Bulles amusantes : Le CO2 en sciences à l’école primaire Teach article

Traduit par Nathalie Bisson. Marlene Rau présente quelques activités pétillantes et amusantes impliquant le dioxyde de carbone, développées par « Chemol and Science » dans « the Shelves »

Introduction

Le dioxyde de carbone (CO₂) n’est pas seulement l’un des plus importants gaz à effet de serre, mais il se trouve partout autour de nous : dans l’air (0.0388% en vol) que nous respirons; dans l’air que nous rejetons (4 % en vol), dans les boissons gazeuses ; dans les gâteaux, qui lèvent grâce au CO₂ produit par la levure ; et quand des produits organiques comme la paraffine, le papier, le bois ou le pétrole sont brûlés. Sous sa forme liquide, il est utilisé dans les extincteurs et comme réfrigérant dans l’industrie alimentaire (par exemple pour conserver et transporter les crèmes glacées).

A fortes concentrations, le CO₂ peut devenir dangereux pour les humains et les autres animaux, mais c’est aussi la source de toute vie: pendant la photosynthèse, les plantes utilisent le CO₂ et l’énergie de la lumière pour produire des sucres, de l’amidon, des graisses et des protéines, de même que le dioxygène dont nous avons besoin pour survivre.

Les activités suivantes, issues de « Chemol^w1 » et « Science on the Shelves^w2 » (voir boite à outils) permettent d’introduire l’étude de ce gaz très important auprès d’enfants d’école primaire. Pour accompagner les activités, des données complémentaires de base sur la chimie, l’importance physiologique, la détection et la répartition du CO₂ sont disponibles dans la section ressources ^w3.

Note: les quantités de dioxyde de carbone utilisées dans ces activités ne sont pas suffisamment importantes pour être dangereuses.

Les ballons de gaz

Lorsqu’on ajoute de l’eau à des cachets effervescents ou à de la levure chimique, il se forme des bulles : un gaz est produit. On peut utiliser ce gaz pour gonfler un ballon sans avoir à souffler dedans. Quel est ce gaz ? récoltons le et analysons le.

Matériel

• Ballons
• Un entonnoir
• Des cachets effervescents (par exemple des cachets de vitamine C) ou de la levure chimique
• Une bouteille transparente de 500 mL
• De l’eau
• Des béchers
• Un lumignon
• Des allumettes
• 1 paire de pinces (ou un pic en bois)
• Eau de chaux : mélanger une cuillère de ciment ou de mortier avec 250 mL d’eau. Laisser reposer puis filtrer sur deux papiers filtres à café emboités. Le filtrat est de l’eau de chaux.
• Une paille pour boire, de gros diamètre

Protocole

Les six premières étapes sont communes à 2 activités. Ensuite, deux options différentes permettent de continuer.

1. Gonfler un ballon puis laisser s’échapper l’air pour rendre le plastique plus élastique.
2. Utiliser l’entonnoir pour remplir le ballon d’un paquet de levure chimique (20 g) ou de 5 cachets effervescents écrasés.
3. Verser 2-3 cm d’eau dans la bouteille.
4. Ajuster le ballon sur le goulot de la bouteille et tapoter pour faire descendre la poudre dans le flacon. Il se peut qu’il soit nécessaire de tenir le ballon bien ajusté sur le goulot de la bouteille pour éviter qu’il ne s’enlève.
5. Agiter doucement la bouteille. Le ballon se remplit d’un gaz produit par l’effervescence de la poudre dans l’eau.

6. 

   Quand le ballon a fini de se gonfler, le tordre pour le fermer et éviter que le gaz ne s’échappe, et l’enlever du goulot de la bouteille.

A) Quel sorte de gaz contient le ballon?

7. Mettre de l’eau de chaux dans un bécher.
8. Placer la paille dans l’ouverture du ballon, puis libérer doucement et avec soin le gaz contenu dans le ballon, dans l’eau de chaux. L’eau de chaux va se troubler.

Le test à l’eau de chaux permettant de détecter le CO₂ a été mis au point par le chimiste Joseph Black (1728–1799). Le ciment et le mortier contiennent tous les deux de l’hydroxyde de calcium (Ca(OH)₂). Quand du CO₂ est ajouté à Ca(OH)₂ en solution dans l’eau, de toutes petites particules de carbonate de calcium (CaCO₃) se forment ; C’est ce qui trouble l’eau de chaux.

D’où vient le CO₂ produit? La levure chimique et les cachets effervescents contiennent tous les deux du bicarbonate de sodium (NaHCO₃) et un acide fort (comme l’acide citrique ou le phosphate de calcium). Au contact de l’eau, le bicarbonate de sodium et l’acide réagissent ensemble en produisant de l’eau et du CO₂. Ce gaz forme les bulles que l’on voit quand on dissous un cachet effervescent ; C’est aussi ce qui permet aux gâteaux de lever.

B) le gaz est lourd

7. Tenir l’embouchure du ballon dans un bécher et laisser le gaz s’échapper. On ne voit rien, mais nous verrons plus tard si quelque chose s’est produit. Mettre le bécher de côté.
8. Allumer un lumignon et utiliser une paire de pinces pour le placer dans un second bécher, vide celui là. (Sinon, planter le pic en bois dans la cire et l’utiliser pour déplacer le lumignon dans le bécher). Il doit continuer à brûler.
9. Maintenant, placer le lumignon dans le premier bécher, qui contient le gaz issu du ballon. Qu’arrive t’il ?

La bougie devrait s’arrêter de brûler car le gaz (CO₂) éteint la flamme.

10. Répéter les étapes 1-7 pour récolter plus de CO₂ dans le bécher. Maintenant, verser le contenu invisible de ce bécher dans un autre bécher vide. Placer un lumignon allumé dans ce bécher. Que se passe t’il ?

Une nouvelle fois, la flamme s’éteint, montrant qu’il a été possible de transférer le gaz d’un bécher à l’autre, comme si c’était un liquide. Ceci démontre que le CO₂ est plus lourd que l’air.

Faire son propre sorbet ou sa boisson gazeuse

Mélanger 3 cuillères de bicarbonate de sodium avec 1 cuillère de cristaux d’acide citrique (qualité alimentaire). Pour améliorer le goût, ajouter aussi 2 à 4 cuillères de sucre glace ou une cuillère de gélatine en poudre instantanée. Votre sorbet est prêt à goûter !

Les cristaux d’acide citrique se dissolvent sur votre langue et réagissent avec le bicarbonate de sodium. Ceci produit des bulles de dioxyde de carbone, qui causent l’impression de pétillement sur votre langue. Pour faire une boisson gazeuse, mélanger le sorbet avec de l’eau.

Explosions pétillantes

Les fusées et les explosifs fonctionnent à partir de grandes quantités de gaz produites en un temps très court. Vous pouvez créer vos propres fusées en utilisant de l’acide citrique et de la poudre à lever ou des cachets effervescents.

Le canon à bulles

Matériel

• Un tube vide (avec le bouchon) de cachets effervescents, ou une boite de pellicule photo en plastique ; ceci constituera votre canon.
• Un cachet effervescent, ou de la levure chimique, et des cristaux d’acide citrique.
• De l’eau
• Un tube en plastique transparent ou un verre dans lequel le tube de cachets ou la boite de pellicule photo peut tenir debout ; ceci sera votre lanceur.

Protocole

1. Verser environ 2 cm d’eau dans le tube de cachets ou la boite de pellicule photo, puis ajouter le cachet effervescent ; Sinon, à la place du cachet, mélanger ¼ de cuillère à café de levure chimique et la même quantité de cristaux d’acide citrique dans le tube et ajouter quelques gouttes d’eau.
2. Mettre rapidement le bouchon, mettre le canon en place dans le lanceur, et se s’éloigner suffisamment (au moins à 1 ou 2 mètres).

Quand les cristaux d’acide citrique et la levure se dissolvent dans l’eau, ils réagissent ensemble pour produire du dioxyde de carbone. Les cachets effervescents contiennent déjà les deux ingrédients (l’acide et le bicarbonate de sodium), qui réagiront ensemble quand on ajoutera de l’eau. Le gaz produit se dilate, fait pression sur les parois et le bouchon du canon. Quand la pression devient plus forte que la résistance la plus faible des parois environnantes (le bouchon), le canon explose brutalement et le bouchon peut sauter jusqu’à 5 m en l’air, libérant le gaz.

3. Replacer le bouchon et répéter l’expérience.

Chronométrer le temps qu’il faut au bouchon pour sauter puis essayer de tester les quantités : par exemple, essayez de faire sauter le bouchon au bout d’exactement une minute.

Carbon dioxide at the workplace – on Earth and in space

Le dioxyde de carbone peut être un danger s’il s’accumule en concentrations suffisamment importantes. Pour mesurer son taux et celui d’autres gaz dangereux sur les lieux de travail, EFDA-JET^w4 utilise une variété d’instruments de mesure, apportés ou installés dans les bâtiments, pour détecter les gaz qui abaissent le taux de dioxygène et peuvent conduire à une asphyxie. Les gaz mesurés comprennent non seulement le dioxyde de carbone et d’autres gaz cryogéniques comme l’hélium, mais aussi l’azote (utilisé pour l’extinction des feux), le sulfure hexafluoré (SF6, un gaz utilise comme isolant électrique) et les vapeurs de fluides réfrigérants comme le Galden^®. Avant de travailler dans les zones où ces gaz peuvent être dangereux, les équipes doivent en consulter les taux sur les instruments installés ou demander une mesure avec un instrument portable pour confirmer que l’atmosphère est saine.

Le dioxyde de carbone est aussi un danger potentiel 350 km au dessus de la Terre- pour les astronautes à bord de la station spatiale internationale (SSI), une collaboration entre l’agence spatiale européenne (ESA)^w5 et d’autres partenaires internationaux.

Lorsque les hommes respirent, ils consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone. Par conséquent, dans des espaces confinés comme les sous-marins, les avions, et la SSI, le taux d’oxygène s’abaisse et le dioxyde de carbone s’accumule, mettant en danger l’équipage (comme décrit dans le film Apollo 13). Le taux de chacun des deux gaz doit donc être régulé.

Habituellement, dans la SSI est utilisée une méthode directe : il s’agit de piéger le dioxyde de carbone par des pièges spécifiques (par exemple l’hydroxyde de lithium, LiOH, pour former du carbonate de lithium et de l’eau) et de transporter des bouteilles d’oxygène depuis la Terre. Dans le futur, la SSI utilisera une solution plus pertinente et permettant le recyclage : produire du O₂ à partir du CO₂, en utilisant soit des techniques physico-chimiques (essentiellement en séparant les atomes de C et de O) soit des algues et d’autres plantes (photosynthèse).

EFDA-JET et ESA sont membres du EIROforum^w6, les éditeurs de Science in School.

Le geyser de CO₂

Geyser vient d’un vieux mot nordique geysa, qui signifie jaillir.Utilisé d’abord pour le grand geyser, une source chaude de la vallée Haukadalur, en Islande, qui projette de l’eau bouillante jusqu’à 70 m dans les airs, le terme est aujourd’hui utilisé de façon plus générale et désigne aussi des sources avec des jets d’eau intermittents. De même qu’il y a des geysers propulsés par de l’eau bouillante, il y a des geysers froids, propulsés par du CO₂. Remontant des profondeurs de la Terre, le gaz se concentre dans des réservoirs d’eau souterrains et augmente en pression. Celle-ci est régulièrement dissipée par l’intermédiaire d’une fontaine d’eau froide. Il pourrait y en avoir une plus près de chez vous que vous ne le pensez, par exemple à Herl’any en Slovaquie, ou à Wallenborn et près de Andernach en Allemagne.

Dans le cas contraire, vous pouvez en fabriquer un vous-même. Mettre 200 mL d’eau dans une bouteille en plastique à bouchon rétractable (par exemple un flacon de liquide vaisselle, voir l’image ci-dessous), ajouter une cuillère à café rase de bicarbonate de sodium et bien mélanger.

Ajouter environ 35 mL de liquide vaisselle et mélanger à nouveau. En utilisant un entonnoir, ajouter rapidement 3 cuillères à café rases d’acide citrique cristallisé. Très vite, visser le bouchon sur la bouteille (bouchon rétractable fermé), agiter brièvement et ouvrir le bouchon rétractable.

Une fontaine de mousse jaillira dans les airs, jusqu’à peut être une hauteur de 5 m. Autrement, vous pouvez aussi attendre que le bouchon rétractable saute spontanément. Quelque soit votre choix, après un court instant, la pression aura baissé et la fontaine s’arrêtera. Refermer la bouteille en appuyant sur le bouchon rétractable ; environ 30 secondes plus tard, la pression sera de nouveau suffisante pour propulser un geyser. Vous pouvez répéter l’opération plusieurs fois.

Web References

• w1 – Pour plus d’informations sur Chemol (en Allemand), voir: www.chemol.uni-oldenburg.de
• w2 – Pour mieux connaitre Science on the Shelves, voir: www.york.ac.uk/res/sots
• w3 – Les documents suivants complètent les activités de cet article :

  • Dioxyde de carbone- connaissances de base (PDF ou Word^®)

  • Histoires de dioxyde de carbone (PDF ou Word^®)

• w4 – Situé à Culham, GB, JET est la plateforme européenne coopérative. l’exploitation scientifique de JET est prise en charge par le « European Fusion Development Agreement (EFDA) ». pour en savoir plus, voir : www.jet.efda.org
• w5 – ESA est le portail européen pour l’espace, avec son siège à Paris, France. Pour plus d’information, voir : www.esa.int
• w6 – Pour en savoir plus sur EIROforum, voir : www.eiroforum.org

Resources

• Pour retrouver d’autres idées de fusées, voir :

  • de Vries T (2002) Vitamintabletten einmal anders. Chemkon 9(3): 144-146. doi: 10.1002/1521-3730(200207)9:3<144::AID-CKON144>3.0.CO;2-K

• Le projet portugais Pollen a développé une brochure téléchargeable sur les activités scientifiques à faire en classe à partir de produits alimentaires (The Fun-Flavoured Way to Learn Science), disponible en Anglais et en Portugais. Voir : www.cienciaviva.pt/projectos/pollen
• Le chimiste norvégien Erik Fooladi offre un ensemble d’expériences comparant la chimie de la levure chimique, et de la poudre levante dans les gâteaux de Noël sur son site web d’activités scientifiques gastronomiques (en Norvégien). Voir www.naturfag.no ou suivre le lien direct : http://tinyurl.com/3spkkwm
• Pour des activités scolaires d’école primaire avec du CO₂ et du O₂, sur le thème du changement climatique, voir :

  • Johnson S (2008) Planter des idées: activités sur le changement climatique pour l’école primaire. Science in School 10. www.scienceinschool.org/2008/issue10/psiclimate/french

• Dans ce numéro, vous retrouverez une approche positive sur le changement climatique –ce que nous pouvons faire concrètement pour arrêter ça :

  • Shallcross D, Harrison T (2011) Sommes-nous condamnés au changement climatique? Des cales anti-carbone. Science in School 20. www.scienceinschool.org/2011/issue20/wedges/french

Institutions

Author(s)

Le Dr Marlene Rau est née en Allemagne et a grandi en Espagne. Après son doctorat en Biologie du développement au Laboratoire Européen de Biologie Moléculaire de Heidelberg, en Allemagne, elle a étudié le journalisme et s’est engagée dans la vulgarisation scientifique. Depuis 2008, elle est l’une des éditrices de Science in School.

Review

Cet article révèle des façons simples de percer des mystères scientifiques. Il aide chacun à comprendre les phénomènes naturels et les faits soit de la vie quotidienne (la respiration), soit plus occasionnels (l’activité volcanique).Ceci peut motiver la classe pour poursuivre d’autres expériences. A la fois à un niveau global (le changement climatique) ou à un plus petit niveau (les expériences), il permet aux élèves de réaliser que des dangers existent et qu’il est nécessaire de prendre des mesures pour les éviter.

Cet article peut être mis en relation avec les évènements courants ou des phénomènes naturels locaux comme l’éruption du volcan islandais ou les sources géothermales. Il peut aussi contribuer à éveiller une conscience écologique. Des liens interdisciplinaires peuvent être faits sur les questions environnementales et écologiques en chimie et physique, biologie (respiration), géologie, maths (mesures et proportions) et langage (instructions et règles).

Les plus jeunes enfants aimeront les ballons et les geysers ; je réserverai les activités plus explosives aux élèves plus âgés.

Maria João Lucena, Portugal

License

CC-BY-NC-SA