DU MAÏS AU PLASTIQUE GROUPE 2. SC Didactique spéciale en sciences naturelles

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1 SC Didactique spéciale en sciences naturelles Activité proposée à des élèves dans le cadre du Festival des Sciences 2005 Thème : «La ville» DU MAÏS AU PLASTIQUE GROUPE 2 CONTEMPRE XAVIER DUBUISSON MARLENE LOIR ADELINE PELE MIREILLE SNEESSENS CHRISTOPHE

2 1. Titre de l activité Du maïs au plastique 2. Plan 1- Accueil des élèves (5 minutes) avec exposition de photos «chocs» sur la pollution par les plastiques. 2- Lecture de la situation problème (3 minutes). 3- Questions réponses : recueil des conceptions des élèves (5 minutes). 4- Comment synthétise-t-on un film plastique à base d amidon de maïs (expérience 1)? Durant le temps d attente de l expérience, découverte de la vitrine contenant des objets en plastiques biodégradables. Discussion (40 minutes au total). 5- Qu est-ce que la biodégradation? Discussion et expérience 2 (observation d échantillons de plastiques colonisés ou non par des bactéries) (15 minutes). 6- Conclusions (importance du compostage ; nécessité d une prise de conscience, ) avec reformulation par les étudiants afin de voir si leurs conceptions ont évolué. 3. Description de la situation problème (contextualisation) «Hier soir, vous êtes sorti avec vos amis aux 24h vélo de Louvain-la-Neuve. L image de tous les gobelets en plastique jonchant le sol vous revient et vous êtes préoccupé. Que vont devenir tous ces gobelets? L année prochaine, vous serez à l université. C est décidé, vous ferez partie du comité d organisation de cette grande fête et vous essayerez de rendre cette dernière plus écologique, en vous occupant par exemple de la commande de gobelets pour la cuvée 2005! Vous en discutez à la maison. Votre père prétend qu il a entendu l autre jour à la radio qu il était possible de fabriquer du plastique - sans danger pour l environnement - à base de maïs. Vous pensez qu il a certainement du mal comprendre. Comment du maïs pourrait-il être transformé en plastique? Et pourquoi serait-il sans danger pour l environnement? N empêche, ceci vous trotte en tête. Et si votre père avait bien entendu? Vous décidez d en savoir plus Sans plus attendre, vous vous rendez dans un laboratoire de pointe qui travaille sur une nouvelle génération de plastiques» 4. Public visé Les élèves qui participeront à cet atelier seront dans le troisième degré de l enseignement secondaire supérieur. 5. Liens avec le programme Ce sujet trouve sa place dans plusieurs thèmes du programme des cours de biologie et de chimie du troisième degré («équilibre écologique évolution des écosystèmes» pour la Du maïs au plastique 17 décembre

3 partie biologie, «réactivité et usage de quelques produits chimiques» et «propriétés et usages de quelques familles de composés organiques» pour la partie chimique). 6. Prérequis nécessaires Les élèves auront déjà vu en classe la théorie sur la polymérisation : alcènes et polymères synthèse et propriété de quelques matières plastiques (au programme de chimie - 5 ème ). 7. Compétences visées Cet atelier permettra aux étudiants de travailler les compétences suivantes : A/ Compétences générales 1- Organiser ses observations et ses connaissances sur base de critères scientifiques 2- Modéliser une technologie 3- Formuler des questions et des hypothèses 4- Interpréter un phénomène 5- Communiquer des observations et des résultats B/ Compétences scientifiques 1- Confronter ses représentations avec les théories établies 2- Conduire une recherche/utiliser des procédures expérimentales (émettre des hypothèses, suivre un protocole, observer, élaborer une synthèse critique) 3- S approprier des concepts fondamentaux, en évaluer la portée et les limites et les utiliser dans des explications argumentées 4- Bâtir un raisonnement logique 5- Communiquer 6- Utiliser des savoirs scientifiques pour enrichir des représentations interdisciplinaires C/ Compétences spécifiques 1- Utiliser une démarche scientifique pour appréhender des processus technologiques (Se poser des questions, expérimenter, conclure. «Comment synthétiser un plastique biodégradable?» et «Comment le dégrader?») 2- Utiliser une argumentation rationnelle dans les débats de société sur un sujet tel que les emballages/déchets plastiques 3- Evaluer l impact d innovations technologiques sur notre mode de vie 4- Expliquer l impact écologique de la consommation 5- Opérer la relation entre le caractère polluant d un matériau et son caractère biodégradable ou non. 8. Concepts A/ Liste des concepts qui seront abordés Concepts pré acquis 1- Production de biomasse végétale par le biais de la photosynthèse. Du maïs au plastique 17 décembre

4 2- Polymère : Substance formée par la répétition d un grand nombre de molécules de faible masse moléculaire (monomères). La liaison des monomères se fait lors de la réaction de polymérisation. 3- Plastique : Polymère produit par modification de substances naturelles ou par synthèse directe à partir de substances extraites du pétrole, du gaz naturel ou du charbon (ressources fossiles). Les matières plastiques ont des propriétés physicochimiques caractéristiques et se différencient par leur très grande diversité quant à ces propriétés. Une de leur caractéristique est qu elles peuvent être moulées à la chaleur (de manière permanente ou réversible). Nouveaux concepts 4- Bioplastique = biopolymère* plastique fabriqué à partir de matières premières naturelles et renouvelables. Exemple : bioplastique à base d amidon (unité de base = monomère = glucose). 5- Ressources naturelles renouvelables par opposition aux ressources fossiles. 6- Enjeux écologiques liés à la production de déchets. 7- Le cycle de vie d un matériau plastique biodégradable et l impact sur l environnement. Comparaison avec un plastique issu de ressources fossiles. 8- Biodégradation : dégradation en composés de faible poids moléculaire (CO 2, H 2 O) par la combinaison de stimuli biologiques (action de microorganismes tels que le bactéries, champignons, algues) et chimiques/physique (lumière/eau/oxygène/chaleur) dans l environnement, sans laisser de résidus persistants et toxiques. La température et l humidité sont des paramètres très importants dans le processus de biodégradation. La biodégradation se compose de deux phases. La phase 1 consiste en une fragmentation (déterioration physico-chimique ou biologique) en de nombreuses entités beaucoup plus petites. Durant la deuxième phase, ces petits fragments sont bioassimilés («digérés») par les microorganismes. 9- Compostage : processus où les matières organiques, comme les déchets domestiques et les résidus végétaux, sont décomposés par l action de microorganismes en une matière nutritive pour le sol appelée humus. Les substances nutritives contenues dans le compost peuvent alors être réutilisées par les plantes. Dans un bon compost, l équilibre entre les déchets, l air, l eau et la température doit être adéquat. La température qui règne dans un compost est élevée, à cause de l activité des microorganismes ; elle peut atteindre 66 C. Le processus de compostage permet de réduire significativement la quantité de déchets envoyés à la décharge. 10- Estimation de la biodégradabilité d un plastique en laboratoire via plusieurs techniques, comme la mesure des taux de CO 2 émis par un compost contenant le plastique ou encore l observation de la croissance bactérienne sur des échantillons de plastique. Ces mesures, couplées à des études d écotoxicité, permettent d établir si un plastique est réellement biodégradable et compostable (existence de normes) et de lui accorder un logo permettant de le reconnaître aisément. Du maïs au plastique 17 décembre

5 B/ Carte conceptuelle Soleil CO 2 H 2 O Photosynthèse Biomasse Plantes Récolte Extraction Sucres Amidon COMPOSTAGE Biodégradation: 2 phases -Biofragmentation -Bioassimilation microoganismes Respect de l environnement Ressources renouvelables Synthèse / Transformation Bioplastique usagé Déchet polluant Plastique usagé persistant Utilisation: Emballages, Récipients, Utilisation: Emballages, Récipients, Propriétés Bioplastique Plastique non biodégradable énergie Recyclage Ressources Fossiles 9. Description du déroulement de l atelier Accueil de élèves et exposition de photos chocs sur la pollution par les plastiques Recueil des conceptions préalables des élèves avant de lancer l expérience 1 (Questions réponses) D où proviennent les plastiques habituels? (Ressources fossiles). A quelle vitesse se dégradent les plastiques conventionnels? (des centaines d années! Pas de dégradation, ou très lente; problème pour environnement). Qu est ce qu un bioplastique? (Plastique fabriqué à partir de ressources biologiques naturelles renouvelables). Annoncer aux élèves que l on peut en effet fabriquer du plastique à partir de maïs (retour à la situation problème). Leur présenter les ingrédients qu ils vont utiliser pour la synthèse : Qu est ce que l amidon, et d où provient-il? L amidon est présent dans les plantes. L amidon est donc une matière première renouvelable. On en trouve beaucoup dans le maïs, les pommes de terre, ainsi que dans le blé et le riz. L amidon est un polymère. Son unité de base (monomère) est le glucose (C 6 H 12 O 6 ). Dans l amidon, les monomères de glucose sont reliés les uns aux autres par des liaisons chimiques (figure sur fiche protocole donnée aux élèves). Il y a donc formation de véritables chaînes de glucoses. Ces chaînes peuvent être ramifiées (non linéaires). Quel est son rôle dans la plante? C est une importante substance de réserve énergétique. Du maïs au plastique 17 décembre

6 EXPERIENCE 1 : SYNTHESE D UN BIOPLASTIQUE A BASE D AMIDON DE MAÏS Question à laquelle répond l expérience Comment fabriquer un bioplastique à base de maïs? Objectif Synthétiser un bioplastique biodégradable à base d amidon de maïs Timing 40 minutes (manipulation + découverte de la vitrine et discussion) Consignes méthodologiques et de sécurité Lunettes et gants obligatoires pour chacun car manipulation (chauffage) d acide chlorhydrique et de NaOH. Hydroxyde de sodium (NaOH). Risque : provoque de graves brûlures. Sécurité : en cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l'eau et consulter un spécialiste. Le NaOH utilisé ici est dilué à 0.1M (risque réduit). Acide chlorhydrique (HCl). Risques : Provoque des brûlures. Irritant pour les voies respiratoires. Le HCl utilisé ici est dilué à 0.1 M (risque réduit). Sécurité: en cas de contact avec la peau: laver abondamment à l'eau. En cas de contact avec les yeux: rincer abondamment à l'eau en maintenant les paupières écartées (au moins 10 minutes). Consulter un ophtalmologiste. Glycérol : Risques : Aucun danger. Sécurité : En cas de contact oculaire : Rincer immédiatement à l eau. En cas de contact cutané : Rincer à l eau et au savon. Toujours verser l acide dans l eau et non le contraire pour éviter les projections. Utilisation de maniques pour saisir l erlen chaud et pour la mise dans l étuve. Rester bien calme Réactifs et matériel Note : Chaque groupe sera scindé en 4 sous-groupes par séance. Question quantité totale, il faut donc multiplier les réactifs par environ : (4 x 2 séances x 4 jours) + 2 essais = 34. Réactifs (par groupe! 4 groupes par séance): g amidon de maïs (quantité totale: 100 g) - Eau distillée - 2 ml glycérol (solution 50% vol dans de l eau distillée) (quantité totale : 80 ml) - Colorant alimentaire liquide (quelques gouttes) - 3 ml HCl 0.1M (quantité totale : 110 ml) - 3 ml NaOH 0.1M (quantité totale : 110 ml) Matériel : - 1 bécher de 250 ml par groupe (quantité totale : 4) - 1 bécher de 100 ml par groupe (quantité totale : 4) - 1 balance (total : 1) - 1 erlenmeyer de 100ml par groupe (quantité totale : 8) Du maïs au plastique 17 décembre

7 - Une puce magnétique par groupe (quantité totale : 8) - Une plaque de verre de 15 x 15 cm par groupe - Une étuve ( C) (une seule pour tout le monde) - Tubes Falcon de 15 ml gradués (pour mesurer 2 ml de glycérol, très visqueux) - Pipettes en plastique graduées (par groupe : 1 pour le NaOH (3 ml) ; 1 pour l HCl (3 ml) ; une pour l eau distillée (20 ml) + poires (quantité totale : 4 poires ; 8 pipettes graduées pour prélever 3 ml et 8 pipettes graduées pour prélever 20 ml) - 1 baguette en verre par groupe (quantité totale : 8) - Gants et lunettes de protection pour tout le monde (15) - 1 plaque chauffante/agitateur magnétique par groupe + 1 thermomètre (110 C) par groupe (quantité totale : 4 plaques/agitateurs + 4 thermomètres) - Maniques (4) Protocole Remarque : les notes ci-dessous concernant le rôle des divers réactifs sont destinées aux encadrants. Elles seront présentées sous forme simplifiée aux élèves dans la fiche protocole que chaque groupe recevra. 1/ Remplir à 1/3 environ le bécher d eau distillée, le mettre chauffer (jusqu à ébullition) sur la plaque chauffante. Il servira de bain marie. 2/ Peser (directement dans l erlen de 100 ml) 2.5 g d amidon de maïs. Quel est l aspect de l amidon? 3/ Ajouter dans l erlen 2 ml de glycérol. Note : Le glycérol va servir de plastifiant. Il n interagit pas chimiquement avec la matrice dans laquelle il est dispersé. Il permet simplement d'augmenter le volume libre entre deux chaînes de polymères pour en diminuer les interactions et ainsi favoriser le mouvement de l'une par rapport à l'autre. La présence de ce plastifiant permet de diminuer le chauffage car le plastifiant a déjà introduit du volume libre entre les chaînes. On passe donc d'un matériau rigide à un plastique. Le film fabriqué sera ainsi plus résistant à la tension et à la flexion. De plus, l ajout de glycérol rend le film plastique transparent, ce qui est bien pratique au niveau d applications, notamment dans le domaine de l emballage. Chaque groupe trouvera sur sa paillasse une fiche expliquant la gélification de l amidon. 4/ Ajouter quelques gouttes de colorant alimentaire (couleur au choix). 5/ Ajouter enfin 20 ml d eau distillée et 3 ml d HCl. Note : L HCl sert à favoriser la déstructuration du grain d'amidon par un phénomène d'hydrolyse ménagée. On favorise alors la séparation amylose/amylopectine et le passage de l'amylose en solution. Un amidon déstructuré est tout simplement un amidon qui ne se trouve plus sous sa forme originelle de grain: les polymères le constituant (amylose et amylopectine) sont dispersés. Chimiquement, il n'y a aucune différence (les chaînes de glucose sont juste un peu plus courtes à cause de l'acide). 6/ Mélanger à l aide de la baguette en verre. Du maïs au plastique 17 décembre

8 7/ Mettre l agitateur magnétique dans la solution et la faire chauffer en agitant au bain marie. Surveiller la température avec le thermomètre. Quand la température est de 100 C, continuer le chauffage et l agitation encore pendant 15 minutes. Qu obtenez-vous? (un mélange homogène très visqueux qui va peu à peu se reliquéfier légèrement) Note : Le chauffage sert à déstructurer le grain d'amidon. Une fois déstructuré, l amidon mélangé au glycérol peut être mis en forme. 8/ Ajouter de 1 à 3 ml de NaOH 0.1M suivant la viscosité obtenue après le chauffage. A ton avis, à quoi sert le NaOH? (il sert à diminuer la viscosité). 9/ Sans se brûler (maniques!), verser le mélange sur la plaque de verre, bien étaler avec la baguette en verre et laisser sécher à l étude à C pendant 1h. Note : Cette étape sert à éliminer l'excès d'eau pour gélifier les polysaccharides 10/ Retirer la plaque de l étuve lorsque les bords sont secs mais que le centre est encore gélatineux. 11/ Séparer le film plastique coloré de la plaque de verre avec les doigts. Laisser sécher à l air libre sur la table. Les élèves peuvent emporter un bout de la production! Note : les étapes 9, 10 et 11 sont court-circuitées : les plastiques fabriqués aux ateliers de la veille sont utilisés. En parallèle à la synthèse : Discussion et découverte de la vitrine Dès que la synthèse est lancée (période de 15 minutes de chauffage), nous demandons aux élèves s ils savent si ce genre de plastique est déjà commercialisé ou s ils pensent qu ils sont en train de fabriquer un prototype La vitrine d exposition de divers objets en plastiques biodégradables (gracieusement prêtés par Agro-Food Valley Ath) sera alors montrée. Pendant que les élèves découvrent les divers objets de la vie courante, une discussion sera provoquée quant aux propriétés, au coût (actuellement élevé!), et au potentiel de développement de ces produits. A côté des objets en plastique à base d amidon, d autres objets, en polylactate (PLA), seront montrés. La synthèse (+ sources) du PLA sera rapidement expliquée à l aide d une fiche explicative. Dans le cadre de cette discussion, nous aborderons déjà le sujet «biodégradable», qui annonce l expérience suivante. Conclure qu une bonne idée, dans le cadre de la situation problème, serait de commander des gobelets en plastique à base d amidon de maïs en encore PLA (meilleure résistance à l eau). EXPERIENCE 2 : LES BACTERIES «MANGEUSES DE PLASTIQUE BIODEGRADABLE» Recueil des conceptions préalables des élèves avant de lancer l expérience 2 Cette phase sera réalisée lors de la discussion autour de la vitrine (voir dernier point cidessus), en parallèle à l expérience 1. Reformulation/nouveaux concepts : biodégradabilité et mesures de la biodégradabilité - «Biodégradable» : Etablir une définition correcte et complète. - Comment estimer/mesurer objectivement la biodégradabilité d un plastique? Du maïs au plastique 17 décembre

9 Plusieurs techniques sont utilisées en laboratoire : Mesures des taux de CO 2 émis par un compost contenant le plastique en question (Explication orale + photo/poster). Observation de la colonisation d un échantillon* par des bactéries typiques de compost (but de l expérience) : distinction entre biodégradable et non biodégradable. Activité préliminaire à l expérience 2 Montrer les sacs et gobelets (biodégradables versus conventionnels) compostés et retirés du compost à intervalles réguliers par nos soins (montage sur stand). Question à laquelle répond l expérience «Biodégradable» =? Comment estimer la biodégradabilité d un plastique? Objectif de l expérience 2 Observer que des échantillons de plastique biodégradable sont colonisés par des bactéries. Observer que ce phénomène ne se produit pas avec des plastiques non biodégradables. Timing 20 minutes (y compris la reformulation des nouveaux concepts) Matériel Cette expérience sera réalisée en collaboration avec le centre de recherche Agro-Food Valley. Des bactéries seront ensemencées à l avance dans des boîtes de Pétri contenant un échantillon de plastique (type PET, polylactate, ou polymère à base d amidon). Agro-Food Valley nous fournira ces boîtes préparées et scellées par du parafilm. Les colonies de bactéries seront visualisées sous loupes binoculaires (Département de biologie). Consignes méthodologiques Interdiction d enlever le parafilm et d ouvrir les boîtes Protocole détaillé Cette expérience illustrera la technique* exposée ci-dessus. Nous expliquons (un schéma illustrera nos propos) aux élèves ce que contiennent les boîtes (nature des échantillons, nom des bactéries). La nature de l échantillon qu elles contiennent est indiquée sur chaque boîte. Chaque boîte contenant un échantillon de nature différente, est installée sous une loupe binoculaire. Les élèves visualisent à tour de rôle la présence (ou non) de colonies et font le lien entre présence de colonie et biodégradabilité. Ils cocheront les cases d un tableau (vide) préparé pour l occasion. Conclusions Faisant suite à cette deuxième expérience, et pour clôturer l atelier, une discussion aura lieu sur l importance du processus de compostage (rôle des bactéries!). Conclure que la meilleure gestion pour les déchets plastiques biodégradables est le compostage. Insister également sur la nécessité de prendre conscience que l utilisation plus courante de ces plastiques dans la vie quotidienne serait un réel pas en avant pour la protection de l environnement pour autant que ces ustensiles ne soient pas simplement mis en décharge mais qu ils soient correctement compostés. Du maïs au plastique 17 décembre

10 10. Bibliographie Manuel scolaire Chimie 5 ème. Sciences générales. Pirson, P., Bribosia, A., Martin, C., Tadino, A. de Boeck (2002). Documents internet -CH.pdf Protocole de synth èse d un film plastique à base d amidon de maïs. Matériau biodégradable à base d amidon de maïs pour le respect de l environnement. Podium (Plastics in the classroom). Dossier éducatif sur les plastiques. Institut des plastiques et de l environnement du Canada. Une nouvelle vague de plastiques biodégradables s empare des marchés à créneaux. «Plastique mais presque». Document du Centre National de Documentation Pédagogique (CNDP), Le compostage va à l école. Guide de l enseignant. Conseil canadien du compostage Fiches sécurité produits. Présentations / Dossiers - «Les plastiques biodégradables à base végétale». P. Dubois. Colloque Agro-Food Valley, Ath (2003). - «Les bioplastiques : enjeux & perspectives». Agrofood Valley. Congrès Innovact Reims (2004). - Les plastiques aujourd hui et demain. Brochure éditée par PMP et Fechiplast (1998). - Du jetable au durable. Dossier de presse WWF France (janvier 2004). Articles - Les (bio)polymères biodégradables : l enjeu de demain? D. Rutot et P. Dubois. Chimie Nouvelle (86), (2004). - Plastiques d aujourd hui et de demain P. Dubois. Chimie Nouvelle (75), (2001). - The structure of starch. P. Calvert. Nature (389), (1997). - Biodegradable polymers for the environment. R.A. Gross and B. Kaira. Science (297), (2002). - Bioplastics from microorganisms. J.M. Luengo, B. Garcia, A. Sandoval, G. Naharro, E.R. Oliveira. Current Opinion in microbiology (6), (2003). Du maïs au plastique 17 décembre