CM1 SCIENCES Les reporters Directrice d édition Sandra Boëche Conseiller scientifique Franck James, formateur en sciences à l IUFM Auteurs Régis Delpeuch, professeur des écoles Bernard Darley, formateur en sciences à l IUFM
4 Mélanges et solutions Guide du manuel Programmes Référence aux programmes de 2008 : cycle 3, la matière. Mélanges et solutions. Objectifs principaux : distinguer ce qu est une solution, mélange homogène de deux corps, d un mélange hétérogène ; aborder les notions de miscibilité, de solution saturée, de solvant et de soluté. Les notions en jeu Une solution est la dispersion homogène d un corps dans un autre. On parlera de solubilité pour un corps solide (soluté) dispersé dans un liquide (solvant). On parlera plutôt de miscibilité dans le cas de deux liquides. Une solution est donc un mélange homogène dans lequel on ne peut plus distinguer le soluté du solvant. Une solution est donc toujours transparente et limpide àl inverse d un mélange hétérogène dans lequel une partie au moins des corps mélangés se distingue visuellement. Une solution n est pas une transformation chimique du soluté par le solvant. Par évaporation du solvant, on retrouve l intégralité du soluté. Ainsi de l eau salée soumise à l évaporation permettra d en extraire le sel, une goutte d eau contenant du calcaire déposera une très fine pellicule de ce minéral. La réversibilité du processus (dissolution/extraction du soluté par évaporation ou distillation) est une première approche de la chimie par le principe de la conservation de la matière. La miscibilité et la non-miscibilité de deux liquides permettront d illustrer les mélanges entre liquides : liquides miscibles (eau/sirop, eau/alcool, eau/vinaigre ) et liquides non miscibles qui vont donner des émulsions (eau/huile). Intérêt du thème et difficultés L eau est un des corps les plus répandus sur la Terre. À l état liquide, c est aussi un des solvants les plus universels. Il existe peu de corps qui, au moins en quantité infinitésimale, ne soit pas soluble dans l eau. Autant de corps qui se redéposeront lorsque l eau s évaporera. L eau est donc un transporteur d une très grande importance, à la fois dans le monde géologique (dissolution et dépôt du calcaire dans les massifs karstiques) et dans le monde du vivant (transport des sels minéraux nécessaires à la plante dans la sève brute, transport des nutriments, des déchets, des hormones par le sang). Les solutions sont donc omniprésentes, il est donc important que les élèves en prennent conscience. Une des premières difficultés vient du lexique commun. Il est usuel de dire «le sucre, le sel fond dans l eau». La fonte (ou fusion) est un changement d état (passage de l état solide à l état liquide) et n a donc rien à voir avec la dissolution qui est une dispersion des molécules ou des ions du soluté dans le solvant. Ce qui conduit à soulever la seconde difficulté : celle de se représenter mentalement en quoi consiste la dissolution. Si aucune image mentale n est associée à ce processus, le risque sera grand de faire de «solution» un mot «paravent» qui cachera une absence de conceptualisation. C est pourquoi il est important d amener les élèves à faire des représentations schématiques du processus de dissolution. Représentation qui, par la matérialisation du soluté sous forme de «petits grains invisibles» permettra, outre une approche de l abstraction en représentant l invisible, de justifier la «réapparition» de ce soluté lorsqu il y a évaporation. s interroger RÉPONSES AUX QUESTIONS ET PROLONGEMENTS La page «s interroger» présente les principaux enjeux qui concernent les mélanges et solutions. Le thé sur la photo de droite représente une solution (mélange homogène limpide et transparent). La vinaigrette sur la photo de gauche représente un mélange hétérogène (émulsion d huile et de vinaigre). Cette question introduit la différence entre solution et mélange hétérogène. Cette première observation permet de faire une première distinction visuelle entre ces deux types de mélanges, sans aborder encore l origine de cette différence. Sur cette base (limpide/ non limpide), une classification des principaux liquides usuels pourra être faite avec hypothèse que les liquides limpides sont soit des corps purs, soit des solutions. La solution est donc ici un état qui se distingue du mélange par son aspect. chapitre 4 19
A B Si on mélange du sucre et de l eau ou du sable et de l eau, on n obtient pas le même résultat : la solution de sucre est un mélange homogène tandis que l eau et le sable donnent un mélange hétérogène. Cette question introduit la notion de mélange et la distinction entre mélange homogène (solution de sucre) et mélange hétérogène (eau et sable). La solution (mélange homogène) n est donc plus un état en soi mais bien le produit d un mélange de deux corps (au moins). Les grains s se sont dissous dans l eau. C est la disparition du soluté qui est évoquée ici. Si une solution est un mélange de deux corps, où est passé le second puisque seule l eau reste visible? Si le sel ne se révèle plus visuellement, on peut encore le mettre en évidence par le goût. Il est donc bien présent mais rendu invisible. C est ici qu une modélisation de la dispersion permettra aux élèves de se construire une image mentale du processus de dissolution. observer, rechercher RÉPONSES AUX QUESTIONS ET PROLONGEMENTS Si la manipulation a été correcte, les deux liquides se distinguent ; le mélange apparaît donc comme hétérogène, le sirop se retrouve en bas et l eau par-dessus. Le fait de remuer va disperser le sirop dans l eau et permettre la miscibilité entre les deux liquides. Comme pour le sel, il y a dispersion du sirop dans l eau et formation d un mélange homogène puisque limpide. Le mélange est stable dans le temps, il n y a pas séparation des deux corps (sirop et eau), c est donc bien une solution, un mélange homogène. Cet exercice reprend le principe d un mélange de deux corps différents abordé dans l exercice précédent, l objectif est d attirer l attention des élèves sur ce qui est commun (au moins en apparence) et sur ce qui est différent. Comme dans la de l exercice A, les deux liquides se séparent. Le mélange apparaît donc comme hétérogène. Mais l est-il réellement ou bien va-t-il réagir comme le précédent en n en constituant qu un, homogène et stable dans le temps? C Le brassage de l huile et de l eau va conduire à un mélange hétérogène, non limpide (on pourra proposer le terme d émulsion). Une première différence visuelle apparaît en comparaison avec le cas précédent. Le mélange n est pas stable dans le temps, les liquides se séparent rapidement, l huile, moins dense que l eau, se retrouve au-dessus de celle-ci. question 4 L huile et l eau ne forment pas un mélange homogène, mais bien un mélange hétérogène. L équilibre de la balance est rompu. Pour un volume identique le verre d eau est plus lourd que le verre d huile. On dit que l eau est plus dense que l huile. Faire le rapport avec le fait que l huile se situait à la surface, au-dessus de l eau, lors du mélange entre eau et huile. Les élèves peuvent faire l hypothèse que le sirop sera plus dense que l eau puisqu il «coule». Une vérification expérimentale peut être proposée qui permettra de réinvestir tous les éléments du protocole de pesée. Pour compléter ma page magazine Voici les consignes à donner aux élèves pour exploiter la page magazine. Les mots de la science Complète le texte avec les mots suivants : solution homogène au-dessus soluble miscibles mélange Insolite Calcule la quantité contenue dans une baignoire remplie d eau de mer puis complète le texte. Les images de la science Découpe et colle l étiquette d une bouteille d eau minérale où sont notés les éléments en solution. Relève quelques éléments que l on trouve dans cette eau. Les notes du reporter Imagine et décris un protocole expérimental qui permet de savoir quelle quantité maximale on peut dissoudre dans 1 litre d eau. Fais un schéma légendé puis explique ses conditions expérimentales et donne le résultat en grammes par litre. 20 chapitre 4
Mélanges et solutions Les reporters Sciences Les mots de la science Mélange? Solution? Le sel et le sucre sont solubles dans l eau. Ils forment une........ solution.................. L eau est le solvant, le sel ou le sucre sont les solutés. Par évaporation ou par ébullition, on sépare le sel de l eau. Le sable n est pas........ soluble................. dans l eau. L eau boueuse est un mélange d eau, de sable et de terre. Par décantation et par filtration, on sépare les constituants de ce....... mélange................... L eau et le vinaigre sont miscibles, c est-à-dire qu après agitation on ne voit qu un liquide : ils forment insolite La concentration en sel dans l eau de mer est d environ 35 g/litre. L évaporation de l eau d une baignoire remplie de 140 l d eau de mer permet de récupérer...... 4,9....... kg.......! Les images de la science un mélange...... homogène.................... L eau et l huile ne sont pas....... miscibles................... Une même quantité d eau et d huile n a pas la même masse. L huile est plus «légère» que l eau et reste au-dessus.......................... Éléments en solutions :................................................................................................................................................................................................................. Les notes du reporter L eau saturée en sel Protocole pour connaître la quantité maximale que l on peut dissoudre dans 1 litre d eau : 1 Prendre un récipient, le remplir d un litre d eau du robinet. 2 Ajouter 50 g et remuer. jusqu à............. disparition.................. du...... sel......... 3.... Répéter.............. l opération.................. 2.... tant........ que........ le.... sel...... disparaît................ dans......... l eau......... après.......... agitation............... 4 Quand les derniers 50 g ne peuvent plus se dissoudre, on a atteint la saturation, calculer la quantité maximale dissoute. Réponse : environ 7 x 50 g, soit 350 g par litre. agitateur 1 litre d eau récipient
Évaluation 1 Vrai ou faux? Le lait est une solution.... vrai faux La mer est une solution.... vrai faux L eau minérale est une solution.... vrai faux Une solution est toujours limpide.... vrai faux Une solution saturée est un mélange hétérogène.... vrai faux 2 Complète les phrases suivantes : Lorsque deux liquides donnent un mélange homogène on dit qu ils sont.. miscibles.............................. Une solution dans laquelle il reste des éléments non dissous est une solution.. saturée........................ Un mélange dans lequel des éléments ne sont pas solubles est un mélange.. hétérogène.......................... 3 Pourquoi quand on mélange de l huile et de l eau l huile se retrouve-t-elle au-dessus de l eau?. L eau.......... et..... l huile........... ne...... sont........ pas....... miscibles................ c est-à-dire.................... que,........ mis....... ensemble,................. ils..... forment............. un mélange hétérogène. Comme pour un même volume, l eau est plus lourde que. l huile,............. l eau......... se..... retrouve............... en..... dessous............. de..... l huile.............. On...... dit...... que....... l huile........... est....... moins.......... dense........ que l eau. 4 Max et Jessica font une expérience. Ils pèsent un verre rempli d eau : sa masse est de 100 g. Puis ils rajoutent 5 g dedans et mélangent jusqu à obtenir une solution limpide. Max dit alors : «Voilà, notre verre d eau doit peser maintenant 105 g!» Mais Jessica lui répond : «Mais non, le sel a disparu donc le verre d eau pèse toujours 100 g!» Qui a raison? Justifie ta réponse. C est Max qui a raison car la masse se conserve au cours de la dissolution. 5 Écris un texte qui explique ce qu il se passe lorsque l on mélange une cuillère à soupe de table dans un verre d eau. Tu dois utiliser les mots : sel, dissoudre, disparaître, invisible, solution salée, limpide, solvant.. Quand on ajoute une cuillère à soupe dans un verre d eau, une grande partie de celui-ci tombe au fond du verre. Pour que le sel puisse se dissoudre, il faut agiter la cuillère dans l eau un certain temps afin que le sel disparaisse totalement. On obtient une solution salée qui est limpide. L eau qui est présente en plus grande quantité que le sel est un solvant. Le sel est alors invisible. 22 chapitre 4