VIS TA MINE! Didactique spéciale en sciences naturelles SC2321

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1 Université Catholique de Louvain Faculté des Sciences Année académique VIS TA MINE! Didactique spéciale en sciences naturelles SC2321 Rapport «Festival des Sciences» M. De Kesel, P. Hautier, B. Tinant, C. Vander Borght Groupe 5 Céline Van Bellingen Bénédicte Gérard Nathalie Kruyts Philippe Lenoir Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

2 PLAN : 1. Situation problème 2. Public visé 3. Liens avec le programme 4. Pré requis nécessaire 5. Compétences visées 6. Concepts à faire acquérir 6.1. Notions concepts 6.2. Carte conceptuelle 6.3. Savoir-faire 6.4. Quelles représentations font généralement obstacle à l apprentissage? 6.5. Qu est-ce que les élèves pourront construire, travailler par eux-mêmes 7. Description du déroulement 7.1. Introduction 7.2. Expériences Quelle est la quantité d acide ascorbique dans différents jus frais, oxydés ou en boîte (une situation par groupe)? Quelle quantité de jus de fruits ou d aliments faut-il consommer chaque jour pour avoir la quantité journalière recommandée d acide ascorbique? Comment visualiser le rôle antioxydant de l acide ascorbique sur une pomme? 8. Bibliographie Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

3 1. Situation-problème : Cause : carence en vitamine C Remède : dose massive de vitamine C Le scorbut est une maladie qui se traduit dans sa forme grave par le déchaussement et la purulence des gencives, des hémorragies, puis la mort. Elle était une importante cause de mortalité chez les marins lors des voyages océaniques. On rapporte, par exemple, qu elle a emporté les deux tiers des hommes de Vasco de Gama pendant son voyage vers les Indes en Les marins savaient que le scorbut était lié à leur alimentation, mais ils ne comprenaient pas comment. S'agissait-il d'un manque de viande fraîche? de légumes frais? Pourquoi certains aliments pouvaient-ils l'enrayer et d'autres pas? On sait maintenant que les aliments dont l ingestion entraînait une guérison contenaient de la vitamine C. Les vitamines sont des substances indispensables à l organisme des animaux et des hommes. Cependant, nous sommes incapables de la synthétiser nous-mêmes, ou en quantité insuffisante, et devons donc la trouver régulièrement dans notre alimentation. A vous de découvrir quels aliments choisir pour avoir une alimentation équilibrée et ne pas manquer de vitamine C Objectifs de la séance: 1. Dosage de l acide ascorbique (vitamine C) dans une quantité définie de différents jus de fruits ou de légumes. 2. Calcul de la quantité d un jus de fruits ou légumes donné à absorber pour atteindre la dose journalière recommandée. 3. Mise en évidence du caractère anti-oxydant (également appelé réducteur) de l acide ascorbique et explication du rôle antioxydant de la vitamine C pour l organisme humain. 2. Public visé : Le public visé est celui de sixième en sciences générales. 3. Liens avec le programme : Partie du programme BIOLOGIE : général en quatrième année (rôle des vitamines dans l alimentation) Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

4 Partie du programme CHIMIE : général en sixième année thème 7 réactions d oxydoréduction, notions de couple oxydant/réducteur 4. Pré requis nécessaire : -Notions d équilibre chimique, de poids moléculaires, moles (Avogadro), savoir écrire une réaction chimique de manière équilibrée -Notions de nombre d oxydation, de réaction d oxydation, de réaction de réduction, d oxydant et de réducteur. -Notion d alimentation équilibrée 5. Compétences visées (gén./spéc.) : -Compétences générales visées : organiser ses observations et ses connaissances, rédiger un rapport structuré suite à une recherche expérimentale, interpréter un phénomène ou prévoir son évolution, communiquer oralement ou par écrit un raisonnement élaboré sur base de théories scientifiques. -Compétences spécifiques visées : utiliser des procédures expérimentales, utiliser des procédures de communication, traduire une réaction chimique par une équation chimique 6. Concepts à faire acquérir : 6.1. Notions-concepts : 1. Alimentation équilibrée : Une alimentation équilibrée et variée comporte des aliments appartenant à tous les degrés de la pyramide alimentaire, mais dans des proportions quantitativement très différentes. Le respect des recommandations de la pyramide alimentaire garantit un apport suffisant en énergie, en éléments nutritifs et en substances protectrices. C'est donc la clé d'un régime alimentaire sain. Toutes les recommandations s'appliquent à des personnes adultes ayant une activité physique normale et, par conséquent, un besoin moyen en énergie et en éléments nutritifs. Pour d'autres groupes de personnes comme les enfants, les adolescents ou les femmes enceintes, les recommandations sont différentes. Ce graphisme reflète bien le rapport qualitatif et quantitatif entre les différentes familles d'aliments : Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

5 Pyramide équilibrée = Alimentation équilibrée 2.Vitamines : Une vitamine est une substance indispensable à notre organisme, à des doses infimes. A l exception de la vitamine D, nous sommes incapables de les synthétiser nous-même, il est donc obligatoire de les trouver dans notre alimentation quotidienne! Des apports insuffisants en vitamines provoquent à plus ou moins long terme des perturbations biologiques plus ou moins graves. 3.Vitamines C ou acide ascorbique : La formule brute de l acide ascorbique est C 6 H 8 O 6. La formule semi-développée de l'acide ascorbique est la suivante : L'acide ascorbique est un réducteur naturel (antioxydant). Lors de l'oxydation, les deux fonctions énols sont oxydées en cétones. La vitamine C est nécessaire à la synthèse des vaisseaux sanguins et des muscles. Elle favorise l absorption du fer présent dans les aliments. Elle intervient dans plusieurs mécanismes hormonaux. Elle joue également un rôle dans l élimination des substances Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

6 toxiques. Enfin, elle a des propriétés anti-oxydantes, c est-à-dire qu elle limite les effets néfastes des radicaux libres. Une déficience en acide ascorbique peut diminuer la résistance aux infections (grandmère disait toujours au petit déjeuner : «Bois vite ton jus de fruits!»). La carence grave, très rare chez nous, se traduit par une maladie appelée scorbut : les gencives deviennent spongieuses, les dents se déchaussent et la peau ainsi que les muqueuses se mettent à saigner. La toxicité de la vitamine C est très faible et sans danger car la molécule étant hydrosoluble, elle est spontanément éliminée lors d excès éventuels par l urine. La vitamine C est présente naturellement dans de nombreux aliments et principalement dans tous les légumes et fruits frais. Citons quelques aliments particulièrement riches en acide ascorbique : poivron, goyave, oseille, citron, orange, kiwi, choux, papaye et fraises. L'industrie agroalimentaire utilise l'acide ascorbique comme anti-oxydant sous la référence E300. Cet anti-oxydant, en réagissant avec le dioxygène de l'air, empêche ainsi le dioxygène d'oxyder d'autres molécules organiques, ce qui provoquerait un rancissement (mauvais goût) ou un changement de couleur (brunissement peu appétissant). 4. Radicaux libres : Les radicaux sont des atomes ou des groupes d atomes possédant un ou plusieurs électrons non liant. Ils sont produits naturellement par notre organisme et entrent, par exemple, dans les processus de production d énergie. Ils interviennent également dans les mécanismes immunitaires en permettant de lutter contre l invasion par des bactéries ou des virus. Mais, sous certaines conditions, ils peuvent être produits en excès et se mettent à dégrader les parois des cellules, les protéines et même l ADN. On parle alors de «stress oxydatif». L antidote contre les radicaux libres, ce sont les anti-oxydants. 5. Anti-oxydants : Ce sont essentiellement des vitamines ou des oligo-éléments. En luttant contre les radicaux libres en excès, les anti-oxydants protègent notre organisme de nombreuses maladies. Ceux-ci vont réagir avec les radicaux libres et les rendre inoffensifs. Dans l organisme, il y a un équilibre permanent entre l une et l autre de ces familles chimiques. Les anti-oxydants éliminent en permanence les radicaux libres en excès. Les problèmes se posent lorsqu un déséquilibre apparaît. Un déséquilibre peut-être lié à un manque d anti-oxydants dans l alimentation. Mais il peut également être dû à des facteurs extérieurs, qui vont augmenter la quantité de radicaux libres dans notre organisme. Citons notamment : la cigarette, l alcool, l exposition au soleil, la pollution, certains médicaments. 6. Titrage : Technique analytique qui permet de déterminer la concentration d un composé en utilisant une réaction spécifique à ce composé. On fait réagir ce composé avec une solution de concentration connue. On détermine le volume de la substance connue qu'il a fallut ajouter pour neutraliser la solution inconnue. On peut alors déterminer quel volume de la solution connue a du réagir pour arriver à l'équivalence. Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

7 7. Réaction d oxydoréduction, oxydant réducteur : a. oxydation : réaction au cours de laquelle un élément perd des électrons b. réduction : réaction au cours de laquelle un élément gagne des électrons Toute réaction d'oxydoréduction fait intervenir l'oxydant d'un couple oxydant 1 / réducteur 1 qui reçoit un ou plusieurs électrons donnés par le réducteur autre couple oxydant 2 / réducteur 2 : oxydant 1 + n e - = réducteur 1 réducteur 2 = oxydant 2 + n e L'équation de toute réaction d'oxydoréduction s'écrit donc : oxydant 1 + réducteur 2 réducteur 1 + oxydant 2 On peut évaluer quantitativement chacun des couples rédox en fonction de leur pouvoir oxydo-réducteur. Pour un couple donné, plus son oxydant est fort plus son conjugué a un pouvoir réducteur faible. On peut donc placer chaque couple sur une double échelle qui permet de prédire quelle sera la tendance d un couple : réagir plutôt comme oxydant ou plutôt comme réducteur. Le tableau suivant reprend quelques couples classiques oxydantréducteur classé selon leur potentiel d oxydo-réduction (valeur non reprise), ainsi que ceux impliqués dans ce dossier. Fort pouvoir oxydant Cl e - 2 Cl - O 2 + H + + e - H 2 O I e - 2 I - C 6 H 6 O H e - C 6 H 8 O 6 S 4 O e - 2 S 2 O 2-3 Fe e - Fe Zn e - Zn K e - K Fort pouvoir réducteur Plus le potentiel rédox est élevé plus l'oxydant à une affinité importante pour les électrons. On remarque pour deux couples donnés, que la réaction effective n existe que dans un seul sens : celui qui place les réactifs sur la diagonale d en haut vers la droite, c est à dire que l oxydant le plus fort réagit avec le réducteur le plus fort. Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

8 6.2. Carte conceptuelle : Chaleur, Froid, Oxygène ALIMENTATION EQUILIBREE Détruit FRUITS & LEGUMES Contient Dosage VITAMINE C Un rôle parmi d autres Visualisé par Pomme coupée ANTI-OXYDANT Neutralise RADICAUX LIBRES Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

9 6.3 Savoir-faire : Manipulation «chimique», communication et échange des résultats, travail de groupe, esprit critique. 6.4 Quelles représentations font généralement obstacle à l apprentissage? Remise en question d une «recette ancestrale» : grand-mère a toujours dit qu il fallait boire un jus d orange pressé au déjeuner. 6.5 Qu est-ce que les élèves pourront construire, travailler par eux-mêmes? Expérience de dosage de l acide ascorbique, mise en équations, synthèse et échange des résultats, calcul de la quantité de jus à boire pour obtenir la dose journalière d acide ascorbique recommandée, élaboration d un protocole expérimental et construction d une interprétation scientifique. 7. Description du déroulement : 7.1. Introduction: - Mise en situation «historique» : le Scorbut, l alimentation et la vitamine C. - Questions afin de recueillir les conceptions des élèves sur le sujet. «D après vous où trouve-t-on l acide ascorbique (vitamine C)?» «Qu avez-vous mangé ce matin au petit déjeuner?» «Pourquoi conseille-t-on de boire du jus de fruits?», «A quoi sert la vitamine C?» «Si on vous parle d antioxydants et de radicaux libres, à quoi pensez-vous?» 7.2. Expériences : Quelle est la quantité d acide ascorbique dans différents jus frais, oxydés ou en boîte (une situation par groupe)? La méthode employée est un titrage «en retour». L'acide ascorbique est mis en présence d'un excès de solution de diiode. Une réaction d oxydoréduction a lieu entre le diiode et l acide ascorbique. Puis l excès de diiode est ensuite titré par une solution de thiosulfate de sodium. n[i 2 ] excès = [Na 2 S 2 O 3 ].V Na 2 S 2 O 3 /2 [I 2 ]. V I 2 = [Na 2 S 2 O 3 ]. V Na 2 S 2 O 3 /2 Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

10 Aliments riches en vitamine C, en mg pour 100 g Cassis : 200 mg Poivron cru : 126 mg Citron : 80 mg Orange : 50 mg Kiwi : 94 mg Melon Cavaillon : 25 mg de Fraise : 64 mg Chou-fleur cru : 60 mg Source : Apports nutritionnels conseillés pour la population Française, Agence Française de Sécurité Sanitaire des Aliments, 3 e édition, Ed. Tec & Doc. A. Objectifs de la manipulation Réaliser et interpréter un titrage d oxydoréduction «en retour» ; Éventuellement «étalonner» une solution titrante ; Déterminer la quantité d acide ascorbique dans un jus. B. Produits : o Eau distillée o 10 ml de jus (par exemple 1 : orange, kiwi, pomme, brocoli, poivron jaune) o solution aqueuse brune de diiode 0,002 M ( 2 ) o solution de thiosulfate 0,002 M o solution d empois d amidon (indicateur coloré, pour titrer la solution de diiode) o 1g. d acide oxalique (pour stabiliser l acide ascorbique, on favorise le déplacement de l équilibre vers la gauche) C 6 H 8 O 6 + I 2 C 6 H 6 O I H + 1 Veuillez à éviter les jus trop sombres (masquent le virage de l indicateur au moment de l équivalence), et ceux qui font beaucoup de pulpe (filtrez dans ce cas). 2 Les solutions de diiode sont des solutions qui se conservent très mal. Ainsi on réalisera un titrage préliminaire de cette solution à l aide la solution de thiosulfate. Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

11 C. Matériel : o centrifugeuse ou presse les jus seront centrifugés en ordre croissant de teneurs en acide ascorbique o petit couteau o burette graduée suspendue de 50 cm 3 o casse-noix ou pinces o pieds gradués de 20 et 100 cm 3 o pipettes Pasteur en polyéthylène o 2 béchers de 100 ml o 1 erlenmeyer de 250 ml o agitateur magnétique o petit barreau aimanté o pissette à eau distillée o poubelle à réactifs o 2 petits entonnoirs D. Protocole 3 D.1. Un volume connu de jus de fruits (10 ml) est prélevé à la pipette et est mis en présence d une quantité connue, et en excès de diiode. Questions Établir l équation de la réaction qui a lieu entre l acide ascorbique et le diiode sachant que les couples mis en jeu sont C 6 H 6 O 6 (aq) / C 6 H 8 O 6 (aq) et I 2 (aq)/i - (aq) (Equation 1). En déduire la relation entre la quantité initiale d acide ascorbique et la quantité de diiode qui a réagit. En déduire la relation entre la quantité initiale d acide ascorbique et la quantité de diiode restante ou en excès. Réponses Le diiode oxyde l acide ascorbique selon la réaction dont l équation-bilan est : C 6 H 8 O 6 + I 2 C 6 H 6 O I H + (Equation 1) Les demi-réactions électroniques relatives aux couples d'oxydoréduction sont les suivantes : C 6 H 8 O 6 C 6 H 6 O e- + 2 H + I e- 2 I - C 6 H 8 O 6 + I 2 C 6 H 6 O I H + 3 Dans le dossier destiné aux élèves, le protocole expérimental présente de manière plus méthodique les différentes étapes de l expérience. Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

12 Le réactif C 6 H 8 O 6 est un réducteur car il donne des électrons. Le réactif I 2 est un oxydant car il reçoit des électrons. D.2. L excès de diiode restant est alors dosé par une solution de thiosulfate de sodium de concentration connue, en présence d empois d amidon. Burette graduée Solution titrante Erlenmeyer Solution à titrer Barreau magnétique Agitateur magnétique On prélève un volume (défini pour chaque aliment 4 ) de la solution de diiode que l'on place dans un erlemeyer de 250 ml muni d'un petit barreau aimanté mobile. On remplit une burette graduée avec la solution de thiosulfate de sodium de concentration connue en ajustant à la valeur zéro 5. On place cette burette graduée sur l erlenmeyer contenant la solution brune de diiode. L erlenmeyer est lui même placé sur le plateau d'un agitateur magnétique qui permet de faire tourner le petit barreau aimanté et d'agiter ainsi la solution tout au long du dosage. On ajoute alors quelques gouttes d'une solution limpide d'empois d'amidon 6 qui forme avec le peu de diiode restant une espèce chimique de couleur violet foncé, presque noir. La solution doit se colorer en bleu foncé. Si ce n est pas le cas (voir note 4), rajouter une quantité connue de la solution de diiode 0,002 M jusqu à apparition de la couleur bleue. Nous ajoutons progressivement la solution de thiosulfate de sodium incolore à la solution bleue foncée de diiode présente dans l erlenmeyer. La couleur de la solution passe progressivement au jaune-vert pale. On termine l'addition progressive de la solution de thiosulfate de sodium jusqu'à disparition 4 D après nos résultats expérimentaux, ce volume varie de 75 à 150 ml de diiode pour 10 ml de jus (jus testés : poivron, orange, pomme, brocoli, kiwi). 5 Cette opération est à anticiper, afin de titrer le jus fraîchement pressé. En effet, la vitamine C se dégrade s oxyde- avec le temps N.B. Cette propriété peut aussi faire l objet d une expérience : jus frais versus jus pressé la veille 6 L'empois d'amidon joue le rôle d'un indicateur coloré. Avant l'équivalence le diiode en excès forme avec l'empois d'amidon une espèce chimique de couleur bleue. A l'équivalence toutes les molécules de diiode sont consommées, l'empois d'amidon ne peut plus se fixer à ces molécules I 2 et le mélange devient incolore. C'est donc la disparition de la couleur bleue qui indique que l'on a atteint l'équivalence. Dans l'exemple étudié ici la disparition de la couleur jaune pale des molécules de diiode n'est pas assez nette. Cela justifie l'utilisation de l'empois d'amidon. Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

13 complète de la couleur bleue. On note le volume versé de thiosulfate de sodium. Il est conseillé de réaliser deux dosages précis concordants et de prendre la moyenne des deux résultats. Questions Établir l équation de la réaction de titrage de l excès de diiode par les ions thiosulfate S 2 O 3 2- (aq), les couples mis en jeu étant I 2 (aq)/i - (aq) et S 4 O 6 2- (aq) / S 2 O 3 2- (aq) (Equation 2). Écrire les demi-équations électroniques relatives aux couples d'oxydoréduction mis en jeu. Montrer que le diiode est un réactif oxydant alors que l'ion thiosulfate est un réactif réducteur. Déterminer la quantité de diiode en excès, qui a été dosée par le thiosulfate. En déduire la relation entre l excès de diiode et la quantité d ion thiosulfate versée à l équivalence Calculer la quantité d acide ascorbique contenue dans les 10 ml de la prise d essai. En déduire la masse de vitamine C contenu dans 1L de jus. Réponses La réaction de dosage est la suivante : 2 S 2 O I 2 S 4 O I - (Equation 2) Les demi-réactions électroniques relatives aux couples d'oxydoréduction sont les suivantes : Le réactif S 2 O est un réducteur car il donne des électrons. Le réactif I 2 est un oxydant car il reçoit des électrons. CALCULS n (I 2 ) total = n (I 2 ) ayant réagi avec l acide ascorbique + n (I 2 ) ayant réagi avec l iode thiosulfate n (I 2 ) total = n (C 6 H 8 O 6 ) + n (Na 2 S 2 O 3 )/2 Soit : n (C 6 H 8 O 6 ) = n (I 2 ) total - n (Na 2 S 2 O 3 )/2 Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

14 soit : n (C 6 H 8 O 6 ) = C(I2)*V(I 2 ) C(Na 2 S 2 O 3 )* V(Na 2 S 2 O 3 )/2 Donc, la concentration de l acide ascorbique dans le jus est de : C(C 6 H 8 O 6 ) = n C 6 H 8 O 6 / V jus prélevé pour le dosage (en L) La masse d acide ascorbique par litre de jus est de : m(c 6 H 8 O 6 )/L = C(C 6 H 8 O 6 )*M R (C 6 H 8 O 6 ) Masse molaire de l'acide ascorbique : 176 g/mol ; M(Na 2 S 2 O 3,5H 2 O)=248,2 g/mol E. Mise en commun des résultats pour les différents jus 7 : Jus (10 ml) n (I 2 ) total n (Na 2 S 2 O 3 ) C(C 6 H 8 O 6 ) mol L -1 C 6 H 8 O 6 mg L -1 Orange fraîche pressée Orange en brique Pomme Brocoli Poivron Kiwi Quelle quantité de jus de fruits ou d aliments faut-il consommer chaque jour pour avoir la quantité journalière recommandée d acide ascorbique? Calcul par les élèves de la quantité de jus d un des aliments utilisés lors de la première expérience qui est nécessaire pour atteindre la dose journalière recommandée dans le tableau ci-dessous : Apports conseillés en vitamine C, en milligrammes par jour Nourrissons 50 Enfants de 1 à 3 ans 60 Enfants de 4 à 6 ans 75 Enfants de 7 à 9 ans 90 Enfants de 10 à 12 ans 100 Adolescent(e)s de 13 à 19 ans 110 Homme ou femme adulte Afin de faciliter la compréhension des relations en jeu, plusieurs tableaux sont proposés dans le dossier élèves qui décomposent ainsi davantage le processus. Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

15 Personne âgée de plus de 75 ans 120 Fumeur(se)s 120 Femme enceinte 120 Femme allaitante 130 Source : Apports nutritionnels conseillés pour la population Française, Agence Française de Sécurité Sanitaire des Aliments, 3 e édition, Ed. Tec & Doc Comment visualiser le rôle antioxydant de l acide ascorbique sur une pomme? Le rôle antioxydant de l acide ascorbique peut être mis en évidence par une expérience simple. Nous proposons aux élèves d élaborer eux-même un protocole expérimental en faisant la démonstration. Pour ce faire, ils disposent du matériel suivant : Matériel Petit couteau Papier cellophane Petites soucoupes Réactifs et produits Acide ascorbique (comprimés) Pommes Voici une exemple de proposition attendue : Comparaisons entre ces trois situations : A. pomme coupée en morceaux et emballée dans du papier cellophane pour éviter le contact avec l oxygène de l air; B. pomme coupée en morceaux et mise en contact avec l oxygène de l air; C. idem B plus acide ascorbique. Observation des résultats en fin de séance et commentaires. Mise en évidence du rôle anti-oxydant de l acide ascorbique sur la pomme. Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,

16 8. Bibliographie ATKINS P., JONES, L. (1998) «CHIMIE, molécules, matière, métamorphoses» p. De Boeck Université. PIRSON P., BRIBOSIA A., MARTIN C., TADINO A. (2003) Chimie 6è Sciences générales. 264 p. De Boeck éducation secondaire. DAMIEN F., DEBRUXELLES Ph., LOUVEAUX M. (2002) «Présentation et dosage de l acide ascorbique» ICAFOC Louvain-La-Neuve. Apports nutritionnels conseillés pour la population Française, Agence Française de Sécurité Sanitaire des Aliments, 3 e édition, Ed. Tec & Doc. Les voies de la découverte l exploration du Canada. (les marins et le scorbut). Le scorbut : Dosage de la vitamine C : Propriétés de la vitamine C: Vis ta mine, dossier enseignant Festival des Sciences, UCL,