La combustion du carbone Pourquoi le taux de CO 2 augmente t il à partir du début du XIX ème siècle? Type d'activité : Démarche d investigation 1) Compétences En réponse à une situation-problème (le problème scientifique formulé étant très simple), proposer une question, une hypothèse et un protocole expérimental à partir du matériel habituellement utilisé. Réaliser les manipulations et les observations en respectant les règles de sécurité des personnes et du matériel. 2) Objectifs de l activité proposée Cette situation illustre la rubrique des programmes : 3) Pré-requis En sciences physiques Les élèves connaissent le test à l eau de chaux pour montrer la présence du dioxyde de carbone (5ème). Les élèves connaissent la composition de l air. En Histoire/Géographie Cette séance peut s envisager comme une collaboration avec le professeur d Histoire/Géographie, lequel aura abordé l évolution des techniques, notamment de la machine à vapeur pour expliquer les progrès de l industrialisation au XIXème siècle. 4) Déroulement Durée : 1h25 min 1. On distribue à chaque élève le document❶ : Document ❶ : Une courbe présentant le taux de CO 2 dans l aire depuis l an 1000 jusqu à nos jours
On demande aux élèves de rédiger individuellement une question que leur inspire le document ❶. 2. Après discussion une question commune est retenue : «Pourquoi le taux de CO 2 augmente-t-il à partir du début du XIX ème siècle?» 3. On demande aux élèves de se mettre par groupe de 3 ou 4 et de proposer une hypothèse qui réponde à la question. On leur propose de s aider du document ❷. Remarque : ce travail sera facilité si le chapitre sur la révolution industrielle a pu être traité en classe d Histoire Document ❷ : Photo du site d une mine de charbon ; une représentation d une machine à vapeur de WATT utilisée au XIXème siècle, représentation d un haut fourneau où l on fabrique l acier 4. Mise en commun des hypothèses 5. Choix d une hypothèse commune «Au XIXème siècle diverses techniques (machine à vapeur, sidérurgie) utilisent la combustion du charbon : on suppose donc que la combustion du charbon (carbone) doit produire du dioxyde de carbone» 6. Retour en groupe pour proposer un protocole permettant de valider l hypothèse retenue. Chaque groupe présente son travail au reste de la classe à l aide d une visionneuse reliée à un projecteur vidéo (on peut aussi utiliser une Webcam). La présentation des protocoles de chaque groupe donne l occasion d un débat scientifique qui permet de faire apparaître tous les points importants et donc d aboutir à un protocole commun que les élèves rédigeront. Exemples de protocoles d élèves commentés par les élèves : Que va-t-on observer, le dioxyde de carbone n est pas visible à l œil nu? Il manque l eau de chaux. En chauffant le charbon dans la bouteille celui-ci va-til brûler? Il faut pourtant faire démarrer la combustion en chauffant le charbon. La bouteille est fermée, or la combustion a besoin d air, peut-être n y aura-t-il pas assez d air. Dans l air, qui du diazote ou du dioxygène est responsable de la combustion?
Difficulté de placer un tube ou un récipient pour collecter les gaz de combustion Ici on place le charbon déjà incandescent dans le pot Mais reste la question du volume suffisant du flacon. On pourra revenir à ce protocole en proposant de le remplir de dioxygène pur Ici le problème est le petit volume de gaz collecté à chaque aspiration, il faudra renouveler l opération plusieurs fois Il ne faut pas s approcher trop près du charbon car la seringue risque de prendre feu. On peut utiliser un bout de tuyau. 7. Validation des protocoles par le professeur. Protocole type : Nous retiendrons deux protocoles qui permettront de valider plusieurs aspects Le protocole utilisant la seringue validera utilement la production de CO 2 Le protocole dans le dioxygène pur permettra de comprendre que seul le dioxygène participe à la combustion et que celui-ci est consommé au cours de la transformation chimique.
Protocole 1: 1) Placer un morceau de charbon de bois ( carbone ) sur un système de chauffage afin de faire démarrer la combustion 2) Lorsque le charbon est incandescent, utiliser la seringue pour aspirer le gaz produit par la combustion. 3) 4) Injecter le gaz prélevé dans l eau de chaux 5) Recommencer plusieurs fois l opération 6) Observer le morceau de charbon... diminue... l eau de chaux.. se trouble... Protocole 2 : 1) Remplir le bocal de dioxygène pur en utilisant la méthode de déplacement d eau, puis le boucher 2) Placer un morceau de charbon de bois (carbone) accroché à son support sur un système de chauffage afin de faire démarrer la combustion 4) A la fin de la combustion retirer le carbone, verser de l eau de chaux et agiter. Eau de chaux 3) Lorsque le carbone est incandescent placer le charbon dans le bocal. 5) Observer le morceau de charbon... diminue... l eau de chaux.. se trouble... La combustion a été vive et dégage de la chaleur. La combustion s est arrêtée au bout d un moment.
8. Mise en œuvre expérimentale par binôme. 9. Les élèves rédigent au propre le protocole et commencent à compléter la conclusion 10. Bilan des expériences avec retour sur la question 11. Recopier la conclusion Complète le texte à trous ci-dessous en utilisant les mots de la liste suivante : transformation chimique, réactifs, produit, consommés, carbone, nouveau, dioxyde de carbone (CO 2 ). Lors de la combustion du charbon ( carbone ) dans le dioxygène de l air, du.......................et du.......................... ont réagi entre eux et ont.............. ce sont les............. Il s est formé un corps......................... le................................... c est le........................ Cette combustion est une................................................ Le bilan de la combustion du carbone s écrit :.................. +..................................................... Complète le texte et le diagramme à trous ci-dessous en utilisant les mots de la liste suivante : thermique, énergie (2 fois), vapeur, mécanique La combustion du carbone libère de l................................... qui dans la machine à vapeur est transformé en...................................... Energie....... Machine à........ Energie....... 12. Proposer un exercice de réinvestissement aux élèves. Cet exercice sera à faire pour la prochaine fois a à la maison.
13. Prolongement : Etude de la combustion du gaz naturel par l étude du principe de fonctionnement d une chaudière à condensation. La chaudière à condensation : une chaudière très économe! La chaudière à condensation est plus efficace qu une chaudière traditionnelle parce qu elle récupère de l énergie contenue dans les fumées. Grâce à la condensation, le rendement des chaudières est nettement amélioré. En effet, lors de la combustion du gaz naturel les fumées contiennent non seulement du CO 2, mais également de la vapeur d eau. L eau à l état de vapeur contient une quantité d énergie non négligeable qui peut-être récupérée au lieu d être envoyée dans l atmosphère par la cheminée. La chaudière à condensation récupère cette énergie contenue dans la vapeur d eau pour préchauffer l eau de retour des radiateurs. En donnant son énergie, la vapeur d eau des fumées se condense et passe à l état liquide. Cette eau de condensation sera évacuée automatiquement à l égout.