ARTheque - STEF - ENS Cachan | Unité : Les espèces chimiques 6ème

UNITE LES ESPECES CHIMIQUES 6ème

l - LISTE DES PRINCIPAUX OBJECTIFS

- Dans un mélange les espèces chimiques (ou corps purs- gardent leurs propriétés caractéristiques.

- Une espèce chimique est caractérisée par un fais-ceaude propriétés·caractéristiques qui seront découvertes au fur et à mesure (couleur, odeur, solubilité dans l'eau, température de fusion, température d'ébullition . . . ).

- Distinction entre mélanges homogènes et hétéro-gènes (à l'oeil nu).

- Etude de la solubilité des solides, liquides, gaz dans l'eau à température ambiante: saturation, bien montrer que la substance dissoute est mise en réserve et peut être récupérée, utilisation de la dissolution sélecti-ve pour séparer certains mélanges en leurs disélecti-vers consti-tuants.

- Etude de la fusion - solidification : palier pour une espèce chimique donnée, la température de fusion -solidification est une propriété caractéristique.

- Etude de l'ébullition des liquides à pression ordinaire: la température d'ébullition est une propriété caractéristique, distillation.

- L'air est un mélange (composition grossière en volume de l'oxygène et l'azote, existence de traces (réac-tif du dioxyde de carbone •.. ).

- L'eau distillée est pratiquement pure (rappel de ces propriétés caractéristiques, réalisation du cycle des transformations physiques (ou changements d'état) .

- utilisation du bec bunsen

chauffage du contenu d'un tube à essai; - observation du contenu d'un tube à essai agitation du contenu d'un tube à essai; - décantation ;

- filtration ;

- montage d'un appareil simple à distiller ; recueillir et transvaser des gaz sur la cuve à eau ;

- emploi du thermomètre et relevé de températures (éventuellement construction d'un diagramme) - utilisation de réactifs (eau de chaux . . . ).

- Utilisation d'un vocabulaire amélioré (ne pas dire fondre pour se dissoudre, buée pour vapeur, ébullition pour évaporation . . . )

- développer les qualités

- savoir ordre soin curiosité précaution (notion de sécurité)

analyser une expérience et définir les variables indépendantes ;

rechercher des causes de phénomènes observés proposer des explications par formulation

d'hypothèses;

vérifier par l'expérimentation appliquer à une situation nouvelle.

...::.

I I - LES DIVERSES FACONS D'ABORDER L'UNITE

Dans les expérimentations qui vont svoir lieu, i l est souhaitable que diverses approches soient essayées. On peut ainsi tout en respectant les objectifs principaux du module, soit partir d'une approche interdisciplinaire (en particulier en relation avec les sciences naturelles), soit partir de la pollution, soit axer essentiellement l'unité sur l'eau, en un mot partir de l'environnement.

Le compte-rendu qui suit traduit le résultat d'une pré-expérimentation qui avait surtout pour but d'adapter le contenu du module au niveau de la 6ème , i l est néces-saire maintenant d'assouplir la progression et de recenser les diverses situations expérimentales motivant les élèves qui peuvent servir de point de départ à la formulation d'une question, à la mise en oeuvre d'une investigation, etc ...

I I I - COMPTE-RENDU .DE L'EXPERIMENTATION

Cette expérimentation a eu lieu à la Faculté avec 6 élèves afin de favoriser une observation approfondie

(1975) •

Chaque leçon a duré environ l h 30.•

1" . ... ~~i§~n!:~t!~!!..:2~.ê_I!!Hi!!!g~.ê· a/Objectifs

" ',","

... ... ,1. ,N é "ce s Si t é pour un chimiste de

connaî-tre les espèces chimiques utilisées, de reconnaîconnaî-tre les espèces chimiques formées.

2. On découvre les premières propriétés caractéristiques (couleur, attraction par un aimant). La forme de l'échantillon (sauf s ' i l s'agit de la forme prise naturellement cristaux) n'a pas d'intérêt pour caractéri-ser.

3. On s'aperçoit qu'une seule propriété caractéristique ne suffit pas pour déterminer une espèce chimique.

4. Si un produit contient au moins deux espèces chimiques, c'est un mélange. Dans ce mélange, les espèces gardent leurs propriétés caractéristiques.

5. A l'oeil nul on peut distinguer les mélanges homogènes et hétérogènes.

bl

HCI)

- On amorce la leçon pour une expérience (calcaire +

- Observation guidée d'une deuxième collection de "produits" à observer (objectifs 4-5)

cl

- Il faudra fouiller davantage pour savoir si l'objectif l est bien compris des élèves.

Les élèves â la fin de la leçon ont bien compris que si

un produit est hétérogène un produit est homogène

c'est

Un

- Les élèves ont a priori l'idée que la chimie est artificielle ainsi ne sont-ils pas du tout surpris par les collections de produits à observer qui comportent des pro-duits usuels (granit, fer, plastique, solution salée) mais aussi des produits plus "artificiels" (permanganate, bi-chromate, soufre . . . ).

dl

- Le plan semble bon (en particulier la nécessité de commencer par une expérience).

- Faire faire par chaque groupe la manipulation initiale et "travailler" les questions pour sensibiliser au travail d'un chimiste.

- Le vocabulaire joue un rôle important, il im-porte de prendre un mot général pour nommer l'échantillon

à observer : nous avons pris le mot produit.

De même nous avons pour cette leçon utilisé systé-matiquement le nom "espèces chimiques", le mot corps pur ayant une signification usuelle peu précise (air pur .•• ).

- Il faudra prévoir au début de chaque leçon un contrôle rapide (soit écrit, oral ou expérimental). On définira très clairement le ou les objectifs à tester.

1. Introduction au processus expérimental observation; émission d'hypothèse, essai,

réalisa-tion d'une expérience (en fait il faut bien se rendre compte

que l'observation est lié~ à l'hypothèse: on n'observe

sou-vent qu'en fonction d'une idée à justifier. On pourra d'abord

ne pas aider.les élèves et vérifier ainsi leur acquis

scien-tifique postérieur. On pourra ainsi corriger les idées

fausses. Ensuite il faudra guider l'observation par des

ques-tions. Ce qui est essentiel dans cette démarche, c'est

l'essai: il faudra bien insister sur le fait qu'il est

né-cessaire de contrôler une hypothèse par des observations précises) •

2. Apprentissage des techniques: Décantation, filtration, évaporation, chauffage.

3. Signification de dissolution,

saturation, solution.

4. Réalisation de la séparation des cons-tituants d'un mélange.

bl La progression suivie

En observant du sel gris, du gros sel·blanc, du

sel blanc fin on pose le problème à résoudre le sel gris

est un mélange,comment le purifier?

On imagine un procédé (mi s e en solution dans l'eau),

on essaie (on s'aperçoit bien que le sel se dissout, on

découvre la saturation, on s'aperçoit que des impuretés ne se dissolvent pas).

On décante, on filtre. On imagine une nouvelle

expérienc~ pour séparer le sel et l'eau ( évaporation,

ébullition) .

cl

Les élèves ont été très actifs, ils ont sauvent

spontanément fait des remarques très intéressantes. Le niveau semble très bien adapté.

al

1. La solubilité dans l'eau est une pro-priété caractéristique.

2. La solubilité des solides augmente avec la température

3. Solubilité des gaz et des liquides

dans l'eau

4. La solubilité dans l'eau est une

méthode de séparation des mélanges

bl

- On réalise des solutions saturées de diverses

espèces chimiques (chlorure de sodium, chlorure de p

otas-sium, urée, carbonate de calcium ... ). Les élèves ont des

échantillons de même masse (19), ils aj ou t e n t

progressive-ment de l'eau pour faire disparaître le dernier cristal,

c'est-à-dire pour obtenir une soluti on saturée. On peut

comparer ainsi quâlitativement les dive r s e s solubilités

(objectif 1).

- Pour satisfaire l'objectif (2) nous avons

com-paré la variation de solubilité du chlorure de sodium et

du nitrate de potassium entre l'ébullition et la température

ambiante. On a essayé de leur faire voir comment "séparer"

ainsi le mélange des deux (objectif 4).

- On étudie la solubilité de divers liquides dans

l'eau (alcool, huile). On introduit l'émulsion stable avec

des détergents.

- On étudie la solubilité des ga z dans l'eau, on

en déduit la possibilité de transvaser les gaz peu solubles

dans l'eau.

cl

Manifestement, cette leçon éta i t trop compliquée :

en effet il fallait considérer en même temps la nature de

l'espèce chimique, la température, la saturation ou la non

saturation, trop de variables étaient impliquées en même

temps. De ce fait les objectifs (2) et (4) en partie

doi-vent être abandonnés.

dl

-

la solubilité dans l'eau est une propriété

caractéristique (exemple de solides, liquides, gaz)

la mise en solution dans l'eau permet la séparation de quelques mélanges ;

-• ac~'1sition de la technique des tranvase-ments .sur la cuve

·

iI

(Notons que dans toute cette leçon, les solubili-tés seront tacitement considérées à température ordinaire). Remarque ne pas insister sur l'interprétation du départ

d'air quand on chauffe l'eau.

La leçon étant allégée, on pourrait :

• peut-être donner des résultats quantitatifs. Quand i l faut ajouter 4 cm3 d'eau par exemple pour dissou -dre juste à saturation l gramme d'espèce chimique, la solu-bilité maximale est 250 g/litre. Il suffit donc d'utiliser des tubes à essais gradués et de remonter par le calcul au litre (ce qu'il faudra tester !) •

. peut-être montrer que l'esp~ce chimique est "en réserve" au sein de t'eau et qu'on peut la retrouver par évaporation (ceci n'est pas sans difficulté:

= d'une part d'ordre théorique: les disso-lutions né sont pas toujours de simples mélanges, exemple le gaz sulfureux, l'ammoniac

= d'autre part la récupération ne sera pas toujours facile à faire expérimentalement. L'intérêt de cette contre-expérience serait de montrer que l'attache du calcaire par racide chlorhydrique n'est pas une dissolution comme les élèves le pensent ••.) ~

faire davantage de solubilité de gaz (ammoniac) faire davantage de manipulations sur la cuve à eau.

a

l

- Lorsqu'un solide coexiste avec le liquide qu'il donne par fusion, la température se maintient constante

(palier) ; cette température de fusion-solidification est une propriété caractéristique.

bl

. - étude de la fusion du naphtalène (observation

de i'état du naphtalène et de l'évolution d'ensemble de la

température) ;

- étude de la solidification (ét~ae précise .d e

l'évolution de la température, tracer d'un diagramme,

palier) ;

- détermination des températures de fusion

d'au-tres espèces (eau, benzène)

de façon à dégager que la température de fusion est une propriété caractéristique.

cl Résultats

Aucune difficulté majeure.

dl

Il serait peut-être souhaitable de faire chauffer

un mélange (tel le beurre) et de montrer qu'il n'y a pas

de palier. De cette façon on pourrait davantage insister sur le fait qu'une espèce chimique présente un palier de fusion.

5°. -

a

l

(tacitement les ébullitions se font à la pression

de la salle).

- Mettre en évidence le palier d'ébullition présen-tée par une espèce chimique et découvrir ainsi une nouvelle propriété caractéristique ;

- se fondant sur cette propriété, on mettra au

point une méthode de séparation la distillation ;

- sensibiliser au danger de chauffer l'alcool à

flamme nue.

bl

Certains groupes étudient l'ébullition de l'eau,

l'autre de l'alcool. On trace les diagrammes; on découvre

les paliers. On en déduit que la température d'ébullition est une propriété caractéristique.

On étudie la distillation du vin (imagination de l'expérience et du comportement de l'eau et de l'alcool, réalisation de l'expérience, contr6le des solutions obte-nues) .

cl

La leçon a beaucoup plu. Des réponses très perti-nentes.

al

On veut dans cette dernière leçon récapituler les

connaissances essentielles acquises au cours du module.

- L'air est un mélange contenant de la vapeur

d'eau (invisible, ~ui devient de la buée sur une paroi

froide) ,

du gaz carbonique (réactif : eau de chaux) , des traces diverses (poussières),

et surtout de l'oxygène (absorbé par le

pyrogallatate de potassium) , et de l'azote.

On fait trouver leur pourcentage grossier: 20 %,

80 %.

Note: On pourra faire une lecture qui décrit l'ébullition

de l'air l~quide, ou film?

- L'eau naturelle est un mélange (lair a déjà été

mis en évidence, on pourra faire bouillir de l'eau dans un tube bien propre et faire constater le dépôt).

L'eau distillée est pratiquement pure, c'est donc l'espèce chimique eau.

On rappellera les diverses propriétés

caractéris-tiques de l'eau (incolore, inodore, températures de fusion

00

C, temps d'ébullition 1000

C) et l'existence de paliers de changement d'état.

On réalisera un cycle de transformations physiques de l'eau.

bl

L'expérimentation de cette leçon n'a été que partielle, elle semble ne poser aucune difficulté.