La sursaturation est la condition chimique où une solution contient plus de soluté qu’elle ne peut en dissoudre normalement. […] En général la solubilité augmente avec la température et pour produire ces solutions, c’est un changement de la température d’une solution saturée qui causera la sursaturation. C’est un état métastable et le soluté en sursaturation précipite à la moindre perturbation donnant des cristaux dans un liquide ou des gouttelettes dans un gaz.
Pour obtenir une solution sursaturée, il faut chauffer le solvant, y dissoudre le maximum de soluté et laisser la solution refroidir le plus lentement possible. L’ajout d’un germe de cristal de soluté à une solution sursaturée entraîne la croissance de celui-ci et cela peut être une voie d’obtention de cristaux de bonne qualité.
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On propose ici la culture de cristaux sous forme d’investigation expérimentale.
Lauriane Alexandrine. Le modèle du cristal ionique parfait et ses limites.Extrait.
Modèle cristal parfait. On assimile les cations et les anions à des sphères dures (boules de billards) possédant un volume propre, caractérisés par leur rayon ionique, et une charge. La cohésion du cristal est assurée par l’interaction coulombienne entre les ions : elle est attractive entre les ions de mêmes signes, et répulsive sinon. L’interaction coulombienne attractive est forte ce qui implique une énergie de cohésion élevée pour ces cristaux (780 kJ/mol pour NaCl alors que dizaine kJ/mol pour cristaux moléculaires). Dès lors chaque ion s’entoure du nombre maximal d’ions de signe opposé (favorise l’interaction coulombienne). Il y a alors tangence entre anion et cation (sans interpénétration des nuages électroniques). Mais non contact entre les ions de mêmes signes (diminuer l’interaction coulombienne répulsive en 1/r2). En général le rayon ionique anionique (r-) est supérieur au rayon ionique cationique (r+), on parle alors de réseau hôte pour les anions et les cations viennent se placer dans les sites.
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Deux exemples classiques, le chlorure de sodium et le fer, pour aborder la modélisation des cristaux.
Les cahiers de doléance rédigés lors de la Révolution de 1789 réclamaient une mesure universelle pour s’affranchir de l’arbitraire des unités de mesure seigneuriales. Le climat de réforme qui suivit les événements révolutionnaires permit de précipiter le choix d’un étalon. Une commission est instituée le 16 février 1791 pour définir cette unité universelle. Elle est composée de Jean-Charles de Borda, Nicolas de Condorcet, Pierre-Simon de Laplace, Joseph-Louis de Lagrange et Gaspard Monge. Le choix doit être fait entre trois références possibles : la longueur du pendule simple à secondes à la latitude de 45°, la longueur du quart du cercle de l’équateur ou enfin la longueur du quart du méridien terrestre. C’est cette dernière mesure qui est retenue le 26 mars 1791, date de création du mètre qui est défini comme la dix millionième partie du quart du méridien terrestre. Le système métrique décimal est alors institué le 18 germinal an III (7 avril 1795) par la loi « relative aux poids et mesures » mais celui-ci ne s’impose pas immédiatement dans la population.
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Denis Guedj.Le mètre du monde.
[…] « Qu’il n’y ait plus sur le territoire deux poids et deux mesures » : doléance parmi les plus unanimement émises dans les cahiers, l’expression est devenue le symbole même de l’inégalité, de l’injustice et du pouvoir arbitraire des seigneurs qui, par leurs mesures, imposent un surcroît d’oppression à la population. […] D’une province à l’autre, d’un bourg à l’autre, et quelquefois à l’intérieur de la même cité, les mesures diffèrent. Diversité ! Il faudrait dire « diversités » au pluriel, de lieu, d’époque, de matières. Et ce qui est le plus gênant : souvent le même nom recouvre des quantités différentes ; c’est, suivant la formule de Talleyrand, « la différence des choses sous l’uniformité des noms ». Plus de 200 livres différentes ! Uniquement dans la région d’Angoulême, on compte plus de boisseaux que de communes ! Et des aunes par dizaines, et des lieues… Celle de Picardie vaut… comment dire… disons-le en mesures d’aujourd’hui, vaut 4,444 km, celle de Touraine 3,933 km, celle de Bretagne 4,581 km, celle de Provence 5,849 km et, à Paris, 4,18 km. La multiplicité des valeurs de la lieue oblige les cartographes à indiquer sur leurs cartes les diverses échelles utilisées. Il en est ainsi depuis des siècles.
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L’histoire du mètre et l’aventure de Delambre et Méchain : la mesure de l’arc de méridien entre Dunkerque et Barcelone…
A. Einstein. Un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de lumière. Annalen der Physik. 1905.
[…] Selon l’hypothèse présentée ici, lorsqu’un faisceau lumineux émanant d’un point se propage, l’énergie n’est pas continuellement distribuée sur des espaces de plus en plus grands, mais consiste en un nombre fini de quanta d’énergie, qui se déplacent sans se diviser et ne peuvent être absorbés et générés que tout entier. Dans ce qui suit, je partagerai la ligne de pensée et les faits qui m’ont conduit dans cette voie, dans l’espoir que le point de vue à présenter puisse s’avérer utile à certains chercheurs dans leurs investigations. […]
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Hervé Zwirn. Les limites de la connaissance. Ed. Odile Jacob – Philosophie. 2000.
[…] Einstein prit au sérieux l’hypothèse de Planck selon laquelle la lumière n’échange de l’énergie avec la matière que de manière discontinue, par quanta. Mais Planck s’était contenté de quantifier les échanges d’énergie. Pour lui, la lumière restait une onde continue lorsqu’elle se propageait. Einstein alla plus loin en supposant que la lumière est réellement constituée de quanta, les photons : « Si […] le rayonnement monochromatique de densité suffisamment faible se comporte comme un milieu discontinu de quanta d’énergie de grandeur hn, il est alors raisonnable de se demander si les lois de l’émission et de la transformation de la lumière ne correspondent pas à ce qu’elles seraient si la lumière était constituée de ces mêmes quanta d’énergie. » Cette proposition est révolutionnaire car elle signifie un retour à la conception corpusculaire de la lumière, conception qui semblait avoir été réfutée. Einstein montra comment cette idée permettait d’expliquer l’effet photoélectrique. […] L’effet photoélectrique n’est compréhensible que si la lumière est constituée de particules, les photons. Mais l’expérience des franges d’interférences ne l’est que si la lumière est une onde. On est donc confronté à deux expériences cruciales donnant des résultats incompatibles. Cette position est inconfortable mais c’est typiquement de ce genre de situation qu’émergent les révolutions conceptuelles. Pendant plusieurs années, cette énigme resta entière et les partisans de l’une ou l’autre conception campèrent sur leurs positions. […]
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Platon et Aristote – École d’Athènes (détail) – Raphaël. Platon montre le Ciel des Idées. A droite, son disciple Aristote montre la Terre.
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Platon considère qu’il n’existe qu’une seule réalité : les Idées. Le monde tel qu’il nous apparaît n’est qu’une imitation dégradée du réel, comme l’illustre le mythe de la caverne. Aristote pense qu’il y a deux réalités hétérogènes : la matière et la forme. On oppose parfois Aristote, considéré comme empiriste, à Platon qui serait rationaliste. Selon Aristote « on peut remarquer que les gens qui n’ont pour eux que l’expérience paraissent réussir mieux que ceux qui, sans les données de l’expérience, n’interrogent que la raison. » C’est par l’abstraction de diverses expériences semblables que se forment les notions générales et se constitue la science.
Platon et Aristote : l’opposition entre deux visions du monde (Extrait). L’École d’Athènes oppose frontalement deux courants de pensées. D’un côté, le monde des idées et du contemplatif, développé par le sage Platon. De l’autre, celui d’Aristote, qui se concentre sur l’expérience, le sensible et le terrestre. Tout est fait ici pour mettre en lumière la rivalité qui règne entre les deux hommes. Leurs regards se font face et semblent se défier. La vieillesse de Platon interroge la jeunesse d’Aristote. Le doigt pointé vers le ciel de l’un dialogue avec la paume de main vers le sol de l’autre. Pour appuyer le contraste, Raphaël est même allé jusqu’à les vêtir de couleurs inversées. Platon porte une tunique bleue et un manteau rouge, tandis qu’Aristote est en robe rouge et drapé bleu. Mais finalement – et malgré une approche parfois antagoniste – chacun recherche la même chose : la vérité.
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Pourquoi la construction scientifique ne se fonde-elle pas uniquement sur l’observation ou l’expérience ?
Diverses situations sont proposées ici pour s’attaquer à cette question. Elles peuvent être exploitées de diverses manières selon le contexte et les objectifs. On peut par exemple adopter le dispositif suivant en utilisant une ou plusieurs des situations proposées.
Consigne 1individuel
Pourquoi la construction scientifique ne se fonde-elle pas uniquement sur l’observation ou l’expérience ? On utilisera la (les) situation(s) proposée(s) pour répondre à cette problématique.
Consigne 2petit groupe
Mise en commun des propositions individuelles et discussion pour élaborer un poster synthétique qui sera présenté en grand groupe.
Une collection de documents est également disponible. Une sélection judicieuse stricte (selon le contexte) pourra être proposée à la lecture des participants et nourrir une discussion en fin de travail.
Ben Guarino. Ancient Romans made world’s ‘most durable’ concrete. We might use it to stop rising seas.Traduction.
Il y a deux mille ans, les romains ont construit de vastes digues et des jetées portuaires. Le béton qu’ils ont utilisé a survécu à l’empire et contient encore des leçons pour les ingénieurs modernes, disent les scientifiques. Un tas de structures à moitié englouties au large de la côte italienne peut sembler moins impressionnant qu’un colisée de gladiateurs. Mais sous l’eau, la merveille est dans le matériau. Le béton du port, un mélange de cendres volcaniques et de chaux vive, a résisté à la mer pendant deux millénaires. De plus, il est plus fort que lorsqu’il a été mélangé pour la première fois. La substance romaine est « un matériau extraordinairement riche en termes de possibilités scientifiques », a déclaré Philip Brune, chercheur scientifique chez DuPont Pioneer qui a étudié les propriétés techniques des monuments romains. « C’est le matériau de construction le plus durable de l’histoire de l’humanité, et je dis cela en tant qu’ingénieur non enclin à l’hyperbole. » […]
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Peut-on expliquer la longévité des ciments romains ?
On trouvera ici une petite collection documentaire pouvant donner lieu à exploitation, partagée entre les participants, pour une synthèse : composition, fabrication, prise du ciment, structure au niveau atomique, comparaisons avec les ciments industriels actuels, aspects énergétiques, etc.
Pour la première fois, des astronomes d’une équipe scientifique internationale ont détecté une molécule de carbone encore jamais identifiée essentielle à l’émergence du vivant. Grâce à l’excellente résolution spatiale et spectrale du télescope spatial James Webb, une équipe de scientifiques dirigée par Olivier Berné, chercheur à l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie de Toulouse, est parvenue à détecter un composé de carbone jusqu’alors impossible à repérer.
Une molécule essentielle à l’émergence de la vie. Connue sous le nom de méthyle cation, cette molécule est particulièrement importante car elle facilite la formation de molécules plus complexes à base de carbone. Cette découverte publiée dans le journal Nature ce 26 juin, atteste en effet que le méthyle cation possède la propriété unique de réagir de manière relativement inefficace avec l’hydrogène, l’élément le plus abondant de notre univers, mais de réagir facilement avec d’autres molécules et ainsi initier la croissance de molécules plus complexes à base de carbone. Les composés de carbone étant à la base de toute vie connue, ils sont particulièrement intéressants pour les scientifiques qui cherchent depuis des années à comprendre comment la vie s’est développée sur Terre et donc comment elle pourrait se développer ailleurs dans l’univers. Cette molécule, baptisée CH3+ est « recherchée depuis plusieurs décennies par les astronomes, car elle est considérée comme cruciale dans la chimie extraterrestre », a déclaré l’équipe de chercheurs toulousains dans un communiqué de presse. « Le méthyle cation est en quelque sorte à la racine de la chimie organique. »
La signature infrarouge du méthylium CH3+ a donc été détecté grâce au télescope spatial James Webb, dans le système de disque étoile-protoplanétaire connu sous le nom de d203-506, situé à environ 1350 années-lumière, dans la nébuleuse d’Orion.
Selon l’astrophysicien Olivier Bernet et l’équipe qui a mené cette étude, le méthylium est « recherché depuis plusieurs décennies par les astronomes, car elle est considérée comme cruciale dans la chimie extraterrestre ». « Le méthyle cation est en quelque sorte à la racine de la chimie organique. » L’ion méthylium peut en effet être impliqué dans la formation de molécules carbonées plus complexes et donc celles qui auraient pu participer aux origines de la vie…
On propose ici une petite collection documentaire pouvant donner lieu à un travail de synthèse.
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En chimie, l’énergie de dissociation d’une liaison (D0) réfère à l’une des mesures de l’énergie d’une liaison chimique. Elle correspond au changement d’enthalpie lors d’un clivage homolytique avec des réactifs et des produits de la réaction d’homolyse* à 0 K (zéro absolu). D’ailleurs, l’énergie de dissociation d’une liaison est parfois appelée l’enthalpie de dissociation d’une liaison. Cependant, ces termes ne sont pas strictement équivalents car l’enthalpie de dissociation d’une liaison réfère à la réaction de dissociation dans les conditions normales de température et de pression. Cela amène une différence d’environ 1,5 kilocalorie par mole (kcal/mol), ou 6 kJ/mol, dans le cas d’une liaison hydrogène dans une grande molécule organique.
* rupture homolytique ou clivage homolytique est la rupture d’une liaison covalente en deux fragments ; chacun retenant l’un des deux électrons du doublet d’électrons liants.
Exemple :
L’énergie de dissociation de l’un des liens C–H de l’éthane (C2H6) est donnée par la réaction :
Elle [l’énergie de liaison] représente l’énergie requise pour briser une mole de molécules en atomes individuels. Par exemple, l’énergie de la liaison carbone-hydrogène dans le méthane, E(C–H), est l’enthalpie nécessaire pour casser une molécule de méthane en un atome de carbone et quatre atomes d’hydrogène, divisée par 4.
L’énergie de liaison ne doit pas être confondue avec l’énergie de dissociation de liaison, qui est, en dehors du cas particulier des molécules diatomiques, une quantité différente. L’énergie de liaison représente en fait la moyenne des énergies de dissociation des liaisons de même type d’une molécule. L’énergie de liaison est, en première approche, une propriété transférable, et l’enthalpie de formation peut typiquement être approchée en additionnant simplement les valeurs tabulées de l’énergie de toutes les liaisons d’une molécule, avec parfois une erreur de seulement quelques pourcents.
L’énergie de liaison ne doit pas être confondue avec l’énergie de dissociation de liaison, qui est, en dehors du cas particulier des molécules diatomiques, une quantité différente. L’énergie de liaison représente en fait la moyenne des énergies de dissociation des liaisons de même type d’une molécule.
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On aborde ici la notion d’énergie de liaison et énergie de réaction (de façon très simplifiée par rapport aux subtilités thermodynamiques !).
Au IXe siècle, Al-Razi décrit la distillation du pétrole au moyen d’un alambic, produisant du pétrole lampant ; ce dernier a été utilisé par les Byzantins, puis les Vénitiens, et on peut supposer que le « feu grégeois », qui incendiait les navires ennemis, en contenait. […]
En 1855, George Bissell et Jonathan Eveleth apprennent que le pétrole qu’on trouve très facilement dans le Nord-Est des États-Unis, en Pennsylvanie, (et qui était utilisé jusque-là par les Indiens et les premiers colons pour l’éclairage) pouvait fournir du pétrole lampant par distillation. […]
À la même époque, l’industrie pétrolière naît en Roumanie, avec la première raffinerie en 1857 à Ploieşti, qui alimente les 1 000 lampes de l’éclairage public de Bucarest. En juillet 1858, le professeur de géologie Georg Christian Konrad Hunäus supervise le premier forage pétrolier en Allemagne sur la commune de Wietze qui exploite le premier puits de pétrole en juin 1859. […]
L’industrie pétrolière produira de la graisse pour la mécanique, de l’huile de graissage pour les moteurs ; les fractions les plus lourdes telles que le fioul lourd seront longtemps employées comme combustible, soit dans les moteurs Diesel marine (1910 pour la Marine britannique), soit dans le chauffage individuel ou la production électrique ; les résidus (asphalte) sont employés pour le revêtement des routes. […]
La chimie s’emparera également des produits pétroliers, qui livrent des intermédiaires de synthèse à un prix inégalable, particulièrement le benzène ; d’autres gammes de produits naissent, souvent en employant les nouvelles connaissances en polymérisation, avec le polychlorure de vinyle dès le début du XXe siècle, ou le Nylon 6-6 en 1935. […]
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Un travail d’exploration des combustibles pour aborder les problématiques et alternatives à l’ordre du jour…
Chantiers de Sciences 