Mois : mars 2017

L’étude de l’air permet de construire et exploiter le modèle atomique et moléculaire de la matière. On a subdivisé le chantier en 7 étapes (de une heure à une heure et demie chacune).

Pour chacune d’elle les consignes de travail donnent lieu d’abord à un travail individuel (par écrit), puis une production en groupe (sous forme d’affiche à présenter par exemple). Enfin une mise en commun en classe entière (des hypothèses, des résultats et des nouvelles questions) est réalisée sous forme d’animation tableau. Les apports magistraux de l’enseignant cristallisent alors les savoirs, aux moments opportuns.

Air-1 Présence de l’air et pression de l’air : [air-1.pdf]

Il s’agit d’interpréter l’expérience de Magdebourg et au exemple pour dégager l’idée de pression de l’air. 

Air-2 Mesure de la masse volumique de l’air : [air-2.pdf]   

Elaboration d’un protocole (deux options sont possibles) puis réalisation et traitement des résultats.

Air-3 Lavoisier et la composition de l’air : [air-3.pdf]     

Analyse de document pour dégager les idées principales : l’air est un mélange de deux gaz. On peut compléter avec observation de la combustion dans dioxygène pur (si on dispose d’une bouteille ou si on le produit avec permanganate). On peut aussi utiliser la réaction d’oxydation du fer à froid (préparée une semaine à l’avance).

Air-4 Structure de l’air : [air-4.pdf]  

Compressibilité ; structure moléculaire ; comparaison avec liquide et solide ; corps pur et mélange.

Air-5 Modèle de l’air : [air-5.pdf]    

A partir de l’idée de structure moléculaire on précise la composition de l’air et on interprète la pression et la température.

Air-6 Structures et classement : [air-6.pdf]   

Corps simples et composés ; corps purs et mélanges.

Air-7 Etats physiques : [air-7.pdf]   

Il s’agit d’interpréter les effets de la température et de la pression (au niveau moléculaire). Et pour finir on interroge les limites du classement solide – liquide – gaz.

« Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis se séparent de nouveau ». Anaxagore. (500 – 428 av. J.C.).

[…] car rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature, et l’on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l’opération ; que la qualité et la quantité des principes est la même, et qu’il n’y a que des changements, des modifications. 

C’est sur ce principe qu’est fondé tout l’art de faire des expériences en Chimie : on est obligé de supposer dans toutes une véritable égalité ou équation entre les principes du corps qu’on examine, & ceux qu’on en retire par l’analyse. Ainsi puisque du moût de raisin donne du gaz acide carbonique & de l’alkool, je puis dire que le moût de raisin = acide carbonique + alkool. 

[…] En effet, comme je l’ai déjà indiqué au commencement de cet article, je puis considérer les matières mises à fermenter et le résultat obtenu après la fermentation comme une équation algébrique ; et, en supposant successivement chacun des éléments de cette équation inconnus, j’en puis tirer une valeur et rectifier ainsi l’expérience par le calcul, et le calcul par l’expérience. J’ai souvent profité de cette méthode pour corriger les premiers résultats de mes expériences, et pour me guider dans les précautions à prendre pour les recommencer. Lavoisier. Traité élémentaire de chimie – 1789.

http://www.cnrs.fr    Le laboratoire de l’Arsenal. A partir de 1776 Lavoisier, devenu régisseur des poudres et salpêtres, occupe de somptueux appartements dans l’hôtel des Régisseurs situé au Petit Arsenal, non loin de la Bastille. Il y aménage sous les combles un vaste laboratoire, l’un des mieux équipés d’Europe. Sa fortune personnelle et ses traitements de fermier général et de régisseur lui procurent l’argent nécessaire à l’achat d’instruments très fiables qu’il fait construire sur mesure par les meilleurs artisans : gazomètres, balances de précision, séries de poids, baromètres. Ces instruments vont lui permettre de faire des mesures très fines, de peser les éléments mis en jeu avant et après chaque expérience, et d’arriver ainsi à la confirmation de la loi de la conservation de la matière. Lavoisier, le parcours d’un scientifique révolutionnaire.

[…] les faux jugemens que nous portons, n’intéressent ni notre existence, ni notre bien-être ; aucun intérêt physique ne nous oblige de nous rectifier : l’imagination au contraire qui tend à nous porter continuellement au-delà du vrai ; l’amour-propre & la confiance en nous-mêmes, qu’il sait si bien nous inspirer, nous sollicitent à tirer des conséquences qui ne dérivent pas immédiatement des faits : en sorte que nous sommes en quelque façon intéressés à nous séduire nous-mêmes. Il n’est donc pas étonnant que dans les sciences physiques en général, on ait souvent supposé au lieu de conclure ; que les suppositions transmises d’âge en âge, soient devenues de plus en plus imposantes par le poids des autorités qu’elles ont acquises, & qu’elles ayent enfin été adoptées & regardées comme des vérités fondamentales, même par de très-bons esprits. Lavoisier. Discours préliminaire – Traité élémentaire de chimie – p. V – 1789.

Traité élémentaire de chimie – Lavoisier – 1789

Grande balance de précision utilisée par Lavoisier

(Photo CNAM – Musée des Arts et Métiers)

Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS(dossier tout se transforme)

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On propose ici 6 extraits du Traité élémentaire de chimie de Lavoisier pour 6 travaux de vérification. Les consignes de travail sont précisées en tête des documents. Le contenu est accessible dès la classe de seconde (équations de réaction, calculs avec les masses molaires…).

[combustion-1.pdf]

[combustion-2.pdf]

[combustion-3.pdf]

[eau-1.pdf]

[eau-2.pdf]

[eau-3.pdf]

Traité élémentaire de chimie – Lavoisier – 1789

Extraits.

http://www.chim.lu/ch0060.php

Traité élémentaire de chimie - Lavoisier - 1789

A voir absolument.

CNRS : http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doslavoisier/index.htm

et aussi au Musée des Arts et métiers :

http://www.arts-et-metiers.net/musee/gazometre-de-lavoisier

http://www.dailymotion.com/video/xg1s8q_le-laboratoire-de-lavoisier_tech

http://www.dailymotion.com/video/x25jfxy_les-gazometres-de-lavoisier-1785_school

http://www.arts-et-metiers.net/sites/arts-et-metiers.net/files/asset/document/cnam-lavoisier.pdf

En apprenant aux chimistes l’usage de la balance, du thermomètre, du baromètre et du calorimètre […] Lavoisier leur a ouvert des routes inconnues qui conduisent sûrement à la vérité. Pasteur. Éloge de Lavoisier. 1836.

Le phlogistique (du grec phlogiston = brûlé) est ce supposé principe igné qu’a introduit le chimiste et médecin allemand Georges E. Stahl (1660-1734) pour rendre compte des phénomènes de combustion dans le cadre de la théorie des quatre éléments. Selon lui, tous les corps combustibles, minéraux, végétaux ou animaux, contiennent du phlogistique. Quand on chauffe un morceau de métal, par exemple, du phlogistique s’échappe, on produit une « chaux » métallique. Que l’on chauffe à son tour cette chaux, on réintroduit du phlogistique et on retrouve le métal. Cette théorie connut un succès considérable au XVIIIe siècle (au point que Kant place nommément Stahl au même rang que Thalès, Galilée et Torricelli (1608-1647) dans sa fameuse Préface à la seconde édition (1787) de la Critique de la raison pure). Elle a pesé sur I ‘interprétation que le chimiste et philosophe anglais Joseph Priestley (1733-1804) donne de ses expériences sur la combustion lorsqu’il désigne I‘oxygène sous l’appellation d’«air déphlogistiqué ». Elle a été rayée de l’histoire de la chimie par Lavoisier qui dénonce pour finir en 1785, le « phlogistique » comme un être imaginaire. La philosophie des sciences : « Que sais-je ? » n° 3624 Par Dominique Lecourt.

Lavoisier commence à s’interroger sur le rôle du phlogistique en explorant la calcination, en 1772. Il s’attaque à un problème connu depuis longtemps mais récemment discuté par Guyton de Morveau : si, comme on le pense alors, la calcination des métaux (que nous appelons oxydation) est une libération du phlogistique contenu dans les métaux, il est difficile de comprendre l’augmentation de poids des métaux calcinés. Guyton suggérait que le phlogistique étant plus léger que l’air, sa présence dans une substance la fait paraître plus légère. […] Lavoisier tente une autre explication après deux expériences : il fait brûler du soufre, puis du phosphore dans des vaisseaux fermés et constate, grâce à des pesées minutieuses avant et après la réaction, du tout et de chaque partie séparément, que le poids total est conservé, que celui du vaisseau demeure inchangé et que celui du soufre et du phosphore a augmenté. Il en conclut : « Cette augmentation de poids vient d’une quantité prodigieuse d’air qui se fixe pendant la combustion et qui se combine avec les vapeurs.» Convaincu de l’importance révolutionnaire de cette expérience, et soucieux d’affermir son interprétation, Lavoisier remet un pli cacheté à l’Académie le 1er novembre 1772 pour s’assurer la priorité d’une découverte qu’il juge « l’une des plus intéressantes de celles qui aient été faites depuis Stahl ». Bernadette Bensaude-Vincent, Isabelle Stengers, Histoire de la chimie, Paris, La Découverte, 2013, chapitre 14.

« […] de nombreuses études portant sur les conceptions spontanées des élèves à propos des phénomènes naturels montrent à quel point celles-ci résistent à l’enseignement. Ainsi de nombreux élèves, tout en ayant fait des études en science, n’en continuent pas moins d’utiliser des conceptions substantialistes de la chaleur dans leurs raisonnements, ce qui les mène à des impasses en particulier lorsqu’il s’agit de distinguer le concept de chaleur de celui de température. En théorie cinétique, par exemple, la chaleur n’est pas une chose que I’on peut percevoir mais bien un concept qui permet d’interpréter les perceptions de manière différente. La réalité de la physique s’écarte donc de l’expérience sensorielle et, pour la bien comprendre, il faut abandonner I‘idée si bienancrée dans nos esprits qu’il est possible, grâce à l’appareil sensoriel, d’avoir un accès direct à une réalité en soi, prête à être comprise. En tant que pédagogues, on ne peut penser que les conceptions spontanées des élèves vont évoluer grâce aux seules évidences expérimentales et langagières qu’on leur fournit. » Jacques Désautels, Marie Larochelle. Qu’est-ce que le savoir scientifique ? Les presses de l’Université Laval ; p. 44-45.

Le travail proposé interroge l’idée de chaleur et son évolution historique, entre conceptions substantialistes et mécanistes : phlogistique, calorique, ou mouvements moléculaires ? Nous sommes fin XVIIIe – début XIXe siècle ; quatre protagonistes incarnent les polémiques scientifiques de l’époque :

Pierre Joseph Macquer (1718 – 1784)

Hippolyte Amblard ( ? – 1845 – ?)

Antoine Laurent de Lavoisier (1743 – 1794)

Pierre Simon de Laplace (1749 – 1827)

Consigne 1 individuel (15 minutes)

Qu’est-ce que la chaleur? Faire un schéma légendé et expliquer brièvement par écrit (sur feuille A4).

Les feuilles sont affichées, observées et comparées. Animation tableau pour extraire les propositions.

Consigne 2 en groupe de quatre au moins (60 minutes)

Chaque groupe représente l’un des 4 personnages évoqués plus haut et reçoit un ensemble de documents. Il s’agit d’exploiter les documents pour présenter les arguments du personnage en question. Une affiche synthétique sera réalisée pour servir de support à un jeu de rôle qui suivra.

Répartition des documents (voir dossiers documents et personnages indiqués plus bas) :

Consigne préalable : compte tenu du volume de documents disponibles il convient de se les répartir, à charge pour chacun d’en faire les extractions nécessaires, qui seront alors communiquées aux autres membres du groupe. Puis réalisation des affiches.

Jeu de rôle avec le support des affiches de chaque groupe (le professeur peut diriger la distribution de parole, solliciter les interventions, inviter à préciser, etc.).

Discussion : sur les contenus et sur le déroulement du travail.

Magistral en situation : substantialisme et mécanicisme (chaleur « substance » ou mouvement) ; le modèle actuel (température et agitation thermique ; énergie interne ; transferts d’énergie thermique, conduction, convection, rayonnement…

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Diapos et animations disponibles : 

[thermique.pptx] ou [thermique.pdf]

Des animations sur le web :

F. Godbout https://sites.google.com/site/stsecondaire/5e-secondaire/th-cinetique-gaz

Jérôme RANDON ; Laboratoire des Sciences Analytiques ; Université Claude Bernard-Lyon I

http://www.unice.fr/cdiec

http://www.unice.fr/cdiec/animations/cinetique/d_v_m_orange.swf

http://www.unice.fr/cdiec/animations/cinetique/d_v_t_orange.swf

Chauvet F., Duprez C., Rouzé F. ; SEMM Université Lille I

http://www.epi.asso.fr/logiciel/catal/7219.htm

T. Davieshttp://clemspcreims.free.fr/Simulation/conduction.swf

Hachette http://www.lerepairedessciences.fr/terminale_S/5energie/chap17/transferts%20thermiques.swf

Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier de phlogistique en calorique)

La flamme olympique a été allumée le 5 octobre 2013 en Grèce.

LOUISA GOULIAMAKI / AFP

Document général : [0 combustion des hydrocarbures.pdf]

Les alcanes (une famille d’hydrocarbures) : compléter la fiche [famille des alcanes.pdf]

Animation tableau pour la mise au point.

Consigne 2individuel puis en groupe (40 minutes)

Observation préalable (expérience réalisée par le professeur) :

Individuellement : formulez par écrit les hypothèses qui permettent d’interpréter la combustion.

Mise en commun en groupe et réalisation d’une affiche présentant les hypothèses.

Présentation de plusieurs affiches et animation tableau pour la mise au point. (On complète avec le rôle de l’allumette, l’agitation thermique qui permet les chocs efficaces, le dégagement de chaleur… Voir combustion partie 2).

Visualisation de [methane.gif]

Consigne 3 individuel (30 minutes)

Ecrire et équilibrer l’équation de la réaction de combustion du méthane puis celle du propane.

Animation tableau pour la mise au point.

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Magistral en situation (pour compléter les magistraux des parties 1 et 2) : alcanes ; combustion des alcanes ; écriture et équilibrage des équations de réaction (conservation des atomes et donc de la masse) ; divers exemples d’équations de réactions.

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Prolongements : l’effet de serre et les gaz concernés (vapeur d’eau, méthane, dioxyde de carbone) ; réchauffement climatique… Les moteurs thermiques et les problèmes de pollution…

[…] car rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature, et l’on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l’opération ; que la qualité et la quantité des principes est la même, et qu’il n’y a que des changements, des modifications. A. L. de Lavoisier – Traité élémentaire de chimie – 1789.

Ce travail est réalisable en classe de Quatrième. Le compétences mises en oeuvre correspondent aux  attentes du programme, comme il est indiqué dans la partie 1 : voir combustion (1).

Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier combustions 2).

Consigne 1 individuel par écrit (20 minutes)

Rédiger sur une feuille A4 (qui sera affichée) avec équation de réaction, protocole, schémas…

1. Réflexion préalable : quelle est la réaction chimique correspondant à la combustion du carbone ? Quelle sont les idées principales que l’on peut utiliser ?

Données :

2. Elaboration d’un protocole : on souhaite réaliser la combustion de charbon dans le dioxygène pur et mettre en évidence le produit de la combustion.

Matériel disponible :

Un flacon de dioxygène pur 

Un morceau de charbon (sur un support)

Un chauffage électrique

Une seringue munie d’un tuyau

Eau de chaux

Affichage et animation tableau pour la mise au point.

Consigne 2 en groupe (15 minutes)

Réalisation du protocole

Consigne 3 individuel par écrit (15 minutes)

A partir du schéma précédent rédiger les observations.

Expliquer et schématiser, au niveau atomique :

pourquoi il faut chauffer au préalable le charbon (le porter à incandescence) ; 

pourquoi la combustion se poursuit alors dans le dioxygène pur ; 

pourquoi la combustion est très vive dans le dioxygène pur (alors qu’elle ne l’est pas dans l’air).

Animation tableau pour la mise au point.

A visionner : barbecue.swf  

https://www.pccl.fr › quatrieme › chimie › combustion_carbone

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Magistral en situation :

Réaction de combustion ; équation de réaction ; conservation des atomes (et donc de la masse) mais changements d’association.

Température et agitation thermique ; déroulement d’une réaction chimique au niveau atomique (chocs, rupture de liaisons…).

Dégagement d’énergie sous forme de chaleur (transfert d’énergie thermique).

Idée de vitesse de réaction.

Réinvestissement : 

Combustion des hydrocarbures : voir combustions 3

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier combustions 2).

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier combustions 1).

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« Lorsque les substances métalliques sont échauffées à un certain degré de température, l’oxygène a plus d’affinité avec elles qu’avec le calorique : en conséquence toutes les substances métalliques, si on en excepte l’or, l’argent & le platine, ont la propriété de décomposer le gaz oxygène, de s’emparer de sa base & d’en dégager le calorique. » A. L. de Lavoisier – Traité élémentaire de chimie – 1789.

Consigne 1 individuel (5 minutes)

Hypothèse. On fait brûler de la laine de fer dans l’air ; après la combustion la masse va être :

     – supérieure à la masse de la laine de fer initiale ?

     – inférieure à la masse de la laine de fer initiale ?

     – égale à la masse de la laine de fer initiale ?

Remarque : le professeur peut faire la démonstration de la combustion au préalable.

Formulez par écrit une explication de votre hypothèse.

Consigne 2 en groupe (30 minutes)

Comparaison des hypothèses faites individuellement et réalisation de l’expérience.

Que se passe-t-il au cours de la combustion ? Discutez et formulez l’interprétation par écrit, avec schémas si nécessaire, sur une feuille qui sera affichée.

Affichage des feuilles ; présentation de certaines d’entre-elles puis animation tableau pour la mise en commun des résultats et la discussion des hypothèses.

Consigne 3 individuel puis groupe (40 minutes)

Chacun reçoit l’un des trois textes suivants : [stahl.pdf]; [lavoisier.pdf] ; [amblard.pdf]

Extraits :

Lecture individuelle avec repérage des idées principales (surlignage…)

Mise en commun et réalisation d’une affiche avec un schéma pour chaque auteur.

Présentation des affiches et animation tableau pour la mise au point.

Consigne 4 individuel puis groupe (1 h 30 minutes)

Élaborer une interprétation de la combustion à partir des données scientifiques actuelles :

Présentation des affiches et animation tableau pour la mise au point.

Magistral en situation: la combustion du fer ; équation de réaction chimique (conservation des atomes) ; généralisation et autres exemples.

Réinvestissements : combustions du carbone, du méthane, du butane… Voir : combustions partie 2.

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier combustions 1).