Mélanges et Solutions

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1 ANIMATION RAR ROUBAIX-HEM Mélanges et Solutions Proposition d une séquence : Fabrication de cristaux Emeline Bracq Animation RAR Roubaix-Hem Animation RRS Roubaix-hem

2 Travail réalisé dans le cadre du Concours Académique sur la Croissance Cristalline proposé en 2010 par l Union des Professeurs de Physique et Chimie de Lille aux écoles primaires de l académie. Les propositions de séances sont tirées d un travail réalisé par Mme Jocelyne Borne, Animatrice REP de l académie de Versailles. Mélanges et Solutions Objectifs de la séquence A travers des manipulations simples et un concours académique, dégager quelques notions fondamentales sur la dissolution, la solubilité, les notions de solution et mélange, de solution saturée, de cristallisation. Compétences spécifiques - être capable de poser des questions et de s'interroger - être capable de décrire une manipulation - être capable de communiquer ses démarches - être capable d écrire un protocole expérimental pour répondre à un problème - être capable d'isoler une variable et mettre en œuvre des expériences pertinentes - être capable de réaliser des expériences et de suivre un protocole expérimental - être capable d'exprimer par écrit (textes, schémas...) les résultats d'observation d'expériences Les trois premières séances proposées permettront aux élèves d acquérir certaines notions indispensables à la réalisation des cristaux. Il s agira de rendre les élèves capables d entreprendre une démarche d investigation, de formuler des hypothèses à l écrit et à l oral, d argumenter leurs choix et d expérimenter leurs hypothèses. Grâce aux notions acquises et au vocabulaire, ils seront capables de trouver par eux-mêmes un protocole d expérimentation pour réaliser les cristaux en utilisant un vocabulaire spécifique approprié. 2

3 1. Matériel Par groupe : Séance 1 : Peut-on mélanger des solides avec de l eau? 6 pots d eau, une cuillère, un papier absorbant, 6 pots contenant chacun : du sel, du sucre, de la farine, du sable, de la terre, du café 2. Individuel, écrit : émissions des hypothèses Pré-requis (cycle 2) : qu est ce qu un solide, qu est ce qu un liquide? Chaque élève a une fiche permettant de faire ses propres hypothèses sur les différents mélanges. Faire lire le protocole et réaliser les expériences. 3. Par groupe : expérimentation Chaque groupe reçoit une barquette contenant 6 pots d eau et 1 cuillère. On distribue le 1er ingrédient à tester : le sel «Verse doucement une cuillerée de la substance à tester et remue. Attends environ 2 minutes puis vérifie tes hypothèses.» Observations : Le sel «fond» dans l eau ; on dit qu il se dissout dans l eau, c est la dissolution. Le sel est soluble dans l eau. 3

4 Il est important de faire la distinction entre Fondre et dissoudre, pour cela prendre l exemple du glaçon (passage de l état solide à l état liquide). Si besoin, il est possible de réaliser une petite expérience : dans deux sachets distincts, mettre un glaçon dans l un et un sucre dans l autre, plonger les sachets dans de l eau chaude. Observer. On procède de la même façon pour les 5 autres solides à tester. On remplit la fiche d expérience au fur et à mesure des manipulations. 4

5 4. Mise en commun Prendre un pot à la fois pour faire le bilan collectif.chaque groupe fait part de sa manipulation à la classe. Les résultats sont notés sur une fiche récapitulative. Eau + farine : ça ne se mélange pas bien, on voit de la farine collée au bord : le mélange n est pas homogène, mais hétérogène. Ca fait de la pâte. Si on laisse reposer, on voit de la farine au fond, c est plus épais et plus clair en haut. C est la décantation. Eau + café soluble : ça se mélange bien, le mélange est homogène. Il est noir, mais on ne voit pas de grains. Il est opaque. Eau + terre : ça ne se mélange pas bien. La terre remonte ou descend. Le mélange est hétérogène. Eau + riz : ça ne se mélange pas. Eau + sucre en poudre : ça se mélange bien : le sucre est soluble dans l eau. Eau + sel : ça se mélange bien : le sel est soluble dans l eau. On ne voit plus rien : le mélange est transparent. Le sel et le sucre n ont pas fondu dans l eau, mais ils se sont dissous : les cristaux de sel et de sucre se sont cassés en milliards de petits morceaux (les molécules) qui se sont dispersés dans l eau. L eau du robinet n est pas pure : on ne les voit pas, mais il y a des particules dissoutes dans l eau. 5. Travail individuel Faire remplir la fiche récapitulative au fur et à mesure. 5

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8 6. Trace écrite 8

9 Séance 2 : Peut-on mélanger autant de sel ou de sucre que l on veut dans de l eau? 1. Matériel gobelets transparents ou verres sel de cuisine eau balance (plusieurs si possible) plaque chauffante + casserole (pour l'enseignant) biberon ou verre doseur ou éprouvette graduée Attention : la saturation du sucre est difficile à montrer car le mélange devient épais, comme du sirop. 2. Oral collectif Faire un rappel de la séance précédente et du vocabulaire employé : dissoudre, soluble, insoluble, homogène, hétérogène. Le sel et le sucre sont solubles dans l eau. Faire lire le problème posé pour cette séance. Les élèves émettent des hypothèses, ils se souviennent que le sucre reste au fond de la tasse parfois. Faire 6 groupes, 3 groupes réfléchissent pour le sel et 3 groupes pour le sucre. Chaque groupe prépare une expérience qui permet de trouver la limite : écrire le protocole et réaliser l expérience. Présenter le matériel et donner 2 indications : a) Pour le mélange eau + sel, vous utiliserez 100ml d eau. Pour le mélange eau + sucre, vous utiliserez 50ml d eau. b) Vous avez droit à deux pesées : une au début de l expérience, l autre à la fin. 3. Mise en commun Chaque groupe présente son protocole à la classe : soit on réalise un protocole commun, soit on laisse chaque groupe expérimenter le sien. 9

10 Dans le deuxième cas, on prend le risque que le groupe ne verse pas petit à petit, et donc soit incapable de calculer la masse de sel ou de sucre qu il aura mit. L avantage, c est que cela fait réfléchir les élèves sur l expérience, et qu ils peuvent eux-mêmes remédier à leur erreur. Ainsi ils doivent écrire sur leur protocole la première conclusion qui suit cette première hypothèse, et écrire une nouvelle hypothèse : «verser le sel/sucre petit à petit» Protocole commun : - On pèse le gobelet de sel ou de sucre au début - On mesure le volume d eau avec le bécher ou l éprouvette - On verse petit à petit le sel ou le sucre dans l eau en agitant bien le mélange à chaque fois, jusqu à saturation - On repèse le gobelet de sel ou de sucre - On calcule la différence entre la masse de départ et la masse finale. 4. Expérimentations en groupe 5. Recueil des résultats au tableau Chaque groupe expose ses résultats et fait part de ses observations à la classe. Il est important de faire remarquer qu il fallait verser petit à petit le sel ou le sucre, que le niveau de l eau augmentait. Quand on n arrive plus à dissoudre le sel : c est que la solution est saturée, c est la saturation. Calcul de la masse de sel pour saturer un litre d eau : on a le résultat pour 100ml, donc on multiplie le résultat par 10. Calcul de la masse de sucre pour saturer un litre d eau : on a le résultat pour 50ml, donc on multiplie par 2 puis par 10. Les taux connus sont donnés aux élèves : un groupe s approche vraiment du résultat. Il est difficile de saturer la solution de sucre, elle ressemble à du sirop. 6. Conclusion On ne peut pas ajouter autant de sel ou de sucre qu on veut dans une solution : il y a saturation. Le sel ne se dissout plus dans l eau à partir de 357g par litre, Le sucre ne se dissout plus dans l eau à partir de 1900g par litre. Prolongements «La prochaine fois, on va essayer de récupérer le sel et le sucre qui sont dissous. Commencez à y réfléchir. On va garder tous vos pots.» 10

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13 Séance 3 : Comment récupérer le sel ou le sucre dissout dans l eau? 1. Matériel Filtres à café, tamis, gobelets, cuillères, balances, gobelets des séances précédentes, fiches «protocole». 2. Oral Collectif Rappel de ce qui a été vu dans les séances précédentes et du vocabulaire (dissoudre, saturer ). 3. Par groupe de deux : hypothèses Lecture de la question : vous allez réfléchir à deux à un protocole expérimental qui permettrait de répondre à la question. Chaque groupe produit un protocole, faire ensuite un bilan collectif des différentes hypothèses. 4. Expérimentations et bilan intermédiaire Chaque groupe expérimente son hypothèse : on donne aux groupes les gobelets des séances précédentes. Voici quelques propositions qui viennent des élèves (liste non exhaustive) : Passoire : procédé inefficace, on récupère l eau salée ou sucrée Tamis : on ne récupère pas de sucre, ni le sel Filtre à café : il y a bien du sucre et du sel dans les filtres, mais aussi dans l eau donc on n a pas su tout récupérer. Évaporation : c est long, il faut attendre. On remarque que dans les gobelets des séances précédentes, des cristaux de sucre et des cristaux de sel se sont formés. L eau a eu le temps de s évaporer. 5. Hypothèse de la classe «Pour que l eau s évapore plus vite, on pourrait chauffer.» Pour le sucre on obtient du caramel, pour le sel, quand l eau s est évaporée, on le récupère bien. 6. Conclusion et trace écrit Mettre au tableau une liste de mot qui doit faire partie de la conclusion et laisser les élèves écrire leur propre résumé. 13

14 1. Matériel Séance 4 : Comment fabriquer des petits cristaux de Sulfate de Cuivre Anhydre? (ou autre sel donné) gobelets transparents ou verres, cuillères à café substance à cristalliser eau distillée ou déminéralisée balance (plusieurs si possible) plaque chauffante + casserole (pour l'enseignant) biberon ou verre doseur ou éprouvette graduée assiettes creuses Fil de pêche Thermomètre Loupe binoculaire 2.,Oral collectif Explication du défi : il s agira de fabriquer un cristal, le plus beau et gros possible. Pour cela on leur met à disposition le sel et le matériel des autres séances. Faire un rappel de ce qui a été vu lors des autres séances et de tout le vocabulaire appris. Est-ce que d après ce que l on sait déjà, on peut relever le défi? «-On sait que le sel se dissout dans l eau - Il faut d abord vérifier ça! - oui, et que pour le récupérer c est mieux de chauffer le mélange. - On pourrait dissoudre le sulfate de cuivre dans de l eau, et après laisser s évaporer l eau - Si on chauffe ça ira plus vite! -» Expliquer ce qu est un cristal : reprendre un des gobelets dans lequel on avait dissout le sel, et dont l eau s est évaporée. Montrer qu une multitude de petits cristaux se sont formés sur le bord du gobelet. Nous, nous avons besoin d un seul cristal. essayer de récupérer quelques petits cristaux et les regarder à la loupe binoculaire. 14

15 Ramener des cristaux comme le quartz, la citrine,. afin de montrer aux élèves différents types de cristaux. Certains élèves peuvent en avoir chez eux, ou l enseignant. Sinon, il est possible d en emprunter dans des Musée d Histoire Naturelle. A ce moment du projet, il est possible de faire un lien avec les volcans : dans l émission «C est pas Sorcier» sur les volcans, il y a un passage où l on voit des cristaux de souffre se former. 15

16 1. Par groupe de 2 Faire écrire un protocole d expérience par binôme. Voici deux exemples de protocoles réalisés par les élèves : Animation RRS Roubaix-hem

17 2. Synthèse collective Chaque groupe explique son hypothèse. 3. Expérimentation : Qu observe-t-on? Laisser les groupes expérimenter leur protocole, faire leur propre conclusion et nouvelles hypothèses si besoin. Vous trouverez sur la page suivante un protocole qui permet de réaliser des petits cristaux. Il complète ceux des élèves. Faire observer les petits cristaux à la loupe binoculaire, remarquer leur forme propre, un prolongement peut être envisagé en géométrie. Animation RRS Roubaix-hem

18 Protocole Expérimental pour préparer l amorce du cristal MATERIEL Substance à cristalliser : g de sel ml d eau déminéralisée Récipient large et bas (comme une boîte de Pétri ou une petite assiette) Plaque chauffante Fil de pêche (1 à 2 kg de force) Bâtonnet de bois (ou crayon de bois) Optionnel : Loupe CE QUE VOUS DEVEZ FAIRE Jour 1 1. Chauffez 50 ml (1/4 de tasse) d'eau déminéralisée. 2. Dissolvez...g sel pour obtenir une solution saturée. Jour 2 5. Après environ une journée, des petits cristaux devraient se former. 6. Récoltez quelques cristaux (les plus beaux). 7. Avec l'aide d'une loupe, sélectionnez un petit cristal transparent et beau. 8. Attachez ce cristal avec le fil de pêche en faisant un simple nœud. 9. Versez dans une boite de petri 2mL de solution saturée. 10. Suspendez le cristal de 2 mm de profondeur dans les 2 ml de solution (pendant un ou deux jours). Jour 3 et Vérifiez que le cristal s'agrippe bien à la ligne à pêche par sa croissance autour de celle-ci. Cette étape est très importante parce que plusieurs jours de croissance peuvent être perdus si le début de la croissance n'est pas régulière. Il vaut mieux vérifier correctement avant de passer à la croissance du gros monocristal. 3. Transvasez la solution dans le récipient large et bas. 4. Laissez la solution refroidir à la température de la pièce. Animation RRS Roubaix-hem

19 PRÉPARATION DE MONOCRISTAUX PRÉPARATION DE MONOCRISTAUX MATERIEL Substance à cristalliser : g L amorce réalisée précédemment sur un fil de pêche, ml déminéralisée, Fil de pêche (1 kg) et un petit bâton de bois Thermomètre Balance Récipient en plastique ou en verre de 0,5 à 1 litre Plaque chauffante et bécher de 2 à 4 litres Optionnel Loupe ou microscope Recommandations : Assurez-vous d'utiliser de la vaisselle propre! Avant de commencer : Température de la pièce : C Masse de saturation du sel pour 100 ml d eau : g Donc Masse de sel à utiliser : g MATERIEL Substance à cristalliser : g L amorce réalisée précédemment sur un fil de pêche, ml déminéralisée, Fil de pêche (1 kg) et un petit bâton de bois Thermomètre Balance Récipient en plastique ou en verre de 0,5 à 1 litre Plaque chauffante et bécher de 2 à 4 litres Optionnel Loupe ou microscope Recommandations : Assurez-vous d'utiliser de la vaisselle propre! Avant de commencer : Température de la pièce : C Masse de saturation du sel pour 100 ml d eau : g Donc Masse de sel à utiliser : g 19

20 PREMIÈRE MÉTHODE : FAIRE UNE SOLUTION SURSATUREE 1. Mettez le double de substance qui normalement se dissoudrait dans un certain volume d'eau à la température de la pièce dans un récipient (résistant à la chaleur), c'est-à-dire g dans 100mL d eau déminéralisée (par exemple : si 30 g d'une substance X se dissout dans 100 ml d'eau à la température de la pièce, mettre 60 g de cette substance dans 100 ml d'eau). 2. Mélangez jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de dissolution possible. 3. Chauffez la solution (attention d'utiliser un récipient résistant à la chaleur!). Continuez à mélanger lentement pendant le chauffage de la solution. 4. Lorsque tout le solide est dissous, retirez le récipient de la source de chaleur. 5. Laissez la solution refroidir à la température de la pièce : DEUXIÈME MÉTHODE : FAIRE UNE SOLUTION SURSATUREE 1. Choisissez un volume d'eau : ml. 2. Chauffez cette eau à environ C au-dessus de la température de la pièce. 3. Ajoutez g de sel et mélangez jusqu'à dissolution complète. 4. Continuez à ajouter du sel et de mélanger jusqu'à ce qu'un peu de substance ne puisse plus se dissoudre. 5. Chauffez un peu plus pour dissoudre complètement votre substance. 6. Lorsque la dissolution est complète, retirez votre récipient de la source de chaleur. 7. Laissez la solution se refroidir à la température de la pièce : Laissez un thermomètre dans la solution pour pouvoir contrôler la température régulièrement. 8. Maintenant, vous avez une solution supersaturée. Laissez un thermomètre dans la solution pour pouvoir contrôler la température régulièrement. 6. Maintenant, vous avez une solution supersaturée. 20

21 Séance 5 : Comment faire grossir notre petit cristal? 1. Oral collectif A votre avis, comment faire pour que les petits cristaux que vous avez fait grossissent? Laisser les élèves faire leurs propositions. Proposer aux élèves le protocole expérimental (deuxième partie). Le lire ensemble, faire remarquer les différentes parties : la liste du matériel, les différentes étapes. «Nous avons déjà réalisé une partie de ce protocole, laquelle? Que nous reste-t-il à faire?» Il s agit de faire une solution supersaturée ou sursaturée. Rappeler ce que veut dire le terme «saturé» : «-C est quand on ne peut plus dissoudre le sel, - C est quand le sel a pris toute la place dans l eau - Oui, et il ne se dissout plus : il tombe au fond du gobelet» 2. Expérimentation Faire réaliser la solution sursaturée en respectant le protocole expérimental. 3. Croissance cristalline Continuer les manipulations en suivant le protocole afin de réaliser le monocristal. Pièce jointe au document : diaporama reprenant chacune des séances réalisées. Animation RRS Roubaix-hem

22 1. Le problème que l on se pose :. 2. L hypothèse que l on va vérifier : ce que je pense et que je veux vérifier : L expérience qui permet de vérifier l hypothèse : Matériel dont j ai besoin Schéma de mon expérience Les résultats de l expérience : ce que j ai observé :.. 5. Les conclusions : mon hypothèse est-elle juste?.. 22

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24 POURQUOI LE CRISTAL ARRÊTE DE CROÎTRE? Un cristal va croître seulement si la solution qui l'entoure est supersaturée. Quand la solution devient seulement saturée, la croissance du cristal ne peut plus se faire (Ce n'est peut-être pas absolument vrai : une petite quantité à la surface va se dissoudre pendant qu'une même quantité va se cristalliser à un autre endroit, nous appelons cela une situation d'équilibre). POURQUOI MON CRISTAL DIMINUE/DISPARAÎT? Si votre cristal a diminué ou disparu c'est parce que la solution qui l'entoure est devenue non saturée et le cristal s'est redissous dans celle-ci. La non-saturation peut se produire lorsque la température d'une solution augmente de seulement quelques degrés selon les conditions (voilà pourquoi le contrôle de la température est si important). COMMENT FAIRE REPARTIR LA CROISSANCE DE MON CRISTAL? Il faut rendre de nouveau la solution supersaturée. Cela peut être nécessaire de manière quasi quotidienne, spécialement si le cristal est gros. Mais avant, retirez le cristal de la solution. 4. Une façon de refaire la supersaturation consiste à diminuer la quantité de solvant. Cela se fait en chauffant la solution pendant un certain temps puis en la refroidissant à la température initiale (de la pièce). OU vous pouvez laisser s'évaporer tranquillement le solvant (processus plus long mais permet souvent d'obtenir un cristal de meilleure qualité). 5. Chaque fois que la solution est ramenée à supersaturation, il serait approprié de " nettoyer " la surface du cristal - en s'assurant que le cristal est sec - en ne touchant pas le cristal avec ses doigts (manipulez avec le fil) - en enlevant toutes les irrégularités des surfaces (souvent des excroissances) - en enlevant tous les autres petits cristaux sur le fil Nous vous recommandons de bien vous nettoyer les mains après ces manipulations. 6. Suspendez à nouveau votre cristal dans la solution nouvellement supersaturée. 7. Répétez les étapes 4 à 6 au besoin. 8. Pour s'assurer d'une bonne symétrie et favoriser une croissance égale, nous suggérons de faire tourner très lentement votre monocristal en croissance (1 à 4 rotations par jour). 24