Les gaz, un risque omniprésent pour les mineurs

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1 Les gaz, un risque omniprésent pour les mineurs CORRIGE Le début du 20 e siècle est marqué par une forte expansion des mines de charbon. Le charbon est d'une grande utilité dans les usages de la vie à l époque, dans les pays où le bois n'est pas commun, on s'en sert pour le chauffage et pour cuire les aliments. Les mineurs travaillaient à des centaines de mètres sous terre dans un environnement sombre et risqué sous une chaleur intense. L exploitation minière était une activité dangereuse exposant les mineurs à des risques graves. Un des principaux étant la présence de divers gaz chacun avec leurs propres risques. Afin de prévenir ces risques, il est nécessaire de décrire les gaz qui sont rencontrés dans une mine de charbon et quels ont été et quels sont les moyens pour les mineurs de les détecter, étape indispensable pour s en protéger. Problématique : Quels gaz à risques peut-on rencontrer dans les mines et comment s en protéger? 1 e Partie : Avant la visite du site de LEWARDE Appropriez-vous les documents de l annexe 1 puis répondez aux questions suivantes : 1) Déterminez les 3 gaz à risques principaux dans les mines. (S APPROPRIER) Le méthane, Le dioxyde de carbone, L oxyde de carbone. 2) Complétez le tableau ci-dessous (S APPROPRIER) Nom de la molécule Formule brute Compositions atomiques Méthane Dioxyde de carbone Oxyde de carbone CH4 CO2 CO 1 atome de carbone, 4 atomes d hydrogène. 1 atome de carbone, 2 atomes d oxygène. 1 atome de carbone, 1 atome d oxygène. 3) Identifiez les dangers de ces gaz et découper puis coller si nécessaire les pictogrammes correspondants dans le tableau ci-dessous. (Annexe 2) (S APPROPRIER) Gaz Dangers Pictogramme associé Méthane Inflammable, Explosif, Asphyxiant(Nocif). Dioxyde de carbone Asphyxiant (Nocif)

2 Oxyde de carbone Explosif, Toxique, Mortel. 1) Quels risques médicaux encourent les mineurs en présence de ces trois gaz. (S APPROPRIER) Les risques médicaux qu encourent les mineurs en présence de ces trois gaz sont : L asphyxie : problèmes respiratoires (manque d oxygène) Des brûlures ou même la mort lors d'explosions 1) Selon vous, émettez des hypothèses sur les moyens que pouvaient mettre en œuvre les mineurs de l époque pour détecter ou se protéger de ces 3 gaz à risque. (ANALYSER RAISONNER). Les mineurs peuvent utiliser des masques à gaz pour éviter de respirer les gaz toxiques, des bouteilles d'air ou de dioxygène (comme pour les plongeurs) pour éviter l'asphyxie. Utiliser un moyen pour filtrer ou évacuer les gaz hors des galeries. Utiliser des moyens de détection des gaz pour éviter les endroits dangereux. (Animaux, détecteur technologique...) 2) Rédiger des questions à poser à l ancien mineur que vous rencontrerez sur le site de LEWARDE afin de valider (ou non) vos hypothèses. (COMMUNIQUER) Vous indiquerez vos réponses à la question e Partie : Visite du site de LEWARDE 3) Dans les mines de Lewarde, repérez les balises correspondant aux molécules qui réagissent avant l'explosion. A l aide de votre smartphone scanner les balises. Pour ce faire : Lancez l application «Géométrie des molécules». Pointez l appareil vers les marqueurs Vous obtenez la représentation de la molécule correspondante.

3 1) A l aide de la nomenclature en Annexe 4, identifier les atomes présents dans cette molécule. (S APPROPRIER) Les atomes présents dans cette molécule sont : Le carbone, L hydrogène. 1) A l aide du tableau que vous avez complété à la question 2, donnez le nom de la molécule «balisé». (S APPROPRIER) Le nom de la molécule «balisée» est le méthane. 2) A l aide de la classification périodique (annexe 5) ; représentez la molécule en utilisant la représentation de Lewis. (REALISER) 3) Faire de même pour les balises suivantes. (S APPROPRIER / REALISER) Identifications des atomes Balise 2 Les atomes présents dans cette molécule sont : Le carbone, L oxygène. Nom de la molécule Le dioxyde de carbone Représentation de Lewis Identifications des atomes Balise 3 Les atomes présents dans cette molécule sont : Le carbone, L oxygène. Nom de la molécule L oxyde de carbone

4 Représentation de Lewis La représentation de Lewis de cette molécule est légèrement différente de ce que vous avez vu, voici une aide 3 e Partie : Entretien avec un ancien mineur. 1) Posez à l ancien mineur les questions que vous avez rédigé à la question 6 puis indiquez vos réponses. (COMMUNIQUER) - Puits d'aération afin que le méthane s'évacue. - Lampes à flamme, le CO2 étouffe la flamme car il est plus lourd que l'air. - Canaries, afin de détecter le CO. Trace écrite (mise en commun lors du retour en classe) Qu a-t-on retenu de cette visite des mines de Lewarde?

5 4 e Partie CAP: De retour en classe, pour aller plus loin 13) A l'aide de vos réponses aux questions 8 à 11, du texte en annexe 6, découpez les molécules résumant la réaction impliquant le méthane (S APPROPRIER) Avant explosion Après explosion 4 e Partie SECONDE : De retour en classe, pour aller plus loin 12) A l'aide de vos réponses aux questions 8 à 11, du texte en annexe 6, donnez l état initial et l état finale de la réaction de combustion du méthane. (S APPROPRIER) État initial/réactifs : Méthane (CH 4 ) et dioxygène (O 2 ) État finale/produit : Dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau H2O 13) En déduire l équation de réaction de combustion du méthane que vous équilibrerez correctement. En cas de difficulté, utilisé l aide fournie avec le QR Code (REALISER) CH 4 + 2O 2 2 H 2 O + CO 2

6 4 e Partie Première/Terminale : De retour en classe, pour aller plus loin 13) Une explosion vient de surgir dans une mine. Des experts souhaitent savoir si l explosion a été provoquée par des hydrocarbures présents habituellement dans les mines ou est-ce un acte de vandalisme provoquée par un tiers. Problématique : Quels tests devront réaliser les experts pour savoir si l explosion provient d une combustion d un hydrocarbure ou non? Les documents disponibles sont en annexe 8. Étape 1 : Écrire l'équation de combustion. Étape 2 : Quels sont les produits de la réaction L'eau H2O et le dioxyde de carbone CO2 Étape 3 : Hypothèse pour déterminer «qui» (quelle substance) est responsable de l explosion. Si le méthane est responsable alors on doit trouver de l'eau et du dioxyde de carbone suite à l'explosion. Les experts doivent donc pratiquer des tests permettant de prouver la présence de ces composants. Étape 4 : Quels tests pratiquer? Pour identifier de l'eau on pratique le test avec le sulfate de cuivre anhydre Pour identifier le dioxyde de carbone on pratique le test à l'eau de chaux. Sources -

7 ) - Annexe 1 : Documents d informations DOCUMENT 1 : le grisou Composé pour l essentiel de méthane, CH4, c est le gaz le plus connu et le plus redouté des mineurs, il résulte de la décomposition initiale des végétaux ayant constitué le charbon et s est donc trouvé enfermé dans la couche de charbon dans les microfissures, l on dit qu il est adsorbé. Lorsque l on abat le charbon pour l extraire une grande partie du grisou va donc être libérée dans l atmosphère de la mine. C est un gaz inodore, incolore et sans saveur, plus léger que l air (densité 0,55), il se trouve donc dans les parties hautes des chantiers. Il est inflammable et surtout explosif pour des teneurs comprises entre 6 et 16%. Par contre il n est pas toxique mais peut être asphyxiant à forte teneur car il abaisse la teneur en oxygène de l air.

8 DOCUMENT 2 : Le dioxyde de carbone De formule chimique CO2 est un gaz incolore, inodore et sans saveur (peut être un petit picotement sur la langue), il est parfois contenu dans la couche de charbon ou provient de la décomposition de matériaux dans les vieux travaux. Il n est pas inflammable ni explosif ni toxique mais peut être asphyxiant car il abaisse la teneur en oxygène de l air. Il est plus lourd que l air avec une densité de 1,53 il se trouve donc dans les parties basses des chantiers. DOCUMENT 3 : L'oxyde de carbone De formule chimique CO c est un gaz incolore, inodore et sans saveur ayant une densité de 0,97 proche de celle de l air ce qui facilite sa dilution dans l atmosphère du chantier. Il est explosif mais surtout très toxique à faible teneur ce qui en fait un danger pour les mineurs : Il est produit dans la mine par l oxydation du charbon notamment en cas d échauffement et de combustion incomplète. Il peut être aussi produit par le contact de l eau sur du charbon en combustion, c est le gaz à l eau, CO et hydrogène, susceptible de provoquer une explosion lors de l extinction d un incendie de charbon au fond. DOCUMENT 4 : effets de l oxyde de carbone sur l homme % CO dans l air Symptômes 0,01 Pas de symptômes 0,02 Maux de tête, vertiges, nausées, fatigue. 0,04 Maux de tête intenses, danger de mort après 3 heures. 0,08 Maux de tête, vertiges, nausées. Perte de connaissance en 45 min, décès après 2-3 heures. 0,16 Symptômes sévères après 20 min, décès dans l heure. 0,32 Maux de tête, vertiges, nausées après 5 min, perte de connaissance après 30 min. 0,64 Céphalées et vertiges après 1 à 2 min, perte de connaissance après min. 1,28 Perte de connaissance immédiate, décès en 1 à 3 minutes. Annexe 2 : Pictogrammes à découper

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11 Annexe 3 : Savoir lire l étiquette d un produit.

12 Annexe 4 : Modèle moléculaire

13 Annexe 5 : Extrait du tableau périodique des éléments

14 Annexe 6 : Combustion du méthane Combustion du méthane Pour que le gaz méthane brûle, il faut que des molécules de dioxygène et des molécules de méthane soient mélangées. Sous l effet de la chaleur (qui est un apport d énergie), les molécules de méthane et de dioxygène se cassent. Les atomes qui les constituent se séparent pendant un bref instant. Les atomes s assemblent différemment pour donner de nouvelles molécules : des molécules de dioxyde de carbone et des molécules d eau. Cette reconstruction est accompagnée d un important dégagement d énergie sous forme de chaleur. Annexe 7 : Molécules