Démonstration par l enseignante ou l enseignant Photosynthèse et respiration : processus complémentaires

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1 SNC1D/SNC1P Durabilité des écosystèmes/écosystèmes et activité humaine Démonstration par l enseignante ou l enseignant Photosynthèse et respiration : processus complémentaires Sujets photosynthèse et respiration essais de détection d oxygène et de dioxyde de carbone Durée préparation : 20 min démonstration : 20 min Attentes particulières SNC1D A1.10 Tirer une conclusion et la justifier. B1.2 Décrire les transferts d énergie et le recyclage de la matière dans des écosystèmes terrestres et aquatiques en tenant compte de la complémentarité entre la respiration cellulaire et la photosynthèse. C2.5 Effectuer les essais standards de dépistage d oxygène, d hydrogène et de dioxyde de carbone). [ER] SNC1P A1.10 Tirer une conclusion et la justifier. B1.3 Expliquer l importance de la photosynthèse et de la respiration cellulaire pour le transfert d énergie et le recyclage de la matière dans un écosystème et illustrer l impact de l activité humaine sur ces processus complémentaires (p. ex., le déboisement, la combustion de combustibles fossiles et l usage excessif d engrais perturbent les cycles biogéochimiques). C2.4 Effectuer les essais standards de dépistage d oxygène, d hydrogène et de dioxyde de carbone). [ER] Introduction On trouve dans les cellules végétales des organites appelés chloroplastes qui contiennent le pigment vert appelé chlorophylle. Les chloroplastes captent la lumière du Soleil et l emmagasinent par le processus de photosynthèse sous forme d énergie chimique. Les intrants de la photosynthèse sont l eau, H 2 O(l) et le dioxyde de carbone, CO 2 (g). Les extrants de la réaction sont les glucides, C 6 H 12 O 6 (aq) [composés qui emmagasinent l énergie chimique] et l oxygène, O 2 (g) qui est libéré dans l atmosphère. L équation de la réaction de photosynthèse est la suivante : lumière du Soleil + 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l) 6 O 2 (g) + C 6 H 12 O 6 (aq) Les cellules des organismes vivants utilisent l oxygène et les glucides ainsi produits pour libérer de l énergie dans un processus appelé la respiration cellulaire, durant lequel du dioxyde de carbone est produit. L équation de la respiration cellulaire est la suivante : 6 O 2 (g) + C 6 H 12 O 6 (aq) 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l) + énergie

2 Chez les végétaux comme chez les animaux, la respiration cellulaire sert à produire l énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule. Matériel lunettes anti-éclaboussures sarrau ou tablier de laboratoire gants de protection deux béchers de 1000 ml eau à température ambiante 8 petites plantes aquatiques (p. ex., Elodea canadensis) ciseaux 2 petits entonnoirs transparents, à insérer dans les béchers 4 éprouvettes 2 statifs de laboratoire et pinces crayon gras flacon compte-gouttes contenant du bleu de bromothymol (solution indicatrice) 4 bouchons pour éprouvettes film plastique ou feuille d aluminium paille en plastique support à éprouvettes briquet ou allumettes éclisses en bois Consignes de sécurité Fournissez les fiches signalétiques de tous les produits chimiques utilisés. Revoyez avec les élèves les mesures d urgence en cas d incendie (extincteur, sortie de secours, etc.). Assurez-vous que les éclisses sont complètements éteintes avant de les jeter. Système d identification des matières dangereuses (0-minime, 1-léger, 2-modéré, 3-sérieux, 4-sévère) solution de bleu de bromothymol SIMDUT (0 à 4) Santé 0 Risque de feu 0 Réactivité 0 Marche à suivre Portez l équipement de protection personnel (EPP) approprié : lunettes anti-éclaboussures, sarrau ou tablier de laboratoire et gants de protection. REMARQUE : Vous pouvez préparer les démonstrations n os 1 et 2 le jour 1 et faire les observations le jour 2. Montage de la démonstration n o 1 1. Ajoutez environ 700 ml d eau dans chacun des deux béchers de 1000 ml. 2. À l aide des ciseaux, coupez le point de croissance (une longueur de 3 cm environ) de chacune des six élodées. Placez trois des six bouts dans chacun des béchers, l extrémité coupée vers le haut. 3. Dans le bécher n o 1, couvrez l élodée avec un entonnoir, la pointe vers le haut. L entonnoir doit être entièrement submergé.

3 4. Remplissez une éprouvette d eau et retournez-la pour l insérer sur la pointe de l entonnoir (fig.1). Fixez l éprouvette en place à l aide d un statif de laboratoire et d une pince. Fig.1 Montage de la démonstration n o 1 5. À l aide du crayon gras, faites une ligne sur l éprouvette pour marquer le niveau d eau. 6. Répétez les étapes 3 à 5 pour le bécher n o Prédire / Expliquer Posez la question suivante aux élèves : «Quels sont les produits de la photosynthèse et de la respiration?» Demandez-leur d expliquer le lien entre ces deux processus. 8. Demandez aux élèves de prédire ce qui se produira dans la démonstration n o 1 et d expliquer leurs prédictions. 9. Laissez les béchers reposer pendant la nuit dans un endroit bien éclairé. Montage de la démonstration n o Placez une étiquette sur 2 éprouvettes et ajoutez-y de l eau jusqu à la moitié. 11. Ajoutez 3 ou 4 gouttes de bleu de bromothymol dans chaque éprouvette et laissez les élèves observer la couleur. 12. Couvrez l ouverture de l éprouvette n o 1 avec le film plastique, faites passer la paille à travers le film et soufflez doucement dans l éprouvette pendant plusieurs minutes (jusqu à ce que la solution devienne jaune). 13. Laissez le temps aux élèves de comparer la couleur des liquides dans les deux éprouvettes et d expliquer le changement de couleur dans l éprouvette n o Ajoutez un bout d élodée dans chacune des éprouvettes n os 1 et 2 et refermez les éprouvettes avec les bouchons. 15. Placez les éprouvettes dans le support et laissez-les reposer pendant la nuit dans un endroit bien éclairé.

4 Suivi de la démonstration n o Observer Le jour suivant, invitez les élèves à observer les éprouvettes inversées dans les béchers, sans y toucher. 17. Sortez l une des éprouvettes hors de l eau en la gardant inversée. Insérez un bouchon dans l ouverture, retournez l éprouvette à l endroit puis placez-la dans le support. 18. Expliquer Posez la question suivante aux élèves : «Quelle est la preuve qu il s est produit quelque chose dans l éprouvette?»; «Quel test permettrait de détecter le gaz produit?» Remarque : si les élèves ont déjà terminé le module de chimie, ils connaîtront les tests de détection des gaz. Sinon, discutez avec eux des éléments dont le feu a besoin pour continuer à brûler. Expliquez qu une éclisse incandescente qui entre en contact avec l oxygène se rallume. Revoyez les mesures d urgence en cas d incendie avec les élèves (extincteur, sortie de secours, etc.). 19. Allumez une éclisse en bois avec le briquet. Soufflez sur la flamme en veillant à garder une braise incandescente. Retirez le bouchon de l éprouvette et insérez l éclisse incandescente à l intérieur de l éprouvette. 20. Lorsque l éclisse se rallume, retirez-la et soufflez sur la flamme pour l éteindre. Assurezvous que l éclisse est parfaitement éteinte (vous pouvez la mouiller) avant de la jeter. 21. Pour illustrer de nouveau le phénomène, répétez les étapes 16 à 19 en utilisant l éprouvette se trouvant dans le deuxième bécher. Suivi de la démonstration n o Observer Invitez les élèves à observer les deux éprouvettes contenant du bleu de bromothymol et les bouts d élodée. Encouragez-les à rappeler ce qu ils ont observé et prédit le jour précédent au sujet des gaz dissouts dans l eau. Qu est-ce qui a changé? 23. Expliquer Encouragez les élèves à prédire quel gaz a été produit par la photosynthèse et quel gaz a été utilisé par la plante durant la photosynthèse. Nettoyage Jetez la solution de bleu de bromothymol dans le contenant pour déchets chimiques. Les élodées pourraient servir à d autres expériences dans les cours de biologie. Sinon, il faut les placer dans le contenant municipal de collecte de déchets organiques, ou dans une poubelle ordinaire. Le reste du matériel doit être nettoyé avec soin et rangé pour usage futur. Utilisez les méthodes d élimination conformes au protocole du conseil scolaire et aux règles de votre municipalité. Qu est- ce qui se produit? Jour 1, démonstration n o 2 : Lorsque vous soufflez dans la solution de bleu de bromothymol, le liquide devient jaune. Jour 2, démonstration n o 1 : le haut des éprouvettes inversées est rempli d air riche en oxygène, tel que démontré à l aide du test de détection d oxygène.

5 Jour 2, démonstration n o 2 : la solution jaune qui se trouve dans l éprouvette n o 1 avec l élodée redevient bleue. La solution bleue qui se trouve dans l éprouvette n o 2 avec l élodée ne changera pas de couleur. Comment ça fonctionne? Dans la démonstration n o 1, la photosynthèse réalisée par l élodée produit de l oxygène. Le gaz monte dans l éprouvette à travers l entonnoir, déplaçant une partie de l eau. Comme l oxygène alimente la combustion, l éclisse incandescente se rallume lorsqu on l insère dans l éprouvette. La solution de bleu de bromothymol utilisée dans la démonstration n o 2 est un indicateur de milieu acide ou basique. La solution est bleue à un ph supérieur à 7,6 (solutions neutres et basiques), et elle est jaune lorsque le ph est inférieur à 6,0. Lorsqu on souffle de l air (contenant du dioxyde de carbone, CO 2 (g)) dans l eau de l éprouvette n o 1, le dioxyde de carbone réagit avec l eau pour produire une solution d acide carbonique, H 2 CO 3 (aq). CO 2 (g) + H 2 O(l) H 2 CO 3 (aq) L acidité accrue de la solution change la couleur de l indicateur de bleue à jaune. Pendant la nuit, l élodée effectue la photosynthèse, consommant le dioxyde de carbone et produisant de l oxygène. La solution devient donc moins acide et la couleur redevient bleue. La solution dans l éprouvette n o 2 ne change pas de couleur, ce qui signifie que le PH n a pas beaucoup changé parce qu il n y a pas eu d ajout de dioxyde de carbone le jour 1. Suggestions/conseils pour l enseignante ou l enseignant 1. Pour obtenir les meilleurs résultats possibles, laissez les démonstrations n os 1 et 2 reposer sous une lumière vive pendant la nuit. 2. Au moment de faire le test de détection d oxygène dans la démonstration n o 1, préparez l éclisse incandescente avant de retirer le bouchon de l éprouvette. Débouchez l éprouvette et insérez-y rapidement l éclisse incandescente. 3. Préparez deux exemples de la démonstration n o 1 au cas où le test de détection d oxygène ne fonctionnerait pas avec l une des éprouvettes. Prochaines étapes Discutez de l importance de la conversion d énergie lorsque la lumière du Soleil est utilisée pour produire des glucides. C est le début de la filière énergétique dans tous les écosystèmes qui reposent sur la photosynthèse. Ressources supplémentaires 1. Vidéo montrant la photosynthèse avec l indicateur rouge de phénol Vidéo montrant l effet du dioxyde de carbone sur la solution de bleu de bromothymol - (en anglais)