De quoi s’agit-il ?

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…

—————————————–

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.

__________________________________

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.

__________________________________________

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

_____________________________________

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

_____________________________________

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

———————————-

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

———————————-

« 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.

————————————

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

En juillet 1714 le Parlement du Royaume Uni et la Reine Anne promulguent le « Longitude Act » qui établit une récompense de 20 000 Livres pour le découvreur d’une méthode fiable de mesure de la longitude pour la navigation maritime. Il en sera de même en France, en Espagne, en hollande, dans les années qui suivirent. On l’a compris, il s’agit, pour ces nations maritimes, de disposer de moyens de navigation fiables.

La préoccupation est plus actuelle que jamais et généralisée à tous les modes de navigation avec les systèmes de géolocalisation (GPS, Galiléo, etc.).

Mais il faut souligner que la fiabilité du repérage spatial est étroitement liée à la précision de la mesure du temps. C’est l’objet de l’étude qui suit.

Document général : [les gardiens du temps.pdf]

Consigne 1 individuel puis échanges en petit groupe (30 minutes)

Vérifier la validité des propositions qui suivent.

Nous sommes en l’an 1700. Les navigateurs disposent d’un garde – temps (une horloge) qui conserve l’heure solaire de leur point de départ. Pour faire le point on détermine le moment ou le Soleil est le plus haut dans le ciel : il est alors midi (12 h) localement. La lecture de l’heure du garde – temps permet de déterminer le décalage horaire entre le point de départ et le lieu où se trouve le navire. On en déduit alors position (en longitude) du navire par rapport au point de départ.

On comprend que l’importance de la précision du garde – temps. Une imprécision sur la mesure du temps d’une minute correspond à une imprécision sur la distance d’environ 28 km au niveau de l’équateur.

En 1761, William Harrison (fils de l’horloger John Harrison qui concourt pour le prix du « Longitud Act ») effectue le voyage de l’Angleterre à la Jamaïque. A l’arrivée, le calcul montre que le chronomètre H4 de Harrison est en retard de 5 secondes, soit une erreur de longitude de 1,25 minute (1 degré = 60 minutes) soit une erreur de distance d’environ 2,3 km au niveau de l’équateur.

A consulter: http://www.musee-marine.fr/programmes_multimedia/faire-le-point/

Document complémentaire (à traduire éventuellement) : [Longitude Act.pdf]    

Animation tableau pour la mise au point.

Consigne 2 individuel puis échanges en petit groupe (20 minutes)

Vérifier la validité des propositions qui suivent.

Un système de positionnement par satellites¹ fournit sur un récepteur les coordonnées géographiques (longitude, latitude, altitude), la vitesse de déplacement et l’heure à son utilisateur. Les satellites émettent en permanence des signaux micro-ondes donnant leur position précise par rapport à la Terre et l’heure précise (grâce à des horloges atomiques). 

Le récepteur (un smartphone par exemple ou un récepteur de voiture) détermine le temps mis par les micro-ondes pour lui parvenir depuis un satellite en comparant la date d’émission – incluse dans le message – et la date de réception. Ceci permet de déterminer la distance d entre le récepteur et le satellite. Il suffit en principe de trois satellites pour déterminer la position du récepteur. 

Mais diverses sources d’imprécision doivent être compensées, en particulier celle de l’horloge du récepteur. En effet la précision et la stabilité de l’heure du satellite est garantie par plusieurs horloges atomiques qui fournissent une heure qui ne dérive que de quelques nanosecondes par jour (une imprécision de 1 nanoseconde, soit 10^-9 s, induit une imprécision de 30 cm sur la distance²). Le récepteur, par contre, ne peut être équipé d’une horloge aussi précise pour des raisons de coût et d’encombrement : l’heure est fournie par un oscillateur à quartz dont la dérive journalière moyenne est de 10 millisecondes. Or une désynchronisation de 10 millisecondes entre l’horloge du satellite et celle du récepteur engendre une erreur de calcul de la position de 3 000 km. Ceci est compensé par l’utilisation du signal d’au moins un quatrième satellite (ou plus, ce qui améliore encore la précision du positionnement).

¹Il existe plusieurs systèmes : GPS (américain), Galiléo (européen), Glonass (russe)… Le système GPS utilise un ensemble de 24 satellites en orbite (altitude de 20 200 km). 

²La vitesse des signaux micro-onde est 3x10⁸ m/s (vitesse de la lumière).

Animation tableau pour la mise au point.

—————————————-

Les documents sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier les gardiens du temps).

——————————————————