Deuxième partie : Sciences expérimentales et technologie Question 1. (3 points) À partir du texte historique de Lavoisier (Document A), explicitez les étapes de la démarche d investigation qu'il a suivie. Question 2. (2 points) À l'aide du document B et de vos connaissances, explicitez la phrase du compte-rendu de Lavoisier «Mais l air qui a servi à la calcination du mercure n est autre chose, comme on l a vu plus haut, que le résidu méphitique de l air de l atmosphère, dont la partie éminemment respirable s est combinée avec le mercure pendant la calcination.». Question 3. (3 points) 3.1. L'expérience de l'oiseau et de celle de la combustion de la bougie (partie gauche du document C) sont-elles totalement équivalentes? Expliquez. 3.2. Le dioxyde de carbone est soluble dans l'eau, il ne l'est pas le mercure. Lavoisier rapporte: «il résulte que l air vicié par la respiration contient près d un sixième d un acide aériforme, parfaitement semblable à celui qu on retire de la craie.» Cette valeur expérimentale de 1/6 ème trouvée par Lavoisier est fausse. A l'aide de vos connaissances et du document C, dire quelle valeur il aurait dû trouver.
Document A Compte-rendu d'une expérience réalisée par Lavoisier en 1777 à la suite d une expérience sur la calcination du mercure décrite par le schéma du document B. J ai mis un moineau franc sous une cloche de verre remplie d air commun et plongée dans une jatte pleine de mercure ; la partie vide de la cloche était de 31 pouces cubiques : l animal n a paru nullement affecté pendant les premiers instants, il était seulement un peu assoupi ; au bout d un quart d heure, il a commencé à s agiter, sa respiration est devenue pénible et précipitée, et, à compter de cet instant, les accidents ont été en augmentant ; enfin, au bout de 55 minutes, il est mort avec des espèces de mouvements convulsifs ( ). Cet air, qui avait été ainsi respiré par un animal, était devenu fort différent de l air de l atmosphère ; il précipitait l eau de chaux ; il éteignait les lumières (...) ; un nouvel oiseau que j y ai introduit n y a vécu que quelques instants ; enfin, il était entièrement méphitique, et, à cet égard, il paraissait assez semblable à celui qui était resté après la calcination du mercure. Cependant un examen plus approfondi m a fait apercevoir deux différences très remarquables entre ces deux airs, je veux dire entre celui qui avait servi à la calcination du mercure et celui qui avait servi à la respiration du moineau franc : premièrement, la diminution de volume avait été beaucoup moindre dans ce dernier que dans le premier ; secondement, l air de la respiration précipitait l eau de chaux, tandis que l air de la calcination n y occasionnait aucune altération. Cette différence, d une part, entre ces deux airs, et, de l autre, la grande analogie qu ils présentaient, à beaucoup d égards, m a fait présumer qu il se compliquait dans la respiration deux causes, dont probablement je ne connaissais encore qu une seule, et, pour éclaircir mes soupçons à cet égard, j ai fait l expérience suivante. J ai fait passer sous une cloche de verre remplie de mercure et plongée dans du mercure, 12 pouces d air vicié par la respiration, et j y ai introduit une petite couche d alcali fixe caustique; j aurais pu me servir d eau de chaux pour le même usage ( ). L effet de l alcali caustique a été d occasionner dans le volume de cet air une diminution de près d un sixième ; en même temps l alcali a perdu en partie sa causticité ; il a acquis la propriété de faire effervescence avec les acides, et il s est cristallisé sous la cloche même en rhomboïdes très-réguliers ; propriétés que l on sait ne pouvoir lui être communiquées qu autant qu on le combine avec l espèce d air ou de gaz connue sous le nom d air fixe, et que je nommerai dorénavant acide crayeux aériforme; d où il résulte que l air vicié par la respiration contient près d un sixième d un acide aériforme, parfaitement semblable à celui qu on retire de la craie. Loin que l air qui avait été ainsi dépouillé de sa partie fixable par l alcali caustique eût été rétabli par là dans l état d air commun, il s était, au contraire, rapproché davantage de l air qui avait servi à la calcination du mercure, ou plutôt il n était plus qu une seule et même chose ; comme lui, il faisait périr les animaux, il éteignait les lumières ; enfin, de toutes les expériences de comparaison que j ai faites avec ces deux airs, aucune ne m a pu laisser apercevoir entre eux la moindre différence. Mais l air qui a servi à la calcination du mercure n est autre chose, comme on l a vu plus haut, que le résidu méphitique de l air de l atmosphère, dont la partie éminemment respirable s est combinée avec le mercure pendant la calcination ; donc l air qui a servi à la respiration, lorsqu il a été dépouillé de la portion d acide crayeux aériforme qu il contient, n est également qu un résidu d air commun privé de sa partie respirable ; et, en effet, ayant combiné avec cet air environ un quart de son volume d air éminemment respirable, tiré de la chaux du mercure, je l ai rétabli dans son premier état, et je l ai rendu aussi propre que l air commun, soit à la respiration, soit à l entretien des lumières, de la même manière que je l avais fait avec l air qui avait été vicié par la calcination des métaux ( ). (1) Mémoire lu à l Académie des sciences le 3 mai 1777. (Mémoires de l Académie des sciences, année 1777, p. 185.) Aide à la compréhension du texte : pouce cubique = unité de volume air méphitique = air qui produits des effets plus ou moins néfastes air aériforme = air commun = air atmosphérique air fixe = acide crayeux aériforme = gaz carbonique = dioxyde de carbone alcali fixe caustique = réactif au dioxyde de carbone Source: http://www.lavoisier.cnrs.fr/ice/ice_page_detail.php? lang=fr&type=text&bdd=lavosier&table=lavoisier&bookid=20&typeofbookdes=memoires&pageorder=4&facsimil e=off&search=no Site consulté le jeudi 27 mai 2010 à 16h45
Document B : calcination du mercure (extrait d'un cahier d'élève des années 20 dans «Sciences pour tous?» Daniel Raichvarg, éditions Gallimard) Document C : combustion d'une bougie (extrait d'un cahier d'élève des années 20 dans «Sciences pour tous?» Daniel Raichvarg, éditions Gallimard)
CORRIGÉ Question 1. Un moineau dans de l air confiné meurt au bout de 55 minutes. Hypothèse : L air est devenu différent. Test de l hypothèse : Il précipite l eau de chaux Il éteint les flammes Un nouvel oiseau y meurt aussitôt. Conclusion : Cet air est différent. Il est méphitique, c est à dire toxique. Question : Cet air est-il semblable à celui qui reste après oxydation du mercure? Diminution de volume différente ; l air de l oiseau précipite l eau de chaux, celle de l oxydation du mercure non. Donc, les deux airs sont différents. Cette différence malgré une grande analogie entre ces deux airs fait penser qu il y a un autre gaz dans l air de l oiseau. Il faut identifier ce gaz en plus. Donc : Hypothèse : Il y a un autre gaz. est-ce du gaz carbonique? Avec la soude caustique, le volume diminue de 1 6 et la soude se transforme comme quand elle est mise en présence de gaz carbonique. Conclusion : L air vicié contient 1 6 de gaz carbonique. Test de l hypothèse qu il n y a que deux gaz en présence, CO 2 et N 2 Le CO 2 ayant été enlevé comme explicité ci-dessus, l air qui reste est totalement identique à celui qui résulte de l oxydation du mercure par ses manifestations, c est à dire de l azote pur. Un test supplémentaire est que si l on rajoute la bonne proportion d oxygène, on retrouve l air standart. Question 2. 4 5 N 2 + 1 5 O 2 on élimine O 2, il reste N 2!
Question 3.1 Non, ce qui éteint la bougie, c est le manque d oxygène (O 2 < 15%). Ce qui tue l oiseau, c est l excès de gaz carbonique (CO 2 > 5%). Quand l oiseau meurt, la bougie s éteint, mais un oiseau peut vivre dans l air où la bougie s est éteinte. Car : C n H 2n + 3n 2 O 2 nh 2 O + nco 2 Donc si on enlève 3 2 d oxygène, on dégage 1 de gaz carbonique. Donc si on enlève 5% d oxygène, on produit 2 3 5% de CO 2 donc on a 3% de gaz carbonique et l oiseau peut vivre! Par contre, si on injecte 10% de gaz carbonique pur dans l air, l oiseau meurt, mais il reste 90% 20% = 18% de O 2 et la bougie continue de brûler! D autre part, si l eau monte dans l expérience de la bougie, c est que l air s est auparavant beaucoup dilaté et s est échappé à cause du réchauffement intense de la bougie. Question 3.2 Lavoisier ne s est pas trompé. Il y a une erreur d énoncé. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O Si il part 1 6 de CO 2, il a disparut 1 6 de O 2. Il reste donc 1 5 1 6 = 6 1 30 = 1 30 de O 2. En effet, ce qui tue l oiseau, c est l excès de CO 2. Il reste donc suffisamment d oxygène dans l air pour qu il puisse vivre s il n y a avait pas de CO 2. Il n y a donc aucune raison pour qu il y ait 1 5 de CO 2 de dégagé comme semble le demander l énoncé. Cependant, Lavoisier se trompe quand il semble penser qu il n y a plus aucune trace d oxygène dans l air respiré par l oiseau.
CORRIGÉ Question 1. Un moineau dans de l air confiné meurt au bout de 55 minutes. Hypothèse : L air est devenu différent. Test de l hypothèse : Il précipite l eau de chaux Il éteint les flammes Un nouvel oiseau y meurt aussitôt. Conclusion : Cet air est différent. Il est méphitique, c est à dire toxique. Question : Cet air est-il semblable à celui qui reste après oxydation du mercure? Diminution de volume différente ; l air de l oiseau précipite l eau de chaux, celle de l oxydation du mercure non. Donc, les deux airs sont différents. Cette différence malgré une grande analogie entre ces deux airs fait penser qu il y a un autre gaz dans l air de l oiseau. Il faut identifier ce gaz en plus. Donc : Hypothèse : Il y a un autre gaz. est-ce du gaz carbonique? Avec la soude caustique, le volume diminue de 1 6 et la soude se transforme comme quand elle est mise en présence de gaz carbonique. Conclusion : L air vicié contient 1 6 de gaz carbonique. Test de l hypothèse qu il n y a que deux gaz en présence, CO 2 et N 2 Le CO 2 ayant été enlevé comme explicité ci-dessus, l air qui reste est totalement identique à celui qui résulte de l oxydation du mercure par ses manifestations, c est à dire de l azote pur. Un test supplémentaire est que si l on rajoute la bonne proportion d oxygène, on retrouve l air standart. Question 2. 4 5 N 2 + 1 5 O 2 on élimine O 2, il reste N 2!
Question 3.1 Non, ce qui éteint la bougie, c est le manque d oxygène (O 2 < 15%). Ce qui tue l oiseau, c est l excès de gaz carbonique (CO 2 > 5%). Quand l oiseau meurt, la bougie s éteint, mais un oiseau peut vivre dans l air où la bougie s est éteinte. Car : C n H 2n + 3n 2 O 2 nh 2 O + nco 2 Donc si on enlève 3 2 d oxygène, on dégage 1 de gaz carbonique. Donc si on enlève 5% d oxygène, on produit 2 3 5% de CO 2 donc on a 3% de gaz carbonique et l oiseau peut vivre! Par contre, si on injecte 10% de gaz carbonique pur dans l air, l oiseau meurt, mais il reste 90% 20% = 18% de O 2 et la bougie continue de brûler! D autre part, si l eau monte dans l expérience de la bougie, c est que l air s est auparavant beaucoup dilaté et s est échappé à cause du réchauffement intense de la bougie. Question 3.2 Lavoisier ne s est pas trompé. Il y a une erreur d énoncé. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O Si il part 1 6 de CO 2, il a disparut 1 6 de O 2. Il reste donc 1 5 1 6 = 6 1 30 = 1 30 de O 2. En effet, ce qui tue l oiseau, c est l excès de CO 2. Il reste donc suffisamment d oxygène dans l air pour qu il puisse vivre s il n y a avait pas de CO 2. Il n y a donc aucune raison pour qu il y ait 1 5 de CO 2 de dégagé comme semble le demander l énoncé. Cependant, Lavoisier se trompe quand il semble penser qu il n y a plus aucune trace d oxygène dans l air respiré par l oiseau.