENT DÉCLENCHEUR»

Le morceau de fusain,porté à incandescence,est plongé dans le flacon de dioxygène.

SUITE DETRANSFORMATIONS

– L’incandescencedevient très vive puis s’arrête.– Un dépôt de buée seforme sur le flacon.

ÉTAT FINALDescription des produits de

la réation

– Le contenu gazeux duflacon trouble l’eau de chaux.– Le fusain ne peut plus y brûler.– Des cendres se sontformées sur le fusain dontle volume a diminué.

Dioxygène

Eau de chaux

Fusain

1. Ou encore : événement ou élément ou facteur, modificateur ou perturbateur.

OBSERVATION

Je constate que ...

le gaz produit parla combustion duméthane avec ledioxygène troublel’eau de chaux.

RELATION AVEC DES

CONNAISSANCESANTÉRIEURES

or je sais que ...

le gaz qui provoque le troublede l’eau de chauxest du dioxyde decarbone.

DÉDUCTION

donc j’en déduis que ...

la combustion duméthane produit dudioxyde de carbone.

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• Lors d’une démarche expérimentale

Deux exemples :

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4ePhysique - Chimie16

UN EXEMPLE EN PHYSIQUE

En courant continu y-a-t’il un sens de branchement àrespecter pour les dipôles ?

Le sens de branchement n’a aucune importance pour lefonctionnement d’un dipôle.

Expérimentation de branchements dans les deux sens avecune lampe, un moteur et une DEL.

Si on inverse le sens du branchement, alors (je constateque) :– l’éclairage de la lampe ne change pas ;– le sens de rotation du moteur change ;– la DEL n’éclaire que pour un seul sens de branchement.

Donc : en courant continu le fonctionnement de certainsdipôles dépend du sens de branchement.

UN EXEMPLE EN CHIMIE

La buée sur les vitres pourrait-elle provenir de l’utilisationdes becs Bunsen ?

La combustion du gaz dans la flamme du bec Bunsenproduit de la vapeur d’eau.

Test : cristaux de sulfate de cuivre anhydre ou verre froidau dessus de la flamme.

- Les cristaux de sulfate de cuivre bleuissent.- De la buée se dépose sur le verre froid.

Donc : la combustion du gaz produit de la vapeur d’eauqui se condense sur les vitres froides.

SITUATION PROBLÈME

FORMULATION D’HYPOTHÈSES

VÉRIFICATION EXPÉRIMENTALE DES HYPOTHÈSES

ANALYSE DES RÉSULTATS

RÉPONSEAU PROBLÈME

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Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 17

A. Compétences documentairesattendues au collège•

Le programme du cycle central précise que «la physique-chimie contribue à l’enseignement du français par la pratiqued’activités documentaires, par l’entraînement à la rédactionde compte-rendus et par l’entraînement à une argumentationutilisant un vocabulaire bien défini».En premier lieu, l’élève doit être capable d’utiliser son manuelde façon raisonnée (utilisation de la table des matières, del’index, par exemple). Cela nécessite un apprentissage,commun aux autres disciplines, de l’utilisation d’un diction-naire et d’une encyclopédie.Par ailleurs, l’élève doit «pouvoir lire un texte simple conte-nant des données et en extraire des informations pertinentes».On attend de l’élève qu’il réalise une recherche parmi unnombre très limité de documents mis à sa disposition au CDIet qu’il les exploite en utilisant un questionnaire.Une collaboration entre l’enseignant de physique-chimie etl’enseignant documentaliste s’impose de façon à être enmesure de mettre à la disposition des élèves, sur un sujetdonné, des documents en nombre suffisant mais passurabondant ; ces documents doivent être accessibles, attrac-tifs et de supports variés, disques optiques (cédéroms) y com-pris.Le rôle souhaité de la part de l’enseignant documentaliste estune assistance à l’élève de nature méthodologique, c’est-à-dire, ne nécessitant pas de connaissances spécifiques dans ledomaine de la physique-chimie. Cette assistance peut consti-tuer en une aide à l’élève pour :– utiliser un «usuel» (dictionnaire, encyclopédie) ;– utiliser une table des matières ou un index ;– se diriger parmi les options proposées par un disque optique ;– effectuer un choix pertinent parmi trois ou quatre ouvragesou documents ;– aborder les aspects formels (non disciplinaires) de la resti-tution demandée.

B. Activités de documentation proposéespar le programme•

Dans la colonne «exemples d’activités» sont proposés diffé-rents sujets d’études documentaires. En voici la liste :

A1 : Le «cycle de l’eau» sur la planète

L’eau en dehors de la Terre

Les marais salants

Traitement des eaux potables et épuration des eaux usées

Histoire du modèle moléculaire

A2 : Atmosphère, composition de l’air, respiration

Pollution atmosphérique

Dioxygène et diazote en dehors de la Terre

Origine biologique du dioxygène, fonction chlorophyllienne

Arômes, comparaison entre arôme naturel et arôme artificiel

Étude de documents sur l’environnement

Des informations relatives à ces divers sujets sont présentéesci-dessous dans les fiches qui constituent la partie thématiquedu présent document d’accompagnement. Comme pourtoutes les activités mentionnées dans la colonne de gauche duprogramme, cette liste n’est ni exhaustive, ni limitative.

C. Des pistes de travail pour les activités de documentation•

• Travail préparatoire réunissant le professeur de physique-chimie et l’enseignant documentaliste :– Quelle est la disponibilité du CDI, par rapport à l’emploi dutemps des élèves ?– Le travail des élèves sera-t-il effectué pendant ou en dehorsdes heures de physique ?– Quels seront les rôles respectifs du professeur, du documen-taliste ?– Quels sont les documents existants et à acquérir ?

• La présentation de l’activité aux élèves :

– Répartition des sujets (libre ou imposé), du travail (individuelou en équipe) – Finalité du travail effectué et restitution prévue : travail surcopie, exposé, exposition– Critères de qualité (durée, plan, simplicité, soin, etc.), à fairedéfinir de préférence par les élèves eux-mêmes– Modalités pratiques du travail au CDI– Éventuellement, travail complémentaire à la maison

• Le travail documentaire proprement dit :

– Cerner le sujet : quels en sont les mots-clés, que sait-on déjàsur la question ? (Les élèves peuvent éventuellement être aidéspar un petit questionnaire annexé à un texte introductif.)– Formuler les thèmes de recherche sous forme de questions– Rechercher les documents, sélectionner les plus pertinents– Trier les informations et les organiser– Réaliser le document destiné à la restitution

III - Physique-chimie et activités documentaires

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D. Un exemple de travail sur document•

Ici, le document est fourni à l’élève : il ne s’agit donc pasd’une recherche documentaire, mais bien d’un travail surdocument. Ce travail se présente sous la forme d’un question-naire.Le travail sur document écrit, s’il est probablement moinsattrayant que celui sur vidéogramme, est cependant très utilepour préparer l’élève à la lecture attentive et critique de jour-naux, magazines, notices ou modes d’emploi, par exemple.Ce travail peut être demandé en introduction d’une leçon,pour créer une «accroche» ; il peut également être utilisé enapprofondissement.Le document doit toujours être judicieusement choisi par le

professeur : il doit évidemment être en rapport avec la partiedu programme traitée, apporter un éclairage intéressant surcelle-ci, et être rédigé dans un style simple et accessible auxélèves (cela ne veut pas dire que l’article doive être parfait :une analyse critique peut être très constructive).

Le document présenté ici a été choisi pour son intérêt dans lecadre de l’éducation à la sécurité.

Les questions proposées attendent des réponses qui serontapportées :

– soit par le texte (niveau 1) ;

– soit par une recherche (niveau 2). (Il conviendra deproposer aux élèves quelques références de documents enliaison avec le documentaliste.)

Document fourni aux élèves•

DES CHANTEURS ET DES SPECTATEURS INTOXIQUÉS : ATTENTION AUX CHAUFFAGES DÉFECTUEUX

Le concert de ce vendredi soir, dans la salle des fêtes de Becqueville, était destiné à financer le foyer. Mais, à la fin du spectacle, plus de quarante chanteurs et spectateurs ont ressenti des vertiges, des maux de tête, ou ont éprouvé une certainetorpeur, ou encore ont eu des vomissements. Vingt personnes ont dû être hospitalisées pendant quelques heures. On penseque le malaise est dû aux émanations du système de chauffage au gaz, constitué de grilles infrarouges alimentées par unebouteille de butane. Les enquêteurs examinent actuellement la conformité de ce matériel aux normes de sécurité.Bien souvent, le responsable de ce genre d’intoxications est le monoxyde de carbone. Ce gaz sournois, inodore et incolore,est produit par une combustion incomplète. Cela se produit lorsque l’appareil de chauffage est mal réglé, ou que les locauxsont mal ventilés, par exemple quand des gens imprudents bouchent des trappes de ventilation dans leurs cuisines. Qu’ils’agisse de chauffages au charbon, au fioul ou au gaz, l’accident est possible.Le monoxyde de carbone, lorsqu’il pénètre dans les poumons, se fixe sur l’hémoglobine du sang, ce qui fait que celui-ci nepeut plus transporter l’oxygène aux organes vitaux que sont le cœur et le cerveau. Ce gaz pervers est responsable de la mortde plusieurs centaines de victimes et de l’hospitalisation de plusieurs milliers de personnes chaque année.

(D’après un article de presse)

NOTA : Il convient évidemment de respecter la législation sur les droits d’auteurs pour la diffusion de tels documents.

Niveau 1 :– Quels ont été les symptômes de l’intoxication ? (réponse :des vertiges, une torpeur, des maux de tête, des vomisse-ments)– Quel était le combustible utilisé ? (le gaz butane)– Est-ce le seul combustible dont la combustion peut présenterun danger ? (sont cités: le charbon, le gaz, le bois, le fioul)– Comment s’appelle le gaz responsable de l’intoxication ? (lemonoxyde de carbone)– Pourquoi est-il qualifié de «sournois» ? (il est incolore etinodore)– Dans quelles conditions ce gaz risque-t-il d’être produit ?(appareils mal réglés, pièces peu ventilées, trappes d’aérationbouchées)

– Pourquoi ce gaz est-il dangereux pour l’organisme ? (parceque les organes vitaux ne sont plus alimentés en dioxygène)– Combien ce gaz fait-il de victimes chaque année ? (plusieursmilliers d’intoxiqués, plusieurs centaines de décès)

Niveau 2 :– La formule du monoxyde de carbone est CO. Est-ce logiqued’après son nom ?– Recherchez dans votre cuisine le nombre et l’emplacementdes grilles d’aération.– Quels commentaires faites-vous sur le nombre de victimeschaque année ?

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Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 19

Manipulation

Professeur ou élève

Objectifs

Mettre en évidence la présence de dioxyde de carbone dansune eau minérale.Faire une étude quantitative du phénomène.

Matériel

Manipulation professeur : - 1 récipient - 1 thermoplongeur220 V, environ 200 W - 1 thermomètre - 1 éprouvette - 1 tubeà dégagement muni d’un bouchon - éventuellement un agita-teur magnétique - 1 cristallisoir - 1 balance.

Manipulation élève : - 1 tube à essai à dégagementlatéral - 1 bouchon adapté - 1 tube souple adapté - eaude chaux.

PARTIE THÉMATIQUE

A1 - L’EAU DANS NOTRE ENVIRONNEMENT

(classe de 5e)

E1. Dégazage d’une eau minérale pétillante

Schéma de montage

Points qui mérite une attention particulière Il n’y a pas de problème particulier, les problèmes éventuelsproviennent de l’étanchéité du montage, de sa stabilité. Dansle cas du chauffage, il faut limiter la température du bain pourlimiter l’évaporation trop grande de l’eau gazeuse.

Durée La manipulation professeur peut prendre quinze minutes, une

fois le matériel installé. Celle des élèves est courte, une fois lesgroupes équipés.

RésultatsÀ froid, on arrive à extraire 220 cm3 de gaz, et on observeune perte de masse de presque 0,4 gramme. À chaud, pourdes températures de l’ordre de 60°C, on arrive à extraire100 cm3 supplémentaires. Au total, on arrive à 320 cm3 pourune bouteille de 20 cL. La perte de masse est de 0,7 grammece qui est à peu près en accord avec les résultats attendus (la masse de 1 litre de dioxyde de carbone dans des condi-tions ordinaires est de 2 grammes environ).

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Schéma de montage

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4ePhysique - Chimie20

Manipulation

Groupe d’élèves

Objectifs

Suivre un protocole expérimental.Mettre en œuvre une technique de séparation de constituants.

Matériel

Par groupe d’élèves :– un bocal à confiture dont le couvercle est muni d’un systèmede pinces (à dessin, crocodile, etc.)

– un agitateur fin par équipe

– des bandes de papier filtre environ de 5 cm par 15 cm (suivant la taille du bocal !)

– 3 colorants alimentaires marque «Vahine», vendus engrande surface par blister de trois tubes : Jaune : E102(Tartrazine), Rouge : E122 (Azorubine), Vert : mélange de Jaune et de Bleu E131 (dit «Bleu patenté»)

– Préparer éventuellement avant la séance un 4ème tube decolorant marron en les mélangeant dans les proportions suivantes : 1 volume de Vert + 3 volumes de Rouge + 1 volumede Jaune.

– On peut comparer la migration des colorants Jaune - Vertou Marron - Jaune - Rouge ou d’autres combinaisons.

E2. Séparation de colorants alimentaires par chromatographie1

Points qui méritent une attention particulière

L’espace entre le niveau de l’eau et celui des colorants doitêtre suffisant pour éviter une migration trop importante vers lebas (évitez que l’eau ne touche les taches). Sortir la bande depapier filtre avant que l’eau n’atteigne le haut de la bande.

Durée

Observer la migration des colorants durant une dizaine deminutes

Points essentiels à voir :

Résultats

On observera des vitesses de migration différentes pourchaque colorant. La vitesse du rouge est la plus faible, celledu jaune est intermédiaire. Le marron fait apparaître 3 colo-rants distincts, le rouge, le jaune, le bleu ; ce dernier migre le plus rapidement.

1. A. Robert et l’équipe académique Orléans - Tours.

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Matériel

Support : 2 plaques de bois 15 cm x 50 cm assemblées en Tet fixées par 6 vis.Ballon : 1 ballon de 100 mL ou équivalent, 1 résistancebobinée de 5,6 ohms (5 watts minimum), 1 bouchon n° 4, dufil électrique et 2 douilles châssis, 1 thermomètre, 1 tube deverre 4 mm coudée.Réfrigérant :– 1 morceau de 20 cm de tuyau plastique diamètre intérieur14 mm (corps du réfrigérant)– 2 rivets diamètre intérieur 4 mm, et du tuyau plastique 4 mmpour l’écoulement du réfrigérant (2 x 60 cm)– 2 bouchons n° 1 pour obstruer le corps du réfrigérant– 2 colliers de serrage type plomberie pour fixer solidementl’ensemble au support.

Montage

Support : Il n’y a pas de difficulté particulière ; il faut penserà ménager une «fenêtre» dans une plaque pour pouvoir «pla-quer» le col du ballon contre le support et ainsi le maintenirpar un collier.Ballon : ce montage utilise comme moyen de chauffage une

résistance électrique bobinée et vitrifiée de 5,6 ohms.Alimentée en 12 volts alternatifs, la valeur de l’intensité estégale à 2,1A ; une alimentation classique (12V, 5A) est doncsuffisante. On peut essayer des valeurs de R inférieures à 5,6ohms avec prudence. Durant le chauffage, veiller à maintenirla résistance dans le liquide.Dans ces conditions, un volume de 70 mL de vin a été portéà ébullition en 15 min.On peut légèrement réguler le chauffage avec les positions 6et 12 Volts de l’alimentation.Réfrigérant : on trouve les tubes en grandes surfaces.On peut utiliser le tube de 14 mm sans circulation en leremplissant d’eau avant l’expérience. On peut aussi intro-duire «en force» 2 rivets de 4 mm en perçant par chauffagele tube de 14 mm et y adapter 2 tuyaux de 4 mm pour lacirculation du réfrigérant. On a alors un appareillage àdistiller complet.

Le microfourIl existe une variété de matériel qui permet de chauffer depetites quantités de liquides (l’équivalent du volume d’un tubeà essai) et de réaliser un certain nombre d’expériences courantes (changement d’état de l’eau, évaporation, distilla-tion, etc.) de manière efficace grâce à une résistance chauffante.

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 21

Manipulation

Élèves ou professeur

Objectifs

Permettre de réaliser les expériences essentielles du programme en utilisant différents moyens de chauffage élec-trique.

Dispositifs

On peut utiliser différents outils suivant les contraintes impo-sées par la situation pédagogique, les moyens financiers oule temps disponibles.

1. Thermoplongeur (professeur) - Plaque chauffante -Chauffe-ballon

Ce matériel permet de chauffer des quantités de liquides rela-tivement importantes. Il est disponible dans toute maison dematériel pédagogique, leur emploi est classique.

2. Mini montage à distillation avec résistance électrique dechauffage

Le professeur réalisera un montage pratique et efficace destiné à être utilisé par les élèves. Il demande un peu detemps pour sa réalisation et peu de moyens financiers. Envoici le dispositif :

E3. Divers moyens de chauffage électrique comme substitution partielle au chauffage par le gaz

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Ce type de manipulation ne vient pas se substituer aux relevésmanuels. L’élève doit d’abord être initié à des relevés manuelset aux tracés de graphiques sur papier. Il faut notamment queces activités préparatoires aient amené les élèves àcomprendre que, sur les graphiques obtenus, l’écoulement dutemps est représenté sur l’axe horizontal et une grandeurphysique sur l’axe vertical.Quand on utilise l’ordinateur, il est essentiel de faire comprendre que cet outil n’intervient que pour l’acquisition etle traitement, la mesure proprement dite restant faite par unorgane, dit capteur, externe à l’ordinateur. L’intérêt de l’emploi de l’ordinateur devient évident quand onest amené à répéter systématiquement des acquisitions dansdes conditions différentes ou pour différentes substances (Voirla fiche E5).Dans tous les cas, il faut prendre le temps nécessaire pour quel’élève ait bien compris que ce qui est représenté sur l’écranrésulte d’une série de mesures et non d’une simulation.Remarque : ces activités sont l’occasion de rencontrer les températures de fusion de la glace et d’ébullition de l’eau. Àla pression ambiante et au voisinage du niveau de la mer, cestempératures, exprimées en degrés Celsius, sont voisines de0°C et 100°C. Le 0 et le 100 étaient les points de référenced’une ancienne échelle, dite centésimale. L’actuelle échelleCelsius, très peu différente dans la pratique2, est définie àpartir de l’échelle thermodynamique (ou Kelvin) par unetranslation de 273,15 K.

Manipulation

Professeur

Objectifs

Étude du refroidissement (congélation de l’eau), de l’échauf-fement (fusion de la glace)Étude d’un changement d’étatTempérature de congélationNotion de corps pur

Matériel

Plusieurs organismes de vente de matériel pédagogique proposent du matériel d’acquisition. On trouvera en généralla composition suivante :– 1 micro–ordinateur équipé d’une carte d’acquisition et deson logiciel d’exploitation ;– 1 sonde thermométrique ;– 1 boîtier de liaison extérieur permettant le couplage (sonde–micro–ordinateur).

E4. Étude assistée par ordinateur de la congélation / fusion de l’eau1

Points méritant une attention particulière

– Disposer l’élément sensible de la sonde à environ 1 cm dufond du tube, au centre du liquide (éviter les contacts avec lesparois du tube).

– Préparer le mélange réfrigérant peu de temps avant le débutde l’expérience.– Faire attention à ne pas avoir un refroidissement ni tropbrutal («palier» trop court), ni trop lent («palier» trop long,congélation incomplète).

Schéma du montage pour la congélation de l’eau

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Durée

L’ensemble de la manipulation dure un peu moins de 10minutes, une fois le montage installé et les réglages effectués.

Résultats

On peut obtenir les résultats sous forme de tableaux ou degraphique à faire exploiter par les élèves. Voici un exemplede graphique :

On fera noter l’évolution de la courbe «température», la présence d’un palier de changement d’état et sa valeur 0°Celsius. Ces données peuvent être consignées sur une fiched’identité de l’eau.Notion de corps pur : on pourra noter, suivant la place de lamanipulation dans la progression pédagogique, que l’eau,corps pur, possède un palier de congélation (de même, unpalier de fusion), mais que le fait de posséder un palier dechangement d’état constant pour une «substance» n’est pasun critère suffisant pour affirmer que celle-ci est un corps pur(voir la fiche suivante). Il faudra cumuler un ensemble de critères (Cf. fiche d’identité)pour pouvoir l’affirmer.

Schéma du montage pour la fusion de la glace

Points qui méritent une attention particulière

– La manipulation peut être réalisée après celle de la congé-lation.– Le point délicat est de ne pas provoquer un réchauffementtrop brutal de la glace (à l’air libre ou/et avec les doigts).

Durée

L’ensemble de la manipulation dure un peu moins de 10minutes.

Résultats

On peut obtenir les résultats sous forme de tableaux ou degraphique à faire exploiter par les élèves. Voici un exemplede graphique :

On fera noter l’évolution de la courbe «température», la présence d’un palier de changement d’état et sa valeur 0°Celsius. Ces données peuvent être consignées sur une fiched’identité de l’eau.

1. G. Leriche, A. Robert et l’équipe académique d’Orléans - Tours.

2. À titre d’exemple, sous la pression, dite normale, de 101 325 pascals, lesplus récentes déterminations de la température d’ébullition de l’eau donnent99,974°C.

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E5. Courbes de congélation–fusion de différentes substances

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Dans la partie du programme A1, plusieurs activités sont destinées à l’étude des solutions et une nouvelle grandeur estprésentée : la concentration massique. Sa compréhensionrelève des mêmes difficultés que celles rencontrées pour lamasse volumique. Les quelques remarques ci-dessous ontpour but de préciser certains points utiles pour présenter cettenouvelle notion et l’utiliser dans l’interprétation des manipula-tions.

• La valeur de la concentration massique d’unesolution doit pouvoir être exprimée clairement de trois façonsdifférentes. Par exemple, une solution aqueuse de sel deconcentration massique 2g/L signifie :– La masse de sel dissous dans 1 L de cette solution est 2 g.– Le volume de cette solution qui contient 2 g de sel est 1 L.– Le rapport entre la masse de sel dissous (en g) dans cettesolution et le volume corespondant de solution (en L) est 2.Les solutions ci-dessous ont la même concentration massique.

Il sera donc possible de comprendre certaines applicationspratiques sans se perdre dans des calculs. a) Préparer un volume quelconque d’une solution de concen-tration massique donnée.Exemple : préparer 1 dL de solution à 3 g/L

b) Prévoir le volume de solution saline de concentration mas-sique donnée pour obtenir une masse donnée de sel.Exemple : quel volume de solution saline à 30 g/L doit-onfaire évaporer pour obtenir 100 g de sel ?

c) Déduire la masse de sel dissous dans un volume de solutionde sel de concentration massique donnée.Exemple : quelle est la masse de sel contenue dans 2 L desolution de concentration massique 20 g/L ?

• La variation de la concentration massiquea) Variation du volume de solvant d’une solution de concen-tration massique donnéeLa masse du soluté ne change pas, mais le volume de la solu-tion change.

b) Variation de la masse de soluté (on ne pourra qu’aug-menter la masse, l’augmentation de volume étant très faible.)

La masse de soluté augmente mais le volume de solvant reste lemême. La concentration massique augmente.

La concentration massiqueaugmente : la solution

devient plus concentrée.

Application : les maraissalants (voir fiche D2)

La concentration massiquediminue : la solution devient

plus diluée.

Application : dilution d’unesolution aqueuse en ajoutant

de l’eau pure

D1. Concentration massique d’une solution

Le volume diminue. Le volume augmente.

2g 3g 4g 5g

1L 1L 1L 1L

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Vocabulaire : Sel, marais salant, salin, saline, salinité, saumure. Certains lieux doivent leur nom au sel : en France, Salies deBéarn, en Autriche, Salzburg, ...

Historique :Depuis la préhistoire, le sel de la mer est récolté par leshommes :– en jetant de l’eau de mer sur des feux de bois ;– en faisant bouillir de grandes marmites d’eau de mer ;– en versant de l’eau de mer dans des plats d’argile laissés àsécher au soleil (méthode utilisée notamment par les gaulois).Les premiers marais salants ont été inventés par les romainssur le pourtour de la Méditerranée. À partir du VIe siècle, leLanguedoc, la Provence, la Sardaigne deviennent des producteurs de sel. Des salins développés dans ces régions àpartir de cette époque, sont toujours en activité.Sur la côte atlantique, presqu’île de Guérande notamment, detrès nombreux marais salants occupaient au Moyen Age unesurface importante et dominaient même au XIVe siècle lemarché de l’exportation vers l’Europe du Nord et laScandinavie (commerce hanséatique). Actifs jusqu’au XVIIIe

siècle, leur production s’est réduite depuis dans des propor-tions considérables (faibles rendements, modernisationimpossible).

Description

Un marais salant est constitué de bassins artificiels d’évapo-ration dans lesquels l’eau de mer est admise et parcourt unlong trajet au cours duquel elle s’évapore sous l’action du ventet du soleil. Il permet la production de «sel de mer».

Remarque 1 : Dans ce que l’on appelle une saline, le sel esten revanche obtenu par évaporation à l’aide d’une source dechaleur artificielle.

Remarque 2 : Il existe quelques marais salants évaporant dessaumures d’origine terrestre et produisant du «sel solaire».

Les deux phases de production de sel cristallisé par évapo-ration naturelle :– la concentration de la saumure jusqu’à la saturation (260g/L de chlorure de sodium pour l’eau de mer) ;– la cristallisation du sel à partir de la saumure saturée.

Composition de l’eau de mer

Salinité de l’eau des mers, en moyenne 3,5 %, en masse, ou35 g/L de chlorure de sodium soit une densité de 1,026, dansles océans. La salinité varie de 3,36 % à 3,68 %, valeurdépendant des apports d’eaux douces (pluies, fleuves) ou del’effet de concentration dû à l’évaporation, plus marqué dansle cas des mers fermées (Mer Morte et Mer Baltique étant descas extrêmes).

Les composants les plus importants présents dans l’eau de mersont :– NaCl : 77 g– MgCl2 : 10 g– MgSO4 : 6 g dans 100 g de sels dissous– CaSO4 : 3,9 g– KCl : 2 g

Composition des saumures marines pendant laconcentration et la cristallisation

Pendant l’évaporation, les sels se déposent à des degrés desaturation différents : c’est la cristallisation. Pour l’eau de mer,le premier sel qui est déposé est le sulfate de calcium (CaSO4,2H2O) lorsque la densité de la saumure est 1,109. Lorsque ladensité de la saumure atteint 1,216, le chlorure de sodiumcommence à cristalliser mais presque tout le sulfate de calcium a précipité. La cristallisation est arrêtée lorsque lasaumure atteint la densité de 1,262 (problème de goût du selformé).

Description d’un marais salant moderne

La concentration a lieu sur des «partènements» ou surfacespréparatoires.La cristallisation a lieu sur des «tables salantes» ou surfacessaunantes ou cristallisoirs.Le marais salant ou salin possède aussi des bassins de réservepour stocker des saumures.

Les partènements 90 % de l’eau de mer doivent s’y évaporer donc occupent dessurfaces importantes (jusqu’à 10 000 ha). L’eau de mer doittraverser tous les partènements avant d’arriver aux tablessalantes.

Les tables salantesCelles-ci occupent des surfaces beaucoup plus réduites, deformes régulières, de sol parfaitement nivelé. Le sel se déposeau fond des tables salantes et est récolté en général une àdeux fois par an quand l’épaisseur de la couche est suffisante,de 5 à 20 cm.

Les bassins de réserveIls sont installés pour protéger les saumures des pluies.

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D2. Les marais salants ou salins

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Les facteurs de production

Facteurs naturels : climat, nature et topographie du terrain.L’évaporation de l’eau d’une saumure est due à l’action duvent et du soleil. La vitesse et l’intensité de cette évaporationdépendent de l’humidité de l’air et de la concentration en selde la saumure à évaporer (salins à production permanente ouà production saisonnière).

Récolte du sel

À n’importe quel moment de l’année dans les régions oùl’évaporation est plus importante que les pluies.Dans les régions à cycle annuel marqué, la date de début derécolte est fixée avec soin.Le sel récolté est déposé en tas ou camelles au bord de latable salante et s’y égoutte. Dans les salins importants, laquantité de sel récoltée par jour peut atteindre 30 000 tonnes.Les marais salants artisanaux de l’ouest de la France : larécolte y est faite à la main sous l’eau. L’exploitant s’appelleun paludier. Le sel est alors caractérisé par une teinte grisâtre(sel moins pur mais dont le goût est apprécié de certains) ; ilest plus riche en sels secondaires autres que NaCl.

Cristal de chlorure de sodium

● ions na +

❍ ions Cl –

arête du cube 0,558 nm

Plan schématisé et simplifié d’un salin

➀ Prise d’eau à la mer➁ Digues➂ Partènements➃ Bassin de réserve de saumure➄ Tables salantes➅ Camelles

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Pourcentage en NaCl et «impuretés» des différents sels (composition en % sur sec)

Sels NaCl «Impuretés»(solubles à l’eau)

Sel gemme 93 à 99,8 de 0,45 à 1,75

Sel de mer 98 à 99,8 de 0,13 à 0,84

Sel ignigène plus de 99,9 de 0,02 à 0,30

Sel gemme : extrait des mines de selSel ignigène : obtenu par évaporation artificielle

(méthode thermique) dans les salines

Composition (ionique) de saumures provenant des océans(quantités en kg pour 100 kg)

Sodium 1,08 Chlorure 1,94

Magnésium 0,13 Sulfate 0,27

Calcium 0,04 Hydrogéno- 0,01carbonate

Potassium 0,04 Bromure 0,01

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Lorsque l’on met en présence deux gaz quelconques, ils semélangent pour donner un gaz homogène, et ce quelle quesoit leur proportion relative. À l’inverse, deux solides cristal-lisés, dont les structures sont bien établies et rigides, ne peu-vent «fusionner» (sauf dans des cas exceptionnels). Entre cesdeux cas limites, les mélanges de deux liquides conduisent àdes situations intermédiaires.

Observations expérimentales

On ne prend en compte ici que des liquides ne pouvant impli-quer des réactions chimiques entre eux. De nombreux liquidespeuvent se mélanger entre eux en toute proportion pourconduire à un liquide homogène ; c’est le cas de l’eau et del’éthanol. Au contraire, on peut trouver des liquides absolu-ment non miscibles (on dit aussi immiscibles), comme parexemple l’eau et l’huile. Lorsque l’on mélange de l’huile à del’eau, l’huile moins dense surnage et forme une coucheexempte d’eau. Si l’on agite vigoureusement ce mélange hété-rogène, les deux liquides tendent à nouveau à se séparer. Ilne s’agit pas d’un problème de différence de densité ; eneffet, lors du mélange de deux liquides de même densité(comme la silicone et l’eau salée), on observe des gouttes desilicone flottant dans l’eau en situation d’«impesanteur».Intermédiaire entre ces deux situations extrêmes (miscibiliténulle ou totale), on peut observer une «démixtion» partielle,comme, par exemple, dans le cas du mélange eau/isobu-tanol. La miscibilité totale entre ces deux liquides n’est pos-sible que pour certaines proportions, celles-ci dépendant dela température. Pour le mélange eau/isobutanol, à 20° C, lamiscibilité est totale (mélange homogène) pour une propor-tion inférieure à 4 % en masse d’isobutanol, ou supérieure à89 %. Entre ces valeurs, le mélange est hétérogène (on ditqu’il y a «démixtion») et les liquides se déparent en deuxcouches. Pour une température supérieure à 130° C, lesliquides sont toujours totalement miscibles (quelle que soit leurproportion) (Cf. figure ci-dessous).

Diagramme d’équilibre eau / isobutanol

Au dessus de la courbe, le mélange est homogène.

Interprétation : lien entre structure et miscibilité

Il est possible, par une approche qualitative du phénomène,d’établir une corrélation entre la structure des molécules et lamiscibilité des liquides. À l’état liquide, les molécules sontrelativement désordonnées de telle façon qu’il est possible deremplacer certaines d’entre elles par d’autres de structure différente sans que l’édifice global soit profondément modifié.Ce remplacement se fait avec d’autant plus de facilité que lesdeux types de molécules ont des formes et des dimensionssimilaires ; ce qui est en fait déterminant, c’est que les forcesdéveloppées entre ces deux types de molécules soient denature et d’intensité comparables. Si ces conditions sont respectées, un mélange homogène entre ces deux types demolécules est susceptible de se faire. À l’inverse, une assem-blée de molécules ayant beaucoup plus d’affinité pour elles-mêmes que pour des molécules de structure différenten’«accepte» qu’une petite proportion de ces molécules, voireaucune. La miscibilité des liquides est alors nulle ou limitéepar les proportions de chaque liquide. À plus haute tempéra-ture, le désordre de l’agencement des molécules augmente dufait de l’agitation thermique ; il est alors possible à une molé-cule donnée de s’entourer d’un plus grand nombre de molé-cules de structure différente, augmentant ainsi les proportionspour lesquelles la miscibilité est totale.L’eau présente ainsi une certaine affinité pour les moléculespolaires (c’est-à-dire, possédant un moment électrique permanent) comme elle. Elle se mélange en toute proportionà l’éthanol, mais beaucoup plus difficilement au pentanol(CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 OH), ce que l’on peut expliquer parla différence de taille importante entre ces deux molécules.L’eau, polaire, et les hydrocarbures (comme le benzène etl’hexane) non polaires sont presque totalement immiscibles.

1. Les fiches «complément scientifique» C1, C2, C3 et C5 s’inspirent desouvrages suivants :

Chimie I, PCSI collection «Prépa», A. Casalot, Hachette, 1995.

La structure de la matière, J. Guinier, Liaisons Scientifiques, Hachette-CNRS,1981.

La science au présent, collection «Les actuels», Éditions EncyclopaediaUniversalis.

C1. Miscibilité de deux liquides1

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La partie A1 : «L’eau et notre environnement»propose une étude documentaire sur le traitement des eauxpotables et l’épuration des eaux usées. L’eau doit être géréecomme une matière première pour sa quantité mais aussipour sa qualité. Tout citoyen doit respecter l’eau et connaîtreles moyens mis en œuvre pour la protéger. Une étude docu-mentaire pourra être utilement complétée par la visite d’unestation. Elle permettra aussi le développement d’activités avecles enseignants des Sciences de la Vie et de la Terre.

Eau brute et eau potable

En France, chaque habitant consomme quotidiennement 150litres d’eau douce. Mais, cette eau douce ne représentequ’une très faible proportion des réserves d’eau de la planète,même si on comprend dans ces réserves les glaces difficile-ment accessibles de l’Antarctique et du Grœnland.L’approvisionnement des réserves d’eau douce est assuré parles précipitations atmosphériques. L’eau, par ruissellement oupar infiltration, alimente les réserves de surface ou lesréserves souterraines. Les analyses de différents paramètres

de ces eaux permettent d’en déduire si elles sont potables(propres à la consommation humaine) ou si elles nécessitentun traitement pour le devenir. Le décret du 3 janvier 1989 duministère de la Santé définit les limites de qualité des eauxdestinées à la consommation humaine. Voir exemple(tableaux et schéma ci-après).

Eaux usées - qualité des eaux de rivière

Les eaux douces et notamment les eaux courantes de nos ruis-seaux et de nos rivières constituent des milieux naturels composés d’un milieu vivant (végétaux et animaux) : la biocénose, évoluant dans un milieu que l’on peut caractériserpar des paramètres physico-chimiques : le biotope. Cetensemble désigné sous le nom d’écosystème fonctionne touten respectant certains équilibres entre les deux milieux (vivantet non vivant). Lorsque cet écosystème aquatique est modifié,il y a pollution.À partir des paramètres physico-chimiques et hydrobiolo-giques, on peut attribuer à la rivière une classe de qualité quipermet d’évaluer son degré de pollution.

Paramètres organoleptiquesOdeur - Saveur - Couleur - Turbidité

Une eau trouble contient des matières(perceptibles par les organes des sens) en suspension (MES)

Paramètres physico-chimiques température 25°CpH entre 6,5 et 9duretéions chlorures 250 mg/Lions sulfates 250 mg/Lions sodium 150 mg/Lions magnésium 50 mg/L

Substances indésirables ions nitrates 50 mg/Lions nitrites 0,1 mg/Lfer 0,2 mg/Lcuivre 1 mg/L…

Substances toxiques Arsenic, Cadmium, Plomb, Mercure… Limite 0

Paramètres microbiologiques L’eau ne doit pas contenir d’organismes pathogènes.

STATION DE PRODUCTION D’EAU POTABLE : LE TRAITEMENT DES EAUX BRUTESDans le cas d’une eau d’origine souterraine (meilleure protection vis-à-vis des pollutions), le traitement peut être simplifié mais, dansle cas d’une eau de surface, il doit être complet.

D3. Protection et gestion de l’eau1

La dureté d’une eau est liée à la présencedes ions calcium et magnésium. Une eautrès dure s’oppose au moussage du savon.

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La qualité des eaux de rivière dépend en partie des rejets deseaux usées domestiques et des eaux industrielles. L’eaucontient du dioxygène dissous à l’état moléculaire ; saprésence est vitale pour la faune (aérobie) et la flore. Desrejets d’eaux usées contenant des substances organiques vont,par exemple, accélérer l’activité bactérienne ; la consomma-tion de dioxygène augmentant, sa concentration diminuera.L’apport de substances nutritives (nitrates, phosphates)entraîne une prolifération des plantes aquatiques dans les lacset rivières lentes (eutrophisation). Des rejets de substancestoxiques modifieront aussi la composition physico-chimiquede l’eau et sa qualité. Lorsque la quantité de matières pol-luantes n’est pas trop importante, l’auto épuration, qui est

essentiellement une oxydation, agit (organismes vivants dansle milieu aquatique oxygéné) mais elle est limitée.Pour protéger les eaux il est donc indispensable de collecterséparément les eaux pluviales et les eaux usées. Ces dernièressont dirigées par un réseau d’égouts vers une station d’épu-ration pour y être traitées avant d’être rejetées dans le milieunaturel.

TamisageDégrillage

Floculation Décantation Filtration Désinfection

Élimination des corpsflottants et des particulesen suspension

Maille des tamis : 0,5 à2 mm

Élimination des matièresen suspension, desalgues et des particulescolloïdales

Une solution diluée desulfate d’alumine provo-que la coagulation desparticules et la forma-tion de flocons.

Élimination : floconsplus denses que l’eau.Élimination des bouesformées

L’eau coule doucementdans un long bassin dedécantation.

Élimination derniersflocons et particules

Filtre sur lit de sable fin(0,8 à 1,5 m d’épais-seur.

Filtre sur charbon actif

Élimination : germespathogènes

Chloration : injectiond’eau de Javel ou dechlore.

Ozonation : 1 à 4 mg/L

Traitement primaire

Élimination des matières en suspension(déchets, sable, etc.) ainsi que des huiles

– Dégrillage (gros déchets)– Tamisage (déchets plus fins)– Dessablage (terre, sable) – Déshuilage (huiles récupérées par flotta-tion)

– Décantation primaire

Traitement secondaire

Élimination des matières minérales ou orga-niques en solution dans l’eau

– Épuration biologique dans des bassinsbien oxygénés et riches en bactéries : trans-formation des matières organiques biodé-gradables par les cultures bactériennes.

– libres dans les boues activées– fixées dans les lits bactériens– décantation secondaire

– Traitement physico-chimique– floculation– centrifugation, filtration

Traitement des boues

Transformation en matières inorganiquesstables

– Stabilisation sous l’action de micro-orga-nismes– Déshydratation : diminution de volume

– Incinération

– Utilisation comme engrais agricole

LA STATION D’ÉPURATION DES EAUX USÉES

1.Cette fiche est basée sur des documents professionnels. Sa rédaction a, parailleurs, bénéficié des remarques du Groupe de Travail Disciplinaire deSciences de la Vie et de la Terre.

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Qui s’occupe de l’eau ? La gestion de l’eau est organisée en Agences de bassins hydrographiques : les Agences de l’eau. Lecontrôle de la qualité des eaux par l’État est exercé par le préfet avec le concours de la Direction Départementale des AffairesSanitaires et Sociales pour les eaux distribuées.

SCHÉMA SIMPLIFIÉ D’UNE STATION D’ÉPURATION DES EAUX USÉES

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La notion de molécules, constituants de la matière sous sesaspects les plus variés, est l’une des plus anciennes que lapensée rationnelle ait conçues pour expliquer le monde quinous entoure.

Elle apparaît chez les premiers philosophes grecs, au VIe

siècle avant notre ère, donc bien avant que la chimie existe entant que science. Néanmoins, ce n’est qu’à une époque rela-tivement récente, fin XIXe siècle - début du XXe siècle, que lathéorie moléculaire s’est imposée définitivement.Dès l’antiquité, certains philosophes grecs dont Démocriteenseignaient que toute matière est faite de très petites partiesdistinctes. On supposait que ces petites parties étaient iden-tiques et combinées de plusieurs façons différentes, demanière à faire apparaître à nos sens les différences merveilleuses et la variété du monde de la matière ; malheu-reusement, personne n’appuya ces idées par des argumentstrès convaincants. Ce fut ensuite, pendant des siècles, lathéorie - beaucoup plus concrète - des «quatre éléments»(Univers formé à partir de : eau, air, terre et feu) qui eut lapréférence. Ces éléments étaient supposés porteurs des propriétés physiques fondamentales. Le ou les systèmesconstitués à partir d’eux sont des systèmes prétendant expli-quer non seulement la structure de la matière et ses transfor-mations mais aussi, tout l’Univers. Platon, puis Aristote, ontajouté un cinquième élément : l’éther supposé être le consti-tuant du monde céleste (le mot signifiant «air pur»).

Bien que fortement réfuté dès la Renaissance, le système desquatre éléments persiste comme base des interprétations chimiques jusqu’au milieu du XVIIe siècle, époque à laquellela chimie commence à naître en tant que science à partentière. Auparavant, certains pratiquaient une discipline àdemi secrète, magique et mystérieuse, voire teintée decharlatanisme appelée alchimie et rassemblant une foule deprocédés empiriques parfois très anciens constitués detechniques de fabrication de diverses substances utiliséesdans le travail des peaux, des couleurs, des métaux et enpharmacopée. Parce que ces praticiens souhaitentcomprendre les transformations qu’ils obtiennent, ne serait-ce que pour améliorer leur efficacité, ils tentent de proposerdes explications de ces processus empiriques. N’ayant pas àleur disposition les concepts, théories et méthodes néces-saires, ils laissent libre cours à leur imagination et cèdentsouvent au goût du merveilleux, voire à la cupidité.

Les premières décennies du XVIIIe siècle voient apparaître lathéorie du phlogistique conçue par le savant allemand,Joachim Becher et son compatriote le médecin Georg ErnstStahl (1660-1734). Le phlogistique est, en quelque sorte, àla fois la matière et le «principe» du feu, lequel était consi-déré comme une substance en soi. Ainsi, on croyait qu’unmétal était un corps composé ; quand il brûlait (s’oxydait,dirions-nous aujourd’hui), on pensait qu’il abandonnait unepartie de lui-même - celle qui brûlait - qui était le «principecombustible» ou «phlogistique» en donnant ce que l’on nom-mait alors de la «chaux» (c’est-à-dire un oxyde). À l’inverse,pour obtenir du métal à partir d’une «chaux», on admettait

qu’il suffisait de lui ajouter un corps riche en phlogistique (ducarbone, par exemple). À cette époque, les savants obser-vent et expérimentent beaucoup, souvent avec talent. Les tra-vaux de Lavoisier (fin XVIIIe siècle) marquent une nouvelleavancée vers une science quantitative et rationnelle, prati-quant l’usage systématique de la balance et feront dispa-raître progressivement le concept du «phlogistique». C’estpeu après (première décennie du XIXe siècle) qu’apparaîtégalement la première hypothèse moderne concernant laconstitution atomique de la matière. Néanmoins, le modèleatomique aura de sérieuses difficultés à s’imposer et ce seraseulement à la fin du XIXe siècle que la réalité atomique et lathéorie moléculaire ne feront plus aucun doute dans lemonde des chimistes.

Tout au long du XIXe siècle, le modèle moléculaire parvient àrendre compte d’un nombre de faits expérimentaux de plusen plus grand. Par ailleurs, à partir du milieu du siècle, oncommence à évaluer l’ordre de grandeur des dimensions desmolécules (de quelques dixièmes de nanomètre à quelquesnanomètres).

Déjà, dès 1865, le physicien autrichien Loschmidt, en étudiantla diffusion des gaz et la valeur du libre parcours moyen, adonné une première évaluation du nombre des atomescontenus dans une quantité donnée de matière. On désignesous le nom de nombre de Loschmidt le nombre (2,685.1019)de molécules existant dans 1 cm3 de gaz pris à 0°C et sousla pression atmosphérique normale. Enfin, tout au long dusiècle, des résultats concordants obtenus par des méthodesdifférentes viennent peu à peu conforter la théorie molécu-laire.

Au XXe siècle, les multiples progrès scientifiques et techniquesinduisent le développement de nouveaux instruments et denouvelles méthodes d’investigation directes ou indirectes mon-trant l’existence des atomes et molécules, mesurant leursdimensions. Ainsi, dès 1911, Rutherford a imaginé unmodèle d’atome formé d’un noyau central et d’électrons satel-lites situés à de grandes distances. En étudiant la déviation departicules traversant la matière, il a alors pu déterminerl’ordre de grandeur de ces noyaux. Par la suite, l’emploi desrayons X a été et reste une méthode indirecte pour étudier lesatomes avant l’utilisation plus récente du microscope à effettunnel (Cf. ci-après la fiche C3. L’«Observation» de lamatière). Ainsi, il est actuellement possible de dire que tousles atomes, qui constituent les molécules, ont une dimensionde 0,1 à 0,3 nanomètre seulement.

Bibliographie

Collection «Libre Parcours», livre du professeur 5e, Hachette,1978.

L’Histoire des Sciences, Jean Rosmorduc, coproduction CNDP- Hachette Éducation.

Sciences et Vie, no 192 Hors-Série, septembre 1995.

H1. Brève histoire de la théorie moléculaire

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Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 33

Un atome, qu’est ce que c’est ?

1 - Un modèle ?

Caractère a priori

«(...) toute qualité change, les atomes, par contre, ne subis-sent aucun changement.» (Epicure)

«Les molécules sont conformes à un type constant avec uneprécision qui ne se trouve pas dans les propriétés sensiblesdes corps qu’elles constituent.» (Maxwell)

Caractère analogique«(...) je réclame donc le droit d’employer des images méca-niques, et de dresser le tableau à double entrée - imagesmécaniques d’un côté, faits physiques de l’autre - (...)»(Brillouin)

«Et construire des images destinées à la représentation d’unesérie de faits de telle manière qu’elles permettent de prédirele déroulement d’autres phénomènes semblables, c’est bien lepremier objectif de toute science exacte. (...)»

Caractère évolutif

«...restera alors l’espoir que les images pourront être modi-fiées et complétées de sorte qu’elles suffisent à la descriptiondes anciens et des nouveaux phénomènes.» (Boltzman)

Simplicité

«Je ne crois pas qu’aucune idée simple se soit montrée aussiféconde...

Unification (explication et prévision des phénomènes)…et ait permis, par son développement logique, de rattacherl’une à l’autre autant de propriétés distinctes (...)» (Brillouin)

2 - Une réalité ?

«Comment connaissons-nous le monde extérieur, sinon parnos sensations ?» (Ostwald)«Qui a jamais vu (...) une molécule (...) ou un atome ?»(Berthelot)«Jamais en chimie nous ne devons aller plus loin que l’expé-rience.» (Dumas)«Qu’entendons-nous maintenant lorsque nous parlons de laréalité des atomes ? (...) Cette réalité signifie simplement queles atomes sont des objets qui sont doués de la plupart despropriétés de ceux que nous avons ordinairement sous lesyeux» (Pauling)

Références

Histoire de l’atome.Les atomes, Bensaude-Vincent B. & Kounelis C.,1991.Une anthologie historique, Paris, Presses Pocket.

Didactique

Chomat A., Larcher C., Méheut M., modèle particulaire etactivités de modélisation, Aster, 7, 143-184, 1988.Méheut M., enseignement d’un modèle particulaire cinétiquede gaz au collège. Questionnement et simulation, Didaskalia,8, 7-32, 1996.

1.D’après une communication de Mme Martine MEHEUT le 13 mars 1997.

H2. Quelques citations destinées à illustrer l’idée de modèle et son évolution historique1

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Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4ePhysique - Chimie34

L’étude de la miscibilité peut être l’occasion d’observer l’éta-lement d’une goutte d’huile à la surface d’un cristallisoir et derelater l’expérience réalisée en 1774 par Benjamin Franklinqui, déversant sur les eaux calmes d’un étang une cuilleréed’huile d’olive (soit environ 2 cm3) constata que celle-ci s’éta-lait sur une surface d’environ 2 000 m2. On pourra alorsdonner plus loin l’interprétation de l’observation dans lecadre du modèle moléculaire (formation d’une couche mono-moléculaire). Quand les élèves auront acquis ultérieurementune compétence suffisante sur la manipulation des puissancesde dix, on pourra éventuellement leur faire déduire l’ordre degrandeur de l’épaisseur de la couche à partir des donnéesexpérimentales.La présente fiche propose de reproduire cette expérience à uneéchelle réduite, comme le fit Lord Rayleigh, plus d’un siècleaprès Franklin. L’essentiel dans cette activité est d’observer l’extension limitée de la tache. Si l’activité est poursuivie jusquedans sa partie quantitative, il faut bien insister sur le fait quel’on obtient une simple estimation de la puissance de dix quiaffecte l’expression de la longueur de la molécule.

1 - Principe

La molécule d’acide stéarique de formule C18H36O2 comporteune extrémité acide attirée par les molécules d’eau : c’est l’extrémité hydrophile ; l’autre extrémité, repoussée par lesmolécules d’eau, est dite hydrophobe.La manipulation consiste à former une couche monomolécu-laire d’acide stéarique sur l’eau. Dans cette couche monomo-léculaire, toutes les molécules sont dressées chacune avec satête acide et hydrophile enfoncée dans la surface de l’eau etsa queue hydrophobe dépassant au contact de l’air.

2 - Mode opératoire

On utilise une solution d’acide stéarique dans un solvantvolatil tel que l’éther de pétrole. La solution préparée contient100 mg d’acide stéarique par litre d’éther de pétrole.

• Une goutte de cette solution est déposée sur la surface d’uneeau préalablement talquée. La goutte s’étale rapidement touten repoussant le talc. Ensuite, le solvant (éther de pétrole)s’évaporant, l’acide stéarique reste, formant ainsi une mincepellicule flottant sur l’eau.

• En plaçant uneplaque de verreau-dessus de lacuve à eau et avecun stylo-feutre, onrelève les limites dela pellicule d’acidestéarique.

Expérience complémentaire : détermination du volume d’une goutte de solution• Dans une éprouvette graduée, on introduit n gouttes desolution et on lit le volume V1.

Volume d’une goutte v1 = V1/ nRésultats : n = … V1 = .… mL ou cm3

v1 = V1/ n = … mL ou cm3

3 - Manipulation et exploitation des résultats

a) Détermination de la masse m de la pellicule d’acide stéarique sur l’eau

b) Détermination de l’épaisseur h de la pellicule d’acidestéarique sur l’eauOn admet que le film d’acide stéarique obtenu est constituéd’une couche monomoléculaire (une seule épaisseur de molé-cules). On admet également que les molécules sont dresséesverticalement les unes contre les autres. L’épaisseur h du filmreprésente donc aussi la longueur des molécules.

• Après avoir relevé les contours du film d’acide stéarique, onmesure son diamètre moyen D ce qui permet de calculer lasurface S du film. D = ... cm

Masse d’acide stéarique (g) Volume de la solution d’acide stéarique (mL ou cm3)

0,1 1000solution de concentration

100 mg/L (0,1 g/L)

m v = …

m : masse d’acide stéarique contenue dans… gouttes de solu-tion. C’est aussi la masse de la pellicule d’acide stéariquelorsque l’éther de pétrole s’est évaporé.Calcul de m (en g) :

m = 0,1 v = …1000

E6. Estimation de l’ordre de grandeur des dimensions moléculaires

Longueur d’une molécule d’acide stéarique

S = π D2

= … cm2

4

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On désigne par V le volume du film d’acide stéarique ; V = S x h

• D’autre part, on a pu déterminer expérimentalement qu’uncm3 d’acide stéarique a une masse de 0,95 g.

• Calcul de V puis de h :V = m / 0,95 = … h = V/S = m / 0,95 S = …

Remarques pour le professeur

Préparation de la solution d’acide stéarique dans l’éther depétroleProcéder en deux étapes :1. Dissoudre 1g d’acide stéarique dans 100 mL d’éther depétrole (conserver cette solution S0) .2. Juste avant la manipulation, préparer la solution S à utiliseren prélevant 1 mL de solution S0 et en complétant le volume à100 mL avec de l’éther de pétrole.

Précaution opératoire– Remplir le récipient d’eau jusqu’à débordement pour éli-miner les effets de bord qui risqueraient de s’opposer à larépulsion du talc se manifestant après le dépôt de la solutiond’acide stéarique. Le cristallisoir contenant l’eau doit êtreplacé dans un autre récipient plus grand qui recueilleral’excès d’eau lors du débordement.– Talquer uniformément la surface de l’eau au repos.– Déposer (pipette ou compte-gouttes) la (ou les) goutte(s) desolution d’acide stéarique au centre de la surface d’eau tal-quée. Le volume de solution (à 100 mg/L) à déposer sur l’eauest de 40 à 50 µL, ce qui nécessite 1 ou 2 gouttes selon leurgrosseur (v = v1 en utilisant 1 goutte ou v = 2v1 avec 2 gouttes).

RésultatLa longueur d’une molécule d’acide stéarique est de l’ordrede 2.10-9 m ou 2.10-7 cm soit 2 millionièmes de millimètre.Attention : pour conduire les calculs numériques, les élèves de5e ne disposent pas encore, en mathématiques, de l’outil despuissances de 10 (introduit seulement en classe de 4e).

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 35

Volume de la pellicule Masse de la pellicule d’acide stéarique (cm3) d’acide stéarique (g)

1 0,95

V = … m = …

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La fiche ci-dessous décrit une progression pédagogique destinée à approfondir le modèle particulaire de la matièredéfini par le programme. Sous la forme ci-dessous, cette pro-gression demande de disposer d’un temps assez important etsollicite assez fortement la concentration intellectuelle des élèves.Le professeur pourra s’en inspirer librement.

A. Introduction•

À travers ces propositions d’activités, il s’agit pour l’élève des’approprier de manière active un modèle simplifié de lamatière. À cet effet, on propose à l’élève une démarcheprogressive : prendre connaissance d’un modèle, l’appliquer àdes situations expérimentales définies, le faire évoluer pourl’adapter à de nouvelles descriptions...

La démarche décrite ici suit quelques repères :• L’ensemble du modèle particulaire auquel on souhaite aboutir,dit ci-dessous «modèle final», n’est pas donné entièrement audépart aux élèves (il n’est pas non plus redécouvert par eux !). Cecidoit susciter chez eux une plus grande activité intellectuelle, et per-mettre une meilleure appropriation du modèle.• Les situations expérimentales à interpréter sont choisies ennombre limité pour que le modèle à utiliser ne devienne pas tropcomplexe.• Pour ce qui est de la méthode d’animation, on tâche desuivre les étapes suivantes pour chaque situation étudiée :1. Description du phénomène et formulation du problème. 2. Activités de modélisation proprement dite à partir d’unmodèle initial fourni par l’enseignant - Confrontation destravaux.3. Réponses au problème posé.4. Enrichissement du modèle de départ.• Il faut être attentif à l’effet de saturation intellectuelle quepeut provoquer ce type d’activités, qui demande un effortimportant pour certains élèves. De plus, on restera conscientqu’il s’agit d’améliorer les performances des élèves et non detrouver une méthode miracle pour que tous les élèves maîtri-sent tous les aspects du modèle particulaire.

1. Modèle particulaire utilisé

Le modèle dit ci-dessous «initial», fourni d’abord à l’élève, estun modèle simplifié qui présente les caractéristiques suffi-santes pour expliquer la compressibilité des gaz. Il va êtreprogressivement enrichi au cours des activités suivantes jusqu’à aboutir au modèle dit «final».

a) Définition du modèle initialOn peut se représenter un gaz comme un ensemble departicules invisibles à l’œil nu (et même au microscope), ayantles propriétés suivantes :P1 - Une particule ne se coupe pas.P2 - Une particule garde les mêmes dimensions.

P3 - Une particule garde la même masse.P4 - Une particule ne se déforme pas.

b) Définition du modèle finalParmi les corps étudiés, on considère la matière forméecomme un ensemble de particules, les molécules, invisibles àl’œil nu qui sont :– dispersées et désordonnées à l’état gazeux ;– disposées de manière compacte mais désordonnée à l’étatliquide ;– disposées de manière compacte à l’état solide, et ordonnéepour les solides cristallins.

c) RemarquesLe modèle initial ne dit rien sur la structure, la forme des particules pour l’instant. Cela n’est pas nécessaire pour inter-préter les phénomènes physiques choisis. Le professeur devrachoisir à quel moment introduire la notion de molécule dansla progression.Il n’est fait ici encore aucune allusion ni à l’ordre, ni à l’agi-tation particulaire.

2. Les situations expérimentales retenues et leurs rapports au modèle initial

L’enseignant peut construire sa progression parmi les situa-tions suivantes.

a) Dans le cadre de l’étude des gaz, on retient leur compressibilité.

Cela permet d’introduire le modèle initial, puis de faire travaillerles élèves sur la notion de dispersion, de vide qui en découle.Cela permet de commencer à traduire la conservation de lanature de la matière par la conservation du type de particules.

b) On fait interpréter le fait que l’air est un mélange de deuxgaz, dioxygène et diazote. Ceci permet de faire la distinctionentre mélanges et corps purs.

c) Une expérience de diffusion gazeuse (sujet qui n’est pasexigé par le programme) est nécessaire pour enrichir lemodèle sur le plan de l’agitation des particules.

d) On fait interpréter certaines des propriétés des solides (trèsfaible compressibilité, présence d’une forme propre, nonexpansibilité), que l’on oppose à celles des gaz (grandecompressibilité, absence de forme propre, expansibilité).

e) On fait interpréter, sur la base des mêmes propriétés, l’étatliquide (très faible compressibilité, absence de forme propre,non expansibilité).

f) On peut ajouter l’interprétation des changements d’état.

Remarque : Il semble que la compressibilité soit la situation laplus propice pour introduire le modèle initial.

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4ePhysique - Chimie36

1. Cette fiche d’activité est directement inspirée de diverses publications, dontcelles de l’équipe (A. Chomat ; Cl. Larcher ; M. Méheut), parues dans larevue ASTER n° 7 en 1988.

D4. Introduction d’un modèle particulaire1

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b) Activité de modélisationOn peut proposer le document suivant à remplir :

On peut se représenter un gaz comme un ensemble de particules invisibles à l’œil nu, ayant les propriétés suivantes :P1 - Une particule ne se coupe pas.P2 - Une particule garde les mêmes dimensions.P3 - Une particule garde la même masse.P4 - Une particule ne se déforme pas.Représente tout le gaz dans les situations 1 et 2 pour rendre compte de ce qui a été constaté.

Remarque : le rapport des surfaces des cases traduit le rapport des volumes disponibles pour le gaz dans la seringue.Il s’agit donc pour les élèves de dessiner des représentations respectant les caractères du modèle et les observations faites.

Exemples de réponses fournies par les élèves

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 37

B. Déroulement•

1- La compressibilité d’un gaz

a) Description du phénomène. Position du problèmeLe professeur montre celle d’un corps pur. Signalons celle dudioxyde d’azote mise en évidence par le professeur (si lesconditions de sécurité le permettent) qui est intéressante àcause de la couleur du gaz. On schématise la position dupiston à 2 moments.

Situation 1 Situation 2

Les élèves doivent indiquer par écrit «ce qui a changé» et «cequi n’a pas changé» pour la seringue et pour le gaz.Après une mise en commun, il ressort que les invariants formulés sont :– l’état de «tassement» plus grand en (2) ;– la variation de volume ;– le changement de couleur ;– l’invariance de la nature du gaz ;– l’invariance de la quantité de gaz (ce caractère n’est pasforcément exprimé en terme d’invariance de la masse par lesélèves).Le problème posé pourra être le suivant : expliquons que legaz :– dans les 2 situations, est le même et en même quantité ;– dans la situation 2, a un volume plus petit, est «tassé», peutencore se tasser.

Après ce temps de production individuel, on soumet à la classe des exemples de réponses convenables et d’erreurs typiques. Il s’agitd’étudier si elles respectent les propriétés de départ et de voir si elles offrent une réponse convenable au problème posé.

Situation 1 Situation 2

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De la même manière, des exemples choisis parmi les réponsesdes élèves permettent de discuter de leur validité, ceci en rap-port avec les propriétés du modèle et de formuler uneréponse.

c) Réponse au problème poséOn peut établir les relations suivantes entre la descriptionfaite et le modèle proposé.

d) Modèle enrichiUne nouvelle propriété du modèle apparaît donc à traverscette activité :P7 - Un gaz pur est représenté par un type de particules ;un mélange est représenté par plusieurs types de particules.

3. Diffusion gazeuse

Dans ce cas, il s’agit d’utiliser le modèle et aussi d’imaginerune condition pour que la diffusion puisse se faire.

a) Description du phénomène. Position du problème– L’enseignant réalise une expérience de diffusion de deuxgaz devant les élèves. En veillant aux conditions de sécurité,il peut utiliser comme gaz, l’air et le dioxyde d’azote, le phénomène étant immédiatement visible. Il est préférabled’appeler le dioxyde d’azote «gaz roux» à ce stade, et nonpas dioxyde d’azote, pour éviter des confusions dans l’espritdes élèves avec l’oxygène de l’air.– On constate que le gaz «roux» s’est déplacé dans le flacondu haut et que les gaz se sont mélangés.

b) Activités de modélisationOn demande aux élèves de représenter schématiquement tousles gaz dans chacun des cadres du document élève suivant.

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4ePhysique - Chimie38

Un seul gaz Un seul type de particules

Le gaz est plus tassé Les particules sont plus serrées

Le gaz peut encore se serrer Les particules ne se touchent pas dans la case 2

Il y a la même quantité de gaz Il y a le même nombre de particules

Plusieurs gaz Particules différentes

Gaz mélangés Particules différentes bien réparties

Proportions des gaz Proportions des nombres des différents types de particules

d) Modèle enrichiL’activité permet de faire prendre conscience aux élèves qued’autres propriétés non explicitées au départ apparaissentmaintenant.

P5 - Il y a un espace vide entre les particules.P6 - Le nombre de particules caractérise la quantité de matière.Elles seront validées dans les autres activités.

Remarques– La question du vide, de sa nature, provoque des interroga-tions («mais, qu’est ce qu’il y a dedans ? C’est de l’air ! maisnon, puisque c’est un gaz lui aussi !»)– On peut renforcer la maîtrise du modèle en proposant desexercices, par exemple, des représentations d’autres élèvesqui n’ont pas été prises en compte.

2. L’air est un mélange

a) Description du phénomène. Position du problème

Les élèves rappellent la composition de l’air avec l’aide du professeur. Il s’agira de représenter l’air en le considérant comme unmélange principalement formé de diazote et de dioxygène dans les proportions 80 % et 20 %.

b) Activité de modélisation

Sur un document, les élèves dessinent leur représentation.Voici quelques exemples de réponses proposées :

c) Réponse au problème poséOn peut ainsi commencer à établir les rapports :

❍ oxygène 20 % x : azote 80 %

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Exemples de réponses des élèves

Exemple de document élève

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 39

1 - Représente tous les gaz des flacons. Précise ce qui est représenté dans chaque cadre.

2 - Quelle propriété doivent avoir les particules pour rendre compte de ce qui se passe ?

1 - Représente tous les gaz des flacons. Précise ce qui est représenté dans chaque cadre.

2 - Quelle propriété doivent avoir les particules pour rendre compte de ce qui se passe ?

1 - Représente tous les gaz des flacons. Précise ce qui est représenté dans chaque cadre.

2 - Quelle propriété doivent avoir les particules pour rendre compte de ce qui se passe ?

«Le gaz en haut doit être plus lourd et le bas, léger, donc elles se mélangent.»

«Les particules se déplacent et se mélangent.»

Des réponses choisies par le professeur sont soumises à la discussion comme dans les cas précédents et permettent d’établir la relation suivante.

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c) Réponse au problème

Certains élèves perçoivent le déplacement «moyen» desparticules, c’est le professeur qui a affirmé le caractèredésordonné du mouvement des particules.

d) Modèle enrichi

Une nouvelle propriété apparaît :

P8 - Les particules sont animées d’un mouvement désor-donné les unes par rapport aux autres.

P9 - Les particules sont libres les unes par rapport auxautres.

Conclusion

Au cours de ces activités, des aspects importants du modèleparticulaire ont été abordés : distinction entre espace etmatière, existence du vide, mobilité des particules.

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4ePhysique - Chimie40

Les gaz peuvent se mélanger les particules peuvent se déplacer

PROPRIÉTÉS DU MODÈLE PHÉNOMÈNES ÉTUDIÉS

Modèle initial donné au départP1- Une particule ne se coupe pas.P2 - Une particule garde les mêmes dimensions. B-1 Les gaz sont compressiblesP3 - Une particule garde la même masse.P4 - Une particule ne se déforme pas.

P5 - Il y a de l’espace entre les particules.P6 - Le nombre de particules ne change pas ; B-2 L’air est un mélangeil caractérise la quantité de matière.

P7 - Un gaz pur est représenté par un type de particule ; B-3 Les gaz sont expansiblesun mélangeest représenté par plusieurs types de particules.

P8 - Les particules sont mobiles. Elles sont animées d’un mouvement désordonné.P9 - Les particules sont libres les unes par rapport aux autres.

4. Aspects de l’état solide On peut prolonger l’étude en s’intéressant au cas de solideset de liquides.En se limitant à décrire les variations de certaines propriétésde l’état gazeux à l’état solide, et en prenant comme modèlede référence le dernier modèle décrit, on peut étudier lesconditions de validité d’application du modèle particulaire àl’état solide.

a) Description et position du problèmeÀ partir d’un document, on peut faire retrouver aux élèves lesvariations de 3 propriétés de l’état gazeux à l’état solide : lacompressibilité, l’expansibilité, la forme propre.

Le problème est de donner une représentation satisfaisante del’état solide, tout en discutant des propriétés P1 à P8 établiespour le modèle particulaire du gaz. Il s’agit pour l’élève dedire quelles propriétés on peut garder pour l’état solide etcomment en modifier certaines pour rendre compte des varia-tions des propriétés physiques.

UN SOLIDE UN GAZ

est peu compressible est très compressible

n’est pas expansible est expansible

a une forme propre n’a pas de forme propre

Évolution des propriétés du modèle en fonction des activités proposéesLes flèches symbolisent le déroulement chronologique des séquences et l’enrichissement progressif du modèle initial.

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b) Activité de modélisationExamine ci-dessous les propriétés définies pour les gaz. Indique celles que l’on peut conserver pour les solides et celles qu’il fautmodifier. Propose une modification. Représente un schéma de l’état solide.

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 41

MODÈLE ÉTABLI POUR LES GAZ MODÈLE À ÉTABLIR POUR LES SOLIDES

P1 - Une particule ne se coupe pas. P1-P2 - Une particule garde les mêmes dimensions. P2-P3 - Une particule garde la même masse. P3-P4 - Une particule ne se déforme pas. P4-

P5 - Il y a de l’espace entre les particules. P5-P6 - Le nombre de particules ne change pas ; il caractérise la quantité de matière. P6-

P7 - Un gaz pur est représenté par un type de particule ; un mélange est P7-représenté par plusieurs types de particules.

P8 - Les particules sont mobiles. Elles sont animées d’un mouvement désordonné. P8-

P9 - Les particules sont libres les unes par rapport aux autres. P9-

MODÈLE ÉTABLI POUR LES GAZ ET LES SOLIDES

P1 - Une particule ne se coupe pas.P2 - Une particule garde les mêmes dimensions.P3 - Une particule garde la même masse.P4 - Une particule ne se déforme pas.P5 gaz - Il y a un espace vide très grand entre les particules.P5 solide - Il y a un espace vide très faible entre les particules.P6 - Le nombre de particules ne change pas ; il caractérise la quantité de matière.P7 - Un gaz ou un solide pur est représenté par un type de particule ; un mélange est représenté par plusieurs types de particules.P8 gaz - Les particules sont très mobiles. Elles sont animées d’un mouvement désordonné.P8 solide - Les particules sont peu mobiles. Elles sont ordonnées dans certains solides.P9 gaz - Les particules sont libres les unes par rapport aux autres.P9 solide - Les particules sont liées les unes aux autres.

Exemples de réponses données par les élèves.

P1, 2, 3, 4, 6 : «sont à conserver» ;

P5, 7, 8, 9 : «sont à modifier».

P5 : «Il n’y a pas d’espace vide entre les particules pour unsolide». «Il n’y a pas d’espace entre les particules».

P7 : «Il faut remplacer le mot gaz et mettre le mot solide à laplace».

P8 : «Elles ne sont pas agitées car les solides n’auraient pasde forme». «S’il n’y a pas de distance entre elles, elles ne

peuvent pas bouger». «Si elles sont liées entre elles, elles nepeuvent être agitées».P9 : «Elles sont liées, car il n’y a pas de distance entre elles».«Elles sont liées entre elles car elles ne bougent pas».Une confrontation des réponses amène aux modificationssuivantes du modèle, après des apports de l’enseignant surl’organisation des particules dans les solides cristallins.

c) Réponse au problème posé - Modèle enrichi.Ces activités amènent au «modèle final» décrit ci-dessous.

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D5. Représentation moléculaire des états de l’eauet de solutions acqueuses

Des molécules très mobiles maisaussi très éloignées les unes desautres :- occupant tout l’espace qui leurest offert ;- entrant en collision etrebondissant sur les parois desrécipients.

L’EAU À L’ÉTAT SOLIDE

L’EAU À L’ÉTAT LIQUIDE

Une surface libre horizontale

Des molécules très mobiles

Des molécules empilées régulièrement Un cristal de glace

LA VAPEUR D’EAU

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L’EAU SALÉE

- Des molécules d’eau quittentla surface libre et forment unecouche de vapeur d’eau.- Avec l’agitation de l’air, lesmolécules d’eau seront entraî-nées et remplacées par denouvelles molécules provenantdu liquide : c’est l’évaporation.- Si l’eau est fortement brassée(cascade, vague, etc.), dudioxygène sera dissous dansl’eau.

CRISTAL DE SEL DE CUISINE (Chlorure de sodium)L’eau salée est obtenue par dissolution de sel dans l’eau :- L’eau est le solvant.- Le sel est le soluté.

ÉCHANGES ENTRE L’EAU ET L’ATMOSPHÈRE

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À l’occasion de la présentation des états de l’eau, la questiondu caractère universel de la distinction entre les trois états :solide, liquide et gaz, ne manquera pas d’être posée. On necherchera pas à dissimuler l’existence de corps pour lesquelsle classement dans l’un des trois états classiques n’est pasimmédiat (substances «pâteuses» telles que la pâte à modeler,aérosols, etc .). La distinction fait souvent intervenir la duréede l’observation ; par exemple, la frontière entre «miel solide»et «miel liquide» n’est pas tranchée ; renversé, un pot de«miel solide» (non cristallisé) finit pas couler, ce n’est pas unauthentique solide. La nature des molécules qui la constituefait qu’une substance a une viscosité plus ou moins impor-tante.D’autres états de la matière, non assimilables à l’un des troisétats précédemment cités, ont été mis en évidence. Leurs propriétés intermédiaires entre celles des trois états : solide,liquide et gaz, font qu’ils constituent une catégorie nouvelled’état de la matière ; c’est le cas, par exemple, des cristauxliquides.

Il y a une centaine d’années qu’ont été observées certainespropriétés curieuses d’un corps organique, le benzoate decholestérol, lorsque l’on effectue la fusion d’un cristal. Lechauffage de ce solide conduit, comme prévu, à une discon-tinuité vers 145° C : on observe la transformation du cristalen un liquide, mais visqueux et d’aspect trouble. Si l’on pour-suit l’élévation de température, on observe une seconde discontinuité vers 178° C : le liquide précédent devient plusfluide et transparent. Lorsque l’on effectue l’opération inverse,c’est-à-dire, lors du refroidissement du liquide, on observeque les transformations inverses ont lieu aux mêmes tempéra-tures. Toute se passe donc comme si ce corps subissait deuxvéritables changements de phase.Il s’agissait du premier exemple de mise en évidence d’un étatde la matière intermédiaire entre l’état solide et l’état liquide.Bien que le phénomène soit assez peu fréquent, plusieurs centaines de corps organiques présentant ces caractéristiquesparticulières sont maintenant connus. Pour la plupart, ce sontsouvent plusieurs phases intermédiaires distinctes entre le

solide et le liquide qui sont observées. Ces phases intermé-diaires sont appelées des mésophases. Les substances présentant ces propriétés sont appelées «cristaux liquides».Elles ont en commun que leur molécule a la forme d’unbâtonnet plat et peu flexible, du moins dans la région centralede la molécule. Dans l’état solide, les molécules se disposentparallèlement les unes aux autres (Cf. figure 1) ; à cet agen-cement ordonné s’opposent les mouvements des moléculesdus à l’agitation thermique. Ainsi, à basse température la tendance à l’ordre l’emporte, conduisant à un arrangementrégulier ; lors du passage à un liquide «classique», cet ordredisparaît du fait de l’agitation thermique qui devient prédo-minante. Dans les cristaux liquides, on observe plusieurssortes de structures intermédiaires, pour lesquelles un certainordre persiste.

• Dans un premier type de mésophase, appelée smectique, lesmolécules restent ordonnées en couches, mais peuvent bougerparallèlement les unes aux autres, ce qui efface l’ordre entremolécules de deux couches distinctes (Cf. figure 2) ; de plus,au sein d’une couche, l’ordre initial n’est plus totalement res-pecté. Ces couches ont été mises en évidence (par des expé-riences de diffraction des rayons X) et leur épaisseur s’avèreêtre à peu près égale à la longueur d’une molécule.

• Dans un second type, le degré d’ordre est plus faible quepour le type smectique : on parle de mésophase nématique.Les couches parallèles y ont disparu et l’ordre se caractériseuniquement par l’alignement des molécules dans une mêmedirection (Cf. figure 3).

Alors que certaines substances ne transitent que par la phasesmectique lors du passage de l’état cristallin à l’état liquidenormal, d’autres ne transitent que par la phase nématique ;certaines autres passent par les deux phases, la phasesmectique précédant la nématique lorsque la températureaugmente. Les températures de transition entre les phasesintermédiaires varient en général dans un intervalle de 0° Cà 150° C, selon la nature des molécules impliquées.

C2. Des liquides ordonnés : les cristaux liquides

Figure 1 : phase cristalline Figure 2 : phase smectique Figure. 3 : phase nématique

(un «bâtonnet « schématise une molécule)

Liquide isotrope

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Il est fondamental pour les chercheurs d’affiner sans cesse leurcompréhension de la structure de la matière ; à cette fin, sesont développés récemment des techniques et instruments demesure permettant une observation plus performante de lamatière et donc une approche plus fine des structures ato-miques et moléculaires. Il convient d’insister sur le fait quetoutes ces techniques, aussi précises soient-elles, ne condui-sent pas à une «photographie» de la matière donc à la structure réellement existante ; elles sont toutes basées sur unmodèle que l’expérimentateur s’est préalablement fixé et surlequel repose la technologie employée. L’instrument demesure récupère ainsi une information qui est analyséeensuite selon le modèle.

La diffraction des rayons X

Les rayons X ont une nature identique à celle de la lumièrevisible, à la différence que leur longueur d’onde est à peuprès 1000 fois plus faible, soit de l’ordre de quelquesdixièmes de nanomètres. Quand on irradie un cristal par unfaisceau de rayons X, chacun de ses atomes constitutifs secomporte comme s’il était lui-même une source de rayons X,d’intensité plus faible, se propageant dans toutes les direc-tions (il «diffuse» ces rayons). Ces ondes interférant entreelles, la diffusion est renforcée dans certaines directions (ondit que le cristal produit des rayons diffractés) qui dépendentdu réseau d’atomes dans le cristal ; de plus, l’intensité desrayons diffractés dépend de la structure des atomes dans unmotif élémentaire du cristal, c’est-à-dire leur position spatiale.La méthode de diffraction des rayons X ne donne donc pasune image de la structure mais permet de la reconstituer. Il estnécessaire d’effectuer de longs calculs à l’ordinateur pourconvertir les directions et intensités des rayons diffractés en despositions dans le cristal des atomes. L’établissement d’unestructure nécessite aujourd’hui des temps de calcul pouvantaller de quelques heures (structures simples) à plusieurs mois (6mois environ pour une protéine contenant 5 000 atomes) ; lesstructures les plus simples nécessitaient plusieurs jours il y aquelques dizaines d’années. Cette technique n’est applicableque grâce à l’ordre et la régularité de la structure d’un cristal ;elle ne peut donc être utilisée pour un gaz ou un liquide.

Les microscopies à champ proche

Les années quatre-vingt ont vu le développement de techniques très fines permettant d’obtenir une «image» de lacomposition atomique de la surface d’un solide. Ces micro-scopies nécessitent, entre autres, d’approcher l’instrument demesure à des distances très courtes du solide à étudier(quelques dixièmes de nanomètres), ce qui leur a donné lenom générique de microscope à «champ proche».

• Le microscope à effet tunnel (introduit en 1982 parG. Binning et H. Rohrer, récompensés par le prix Nobel)permet d’observer la surface de solides avec un agrandisse-

ment proche de la centaine de millions, c’est-à-dire à uneéchelle proche de la taille des atomes. Son principe de fonctionnement est le suivant : lorsque l’on approche deuxsolides conducteurs à une distance très courte, sans qu’ils setouchent, des électrons sont en mesure, sous l’action d’une dif-férence de potentiel, de se déplacer d’un solide à l’autre (phénomène d’origine quantique et appelé effet tunnel)produisant ainsi un courant (le courant tunnel). Celui-ci variefortement avec la distance séparant les deux solides. Dans unmicroscope à effet tunnel, les deux solides impliqués sont,d’une part, le solide à analyser et, d’autre part, une fine pointemétallique, déplacée parallèlement à la surface de l’échan-tillon. En maintenant constant le courant tunnel lors du dépla-cement de la pointe, celle-ci doit rester à une distanceconstante de la surface, reproduisant ainsi son relief qui estreproduit sous forme d’une image (figure 1). Tout se passedonc comme si on «voyait» les atomes. On peut distinguer desvariations de la hauteur du relief de l’ordre du picomètre. Laréalisation d’une telle image nécessite de maîtriser des diffi-cultés techniques comme l’approche, sans contact, de la pointeet de la surface étudiée à très faible distance, et l’obtention depointes assez fines pour obtenir la résolution atomique. La limite de cette microscopie réside en ce qu’elle ne peut s’ap-pliquer qu’à l’analyse de solides conducteurs ou semi-conduc-teurs. Pour les solides isolants, on a recours au microscope àforce atomique.

Figure 1 : Image tridimensionnelle de microscopie à effet tunnel surla surface d’un solide (composé d’intercalation graphique - Cr Cl3).La hauteur du relif correspond à une amplitude de 0,1nm.(L’actualité chimique, mars-avril 1992)

• Le microscope à force atomique utilise la proximitéentre la pointe et le solide pour détecter les forces s’exerçantentre les atomes de la pointe et ceux du solide et leurs varia-tions lorsque l’on balaie la surface de ce solide par la pointe-sonde. Là encore, on obtient une image du profil de la surfaceà l’échelle nanométrique (Cf. figures 2 et 3). Le principe est lesuivant : la pointe (souvent en diamant, tungstène ou Si 02) estplacée à l’extrémité d’un levier très flexible et de faible masseet exerce sur les atomes de la surface du solide étudié uneforce constante. La surface est déplacée sous la pointe et, la

C3. L’ «observation» de la matière

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force d’interaction pointe/surface variant de place en place,on constate un déplacement du levier qui est enregistré opti-quement.

Les microscopies à champ proche (il y en a d’autres que les

deux décrites ci-dessus) ont ainsi conduit à une nouvelleapproche des propriétés électroniques et structurales dessurfaces de nombreux solides ; elles sont également appli-quées à l’étude des systèmes biologiques.

10 mm

Figure 2 : image obtenue par microscopie à force atomique (MFA),de la surface du tétracène ( ) solide. (L’actualité chimique, mars-avril 1992)

Figure 3 : image, obtenue par MFA , de l’arrangement atomique àla surface d’un cristal de bromure d’argent Ag Br. (L’actualité chimique, mars-avril 1992)