                                                             Informer et accompagner
                                                             les professionnels de l’éducation   CYCLES 2                          3 4
                                      PHYSIQUE-CHIMIE
                                       Mettre en oeuvre son enseignement

                                       Organisation et transformations de la matière



                                                                       Je suis vernie !
        Le fichier source
         au format Word          THÈME : ORGANISATION ET TRANSFORMATIONS DE LA MATIÈRE
            disponible en
         téléchargement          Attendus de fin de cycle : Décrire et expliquer des transformations chimiques
              « Matière –
          je suis vernie »       Registre d’enseignement : Enseignement commun.

                                 Descriptif :
                                 Dans cette activité, les élèves cherchent à comprendre et à expliquer pourquoi les canettes de boissons au cola
                                 sont vernies.
                                 Pour cela, ils proposent des expériences et les réalisent en s’appuyant sur plusieurs documents dont il leur faut
                                 extraire des informations sur :
                                 • la composition des boissons au cola et indiquant les effets des acides dur les métaux ;
                                 • une explosion survenue au sein d’un entrepôt d’acier dans lequel une bouteille d’acide s’était renversée (docu-
                                    ment en anglais) ;
                                 • des formules chimiques et des tests d’identification des ions et des gaz.
                                 Cette activité nécessite de laisser les élèves disposer de temps pour la réflexion en amont des expériences pour
                                 s’approprier la problématique et en aval pour rédiger l’argumentation.

                                 Repère de progressivité : Cette activité peut être proposée après avoir étudié avec les élèves l’évolution du pH
                                 avec la quantité d’ions hydrogène, les tests des ions et les transformations chimiques. Elle peut, par exemple,
                                 servir d’activité de découverte des réactions entre les acides et les métaux.

                                 Compétences travaillées
                                 Domaine 4 : Pratiquer des démarches scientifiques
                                 • Proposer une ou deux hypothèses pour répondre à une question scientifique et concevoir une expérience pour
                                    la ou les tester
                                 • Interpréter des résultats expérimentaux, en tirer des conclusions et les communiquer en argumentant.
                                 Domaine 1 : Pratiquer des langages
                                 • Lire et comprendre des documents scientifiques.
                                 • Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des
                                    observations, expériences, hypothèses et conclusions.

                                 Connaissances et compétences associées
                                 Interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes.
                                 Associer le caractère acide ou basique à la présence d’ions H+ et OH-
                                 • Réactions entre solutions acides et métaux

                                 Prérequis :
                                 • Identifier le caractère acide d’une solution par mesure du pH
                                 • Associer le caractère acide ou basique à la présence d’ions H+ et d’ions OH-
                                 • Mettre en œuvre des tests caractéristiques d’espèces chimiques à partir d’une banque fournie

                                 Nature de la ressource : Activité expérimentale et construction de connaissances

                                 Type d’approche pédagogique : Démarche d’investigation

                                 Contribution à un parcours : parcours santé
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                                 Mots clefs : transformation chimique, réaction, métaux, acides, tests caractéristiques


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  CYCLE   4    I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement




                               Fiche élève : Je suis vernie
                               En France, 3 milliards de canettes métalliques sont produites chaque année : pratiques,
                               légères, incassables, ces canettes font désormais partie de notre quotidien.


                               Documents

                                 DOCUMENT 1 : EXTRAIT D’UN DOCUMENT PUBLICITAIRE D’UNE COMPAGNIE DE SODAS

                                 « La faible quantité d’acidifiants contenue dans certaines boissons gazéifiées de notre Compagnie a-t-elle une
                                 influence sur le système digestif ?
                                 Tout comme les jus d’agrumes et certains aliments de consommation courante, certains sodas de la Compagnie
                                 contiennent de faibles quantités d’acidifiants (acide phosphorique ou acide citrique) qui leur confèrent un goût
                                 acidulé, et contribuent à leurs propriétés rafraîchissantes. Mais cette acidité est sans danger pour notre estomac
                                 qui fabrique naturellement de l’acide chlorhydrique.
                                 La présence d’acidifiants expliquerait l’histoire de la pièce de monnaie qui subit, de ce fait, une légère altération
                                 après avoir longuement séjourné dans un verre de jus d’orange, d’eau gazéifiée ou de soda au cola.
                                 Quelle est la composition du soda au Cola ?
                                 Ce soda est essentiellement composé d’eau gazéifiée, de sucre qui apporte de l’énergie, de caféine qui contribue
                                 à sa saveur subtile, de caramel qui lui donne sa couleur ambrée, d’acide phosphorique qui est un acidulant et
                                 d’extraits végétaux qui lui confèrent son goût unique. La boisson comporte aussi des extraits végétaux mais leur
                                 composition est un secret bien gardé. »



                                 DOCUMENT 2 : NEWSPAPER EXTRACT

                                 You can use a dictionary
                                 “A violent explosion occurred in a warehouse of steel parts when an employee has operated the switch to illumi-
                                 nate the warehouse.
                                 During the investigation, the employee indicates that acid cans badly « keyed « risked breaking but hydrochloric
                                 acid is not an explosive liquid.”



                                 DOCUMENT 3 : FORMULES ET TESTS DE RECONNAISSANCE DE QUELQUES ESPÈCES CHIMIQUES

                                Doc 3.a : Solutions acides présentes dans une boisson au cola

                                Solutions acides                        Acide chlorhydrique            Acide phosphorique                 Acide citrique

                                Formule chimique dans la                      H+, Cl-                       H+, H2PO4-                      H+, C6H8O7-
                                solution de soda au Cola

                                Doc 3.b : Tests d’identification de quelques espèces chimiques liquides ou gazeuses

                                Gaz et liquide              Dioxygène          Dioxyde de carbone            Dihydrogène           Eau

                                Tests d’identification      Ravive une        Trouble l’eau de chaux     Explose à l’approche      Bleuit le sulfate de cuivre
                                                             flamme                                         d’une flamme           anhydre

                                Doc 3.c : Tests d’identification de quelques espèces chimiques ioniques

                                  Ions présents           Cuivre (II)              Fer(II)              Fer(III)            Zinc                 Chlorure

                                     Formule                 Cu2+                   Fe2+                 Fe3+               Zn2+                    Cl-

                                Réactifs caracté-        Hydroxyde de            Hydroxyde             Hydroxyde         Hydroxyde                Nitrate
                                   ristiques               sodium                de sodium             de sodium         de sodium               d’argent




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                                  Observations        Précipité bleu      Précipité vert     Précipité rouille   Précipité blanc   Précipité blanc qui
                                                                                                                                   noircit à la lumière



                                    Après avoir pris connaissances des documents et en utilisant vos connaissances et compétences :
                                    • proposer une ou des expériences qui permettent d’expliquer pourquoi la canette de boisson au
                                       cola est vernie ;
                                    • la (ou les) réaliser ;
                                    • rédiger un paragraphe argumenté expliquant le rôle du vernis à l’intérieur des parois de la
                                       canette et ce qui s’est passé dans l’entrepôt.


                               Travail à réaliser


                                 COMPÉTENCES TRAVAILLÉES

                                Lire et comprendre des documents scientifiques.

                                Proposer une ou deux hypothèses pour répondre à une question scientifique et concevoir une expérience pour la ou
                                les tester

                                Interpréter des résultats expérimentaux, en tirer des conclusions et les communiquer en argumentant

                                Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des obser-
                                vations, expériences, hypothèses et conclusions.




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                               Fiche professeur
                                 SCÉNARIO POSSIBLE

                                 Durée envisagée : 1h30

                                 Mode de travail : Travail en groupe (par deux ou trois)

                                 Organisation possible
                                 Matériel pour la présentation de l’activité et la recherche : vidéoprojecteur, classeurs ressources, dictionnaires
                                 anglais-français, dictionnaires, ordinateurs,
                                 Matériel pour les expériences (celui-ci peut rester sur un chariot en attendant les propositions des différents
                                 groupes qui peuvent être très diverses) : flacons solutions acide (chlorhydrique, phosphorique, citrique), échantillons
                                 de métaux, échantillons de métaux vernis, canettes, aimants, tube à essais, solution hydroxyde de sodium, allumettes,
                                 bouchon, lunettes, pH mètre, papier pH, boisson au cola
                                 Les élèves se mettent par groupe de travail ; la problématique est projetée et la consigne est lue d’abord
                                 individuellement puis reformulée au sein des groupes.
                                 Du temps est laissé aux élèves afin qu’ils s’approprient le problème et commencent à proposer des expériences
                                 en justifiant leur choix.
                                 Le professeur passe dans les groupes afin de voir si le problème est compris dans un premier temps. Dans un
                                 second temps, il peut commencer à donner des aides, en particulier aux groupes qui rencontrent des difficultés à
                                 faire des propositions.


                                 Exemple de production attendue

                                 Hypothèse :

                                 La canette est en métal fer (test avec l’aimant ou recherche sur Internet). La boisson contient des acides. Or
                                 dans l’entrepôt d’acier (alliage de fer), un contact entre l’acier et une solution acide a provoqué une explosion. La
                                 canette est sans doute vernie pour éviter le contact entre le métal fer et la boisson acide.
                                 On peut émettre l’hypothèse que les acides réagissent avec la canette (ce qui est souligné dans le document 1 à
                                 propos de l’altération de la pièce de monnaie par la boisson)
                                 Exemples d’expériences proposées :

                                 • Mettre dans différents tubes à essais des morceaux de fer et des morceaux de fer vernis
                                 • Ajouter différentes solutions acides, soit de l’acide chlorhydrique, soit de l’acide phosphorique ou citrique
                                 • Observer

                                 L’effervescence doit amener les élèves à identifier le dégagement de bulles à un dégagement de gaz qu’ils
                                 peuvent tester par tâtonnements successifs ou directement avec une flamme s’il utilise correctement les
                                 informations du document 2 relatif à l’explosion. Ils identifient alors l’émission de dihydrogène et si la réaction
                                 est assez vive, et une augmentation du pH, relatif à la disparition des ions hydrogène. Enfin, les groupes plus
                                 rapides pourront identifier la production des ions métalliques (pour cette identification, il faut mettre une quantité
                                 de solution d’hydroxyde de sodium suffisante pour neutraliser l’acide restant avant que le précipité vert ne soit
                                 effectivement observé).

                                 Argumentaire :

                                 L’ensemble des solutions acides (comportant des ions hydrogène H+) réagissent avec le métal constituant la
                                 canette. Il s’agit de transformations chimiques car des espèces disparaissent (le métal et les ions hydrogène) et
                                 des espèces chimiques apparaissent (un gaz, le dihydrogène, et des ions métalliques, les ions fer II).
                                 Le vernis à l’intérieur de la canette permet de protéger le métal de la canette, c’est-à-dire qu’il ne soit pas en
                                 contact et donc « attaqué » par « l’acidité » de la boisson au cola. Le vernis permet d’empêcher la réaction entre
                                 le métal et l’acide.
                                 Dans l’entrepôt, une grande quantité de dihydrogène a pu être produite lors de la casse d’une bouteille d’acide,
                                 par réaction de l’acide sur le métal ; une étincelle produite lors de l’allumage de la lumière par l’employé a pro-
                                 duit l’explosion du fait de la présence du dihydrogène (tests caractéristique).
                                 Diverses restitutions peuvent être envisagées avant la structuration des connaissances et l’explicitation des
                                 compétences associées : des groupes sont invités à venir présenter leurs hypothèses, expériences et argumenta-
                                 tion à l’oral ou le professeur projette diverses productions écrites et faire dégager les résultats importants qui ont
                                 permis de répondre à la problématique.
                                 L’analyse de la transformation chimique entre les acides de la boisson au cola et le métal de la canette, permet
                                 de découvrir la réaction entre les acides et les métaux.

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  CYCLE   4    I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement




                                 Bilan des connaissances et des compétences associées

                                 Lors de la réaction de la boisson au cola sur la canette non vernie, le métal réagit avec l’acide contenu dans la
                                 boisson.
                                 On peut modéliser les acides par de l’acide chlorhydrique.
                                 Des réactifs disparaissent : le métal et l’acide chlorhydrique et des produits apparaissent : le gaz dihydrogène
                                 et des ions métalliques. C’est une transformation chimique : des espèces disparaissent tandis que d’autres se
                                 forment.
                                 Le bilan de cette transformation chimique, la canette étant en métal fer, peut être modélisée par :




                                 Une discussion peut s’engager sur la conservation des atomes lors des transformations chimiques : les ions
                                 hydrogène donnant le dihydrogène, le fer donnant des ions fer II. Les ions chlorure par contre n’interviennent pas
                                 dans la transformation, ils sont alors identifiés comme des ions spectateurs.
                                 Ce qui permet de modéliser de manière plus générale l’action des différents acides par l’action des ions hydro-
                                 gène sur le métal.
                                 Les réactifs disparaissent : le métal et les ions hydrogène et des produits apparaissent : le gaz dihydrogène et des
                                 ions métalliques. C’est une transformation chimique : des espèces disparaissent tandis que d’autres se forment.
                                 Le bilan de cette transformation chimique, si la canette est en métal fer, peut être modélisée par :




                                 Remarque : Une écriture symbolique de l’équation ajustée de la réaction peut ensuite être proposée. On rappelle
                                 que l’ajustement des coefficients stœchiométriques n’est pas une attendu du cycle 4 et sera exigible en classe
                                 de seconde seulement. Par contre, les élèves peuvent identifier si une équation de réaction est ajustée ou non.

                                 Différenciation pédagogique (coups de pouce, …)

                                 Des aides sont proposées en fonction de l’avancée des élèves dans la résolution du problème. Quand un groupe
                                 rencontre des difficultés, il convient d’intervenir assez rapidement afin d’éviter d’avoir de trop grandes diffé-
                                 rences de durées de résolution. Les aides peuvent être donnés à l’oral ou par écrit ; elles peuvent concerner :
                                 • des aides méthodologiques (reformulation, identification des rôles des différentes espèces chimiques
                                    présentes, conception d’expérience, choix des tests à réaliser, extractions d’informations des textes et des
                                    expériences, …) ;
                                 • des aides liées à des connaissances (identification de l’acidité et mesure du pH, notion de transformation
                                    chimique, …) ;
                                 • des aides de savoir-faire (mise en œuvre des tests, prise en compte des mesures de sécurité, observation.

                                 Pour les groupes les plus rapides, il peut être proposé des activités complémentaires afin de permettre que tous
                                 les groupes terminent correctement l’activité. Ils peuvent mettre en œuvre des tests complémentaires sur les
                                 espèces formées ou disparues, changer de métal, d’acide ou préparer une présentation orale de leur travail.




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