DENSITÉ ET SATURATION Des morceaux de sucre sans dessus dessous 14 DECEMBRE 2015 SALESSE MARINE 1
Sommaire Première partie : Ce que je dois savoir pour présenter mon expérience Deuxième partie : Expériences I) Que se passe t il lorsque je plonge un morceau de sucre dans l eau sans agiter? II) Verser de l eau très sucrée dans de l eau non sucrée III) Deux sucres colorés dans une assiette remplie d eau IV) Le phénomène de capillarité V) La saturation VI) Expériences supplémentaires 1) Apport sur la densité 2) Apport sur la cristallisation du sucre : fabrication de sucettes Troisième partie : Retours d expérience Quatrième partie : Fiche élève et solutions Bibliographie 2
Première partie : Ce que je dois savoir pour présenter mon expérience Qu est ce que la densité? Définition : «La densité ou densité d'un corps ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Pour les liquides et les solides, le corps de référence est l'eau pure à 4 C. Dans le cas de gaz ou de vapeur, le corps de référence gazeux est l'air, à la même température et sous la même pression. La densité est une grandeur sans dimension et sa valeur s'exprime sans unité de mesure.» Qu est ce que la saturation? Définition : «La saturation est l'action de saturer, c'est- à- dire de combiner, mélanger ou dissoudre jusqu'à ce qu'il soit impossible d'en ajouter plus.» Que signifie le verbe «se dissoudre»? Se dissoudre signifie fondre ou disparaître dans un liquide. Le corps perd sa consistant en s effritant dans un liquide. Qu est ce que la capillarité? Définition : «Le phénomène de la capillarité désigne ordinairement la capacité de l eau et de certains liquides à monter naturellement malgré la force de gravité le long de tubes très fins plongés dans ces liquides. La remontée est d autant plus forte que le tube est fin.» Tout au long de mon compte rendu, on prendra en compte le fait que les élèves ont précédemment suivis un cours contenant ces termes. 3
Deuxième partie : Expérience I) Que se passe t il lorsque je plonge un morceau de sucre dans l eau sans agiter? Je prends un verre transparent que je remplis d eau froide puis je pose la question suivant aux enfants : A votre avis, que se passe t il lorsque l on met un morceau de sucre? Qu allons nous observer? Après avoir laisser les enfants discuter et proposer leurs idées, je demande à l un d entre eux de déposer un sucre dans le verre d eau. Après quelques secondes, nous pouvons observer que des bulles s échappent du sucre et remontent vers la surface. Le morceau de sucre s effondre en un tas au fond du verre et des bulles continuent de monter en emportant parfois des particules de sucre. Progressivement le sucre de dissout. On peut alors se demander, de quoi sont faites les bulles et comment expliquer que les particules de sucre montent avec la bulle puis redescendent ensuite? Les bulles sont constituées d air. Un sucre est composé d un grand nombre de petits grains très fins et très proches les uns des autres. L infime espace entre chaque grain de sucre contient l air qui s échappe. En remontant vers la surface, les bulles emportent parfois un petit grain de sucre. Mais lorsque la bulle arrive à la surface, elle explose et libère le grain. Le grain étant plus dense que l eau, il va retomber au fond du verre. Nous allons maintenant mélanger délicatement le fond du verre et observer ce qu il se passe. L eau du fond du verre apparaît trouble. 4
Nous pouvons expliquer cela par le fait qu au fond du verre, l eau est très sucrée : elle ne laisse donc pas passer la lumière de la même façon que de l eau moins sucrée qui se trouve juste au dessus. II) Verser de l eau très sucrée dans de l eau non sucrée Nous reprenons notre premier verre dans lequel nous rajoutons plusieurs sucres afin d obtenir de l eau très sucrée puis nous prenons un second verre rempli d eau non sucrée. Avec une pipette, nous faisons tomber des gouttes d eau très sucrée dans le verre d eau non sucrée. Qu allons nous observer? Nous observons que les gouttes sucrées tombent au fond du verre en laissant sur leur passage une trainée similaire à celle observée précédemment. Nous expliquons cela par le fait qu une goutte d eau sucrée est plus «dense» qu une même goutte d eau non sucrée. C est la raison pour laquelle elle coule. 5
En chemin, cette goutte se dilue, sa trainée est constituée d eau sucrée. (Cela dépend de la classe à laquelle je présente l expérience mais je pense qu à des petits, je pourrais remplacer le mot «dense» par «lourde» par un souci de compréhension car pour moi il est difficile de définir la densité dans des mots assez simples pour des enfants en bas âge) III) Deux sucres colorés dans une assiette remplie d eau Nous prenons une assiette creuse que nous remplissons d eau non sucrée. Ensuite, nous prenons 2 sucres et 2 colorants alimentaires de 2 couleurs différentes : un rouge et un bleu. Nous colorons nos 2 sucres : Puis nous les plaçons rapidement dans l eau, diamétralement opposés : 6
Que se passe t il? Qu observons- nous? En se dissolvant, les sucres entrainent avec eux le colorant et l on observe deux taches colorées qui avancent et grandissent. Ce sont les zones d eau sucrée. Souvent, on constate que les deux fronts s arrêtent avant de se mélanger. Les colorants permettent une meilleure observation de la dissolution du sucre dans l eau et la dilution progressive de l eau sucrée qui occupe de plus en plus d espace. Si on attend suffisamment longtemps (au moins une journée), les couleurs se mélangent. Sur cette photo, on observe les deux couleurs qui s arrêtent lorsqu elles se rencontrent. Sur celle ci, après un peu d attente, on observe que le rouge et le bleu se mélange ce qui donne une sorte de violet foncé. 7
IV) Le phénomène de capillarité Pour cette expérience, nous prenons un verre avec de l eau colorée. Nous posons à sa surface un sucre. Nous observons alors que l eau monte dans le sucre. Ici, nous avons coloré l eau en violet, donc nous obtenons un sucre légèrement violet. Pour montrer ce phénomène aux enfants, nous pouvons leur proposer d aspirer à travers le sucre mais aussi de tremper le coin d un buvard, d une éponge ou d un morceau de papier absorbant type essuie- tout ou papier toilette. La question serait alors : quel est le point commun entre tous ces matériaux? Ils possèdent des tubes très fins dans lesquels l eau semble capable de «grimper». Ce phénomène porte le nom de capillarité. V) La saturation Nous cherchons maintenant à dissoudre plus de sucre dans un même volume d eau. Je demande aux enfants si, pour eux, il est possible de dissoudre autant de morceaux de sucre qu ils souhaitent dans le même verre que précédemment. Je les laisse expérimenter et ils s aperçoivent qu au bout d un moment, le sucre ne se dissout plus, même en agitant fortement. 8
On se demande alors : «Comment pourrait- on en dissoudre plus dans une même quantité d eau?» Les élèves savent qu en chauffant, on dissout plus rapidement le sucre dans un liquide mais pas forcément que l on peut également en dissoudre une plus grande quantité. Pour pouvoir comparer la quantité de sucre soluble dans l eau chaude et dans l eau froide, il faut expérimenter avec des volumes d eau identiques. Après avoir placé un même volume d eau très chaude dans un verre, froide dans l autre, je laisse les élèves dissoudre leurs morceaux de sucre. On observe alors qu il faut plus de morceaux pour atteindre la saturation dans l eau chaude. VI) Expériences supplémentaires 1) Apport sur la densité Afin de mieux observer le phénomène de densité, nous pouvons proposer l expérience suivante : Nous prenons 2 petits pots remplis à ras bord : un avec de l eau très sucrée colorée et l autre avec de l eau douce. On recouvre le second avec un carton, on le retourne et on le pose bord à bord avec celui d eau sucrée. Que se passe t il lorsque je retire d un coup le carton? Il ne se passe absolument rien! L eau sucrée qui est plus dense reste en dessous et l eau douce, moins dense, reste au dessus. Il faut compter une bonne journée pour observer le mélange des 2 eaux. En revanche, si on place les pots dans le sens inverse, on observe un mélange rapide des deux solutions : l eau sucrée «tombe» dans l eau douce. 2) Apport sur la cristallisation du sucre : fabrication de sucettes Que signifie le terme «cristalliser»? Définition : Amener une substance à l'état de cristaux, lui donner la contexture régulière des cristaux : Cristalliser du sucre. Expérience : Nous faisons tout d abord une solution saturée en sucre en portant de l eau à ébullition et en ajoutant le sucre petit à petit jusqu'à qu il ne se dissolve plus. Nous versons le liquide dans des récipients séparés et on ajoute du colorant et éventuellement des arômes. On laisse ensuite refroidir. Nous prenons ensuite des pics à brochettes en bois que l on trempe dans le liquide puis dans le sucre pour qu ils en soient enrobés. Cette étape permettra ensuite aux cristaux de sucre de s y agripper et de grandir dessus. On attend quelques minutes que cela soit sec puis nous plaçons les brochettes dans nos récipients en les calant de façon à ce qu ils ne touchent ni les bords ni le fond. 9
Pourquoi les enfants adorent? Il faut un peu de patience, les premiers cristaux apparaitront en 2-3 jours et ils continueront à grandir. Pour avoir de belles sucettes il faudra au moins 2 semaines! Mais les enfants adoreront voir chaque jour l évolution des cristaux qui se développent. Ce qu ils apprennent : L eau s évapore mais pas les cristaux de sucre. Comme nous avons fait une solution saturée en sucre, le sucre est obligé de se séparer et de reprendre une forme solide. Le sucre qui se trouve déjà sur le bâton va attirer les autres cristaux et ainsi de suite, jusqu'à former une jolie sucette comestible! On observe sur cette photo le départ de l expérience (à gauche) et la cristallisation progressive du sucre (à droite) Résultat final : 10
Troisième partie : Retours d expérience Lors de mon expérience, nous avons observé ce que j avais prévu de montrer. Chaque partie s est plutôt bien déroulée. Pour moi, le moment le plus pertinent est celui des sucres colorés dans l eau car nous pouvons vraiment voir la diffusion du sucre dans l eau grâce aux colorants. Si j avais quelque chose à changer, je ne ferais peut- être pas absorber l eau par le sucre au moment de la capillarité car le rendu en bouche n est pas vraiment bon donc je ne suis pas certaine que ça plaise aux enfants bien que cela reste de l eau sucrée. Après coup, je pense que mon expérience s adresse plutôt au 3 ème cycle. De plus en étant avec une classe d élèves, je pense que je proposerais de mettre en place l expérience de cristallisation que l on pourrait mettre au fond de la classe et observer un peu chaque jour l évolution jusqu'à obtenir les sucettes en sucre. Je n ai pas pu le présenter ce coup ci car c est une expérience qui demande plusieurs jours. Quatrième partie : Fiche élève et solutions Pour les 4 définitions, voir page 3 Texte résumé : Lorsque l on met un sucre dans de l eau, on remarque que des bulles d air s en échappe. Petit à petit, le sucre s effondre. Quand on remue doucement, le fond devient trouble. Si l on attend, le sucre fini par se dissoudre entièrement. Une goutte d eau sucrée est plus dense qu une goutte qui ne l est pas. C est pour cela qu elle coule. Lorsque je pose deux sucres colorés dans une assiette remplie d eau, on observe que 2 grandes taches colorées apparaissent : ce sont des zones d eau sucrée. En posant délicatement le bord d un sucre dans de l eau, on observe la montée rapide d eau colorée dans le sucre : c est la capillarité. Pour dissoudre une plus grande quantité de sucre, on utilise de l eau chaude. On atteint alors moins rapidement la saturation de l eau. 11
Nom : Prénom : Date : Expérience : J ai aimé Se dissoudre : Mes définitions : La capillarité : La densité : La saturation : Mon résumé : Lorsque l on met un dans de, on remarque que des s en échappe. Petit à petit, le sucre. Quand on remue doucement, le fond devient. Si l on attend, le sucre fini par entièrement. Une goutte d eau sucrée est qu une goutte qui ne l est pas. C est pour cela qu elle. Lorsque je pose dans une assiette remplie d eau, on observe que 2 grandes taches colorées apparaissent : ce sont des zones d eau. En posant délicatement le bord d un sucre dans de l eau, on observe la rapide d eau colorée dans le sucre : c est. Pour une plus grande quantité de sucre, on utilise de l eau. On atteint alors rapidement de l eau. 12
Bibliographie : - Livre d Estelle BLANQUET - Le site «Wikipédia» pour les définitions 13