Chimie microscale : Expériences à but scolaire Teach article

Traduit par Maurice Cosandey. Elias Kalogirou et Eleni Nicas présentent une selection d’expériences à très petite échelle et à but scolaire.

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Vues à l’échelle de l’industrie, les expériences de chimie faites à l’école sont toutes à l’échelle micro : 50 mL par ici, 1 g par là. Mais nous, dans notre école, nous avons encore réduit la taille de nos expériences, en n’utilisant qu’une à deux gouttes de produits à chaque fois.

Vues à l’échelle de l’industrie, les expériences de chimie faites à l’école sont toutes à l’échelle micro : 50 mL par ici, 1 g par là. Mais nous, dans notre école, nous avons encore réduit la taille de nos expériences, en n’utilisant qu’une à deux gouttes de produits à chaque fois. Le travail à cette échelle présente de nombreux avantages. Le recours à de très petites quantités de réactifs économise le temps, les frais et les déchets. Ce qui encourage les élèves à l’écologie. Les précautions de sécurité sont toujours necessaries, certes. Mais le risque d’accident est minimum, et les élèves n’ont aucune difficulté à manipuler des petites quantités. A cette échelle, les expériences n’ont pas besoin d’être faites dans de la verrerie de laboratoire. Elles peuvent très bien être effectuées dans du matériel de ménage, comme les emballages de chewing-gum. Ces derniers sont bon marché, réutilisables et peu encombrants.

Nous allons présenter ci-dessous les instructions que nous remettons à nos élèves de 14 à 15 ans. Ils travaillent par groupes de quatre. Il arrive occasionnellement que le maître démontre lui-même les expériences au rétroprojecteur.

Notre récipient de réaction :
un paquet de chewing-gum

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l’aimable autorisation de Elias
Kalogirou et Eleni Nicas

Les réactions étudiées font partie du cursus éducatif grec pour les élèves de cette tranche d’âge. Mais elles pourraient être proposées à d’autres élèves.

Expériences

Plutôt que de recourir à de la verrerie de laboratoire ordinaire, les expériences de ce cours s’effectuent dans des emballages de chewing-gum, d’où on a retiré la feuille de couverture et la gomme. Voir l’image. Les tablettes de chewing-gum conviennent aussi, si elles sont assez grandes. Chaque expérience s’effectue dans une cuvette différente.

 

Notices de sécurité:

  • L’acide chlorhydrique et l’hydroxyde de sodium, employés dans la majorité des expériences de cet article, doivent être utilisés avec des gants et des lunettes de protection.
  • Les quantités et les concentrations utilisées sont si petites que les déchets peuvent être simplement rejetées à l’évier

 

Les modes opératoires et les résultats attendus dans toutes les expériences peuvent être déchargés sous forme de document Word® depuis le sitew1 Science in School.

Préparation

Chou rouge
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L’indicateur au chou rouge se prépare en remplissant au tiers un bécher de 500 mL avec des feuilles de chou rouge fraîchement hâchées, puis en ajoutant 200 mL d’eau distillée. On couvre et on fait bouillir jusqu’à ce que le liquide prenne une coloration pourpre. Le liquide refroidi et décanté forme la solution d’indicateur.

La solution d’hydroxyde de sodium NaOH se prepare en dissolvant 0.4 g NaOH dans 100 mL eau.

L’eau de chaux (solution saturée d’hydroxyde de calcium) se prépare en remplissant un bécher au tiers avec de l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2, puis en ajoutant de l’eau distillée jusqu’à la graduation 400 mL. Agiter, et laisser déposer la suspension trouble pendant une nuit. Transvaser la solution claire et saturée, dite eau de chaux, dans un flacon compte-gouttes, sans emporter le sédiment.

L’acide chlorhydrique, 15% en masse, est en vente dans certains supermarchés. Si non, on fait une solution approximativement 1 M dans le laboratoire.

L’acide chlorhydrique, 15% en masse, est en vente dans certains supermarchés. Si non, on fait une solution approximativement 1 M dans le laboratoire. Noter que la solution d’acide est plus concentrée que celle d’hydroxyde de sodium. Les projections accidentelles de base dans l’oeil sont plus dangereuses que celles d’acide.

Les solutions utilisées dans les expériences doivent être placées dans des flacons compte-gouttes

Buts

Tablettes d’aspirine
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L’expérience 1 montre aux élèves que les acides et les bases modifient la couleur des indicateurs pH, et que ce changement de couleur caractérise les acides et les bases.

Dans l’expérience 2, les élèves étudient la réaction des acides sur les métaux. Ils devraient observer la formation de bulles (effervescence) et le fait que le magnésium réagit plus vivement avec les acides que le fer, malgré qu’il consomme moins d’acide. On explique aux élèves que le gaz produit est l’hydrogène.

Dans l’expérience 3, les élèves observent la réaction des acides sur les carbonates. Ils devraient voir s’y former des bulles (effervescence). On explique aux élèves que le gaz est du dioxyde de carbone.

L’expérience 4 permet aux élèves de se familiariser avec le papier pH. Ils devraient apprendre que le pH d’une solution peut se déterminer avec du papier pH, et que la solution elle-même peut être classée comme soit acide, soit basique.

Dans l’expérience 5, les étudiants comparent les conductivités de l’eau et des solutions d’acide chlorhydrique et d’hydroxyde de sodium. Ils devraient observer que les solutions acides et basiques conduisent le courant, mais pas l’eau distillée.

Expérience 1 : Changement de couleur des indicateurs

Couper le chalumeau à boire
en biseau, pour qu’il puisse
servir à prélever de petites
quantités de poudre

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l’aimable autorisation de Elias
Kalogirou et Eleni Nicas

Matériel

  • Emballage de chewing – gum (Voir l’image)
  • Chalumeaux à boire, coupés en biseau. Voir l’image de gauche.
  • Ciseaux
  • Gants à jeter
  • Lunettes de protection

Produits chimiques

  • Solution d’acide chlorhydrique 1 M (ou dilution 15% en poids)
  • Solution d’ammoniaque à but ménager (par exemple : lave-vitre Ajax)
  • Solution d’hydroxyde de sodium 0.1 M. Voir sa préparation plus haut.
  • Eau de chaux
  • Indicateur chou rouge
  • Solution de l’indicateur tournesol
  • Solution de l’indicateur phénolphtaléine
  • Jus de citron
  • Tablette écrasée d’aspirine
  • Eau distillée

Méthode

  1. Conformément au tableau 1, ajouter une solution test (ex. : jus de citron), et un indicateur de pH (ex. : tournesol) à chaque cuvette.
Tableau 1 : Déroulement de l’expérience 1

Cuvette 1

  • 10 gouttes de jus de citron
  • 2 gouttes de l’indicateur chou rouge

Cuvette 2

  • 10 gouttes d’eau de chaux
  • 2 gouttes de l’indicateur chou rouge

Cuvette 3

  • 1 pointe de chalumeau d’aspirine en poudre (Voir l’image ci-dessus)
  • 10 gouttes d’eau
  • 2 gouttes d’indicateur tournesol

Agiter le mélange

Cuvette 4

  • 10 gouttes de solution d’ammoniaque ménage
  • 2 gouttes d’indicateur tournesol
     

 

Cuvette 5

  • 10 gouttes de solution d’acide chlorhydrique
  • 2 gouttes de phénolphatléine

Cuvette 6

  • 10 gouttes de solution d’hydroxyde de sodium
  • 1 goutte de phénolphtaléine
  1. Reporter les couleurs observées dans le tableau 2.
  2. Que pouvez-vous conclure de vos résultats ?
Indicateur Couleur originelle de l’indicateur Couleur après addition d’acide Couleur après l’addition de base
Tableau 2 : Résultats de l’expérience 1
Chou rouge   Cuvette 1: Cuvette 2:
Solution de l’indicateur tournesol   Cuvette 3: Cuvette 4:
Phénolphtaléine   Cuvette 5: Cuvette 6:

Expérience 2 : Effet des acides sur les métaux

Prélèvement de poudre de fer
avec un chalumeau coupé

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de Elias
Kalogirou et Eleni Nicas

Matériel

  • Emballage de chewing-gum
  • Chalumeaux à boire, coupés en diagonale
  • Ciseaux
  • Gants à jeter
  • Lunettes de protection

Produits chimiques

  • Poudre de fer (Fe)
  • Poudre de magnesium (Mg)
  • Solution d’acide chlorhydrique 1 M (ou 15% en poids)

Méthode

  1. Ajouter une poudre de métal (ex.: fer) à une solution acide (ex.: acide chlorhydrique), selon le Tableau 3.
Tableau 3. Déroulement de l’expérience 2

Cuvette 1

  • 1 pointe de chalumeau à boire de poudre de fer
  • 10 gouttes de solution d’acide chlorhydrique

Cuvette 2

  • 1 pointe de chalumeau à boire de poudre de magnésium
  • 2 gouttes de solution d’acide chlorhydrique
  1. Qu’observe-t-on quand on ajoute de l’acide chlorhydrique sur la poudre de fer ?
  2. Est-ce qu’on peut expliquer cette différence ?
  3. La réaction est-elle plus vive ou moins vive qu’avec le fer ?
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Expérience 3 : Effet des acides sur les carbonates

Matériel

  • Emballage de chewing-gum
  • Chalumeau à boire, coupé en biseau
  • Ciseaux
  • Gants à jeter
  • Lunettes de protection

Produits chimiques

  • Chaux en poudre (CaCO3)
  • Bicarbonate de sodium (NaHCO3)
  • Solution d’acide chlorhydrique 15% en poids ou 1 M

Méthode

  1. Mettre un peu de carbonate (ex.: chaux en poudre) puis une solution acide (ex.: acide chlorhydrique) dans chaque cuvette, selon la table 4.
Tableau 4 : Déroulement de l’expérience 3

Cuvette 1

  • Une pointe de chalumeau de poudre de chaux
  • 5 gouttes de solution d’acide chlorhydrique

Cuvette 2

  • Une pointe de chalumeau de bicarbonate de sodium
  • 5 gouttes de solution d’acide chlorhydrique
  1. Qu’observe-t-on quand l’acide est versé sur le carbonate ?

Expérience 4: Usage du papier indicateur de pH

Matériel

  • Papier ménage
  • Papier blanc de format A4
  • Ciseaux
  • Gants à jeter
  • Lunettes de protection
  • Papier indicateur de pH ou indicateur universel

Produits chimiques

  • Vinaigre
  • Solution d’acide chlorhydrique 15% en masse ou 1 M.
  • Solution de ménage à base d’ammoniaque (ex.: lave-vitres Ajax)
  • Eau de chaux
  • Eau distillée
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Méthode

  1. Recouvrir la table de papier ménage ; puis poser une feuille A4 par-dessus.
  2. Découper 5 bandes de papier pH (ou de papier indicateur universel) de 4 cm de long, et les déposer, bien séparées, sur la feuille de papier blanc.
  3. Verser une goutte d’une solution test sur la première bande, puis une goutte de la 2ème solution sur la 2ème bande, etc. jusqu’à la fin.
  4. Comparer la nouvelle couleur de la bande de papier aux couleurs de référence. Déterminer le pH de chaque solution.
  5. Reporter les pH de chaque solution dans le tableau 5, et décider si cette solution est acide ou basique
Tableau 5 : Résultats de l’expérience 4
Solution Vinaigre Acide chlorhydrique Ammoniaque Eau de chaux Eau distillée
pH          
Acide ou basique          

Expérience 5: Conductivité de l’eau distillée et des solutions d’acide et de base

Matériel

  • Emballage de chewing-gum
  • Ciseaux
  • Gants à jeter
  • Lunettes de protection
  • Feuilles d’aluminium
  • 3 fils électriques, avec fiches crocodile
  • Papier adhésif “scotch”
  • Pile de 4.5 V
  • LED (5 mm de diamètre)

Produits chimiques

  • Eau distillée
  • Solution d’acide chlorhydrique 1 M ou 15% en masse
  • Solution d’hydroxyde de sodium 0.1 M (voir la preparation ci-dessus)

Méthode

Comment fixer les électrodes
 
  1. Découper 4 bandes de papier d’aluminium, de 6 cm x 0.5 cm chacune.
  2. Former deux électrodes en repliant deux bandes d’alu, et les introduire ensuite dans la cuvette no.1 sans qu’elles se touchent. Fixer le tout sur la table avec du papier adhésif.

L’étape suivante permet de réaliser le circuit électrique (à gauche).

  1. Connecter le pôle positif P de la pile, à l’anode A de la LED, à l’aide d’un fil électrique. Puis connecter la cathode B de la LED à l’une des bandes d’aluminium C, à l’aide d’un 2ème fil électrique. Connecter enfin l’autre bande d’aluminium D au pôle négatif N de la pile avec le 3ème fil électrique.
  2. Remplir à demi la cuvette no.1 avec de l’eau distillée. Cela ferme le circuit.
Montage du circuit électrique
Images reproduites avec
l’aimable autorisation de Elias
Kalogirou et Eleni Nicas
 

Est-ce que la LED s’allume ?

Peut-on en conclure que l’eau distillée  conduit l’électricité ?

  1. Ajouter 3 gouttes d’acide chlorhydrique à la cuvette no. 1.

Est-ce que la LED s’allume ?

Peut-on en conclure que la solution d’acide chlorhydrique conduit l’électricité ?

  1. Couper le contact vers les deux bandes.
  2. Insérer deux nouvelles bandes d’alu dans la cuvette no. 2, et les fixer à la table comme en §2.
  3. Relier les deux fils aux deux nouvelles electrodes.
  4. Ajouter goutte à goute de 6 à 8 gouttes de la solution d’hydroxyde de sodium dans la cuvette no.2, jusqu’à ce que les feuilles d’aluminium soient immergées.

Est-ce que la LED s’allume ?

Peut-on conclure que la solution d’hydroxyde de sodium conduit l’électricité ?

Remerciements

Les auteurs aimeraient remercier Pénélope Galanopoulou, qui enseigne l’anglais au Lycée Pierre de Coubertin de Pyrgos, pour avoir traduit cet article du grec en anglais, puis Maurice Cosandey, qui l’a traduit en français.

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Web References

  • w1 – Les tableaux relatifs aux expériences (modes opératoires et résultats) peuvent être déchargés sous Word ici.

Resources

  • Williams KL, Little JG (1997) Microscale Experiments for General Chemistry. Boston, MA, USA: Houghton Mifflin. ISBN: 9780669416060
  • Zubrick JW (2003) The Organic Chem Lab Survival Manual: A Student’s Guide to Techniques 6th edition. New York, NY, USA: John Wiley & Sons. ISBN: 9780471215202
  • Skinner J (1998) Microscale Chemistry: Experiments in Miniature. Cambridge, UK: Royal Society of Chemistry. ISBN: 9781870343497
  • Les lecteurs lisant le grec peuvent consulter l’ouvrage suivant :
    • Κ. Γιούρη – Τσοχατζή (2003) Σχολικά Πειράματα Χημείας, Από τη Μακρο- στη Μικροκλίμακα. Θεσσαλονίκη , Ελλάδα : Εκδόσεις Ζήτη . ΙSBN: 9604318608
  • Pour d’autres activités avec l’indicateur de chou rouge, voir :

Author(s)

Elias Kalogirou est un maître de sciences de niveau secondaire. Il est responsible du Laboratoire Central de Sciences Physiques, qui vise à promouvoir le travail experimental auprès des maîtres de sciences du secondaire. En particulier il encourage le recours aux expériences microscale à l’école.

Eleni Nicas est une biologiste de formation. Mais dans les six dernières années, elle a enseigné la biologie, la chimie et la physique aux élèves de 13 à 15 ans du 4ème Lycée Junior de Pyrgos. Pendant les trois dernières années, elle a introduit les expériences microscale dans son cours de chimie, en collaboration avec le Laboratoire Central de Sciences Physiques. Elle est titulaire d’un diplôme post-grade d’éducation en physique


Review

Un maître de sciences doit certes enseigner la théorie, mais il doit aussi développer l’habileté expérimentale de ses élèves. C’est pourquoi le travail pratique en laboratoire est irremplaçable. Hélas, cette évidence se heurte à des considerations pratiques, telles que les facteurs économiques et la protection de l’environnement. A notre époque de “chimie verte”, le recours aux expériences de type microscale s’avère donc particulièrement approprié. Et il est particulièrement bien adapté aux jeunes élèves.


Marie Walsh, République d’Irlande




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