Membranes

titre

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Objectif. Comprendre comment les mêmes concepts physico-chimiques permettent d’interpréter les structures de la mayonnaise, des bulles de savon, des liposomes… et des membranes cellulaires.


Consigne 1 groupes de trois (30 minutes)

Comparaison de la vinaigrette et de la mayonnaise.

Pour la vinaigrette fouettez vigoureusement le mélange d’huile et de vinaigre.

Pour la mayonnaise : mélangez une petite part de jaune d’œuf et un peu de vinaigre. Fouetter vigoureusement  en versant peu à peu l’huile.

Observations de la mayonnaise au microscope.

lame
Faire des préparations microscopiques (lame et lamelle) avec la mayonnaise obtenue à différents stades d’élaboration. Préparer également une lame avec la mayonnaise du commerce. Observer, dessiner et annoter vos observations.


Consigne 2 individuel puis groupes de trois (45 minutes)

Construire une interprétation des observations précédentes : instabilité de la vinaigrette (émulsion instable) et stabilité de la mayonnaise (émulsion stable). Réaliser une affiche avec schémas et explications nécessaires. 

Mots clés : micelles ; solubilité ; interactions ; hydrophobe, lipophobe, hydrophile, lipophile, amphiphile. Documents d’aide : [micelles.pdf] ; [interactions.pdf] ; [amphiphile.pdf].

micelle-mayonnaise

Présentation d’affiches ; animation tableau pour la mise au point et les apports magistraux.


Consigne 3 individuel (30 minutes)

 Réinvestissements sur plusieurs exemples : les bulles de savon, le lavage, les liposomes.

 1.  Les bulles de savon.

recette

Détergent anionique : SDS (dodécylsulfate de sodium) :

Na+, CH3 (CH2)11 SO4

anionique

Détergent cationique : CTAB (bromure d’hexadécyltriméthylammonium) :

(CH3)3 N+(CH2)15 CH3, Br

cationique

 Ci-dessus deux exemples de molécules contenues dans les détergents ; repérer les parties hydrophiles et hydrophobes de chacune de ces molécules. Interpréter la formation des bulles de savon. Document d’aide : [bulle.pdf].

 2.  Le lavage.


lavage

Les détergents sont utilisés comme agents nettoyants : expliquer au niveau moléculaire comment
s’effectue le lavage. Document d’aide :
[amphiphile 2.pdf].

3.  Les liposomes.

liposome

Par SuperManu — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2918818

Interpréter comme précédemment la formation et la stabilité des liposomes à partir des propriétés des phospholipidesDocument d’aide : [liposomes.pdf].

Prolongement : les membranes cellulaires.

 microscopeVue au microscope électronique. 

simulSimulation moléculaire simplifiée. 

membranePar derivative work: Dosto (talk)Cell_membrane_detailed_diagram_4.svg : https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5442398      https://fr.wikipedia.org/wiki/Membrane_plasmique

bicouche2

Questions préalables. Les liposomes peuvent-ils être des organismes vivants ? Pourquoi ? Quelles sont les fonctions principales des membranes cellulaires qui rendent la vie possible ? 

Projection du diaporama [membranes.pptx] ; discussion.
Autre diaporama :  [savon mayo membranes.pptx]. 
Formulation des nouvelles questions.

Complément : un pas de plus vers la complexité (selon le niveau des participants).

Un exemple : la pompe sodium – potassium

1. Le potentiel de membrane 

concentrations

Exemple : la différence de concentration des ions sodium Na+ crée une tension électrique entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule ; c’est l’équivalent d’une pile de concentration.

nernst
Calculer la tension U dans les conditions indiquée à 37°C. Quelle est la polarité de cette pile ? Quelle est la polarité de la pile correspondant au potassium? Que devrait-il se passer spontanément ? 

2. La pompe sodium/potassium : Na+/K+-ATP-ase.

Pour maintenir la stabilité électrique globale la membrane cellulaire dispose de diverses pompes ioniques. La pompe sodium/potassium ou Na+/K+-ATP-ase est une enzyme trans-membranaire (protéine) qui assure le transport des ions potassium et sodium. Document d’aide : [transports.pdf].
S’agit-il d’une transformation spontanée ou forcée ? Pourquoi faut-il un apport d’énergie ? Quelle est la source d’énergie ? Quel objet électrique correspond  la pompe sodium / potassium ? Schématiser par des flèches de couleurs différentes les mouvements ioniques spontanés et forcés.


echanges

Animation : [SodiumPotassiumPump.swf].


Documents disponibles.  

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docs1docs2docs3-copiedocs4


Datations

36 000 ans B.P. (Before Present)

ENQUETE SUR UN HOMICIDE.


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Situation :

Agence de Presse Andorre – 27 octobre 2010 

Une découverte exceptionnelle !

 Les travaux de la future station hivernale ont révélé un site d’une richesse inattendue qui suscite l’enthousiasme des plus grands spécialistes mondiaux de la paléoanthropologie.

C’est en préparant les fondations du téléphérique trans-frontières qu’a été exhumé, le 27 septembre dernier, le premier fragment fossile : un crâne pratiquement complet apparenté au genre HOMO, de l’espèce SAPIENS NEANDERTHAL. On l’a « baptisé » du nom d’ANDER.

Les autorités ont suspendu les projets d’aménagement pour permettre l’étude de ce site. Depuis lors les équipes de fouille sont allées de surprise en surprise. On a exhumé le squelette partiel d’ANDER mais aussi d’un autre fossile inattendu, SAPIAND : un HOMO de l’espèce SAPIENS SAPIENS.

On sait que ces deux espèces d’hominidés ont cohabité en Europe entre – 60 000 et – 30 000 ans mais la découverte de ces deux individus, dans un tel état de conservation, est exceptionnelle. De plus les deux fossiles sont séparés d’à peine deux mètres de distance, à moins que des glissements de terrain (ou les travaux d’aménagement) les aient par hasard rapprochés.

Les spécialistes s’interrogent : ces deux individus se sont-ils réellement rencontrés ?

Et la question prend la dimension d’une enquête policière puisque ANDER présente manifestement les signes d’une mort violente !

SAPIAND a-t-il massacré ANDER ? L’enquête n’en est qu’à ses débuts !

ander-sapiand

congres


releve

echantillons


Consigne 1 individuel (10 minutes)

Prise de connaissance de la situation. Documents : [présentation.pdf] ; [relevé.pdf] ; [echantillons.pdf].

Présentation du diaporama : [intro.pptx]

datation1

datation2


Consigne 2 groupes de 4 (1 heure)

Chaque groupe reçoit deux méthodes de datation parmi les trois :

C14 (radioactivité Carbone 14),

U-Th (radioactivité Uranium – Thorium), 

TL (thermoluminescence),

La méthode AAR (racémisation des acides aminés) est également attribuée à tous les groupes.

Il s’agit d’exploiter le fichier de tableur pour obtenir une fourchette de datation et de composer une affiche présentant le résumé de la méthode et des résultats.

Documents disponibles pour chaque méthode : une fiche explicative et un fichier de tableur. 

fiches

Exemples : c14.xslx       c14.pdf

Egalement disponibles : les fichiers de tableur exploités :

exploites

Présentations des affiches et commentaires des résultats obtenus. Conclusion : l’homicides est-il envisageable ?

Discussion sur le contenu et le déroulement de la démarche.


Documents disponibles :

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doc1

Spectres

feux

Ce travail porte sur les transitions électroniques et fait donc appel à la notion quantique de niveau d’énergie électronique dans l’atome, point commun d’interprétation pour deux « objets » : feux d’artifices et nébuleuses.


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Consigne 1 en groupe (1 séance)

Expériences et interprétations. Les raisonnements et résultats seront présentés sur affiche pour commentaire et conclusions finales.

Documents d’aide disponibles : [transitions.pdf]

transitions

transitions2

A défaut du matériel nécessaire on peut présenter directement les documents nécessaires à l’étude : [couleurs flamme.pdf] et [lumiere mercure.pdf].

 

Expérience 1 : couleurs de flamme (émissions par les ions métalliques).

Protocole : document [expérience1.pdf] 

interprétation : document [couleur flamme.pdf].

 

spectre-flamme2 

 

Expérience 2 : la lumière du mercure (émissions par la lampe à gaz de mercure).

Protocole : document [expérience2.pdf] ;
interprétation : document [lumiere mercure.pdf].

 

 emission-mercure

Présentations d’affiches et discussion.


Consigne 2 individuel (1 séance)

Couleur de nébuleuse : Orion. Il s’agit d’attribuer la couleur visible de la nébuleuse d’orion à une raie d’émission de l’hydrogène. Utiliser le document [orion.pdf] et le document d’aide [transitions.pdf].

couleur-orion

carte

Animation tableau pour la mise au point et les conclusions.

Présentation éventuelle de la vidéo : [hayden.mpeg]


Magistral en situation pour résumer et compléter les idées principales.

Quantification des niveaux d’énergie électronique ;

Transitions électroniques dans les atomes libres (gaz monoatomiques) ; émission et absorption.

Signatures atomiques (ou ioniques) et applications (astronomiques par exemple).

 

Présentations éventuelles des documents complémentaires :

[meca quantique 1 orbitales.pptx] ;

[meca quantique2 transitions.pptx] ; 

[spectres.swf].

spectro-emission

Merci à Adrien Willm pour cette magnifique animation !


Documents disponibles :

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Iridescences


iridescence

definition


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Consigne 1 groupes de trois (15 minutes)

On recherche les paramètres qui interviennent dans le phénomène .

Observation 1 : bulles et lames de savon. Éclairer sous différents angles et observer.

recette

bulle-lame

iridescence2

Observation 2 : lames d’airRéaliser et observer les franges irisées dues au film d’air ou d’eau emprisonné entre les deux lames. Agir doucement avec une pointe de stylo et observer.

lame-air

photos dues à http://www.palms.univ-rennes1.fr/PHYLAS/f_interf_fichiers/

Consigne 2 individuel puis groupes de 3 (45 minutes)

Problème : comment interpréter la formation des franges irisées ?

 schema2

Individuellement : exploiter de façon à expliquer le phénomène d’irisation et l’influence des paramètres (épaisseur, inclinaison). Document d’aide : [aide.pdf].

 

En groupe : mettre en commun et réaliser une affiche présentant les conclusions.

 

 

Présentation d’affiches et commentaires.

 

Prolongement : couleurs interférentielles diapo [papillons.pptx]

Et aussi : [calibri.pdf] ; [animal.pdf] ; [diffraction RX].


Documents disponibles :

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Chambre noire

image

En laissant les images des objets éclairés pénétrer par un petit trou dans une chambre très obscure tu intercepteras alors ces images sur une feuille blanche placée dans cette chambre. […] mais ils seront plus petits et renversés. Léonard de Vinci 1514.


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Ce travail est utilisable (et a été expérimenté) au niveau quatrième, en cours ou en EPI. Il fait appel à la proportionnalité et aux calculs qui en découlent. 


C’est au XIème siècle que le savant arabe El Haitham (Alhazen) donne l’explication du fonctionnement de la chambre noire. Della Porta (1535 – 1615) comprit que l’on pouvait réaliser des chambres noires en réduction en utilisant une boîte opaque munie d’une petite ouverture sur une de ses faces et d’une paroi translucide sur la face opposée. Pour obtenir des images plus lumineuses, il remplaça le petit trou par une ouverture plus grande munie d’une lentille. Dans les années 1820-1850, Nicéphore Niepce, Louis Daguerre et William Fox Talbot inventent des procédés d’enregistrement chimique des images (pellicule) : ainsi naquit la photographie.

 niepceChambre noire de Niepce.

 luminor


Construction travail en groupe de 2 (1 séance)

Document [construction.pdf]

construction


Consigne  en groupes pour les observations et individuel pour la réalisation des schémas (2 séances)

Etude expérimentale.  Document : [document travail.pdf]

1) Observation de l’image d’un objet lumineux.

 Dirigez la chambre noire vers la source (lettre F lumineuse) :schema0 Notez ce que vous observez sur le papier calque.

2) Explication.

 

schema1

Complétez le schéma par les rayons lumineux permettant d’expliquer la formation de l’image sur le calque.

3) Influence de divers paramètres : observer et expliquer

a)      Influence de la distance entre l’objet et la chambre noire (représentez dans chaque cas l’image A’B’ de AB)

schema2Conclusion : si D augmente, alors A’B’ …       

b)      Influence de la longueur de la chambre noire

schema3Conclusion : si L augmente, alors A’B’ …  

c)      Mathématisation

De quoi dépend la dimension de l’image A’B’ ?

Trouvez une formule mathématique permettant de calculer A’B’.

Documents d’aide éventuelle : dossier [calculs] ([calcul taille image.pdf] ; [thales.pdf] )

 d)      Vérifier numériquement sur un exemple à partir des mesures

Sur le banc d’optique organiser le matériel ; effectuer  les mesures nécessaires et vérifier avec la relation mathématique précédente (possibilité d’utiliser un tableur). Document : [chambre noire.xlsx].

e)       Influence de la dimension du diaphragme

 Noter les observations et expliquer par un schéma.


chambre2


Documents disponibles.

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docs
docs2


 

Bulles

archibulle

Amusons-nous sur la terre et sur l’onde
Malheureux celui qui se fait un nom
Richesses, honneurs, faux éclats de ce monde
Tout est bulle de savons.

J. Daullé (1703 – 1763).

souffleuse

 


Ce travail prend prétexte des bulles de savon, et des architectures qui s’en inspirent, pour étudier la tension superficielle des liquides, les interactions moléculaires et le rôle des tensioactifs amphiphiles. Il peut aussi donner lieu à un travail expérimental mettant en œuvre les techniques Exao pour la mesure de la tension superficielle de l’eau.


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Consigne 1 groupes de trois (15 minutes)

Réalisations et observations de bulles et lames de savon.

recette

bulles


Consigne 2 individuel puis groupes (10 minutes)

Interpréter la formation des bulles en termes d’interactions au niveau moléculaire.
Utiliser les documents d’aide : [structure.pdf] ; [amphiphile.pdf] ; [liaisons.pdf].

structure-bulle


Consigne 3 groupes de 2 ou 3 (60 minutes)

Etude de la tension superficielle de l’eau.

1. Exploitation du document [tension.pdf] avec observations (verre plus que plein, trombone qui surnage, effet d’un tensioactif…).

tension1

tension4bateau

tension2

tension3

2. Etude expérimentale de la tension superficielle (selon le matériel exploitable, le temps disponible et les objectifs…). Document : [protocole.pdf].

Rédiger le rapport d’expérience.

protocole

Animation tableau  pour les conclusions , avec présentation des rapports.

 


Consigne 4 groupes de 3 (30 minutes

bulles2

1. Retour aux lames de savon et interprétation en termes de stabilité : observer et
interpréter en exploitant le document [stabilité.pdf]

stabilite

Animation tableau pour les conclusions.

2. Architecture et bulles de savon : présentation du document [archibulle.pptx].

tente

tente

munichLe stade olympique de Munich 

watercube
weaire-phelan


Documents disponibles :

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Atomes

Controverses atomiques.

Atomisme contre équivalentisme.

Si j’en étais maître, j’effacerais le mot atome de la science, persuadé qu’il va plus loin que l’expérience ; et jamais en chimie, nous ne devons aller plus loin que l’expérience. J. B. Dumas.

 

En étudiant quantitativement les réactions chimiques, ce qu’on commence à faire à la fin du XVIIIe siècle et qui se poursuit tout au long du XIXe siècle, on découvre que les combinaisons de certains éléments se font par unités discrètes. Certains, les atomistes, en tirent l’hypothèse que cette discontinuité doit exister matériellement, bref que la matière doit être constituée d’atomes. L’introduction de cette notion d’origine philosophique, alors invérifiable par l’expérience, provoque une très longue controverse. Le monde de la chimie européenne se divise en clans antagonistes et la vérité scientifique devient enjeu de pouvoir. B. Bensaude-Vincent.

 

Déjà l’observation a besoin d’un corps de précautions qui conduisent à réfléchir avant de regarder, qui réforment du moins la première vision, de sorte que ce n’est jamais la première observation qui est la bonne. L’observation scientifique est toujours une observation polémique ; elle confirme ou infirme une thèse antérieure, un schéma préalable, un plan d’observation ; elle montre en démontrant, elle hiérarchise les apparences, elle transcende l’immédiat, elle reconstruit le réel après avoir reconstruit ses schémas. Naturellement, dès qu’on passe de l’observation à l’expérimentation le caractère polémique de la connaissance devient plus net encore. Alors il faut que le phénomène soit trié, filtré, épuré, coulé dans le moule des instruments, produit sur le plan des instruments. Or les instruments ne sont que des théories matérialisées. Il en sort des phénomènes qui portent de toutes parts la marque théorique. Gaston Bachelard  Le Nouvel esprit scientifique 1934.


atomes-dalton0

 J. Dalton. A New System of Chemical Philosophy. 1808. p. 218 et 219 (document : [formules dalton.pdf])

dalton-turner

John Dalton.

balance

Trébuchet – mesures de masse en chimie.

http://lyc21-carnot.ac-dijon.fr/IMG/jpg/Image_0111_1_1.jpg


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La démarche décrite ici aborde l’invention de l’hypothèse scientifique d’atome. 

 

Consigne 1  individuel (15 minutes

Utiliser le document [formules dalton.pdf] (ci-dessus) : traduire en langage moderne (et en français…) les lignes encadrées. On utilisera en particulier les termes atome et molécule et les symboles chimiques actuels des éléments.

Sachant que Dalton n’a aucune connaissance des combinaisons chimiques à l’époquerepérer ses « erreurs » (qui seront rectifiées par la suite avec le développement de la théorie atomique).

 

Animation tableau pour la mise au point et (selon le niveau) lecture partielle du document [naissance atomisme.pdf].

 dates

 


Consigne 2  groupes de trois (20 minutes)

 

Loi des proportions multiples (loi de Dalton) : si deux éléments peuvent se combiner en donnant plusieurs substances différentes, les rapports de masse du premier élément qui se lie à une masse constante de l’autre ont entre eux un rapport de nombres entiers.

 

1. J. B. Proust a étudié les oxydes d’étain et a trouvé que leurs masses se composaient soit à 88,1 % d’étain et 11,9 % d’oxygène, soit à 78,7 % d’étain et 21,3 % d’oxygène. Dalton a noté de ses pourcentages que 100 g d’étain réagira avec 13,5 g ou 27 g d’oxygène.

2. Deux composés sont formés par les éléments carbone et oxygène. Le premier renferme 42,9 % de carbone et 57,1 % d’oxygène. Le second composé renferme 27,3 % de carbone et 72,7 % d’oxygène.

A partir de ces deux exemples montrer que la loi des proportions multiples est vérifiée et que la théorie atomique permet d’interpréter les proportions mesurées. On utilisera les données actuelles (symboles et masses atomiques molaires) : Etain Sn : M = 118,7 g.mol-1 ; Oxygène O : M = 16 g.mol-1 ; Carbone C : M = 12 g.mol-1.

Réalisation d’une affiche présentant les raisonnements et résultats.

Présentation d’une ou plusieurs affiches et discussion.

 


Consigne 3 groupes de trois (20 minutes)


1. Etudes expérimentales : électrolyse et synthèse de l’eau. (Travaux de groupe pour l’électrolyse et démonstration pour la synthèse ou démonstration pour les deux).

On vérifie le rapport des volumes des deux gaz obtenus par électrolyse. Pour la synthèse on récupère le mélange des deux gaz dans un même récipient (en plastique) et on provoque la combustion explosive.

 electrolyse

C. Haraucourt « Nouvelle Physique, entièrement conforme aux programmes de 1909 ».

2. Construction des formules chimiques à partir de l’hypothèse d’Avogadro : utiliser le document [avogadro.pdf]et résoudre les problèmes posés.

avogadro

Animation tableau pour la mise au point et discussion sur le déroulement de la séance.


Compléments (selon le niveau) dans le dossier documents.

Diapos [atome1.pptx] et [atome2.pptx]. 

afm

Document [histoire epistemologie.pdf].

 L’observation scientifique est reconstruction du réel. Pour observer, suffit-il, comme l’écrit Duhem, « d’être attentif et d’avoir les sens suffisamment déliés » ? Gaston Bachelard le conteste : observer n’est pas voir. L’observateur ne se borne pas à contempler passivement la nature, les sens en alerte, prêt à saisir le fait qui pourra faire l’objet d’une nouvelle théorie. (Combien d’hommes ont vu tomber des pommes trop mûres sans pour autant en induire une loi de la gravitation universelle). L’observation scientifique exige au contraire la participation de l’esprit, qui la provoque en fonction de ses propres exigences. L’observation n’est donc jamais un constat pur de toute idée préconçue, mais le résultat d’un projet, d’une volonté de reconstruction du réel. Au fond, l’esprit scientifique ne s’instruit qu’auprès des objets qu’il a préalablement construits. Et ce n’est pas la raison humaine qui se règle sur les objets quelle identifie, mais l’objet qui est construit conformément à l’idée que s’en fait d’abord la raison. Ce qui fait dire à Bachelard « qu’après avoir formé, dans les premiers efforts de l’esprit scientifique, une raison à l’image du monde, l’activité spirituelle de la science moderne s’attache à construire un monde à l’image de la raison. Serge Le Strat. Epistémologie des sciences physiques.

 


Documents disponibles.

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