Supporting materials
Download
Download this article as a PDF
Jouons avec le feu: problèmes stœchiométriques et combustions de gaz Teach article
Cette activité a été presentée au Science on Stage Festival 2022 
Magnifiques boules de feu: Essayez ces expériences spectaculaires avec des gaz pour illustrer la combustion et des problèmes stœchiométriques.
Réactions aux effets visuels ou auditifs spectaculaires comme exemples captivants pour illustrer les problèmes stoechiométriques
Les activités suivantes conviennent aux élèves âgés de 14-16 ans. Après avoir calculé les quantités de solides et de solutions requises, on observe la production de gaz dans une seringue. On met ensuite le feu à des mélanges de dihydrogène et dioxygène et on observe leur combustion. Les activités 1 et 2 peuvent être réalisées par les élèves. Les autres activités sont tout d’abord réalisées par le professeur en démonstration puis les élèves peuvent les tenter eux-mêmes sous surveillance.
L’activité prend environ 50 minutes si la théorie est vue au préalable, dans le cas contraire, l’activité prendra 1 heure 40 minutes
Objectifs
- Comprendre quelques principes de base des réactions chimiques : stœchiométrie, réactif en excès, états de la matière.
- Voir une production de gaz
- Mettre de l’animation au laboratoire avec un bang et un waouf.
- Se rendre compte de l’énergie chimique libérée par une combustion explosive et de l’énergie cinétique libérée par une expansion de gaz.
- Percevoir l’énergie cinétique produite lors d’une explosion d’après son niveau sonore.
Production de gaz et mise en place des tests
Le mode opératoire de base pour la production de gaz est identique pour toutes les activités. L’introduction des réactifs et la réaction en elle-même prennent entre 5 minutes (H2) et 15 minutes (O2).
Matériel pour la production de gaz
Utilisé pour H2 puis O2 dans ces activités mais il peut également être utilisé pour NO2, NH3, etc.[1]
- Réactif solide + réactif liquide
- Seringue Luer-lock avec un bouchon
- Petit récipient creux à fond plat pouvant être introduit à l’intérieur de la seringue, par exemple, le bouchon d’un tube de médicament.
- Petit récipient pouvant contenir au moins 5 mL de réactif liquide ou une solution savonneuse (bulles), comme une coupelle de pesée en plastique.
- Liquide vaisselle et allumettes
- Tuyau de 2 cm pouvant relier les seringues pour un transfert de gaz
Image:Isabelle Paternotte et Philippe Wilock
Mode opératoire général pour la production de gaz
- Placer le réactif solide dans le petit récipient entrant dans la seringue.
- Pour introduire ce récipient au fond de la seringue sans renverser le réactif solide, remplir la seringue à ras bord avec de l’eau, boucher l’ouverture. Placer le récipient à fond plat sur la surface de l’eau et le faire descendre en laissant s’écouler l’eau.
- Insérer le piston de la seringue jusqu’au petit récipient sans renverser le contenu ni bloquer la seringue.
- Placer 5 mL du réactif liquide dans la coupelle et l’aspirer avec la seringue.
- Placer le bouchon sur la seringue.
- Attention : si le réactif solide se retrouve dans la seringue avant l’ajout du liquide, des bulles de gaz sont produites immédiatement et le liquide entre en contact avec les doigts lorsqu’on place le bouchon.
- Secouer la seringue pour mettre en contact les réactifs solide et liquide.
- Observer l’effervescence: du gaz est produit et le piston de la seringue monte.
- A la fin de la réaction (ou lorsque la seringue arrive à son contenu maximal), ouvrir le bouchon en tenant la seringue vers le haut, puis retourner rapidement la seringue pour éliminer le liquide dans un récipient « poubelle ».
- Pour rincer le gaz: aspirer un peu d’eau, refermer et secouer la seringue puis éliminer le liquide de rinçage.
Mode opératoire général pour mettre le feu aux gaz
- Préparer une solution savonneuse avec de l’eau et du savon vaisselle.
- Vérifier le pouvoir moussant de la solution avec une seringue remplie d’air et ajouter du savon si nécessaire.
- Gratter l’allumette avant de former les bulles et approcher rapidement la flamme des bulles.
Note de sécurité
- Porter un tablier de laboratoire, des lunettes de sécurité et les cheveux attachés.
- Surveiller l’utilisation des allumettes, éloigner les produits inflammables
- Comme il s’agit de microchimie, les quantités de gaz inflammables sont sans danger et enfermées dans les seringues.
- Les élèves pouvant être surpris de la taille de la flamme lors de la mise à feu des bulles, une démonstration par l’enseignant la première fois est recommandée puis les élèves peuvent répéter les expériences.
- Ne jamais diriger les seringues vers les personnes (particulièrement les visages).
Activité 1: Production d’hydrogène
Dans cette activité, on produit de l’hydrogène gazeux en utilisant le mode opératoire décrit ci-dessus. Le temps nécessaire est d’environ 3 minutes, si le matériel est préparé à l’avance.
Matériel
- Matériel cité dans le mode opératoire général
- Ruban de magnésium
- HCl 2 mol l−1 comme réactif liquide
Mode opératoire
- Les élèves calculent la masse de magnésium à ajouter à 5 mL d’HCl 2 mol l−1 pour obtenir 50 mL de H2 gazeux d’après l’équation suivante:
\[{\text{Mg}\text{(s)} + \text{2HCl}{ }\text{(aq)}}→\text{H}_\text{2}\text{(aq)}+\text{MgCl}_\text{2}\text{(aq)}\]
Réponse : 0,05 g, ce qui représente environ 1,5 cm de ruban de magnésium
- Réaliser l’expérience de production de gaz comme décrit dans le mode opératoire général, en utilisant du magnésium et de l’HCl 2 mol l−1 comme réactifs solide et liquide. On peut rouler le ruban de magnésium pour le faire tenir dans le récipient à fond plat.
- Conserver le gaz obtenu pour les activités suivantes
Observations
Le Mg disparaît progressivement avec une production de bulles, le piston monte en 1 min et la seringue chauffe.
Attention lors de la manipulation de la seringue contenant H2: toujours la maintenir en position verticale vers le bas lorsqu’elle est ouverte pour la production de bulles ou pour le transfert de gaz. Si la seringue est inclinée, H2, qui est plus léger que l’air quitte la seringue pour le plafond.
Activité 2: Production d’oxygène
Dans cette activité, on produit de l’oxygène gazeux en utilisant le mode opératoire décrit ci-dessus. Le temps nécessaire est de quelques minutes, si le matériel est préparé à l’avance.
Matériel
- Matériel cité dans le mode opératoire général
- KI 0,1 g comme réactif solide
- H2O2 0,8 mol l−1 comme réactif liquide
Mode opératoire
- Les élèves calculent la concentration en peroxyde d’hydrogène nécessaire dans les 5 ml de solution de H2O2 pour obtenir 50 ml d’O2 gazeux selon l’équation suivante:
\[{\text{2H}_\text{2}\text{O}_\text{2}\text{(aq)} + \text{KI}{ }\text{(s)}} \text{catalyst}
→\text{O}_\text{2}\text{(g)}+\text{2H}_\text{2}\text{O}\text{(l)}\]
Réponse: 0,8 mol l−1.
- Réaliser l’expérience de production de gaz comme décrit dans le mode opératoire général, en utilisant du KI et du H2O2 0,8 mol l−1 comme réactifs solide et liquide.
- Conserver le gaz obtenu pour les activités suivantes.
Observations
Le solide blanc KI donne une solution jaune lors du mélange avec le peroxyde d’hydrogène. Des bulles se forment surtout autour du caoutchouc du piston. Lorsque le piston est tiré vers l’arrière, cela forme davantage de bulles. La réaction est lente et peut durer jusqu’à 5 minutes.
Activité 3: Mise à feu de l’hydrogène pur
Dans cette activité, nous découvrons ce qui se passe lors de la mise à feu de bulles d’hydrogène gazeux. Cela ne prend que quelques minutes après la production du gaz lors de l’activité 1. L’enseignant devrait montrer la mise à feu puis les élèves peuvent le faire eux-mêmes sous surveillance.
Matériel
- Seringue d’hydrogène gazeux obtenu lors de l’activité 1
- Petit récipient (coupelle)
- Eau
- Savon vaisselle
- Briquet à gaz à long bec (plus sûr) ou allumette
Mode opératoire
- Préparer une solution savonneuse dans un petit récipient peu profond, comme décrit dans le mode opératoire général. Vérifier le pouvoir moussant avec de l’air et ajouter du savon si nécessaire.
- Prévoir à portée de main la seringue d’hydrogène et un briquet/ allumette.
- Allumer la flamme, puis faire rapidement des bulles d’hydrogène en pressant la seringue sous la surface de la solution savonneuse. Dès que les bulles sont formées, approcher la flamme (du briquet à gaz à long bec ou de l’allumette) de celles-ci.
Image: Isabelle Paternotte et Philippe Wilock
Observations
Les bulles d’hydrogène brûlent silencieusement, formant une boule de feu d’un volume dix fois supérieur à celui des bulles. Pour brûler, l’hydrogène absorbe l’oxygène de l’air ambiant.
Activité 4: Mise à feu de l’oxygène pur
Dans cette activité, nous découvrons ce qui se passe lorsque nous essayons d’allumer des bulles d’oxygène gazeux. Cela ne devrait prendre que quelques minutes après la production du gaz dans l’activité 2. L’enseignant devrait montrer l’activité puis les élèves peuvent le faire eux-mêmes sous surveillance.
Matériel
- Seringue d’oxygène gazeux produit à l’activité 2
- Récipient contenant la solution savonneuse de l’activité 3
- Briquet à gaz à long bec (plus sûr) ou allumette
Mode opératoire
- Vérifier le pouvoir moussant de la solution savonneuse avec de l’air et ajouter du savon si nécessaire.
- Prévoir à portée de main la seringue d’oxygène et un briquet/ allumette.
- Allumer la flamme, puis faire rapidement des bulles d’hydrogène en pressant la seringue sous la surface de la solution savonneuse. Dès que les bulles sont formées, approcher la flamme sur celles-ci.
Observations
Les bulles d’oxygène ne brûlent pas (l’oxygène est déjà entièrement oxydé), mais la flamme devient plus brillante à chaque bulle éclatée.
Activité 5 : Mise à feu d’un mélange d’hydrogène et d’oxygène
Dans cette activité, on met le feu à un mélange d’hydrogène et d’oxygène obtenu en transférant une quantité précise de O2 vers la seringue d’H2. Cela ne devrait prendre que quelques minutes après la production du gaz dans les activités 1 et 2. L’enseignant devrait montrer la mise à feu puis les élèves peuvent le faire eux-mêmes sous surveillance.
Matériel
- Seringues d’hydrogène et d’oxygène gazeux des activités 1 et 2
- Récipient de solution savonneuse de l’activité 3
- Briquet à gaz à long bec (plus sûr) ou allumette
Mode opératoire
- Installer un petit tuyau de raccordement sur la seringue d’oxygène.
- Fixer ce tuyau à la seringue d’hydrogène. Cette dernière doit toujours être au-dessus et verticale.
- Faire monter la quantité d’oxygène souhaitée dans la seringue d’hydrogène en poussant et en tirant sur les deux pistons de seringue.
- Vérifier le pouvoir moussant de la solution savonneuse avec de l’air et ajouter du savon si nécessaire.
- Prévoir à portée de main la seringue de mélange de gaz et une allumette.
- Avertir l’entourage du bruit soudain.
- Faire des bulles avec le mélange explosif en pressant la seringue sous la surface de la solution savonneuse. Dès que les bulles sont formées, approcher la flamme (du briquet à gaz à long bec ou de l’allumette) de celles-ci.
Observations
Les bulles brûlent instantanément, produisant un bruit de pétard. Le meilleur bruit est obtenu avec un mélange stœchiométrique: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g→l).
Activité 6 : Lancement d’une mini-fusée
Dans cette activité, on utilise l’effet observé dans l’activité 5 pour lancer une mini-fusée. Cela devrait prendre environ 10 minutes après avoir produit le mélange de gaz de l’activité 5. L’enseignant peut réaliser l’activité à titre de démonstration.
Matériel
- Seringue contenant un mélange de H2 et O2 de l’activité 5
- Pipette en plastique de 5 ml coupée à 1 cm jouant le rôle de fusée
- Tuyau de 12 cm de long s’adaptant à l’extrémité de la seringue
- Récipient à moitié rempli d’eau
- Briquet à gaz piézoélectrique modifié pour produire une étincelle à l’extrémité de fils électriques soudés
Modification du briquet à gaz piézoélectrique
Retirer le nez de l’appareil (partie A) en l’écartant légèrement à l’aide d’un tournevis. Sur cette partie, redresser la tige (C) qui sert d’électrode.
Retirer la languette métallique (partie B) qui assure la connexion électrique entre le générateur et le nez de l’appareil. Souder deux fils : l’un à l’extrémité de l’électrode centrale et l’autre à la vis du générateur. Attention de ne pas déformer l’électrode centrale : son design prévoit de laisser un espace d’environ 1 mm entre elle et le générateur ; cet espace est indispensable pour assurer une étincelle lors du mouvement de va-et-vient du piston.
Mode opératoire
- Remplir la mini-fusée d’eau en appuyant sur le corps de la pipette en maintenant l’extrémité sous l’eau. Insérer le tuyau dans la mini-fusée.
- Connecter le tuyau à la seringue contenant le mélange 2:1 de H2 et O2 de l’activité 5.
- Pousser sur la seringue pour remplir la mini-fusée, en la maintenant à la verticale de façon à ce que le mélange de gaz reste à l’intérieur.
- Insérer les fils dans l’ampoule de la pipette (mini-fusée) pour l’étincelle.
- Aspirer une goutte d’eau au fond de la mini-fusée en expulsant une bulle de gaz :
- Sans la goutte d’eau, la mini-fusée ne décolle pas : les gaz brûlent et l’air pénètre dans la mini-fusée.
- Without the water drop, the minirocket will not take off: the gases burn, and air enters the minirocket.
- With the water drop, when the gases burn, the drop hits the top of the minirocket and causes it to lift off.
- Ne tenez pas la mini-fusée. Lâchez-la juste avant de créer l’étincelle avec le briquet à gaz piézoélectrique.
Observations
La mini-fusée s’envole vers le plafond!
References
[1] Mattson B, Mattson S, Anderson MP (2006) Microscale Gas Chemistry 4th edition. Educational Innovations, Norwalk. ISBN: 0-9701077-0-6
Resources
- Regardez une video des activités de cet article.
- Construisez une fusée dans votre classe: Rønningen J-E et al. (2012) Sky-high science: building rockets at school. Science in School 22: 34–37.
- Apprenez quelques-uns des principes clés de la science des fusées grâce à des activités pratiques amusantes: Ahlgren O (2019) Rocket science made easy. Science in School 47: 36–41.
- Essayez des activités en classe sur l’utilisation et le contrôle du feu : Krzeczkowska M, Grygo-Szymanko E, Świt P (2016) Practical pyrotechnics. Science in School 38: 46–51.
- Explorez comment les réactions chimiques peuvent être utilisées pour chauffer les aliments et enseignez les réactions exothermiques: Rau M (2011) The heat is on: heating food and drinks with chemical energy. Science in School 18: 46–51.
- Découvrez comment l’économie de l’hydrogène pourrait fonctionner dans la pratique: Shallcross D et al. (2009) Fuelling interest: climate change experiments. Science in School 11: 38–43.
- Explorez la chimie du changement climatique: Shallcross D, Harrison T (2008) Practical demonstrations to augment climate change lessons. Science in School 10: 46–50.
- Découvrez comment l’économie de l’hydrogène pourrait fonctionner dans la pratique: Mitov M, Hubenova Y (2014) A classroom hydrogen economy. Science in School 30: 31–35.
- Explorez les transitions de phase entre les différents états de la matière: CERN (2021) States of matter & phase transitions. Science in School 51.
License
Text released under the Creative Commons CC-BY license. Images and supporting material: please see individual descriptions.