Td corrigé TP 2b - Exercices corriges pdf

TP 2b - Exercices corriges

Ce document vient en appui au programme de physique et de chimie de la ...... comportements mis en place dans cette partie constituent le fondement d'un bon ...... à un effet de délocalisation quantique, pris en compte de fait dans la mesure  ...




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clarifier le message et les enjeux pédagogiques. C’est la raison pour laquelle le texte du programme, tel qu’il est apparu au B.O., est si long. Mais aussi long soit-il, ce texte ne peut donner qu’une armature, et il nous a paru utile d’aller plus loin et de rédiger le présent document, élaboré entre août 1999 et janvier 2000. C’est plus qu’un document d’accompagnement au sens habituel du terme, et moins qu’un véritable ouvrage. Il n’est en rien un « livre de l’élève », mais pourrait être quelque chose comme le « livre du maître », utile notamment dans le choix du livre de l’élève. Nous espérons en tout cas qu’à travers les diverses progressions, travaux pratiques, exercices et fiches techniques proposés ici à titre d’exemples, chaque enseignant sera mieux à même de saisir le sens des choix que nous avons effectués, et que ce matériel pourra lui servir à élaborer ses propres façons de faire.


Jacques Treiner,
président du Groupe technique disciplinaire
de physique-chimie, avril 2000









Le groupe initial, créé en janvier 1999, était constitué de :
Dominique Davous, Jean-Pierre Faroux, Marie-Claude Féore, Laure Fort, Frédérique Laborit, Thierry Lévêque, Marie-Blanche Mauhourat, René Mélin, Françoise Patrigeon, Jean-Pierre Perchard, Jacques Treiner.
Christiane Simon et Guy Robardet l’ont rejoint en juin 1999. Jean-Pierre Perchard l’a quitté à la rentrée 1999, tandis que Robert Gleizes, Guy Martin et Thérèse Zobiri y sont entrés.

Sommaire
Présentation générale et organisation du document IV
Glossaire VI
Progression thématique
Un exemple de progression autour des sucres VIII
Quelques exemples de thèmes IX
Sécurité au laboratoire de chimie X
PARTIE I : CHIMIQUE OU NATUREL ? 1 TOC \o "1-1" \f \t "Titre 2;2;Titre 3;3;Titre 4;2;Titre 5;2" 
Acquis du collège 2
Objectifs 2
Tableau de présentation générale 3
Progression chronologique de la partie I 4
Activité 1a : Questionnaire, La richesse chimique d’un produit courant 6
Activité 1b : Questionnaire, Les cinq sens du chimiste s’éveillent 7
Activité 1c : Questionnaire, Les cinq sens du chimiste s’éveillent 9
Activité 1d : Travail sur texte, La cuisine chinoise 10
TP 1 : Introduction au laboratoire 11
Activité 2a : Questionnaire, Domaines d’activité de la chimie 14
Activité 2b : Travail sur texte, Le caoutchouc 15
Activité 2c : Travail sur texte, L’éponge 16
TP 2 : Techniques d’extraction de quelques espèces chimiques organiques 17
TP 2 : Miscibilité – Solubilité - Densité 20
TP 2 : Extraction de l’anéthole de l’anis étoilé 23
TP 2 : Un exemple d’extraction sur un produit manufacturé 25
Compléments TP 2a : Huiles essentielles – Extraits naturels 28
Compléments TP 2b : L’exemple de l’eucalyptol 31
Compléments TP 2c : L’exemple du limonène 33
Compléments TP 2d : L’acide chrysophanique 35
Activité 3a : Document vidéo et questionnaire, l'odeur d'une fleur 38
Activité 3b : Exercice, Le parfum d’une fleur 40
Activité 3c : Travail documentaire, Le parfum à travers les âges 41
Activité 3d : Travail sur texte, Le système périodique 42
Activité 3e : Travail sur texte, Chimiques mais plus vraies que nature 43
Activité 3f : Exercice, La lavande 45
Activité 3g : Entrées historiques "N’allons pas là-dessus nous alambiquer la cervelle" 47
TP 3 : Séparation et identification d’espèces chimiques 48
TP 3 : la solution d’extraction de l'anis étoilé contient-elle de l'anéthole ? 50
Compléments TP 3 : Principe de la chromatographie sur couche mince (CCM) 52
Activité 4a : Exercice, L’huile essentielle du clou de girofle 54
Activité 4b : Exercice, L’odeur d’amande amère 55
Activité 5 : Nécessité de la chimie de synthèse 57
TP 4 : Synthèses d’espèces chimiques 59
Compléments TP4 : Synthèse de l’acétate de linalyle 61
Activité 6a : Travail sur texte, l’ivoire des boules de billard 62
Activité 6b :Travail sur texte, la margarine 63
Activité 6c : Exercice, Synthèse 64
TP 5 : Extraction par hydrodistillation de la lavande 65
TP 5 : Identification de l'acétate de linalyle 67
TP 5 : Une situation problème en TP 68
TP 5 : Un exemple de TP évalué : l’eucalyptol 69
Compléments d'information
Les arômes alimentaires 74
Les matières premières de l'aromatisation 77
Entrées historiques
Les huiles essentielles 78
textes proposes 83
Grille de suivi des compétences mises en jeu lors des TP 88
Apports bibliographiques 89

PARTIE II : CONSTITUTION DE LA MATIÈRE 91
Acquis du collège 92
Objectifs 92
Tableau de présentation générale 93
Progression chronologique de la partie II 94
Activité 1a : La structure lacunaire de la matière 95
Activité 1b : Autour des dimensions relatives noyau - atome 97
Activité 1c : La structure de l’atome 98
Activité 2a : Abondance relative des éléments 99
Activité 2b : Carte d’identité des éléments chimiques (1) 99
Activité 2c : A propos de l’isotopie 101
Activité 3a: Carte d’identité de l’atome d’un élément (2) 101
Activité 3b : Le roman de l’atome de Démocrite à nos jours (1) 102
Apports théoriques : Proposition d'une méthode pour la représentation de Lewis 104
Activité 4 : La théorie de l’atome 116
Activité 5 : Illustration de la géométrie de quelques molécules simples 118
Activité 6a : Le roman de l’atome de Démocrite à nos jours (2) 119
Activité 6b : Carte d’identité de l’élément (3) 120
Activité 6c : Travail de construction du tableau périodique 120
Activité 7 : Carte d’identité de l’atome d’un élément (4) 120
Complément d'information : Rayons atomiques 121
Grille de suivi des compétences mises en jeu lors des TP 123
Apports bibliographiques 124

PARTIE III : transformation chimique 125
 TOC \t "Titre 1;1;Titre 2;2;Titre 3;3;Titre 4;2;Titre 5;2" Acquis du collège 126
Objectifs 126
Tableau de présentation générale 127
Progression chronologique de la partie III 128
Activité 1 : A propos de la mole, une présentation analogique 129
TP 1a : La mole 131
TP 1b : Comment compter les objets avec une balance ? 133
Activité 2 : Autour des grandeurs : masse molaire moléculaire et volume molaire 135
TP 2a : L’indice de réfraction d’une solution concentrée de saccharose 136
TP 2b : Echelle de teintes, solution aqueuse de diiode 138
Présentation de la transformation chimique (1) 141
Activité 3a : De la transformation chimique d’un système à la réaction chimique 146
Activité 3b : De la transformation chimique d’un système à la réaction chimique 147
Approche expérimentale qualitative :
TP 3a et exploitation : Suivi d’une transformation chimique avec des ballons 148
TP 3b et exploitation : Stoechiométrie, hydroxyde de cuivre(II) 151
Présentation de la transformation chimique (2) 152
Activité 4a : Stoechiométrie, exploitation quantitative du Tp 3b 153
Activité 4b : De la transformation d’un système au bilan de matière 156
Activité 4c : De la transformation d’un système au bilan de matière 157
Approche expérimentale quantitative :
TP 4a et exploitation : Echelle de teintes 158
TP 4b et exploitation : Suivi d’une transformation chimique avec des ballons 159
TP 4c et exploitation : Suivi d’une transformation avec un capteur de pression 160
Grille de suivi des compétences mises en jeu lors des TP 165
Apports bibliographiques 167

ENSEIGNEMENT THEMATIQUE, UN EXEMPLE : COULEUR 170
Documents audiovisuels 179

 Présentation générale et organisation du document

Dans chaque partie, deux progressions sont proposées :
- l’une chronologique suit l’ordre d’introduction de chaque partie du programme,
- l’autre inclut le thème retenu comme fil directeur de l’année, dans l’esprit de l’ensemble thématique tel que le préconisent les programmes de 1992 et l’esprit des olympiades nationales de la chimie.
L’exemple proposé concerne : Les sucres. Un tableau général donne plusieurs propositions, non exhaustives.

Un code couleur permet de repérer les situations pédagogiques proposées :
Activités, vert (bleu s'il s'agit d'un exercice),
TP, rouge,
Exploitation de TP et compléments d’information, noir.

Le document se présente comme suit :
- Présentation générale et organisation du document
- Progression thématique : un exemple, les sucres et un tableau avec plusieurs propositions de thèmes
- Un document sur la sécurité au laboratoire
- Des références de documents audiovisuels
- La partie I : chimique ou naturel ?
- La partie II : constitution de la matière.
La partie III : transformation chimique.
- Un exemple d'enseignement thématique : couleur

On trouve dans chaque partie :
acquis du collège,
objectifs,
présentation d’une progression chronologique,
activités,
TP, accompagnés d’une grille d’évaluation des compétences expérimentales,
exploitation de TP, compléments d’information,
bibliographie et adresses utiles (apports bibliographiques).

Le document est accessible sur le site CNDP,  HYPERLINK "http://www.cndp.fr/lycee/" http://www.cndp.fr/lycee/


L’appel à la démarche de modélisation est centrale dans le programme de chimie de Seconde.

Les activités proposées, en classe entière, sont des activités de questionnement (questionnaires ou travail sur texte, travail sur tableau), des exercices et des situations-problèmes. La frontière entre ces activités est ténue ; elle porte essentiellement sur les modalités de travail avec les élèves et le mode de rédaction.
Pour chaque activité, l’enseignant choisit l’une d’elles ou en imagine une autre répondant aux objectifs.
Extrait des commentaires BO
« Ces activités peuvent amener l’élève à suggérer une expérimentation simple pour tester une hypothèse : par exemple, si le « produit » choisi est la pomme, l’élève peut dire que la pomme est acide ; il a utilisé, en classe de troisième le papier pH ; il est alors possible de tester l’acidité de la pomme. Il est également possible de tester la présence d’eau…). L’enseignant acceptera de répondre à la demande expérimentale de l’élève dans la continuité du programme de collège.
Cette partie permet de préparer l’élève aux activités du chimiste : extraction, séparation, analyse et synthèse. »

L’enseignant a pour rôle, en classe, de solliciter les élèves et de coordonner la parole, de synthétiser les diverses informations et de faire les apports théoriques qu’il juge nécessaires. Il incite les élèves à un travail de documentation historique et / ou contemporain selon les sujets abordés.

Les TP ont lieu en demi-classe. L’aspect expérimental y est privilégié. Le compte rendu est nécessaire, mais il ne doit pas, en temps, prendre le pas sur l’expérience. Dans le document sont présentées des propositions de démarche, et des indications de réalisation pour l’enseignant, appelées « protocole expérimental ». On y trouve aussi quelques propositions de « protocole élève ».
Pour préparer les TP et leur exploitation, l’enseignant peut demander aux élèves un travail documentaire sur la technique qui va être mise en œuvre (approche historique et / ou contemporaine), ou sur les modes de récolte et de production des plantes concernées, ou sur leur utilisation…
Extrait des commentaires BO
« Lors des techniques d’identification, l’enseignant veille à ce que les acquis du collège, en particulier sur les caractéristiques physiques, soient réinvestis par les élèves (en lien avec le programme de physique). Le plus souvent l’extraction conduit à un mélange d’espèces chimiques qui, en classe de seconde, ne sont pas isolées. La chromatographie permet de séparer les espèces et d’identifier l’espèce chimique recherchée par comparaison à une référence.
Dans cette partie, il s’agit d’observer et de manipuler et non d’expliquer. En effet à ce niveau, les outils conceptuels dont dispose un élève qui sort de troisième ne permettent pas d’expliquer les concepts chimiques sous-jacents.
L’important dans cette partie est de montrer que l’on peut synthétiser une espèce chimique identique à une espèce naturelle. Concernant le monde de la chimie, l’accent est mis sur la chimie organique, à travers des extractions d’espèces prises dans le monde végétal ou animal, essentiellement autour des colorants et des parfums. Toutefois l’étude d’espèces tirées du monde minéral peut être développée dans l’enseignement thématique.
D’autres exemples de synthèse pris en chimie organique sont présentés par l’enseignant, par exemple synthèse d’un polymère (le nylon), d’un colorant (l’indigo), d’un arôme, d’un savon… »

Le temps en classe entière qui pour la première partie en particulier encadre un TP doit permettre d’apporter des compléments d’information en vue de préparer, d’exploiter ou de mettre en perspective sur l’activité du chimiste. C’est précisément là que prennent place la mise en route des activités documentaires (en classe ou à la maison) et leur exploitation, activités abordées à la fois sous l’angle historique et sous l’angle contemporain.

Les apports théoriques et la bibliographie (accompagnée d’adresses utiles) sont là pour donner à l’enseignant des références et lui permettre d’élargir ses connaissances. Il opère des sélections et les aménagements qu’il juge nécessaires selon ses objectifs.

Les connaissances et savoir faire exigibles sont à considérer comme des acquis en fin de classe de seconde ; ils seront donc travaillés toute l’année.

Enfin l’ensemble de ces situations pédagogiques donne lieu à l’élaboration d’un Glossaire de la classe de Seconde, comportant des définitions, des illustrations, des schémas légendés, etc. Il s’enrichit au cours de l’année et peut donner lieu à un document collectif, témoignage et bilan des acquis de vocabulaire en Seconde. Il accompagne l’élève dans sa scolarité et s’étoffe en classe de Première puis de Terminale.

Les termes définis dans l’article du BUP (1999), Le nouveau programme de la classe de seconde, n°817, vol.93, p.32-35, peuvent aider l’enseignant à construire une partie de ce glossaire (voir les définitions ci-après).













GLOSSAIRE

Entité (moléculaire, atomique…)
Une molécule, un atome, un ion, un électron… susceptible d’identification spécifique d’un point de vue chimique ou isotopique. Ce mot est utilisé dans le cadre d’une description à l’échelle atomique.

Espèce chimique
Un ensemble d’entités moléculaires, ioniques ou atomiques identiques. En règle générale ces ensembles d’entités sont pris avec les abondances isotopiques naturelles. Ce mot est utilisé dans le cadre d’une description macroscopique.
On préfère éviter l’emploi de :
- constituant, plutôt utilisé pour un mélange,
- composé chimique, susceptible d’être confondu avec corps composé,
- corps simple, corps pur et corps composé, afin de ne pas multiplier les termes n’introduisant pas de notion utile à ce stade de l’enseignement,
- produit chimique susceptible d’être confondu avec « produit » commercial contenant des impuretés et avec « produit d’une réaction ».
On continue d’utiliser : substance chimique, pour faire le lien avec les programmes de collège avant d’adopter un vocabulaire plus précis.

Elément
Un ensemble d’entités atomiques caractérisées par un symbole (symbole atomique X) et une valeur de numéro atomique Z indépendamment du nombre des électrons. L’élément est désigné par ZX. Du fait de l’existence de différents isotopes naturels, ce mot est donc utilisé dans le cadre d’une description macroscopique.

Mole
Quantité de matière d’une espèce chimique donnée contenant autant d’entités qu’il y a d’atomes dans 0,012 kg de l’isotope  EMBED Equation.2  du carbone. Quand le terme mole est utilisé la nature de l’entité doit être spécifiée.

Masse molaire « atomique »
Masse d’une mole d’un élément ZX.

Système
Mélange d’espèces chimiques susceptibles de réagir entre elles. Un système est défini par la nature et la quantité de matière des différentes espèces, leur « état » physico-chimique (solide, liquide, gaz ou soluté au sein d’une solution, le plus souvent aqueuse), les conditions de pression et de température.

Transformation chimique
Conversion du système d’un état initial à un état final.
- Etat initial : le système avant réaction.
- Etat final : le système après réaction.
- Etat du système au cours de la transformation : défini par rapport à un avancement (vide infra).

Réaction chimique
L’IUPAC définit la réaction chimique comme un processus d’interconversion d’espèces chimiques et ne donne aucune précision supplémentaire. En classe de Seconde, l’évolution d’un système soumis à une transformation chimique est modélisée à l’échelle macroscopique comme obéissant à un processus unique (que l’on peut appeler « scénario » en classe de Seconde : la réaction chimique). Il n’est pas fait référence à ce qui se passe à l’échelle microscopique et qui est cause de l’évolution du système. Ce modèle est symbolisé par une écriture appelée équation.

Equation
Ecriture symbolique de la réaction chimique. Par convention, les réactifs sont placés à gauche, les produits à droite d’une flèche orientée de gauche à droite afin de préciser le sens d’évolution. Cette écriture respecte la conservation des éléments et des charges de sorte qu’à chaque espèce est associée un nombre, appelé nombre stœchiométrique, dont la valeur est indépendante de la quantité d’espèce mise en jeu.
On préfère parler de l’ajustement des nombres stœchiométriques dans l’écriture d’une réaction chimique, plutôt que « d’équilibrer une équation », afin d’éviter la confusion avec la notion d’équilibre chimique.
On a choisi de ne pas parler d’équation-bilan pour éviter la confusion avec bilan de matière.
Remarque :
L’IUPAC recommande d’utiliser le signe = pour exprimer la relation stœchiométrique qui ne présuppose pas dans quelle direction le système évolue. En classe de Seconde il est inutile d’introduire un symbolisme supplémentaire.

Avancement
L’avancement x n’est pas défini en classe de Seconde. Il peut s’interpréter comme le nombre de fois que le scénario réaction chimique se produit entre l’instant initial et l’instant considéré au cours de la transformation. L’unité utilisée est celle du Système International : mol

Avancement maximal
Valeur de l’avancement lors de la disparition du réactif limitant. En classe de Seconde, l’avancement final s’identifie à l’avancement maximal.

Réactif limitant
Réactif disparaissant totalement au cours de la transformation chimique. La disparition du réactif limitant fixe la valeur de l’avancement final dans le cadre de la classe de Seconde.

Un exemple de progression thématique autour des sucres

Partie I : « Chimique ou naturel ? »
Extraction du sucre de la betterave (ou de la canne à sucre)
1 séance de TP et 1 ou 2 cours

Approche historique et économique.
Principe et présentation des différentes étapes de l’extraction.
Film : « Les racines du sucre », CEDUS.
Sortie pédagogique (visite d’une sucrerie, au premier trimestre impérativement).
TP : Extraction du sucre de la betterave (l’extraction est facile, mais la cristallisation très difficile à réaliser en lycée).

Partie II : « Constitution de la matière »
1 ou 2 séances TP et / ou cours

Construction des modèles de molécules de sucres : glucose, fructose, saccharose. Isomérie.
Mise en évidence des espèces chimiques contenues dans un « morceau de sucre » avant et après hydrolyse par une chromatographie comparative.

Partie III : Transformation de la matière : outils de description du système
1 séance de TP avec exploitation en 1 séance de cours

Concentration des espèces moléculaires en solution.
Préparation de solutions de concentration donnée en saccharose.
Mesure de l'indice de réfraction (dispositif optique classique).
Etude de n = f (c). Utilisation des TICE (tableur) ; régression linéaire.
Application à la détermination de la concentration d'une solution inconnue.


Prolongements possibles

Comparaison d’une boisson sucrée avec une solution de concentration connue de glucose, à l’aide de la liqueur de Fehling.
Mise en évidence de la formation de glucose lors de l'hydrolyse d'une macromolécule (cellulose, amidon etc.) : hydrolyse suivie d'une caractérisation (test ou chromato).
Synthèse d'une macromolécule : préparation d'un film amidon / glycérol (polycondensation) (1TP).


Activités documentaires complémentaires
Le pouvoir sucrant.
Les édulcorants.

Savoir faireConceptsLiaisons avec la physiqueLiaisons avec SVTAutresExtractions
Modèles moléculaires
Chromatographie
Mise en œuvre d’un protocole
Activités de docu-mentationRègle de l’octet
Isomérie
Ecriture d’une molécule
Ecriture d’une réaction chimique, éventuellement approche quantitative (dosage)
Etats de la matièreLois de Descartes,
indice de réfractionFermentation
AlimentationRégression ou utilisation d’un tableur Quelques exemples de thèmes
SucresAspirineHydrocarburesPolymèresAlumine, aluminiumPigmentsPartie I : Chimique ou naturel ?Mise en évidenceUbiquité et importance
Importance de l’aluminiumUbiquité et importanceExtraction,
identificationHistorique
Activité documentaire
Extraction du sucre de la betteraveHistorique
Activité documentaire
1. Extraction de l’aldéhyde salicylique de la reine des prés et identification par CCM
2. Identification par CCM des principes actifs d’un médicament (aspirine, paracétamol, etc.)Activité documentaire
Séparation par distillation fractionnéeLes polymères naturels
fibres, cellulose, etc.Activité documentaire sur la bauxite
1. Purification : passage de la bauxite à l’alumine
2. Propriétés adsorbantes de l’alumine : phase fixe en chromatographieActivité documentaire sur pigments et colorants
1. Extraction de pigments naturels (TiO2)
2. Extraction et identifica-tion d’un colorant alimen-taire
3. Extraction d’un pigment d’une peinture (ZnO)SynthèseHémisynthèse de l’aspirinePolyaddition ou polycondensationSynthèse d’un pigmentPartie II : Constitution de la matièreEdificesConstruction des molécules de glucose, fructose, saccharose
IsomérieConstruction des molé-cules : acide salicylique et acétylsalicyliqueConstruction de molé-cules : alcanes, isomérieConstruction de molé-culesL’ion aluminium L’ion Zn (II)ClassificationLa colonne du carboneAbondance de l’élément AlAbondance de l’élément ZnPartie III : Transformation de la matièreConcentrationsIndice de réfraction et con-centration en saccharose
Etalonnage en vue de la détermination d’une concentration inconnueRéactions,
bilans de matière1. Hydrolyse du saccha-rose ; mise en évidence des produits par chromatogra-phie
2. Hydrolyse de la cellulose et de l’amidon, etc.
3. Réaction de la liqueur de Fehling sur le glucoseComprimé effervescentCombustionDépolymérisation, mise en évidence des produits formésAluminothermieSynthèse d’un pigment : approche du rendement
(bleu de Prusse)Autres pistesSucres lents, rapides,
édulcorantsTeinture d’un tissu Sécurité au laboratoire de chimie

Un document sur la sécurité au laboratoire, accompagné d’adresses utiles, suit cette présentation générale et concerne toutes les parties. Partant de là et plus largement l’enseignant sensibilise l’élève à la sécurité et à la protection de l’environnement dans la vie quotidienne.

Les activités expérimentales jouent un rôle essentiel dans l’enseignement de chimie de Seconde.
Dès les premières séances de TP de l’année, les élèves sont amenés à utiliser de la verrerie fragile (ampoule à décanter, ballon rodé, réfrigérant…), des appareils de chauffage (bec Bunsen, chauffe-ballon…), des produits chimiques (solvants organiques toxiques, inflammables, irritants…).
Il est impératif pour la sécurité des personnes et du matériel que certaines règles de sécurité soient données aux élèves dès le début de l’année. Ceci est d’autant plus crucial que les élèves n’ont pas toujours manipulé au collège et que la grande hétérogénéité des classes de Seconde rend l’enseignement expérimental difficile à gérer.
Une grande discipline comportementale et une grande rigueur expérimentale doivent être exigées des élèves, dès le début de l’année.

Le GTD a souhaité rappeler quelques règles à respecter dans un laboratoire de chimie.
Aucune règle ne sera correctement appliquée par les élèves, si elle ne leur est pas expliquée et justifiée.

Le port de la blouse en coton est obligatoire. Aucun texte officiel n’impose le port de la blouse. Il faut s’assurer que cette obligation est bien inscrite dans le règlement intérieur de l’établissement pour pouvoir l’imposer.
Les élèves doivent mettre, si possible, la blouse en dehors de la salle de TP ou dans les allées de la salle. Ils doivent éviter de s'habiller ou de se déshabiller devant les paillasses.
Les habits ne doivent pas être mis sur ou à côté des paillasses. Ils doivent être accrochés à un endroit où ils ne risquent rien.
Les élèves doivent manipuler avec la blouse fermée. Tous les vêtements flottants (écharpes ou autres) doivent être enlevés.
Les cheveux longs doivent être attachés.
Les élèves ne doivent prendre que le minimum d'affaires sur la paillasse. Au cours des manipulations, ils doivent ranger leurs affaires sous la paillasse. On ne doit jamais manipuler au-dessus d'un classeur ouvert.
Les sacs doivent être rangés sous les paillasses. Aucun objet ne doit encombrer les allées.
Les élèves doivent toujours manipuler debout. Les tabourets ou les chaises doivent être rangés sous la paillasse afin de ne pas encombrer les allées.
Le déplacement des élèves dans le laboratoire doit être réduit au minimum. L’enseignant aura à cœur de faire appliquer ces règles de façon très stricte.

Un incident au laboratoire est souvent dû au non-respect des règles élémentaires de sécurité.

L’enseignant doit avertir les élèves des dangers potentiels qu'ils encourent en manipulant. Tout élève doit penser à sa propre sécurité et aussi à celle de ses camarades.
Les élèves doivent savoir qu'une couverture anti-feu est à leur disposition en cas de nécessité dans la salle de TP, en un endroit balisé et facilement accessible.
Les élèves doivent savoir utiliser le rince-œil qui devrait être obligatoire dans la salle de TP, en un endroit facilement accessible pour tous. L’enseignant montrera à ses élèves comment on se sert du rince-œil.

Il ne faut pas attendre que l'incident se produise pour informer les élèves.

L’enseignant devra éviter de donner des produits purs ou trop concentrés aux élèves. Tous les produits donnés aux élèves doivent être mis dans des flacons de petit volume, chaque flacon devant être convenablement étiqueté et porter si possible, l'indication de la concentration du produit utilisé.

Pour chaque manipulation présentant un risque potentiel, les élèves doivent mettre des gants et des lunettes de protection munies de coques latérales. Pour certaines manipulations dangereuses, même les personnes portant des lunettes correctives doivent se munir de lunettes de protection supplémentaires. Pour certains solvants, il faut mettre des gants spécifiques.
Le port de lentilles de contact est à déconseiller au laboratoire. De nombreux produits volatils (hydracides, dérivés halogénés) peuvent se dissoudre dans le liquide lacrymal sur lequel surnage la lentille et provoquer des irritations importantes (phénomène accentué avec des lentilles souples).
Avertir les élèves qui manipulent avec des gants de ne pas se toucher le visage ou toute autre partie du corps au cours de la manipulation.
Il est formellement interdit de se servir du bec Bunsen ou d'une plaque chauffante en portant des gants.
Toute manipulation dangereuse doit être réalisée sous une hotte ventilée, avec vitres protectrices.
Le pipetage à la bouche est à proscrire, même pour des produits réputés peu nocifs.

L’enseignant veillera à ce que les élèves manipulent correctement :
Utilisation d'un tube à essai (ne mettre que 2 à 3 cm3 de réactifs).
Utilisation du bec Bunsen ou d'une plaque chauffante.
Chauffage d'un tube à essai dans la flamme d'un bec Bunsen (tube légèrement incliné et dont l'ouverture est orientée vers l'extérieur des paillasses, la flamme chauffant la surface du liquide et non le bas du tube à essai).
Les pipettes ou les bouchons des flacons ne doivent pas souiller les paillasses. Les paillasses doivent être constamment propres.
On évitera de nettoyer une paillasse souillée avec un torchon ; on utilisera une éponge que l'on rincera ensuite abondamment.
Pour nettoyer la verrerie et l'essuyer, mieux vaut prendre du papier filtre qu'un torchon.

Ne jamais jeter à l'évier :
des produits réagissant violemment avec l'eau (métaux alcalins, composés organométalliques, hydrures…),
des produits toxiques (phénol, naphtol, cyanures, sels de certains métaux : mercure, plomb, thallium, chrome, cadmium, zinc, cuivre…),
des produits inflammables (solvants…),
des produits nauséabonds (mercaptans, thiols, sulfures…),
des produits lacrymogènes (halogénures d'acyle…),
des produits difficilement biodégradables (dérivés polyhalogénés…).

Les produits chimiques doivent pouvoir être récupérés dans des bidons adaptés. Prendre connaissance des modalités de récupération déjà mis en place dans votre académie. Dans l’éventualité où une telle opération n’existerait pas, demander auprès des autorités compétentes qu’elle puisse être organisée.

ATTENTION à l’incompatibilité de certains produits chimiques. Regarder le tableau récapitulant les principales incompatibilités avant de jeter un produit chimique dans un bidon contenant déjà d'autres produits chimiques.
Par mesure d'hygiène, ne jamais déjeuner ou consommer de boisson dans la salle de TP et surtout ne pas boire dans des récipients de la salle de TP.

Ne pas fumer dans la salle de TP surtout en cours de manipulation.
Demander aux élèves de se laver les mains après avoir manipulé.

Prendre connaissance de toutes les coordonnées utiles :
numéro d'appel d'urgence (infirmerie, administration, centre anti-poisons...),
plan d'évacuation des salles de TP en cas de gros problèmes,
emplacement des extincteurs.

Il est obligatoire de faire une déclaration lorsqu'un incident se produit. Les imprimés doivent être disponibles au laboratoire de chimie.

Bibliographie et adresses utiles

PICOT A., GRENOUILLET P. (1992). La sécurité en laboratoire de chimie et de biochimie, Édition Technique et Documentation
Site de l'Institut National de la Recherche et de la Sécurité : http://www.inrs.fr
Un site intéressant :  HYPERLINK http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Securite/sommaire.htm http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Securite/sommaire.htm
On consultera utilement le document d’accompagnement du programme de chimie élaboré par le précédent GTD.










Partie I : Chimique ou naturel ?

4 TP, 8h classe entière

Acquis du collège


Substances naturelles et substances de synthèse.
Test de reconnaissance d’eau. Notion d’acidité et utilisation du papier pH.
Sucres (dissolution dans l’eau en chimie et rôle biologique en SVT).
Mesurer un volume avec une éprouvette graduée.
Réalisations d’une filtration, d’une décantation, d’une distillation et éventuellement d’une chromatographie de colorants alimentaires.
Proposition et mise en œuvre d’un protocole permettant de tester la miscibilité et la non-miscibilité de deux liquides.
Etats physiques et température de changement d’état.
Carte d’identité d’un corps pur.



Objectifs


Objectifs annoncés dans le BO
Cette partie commence par un questionnement des élèves en vue de mettre en évidence la richesse chimique d’un « produit » quotidien ; pour cela l’enseignant s’appuie sur ce que les élèves savent de la chimie et leur fait découvrir les activités et les outils du chimiste. Puis, grâce à des séances pratiques attrayantes, cette partie montre que la chimie est une science expérimentale dont l’importance pour la société n’a cessé de croître au cours de l’histoire. L’ancrage sur des espèces chimiques naturelles a pour objectif de démythifier la chimie et de susciter une réflexion sur l’opposition médiatique fréquente entre chimie et nature. De nombreuses espèces chimiques présentes dans la nature sont importantes pour l’homme qui, au cours de son histoire, a cherché à les exploiter. C’est la raison d’être des approches expérimentale et historique de l’extraction. Les besoins et les impératifs économiques ont amené l’homme à ne pas se limiter aux ressources naturelles et à élaborer une chimie de synthèse. L’homme ne sait pas synthétiser toutes les espèces naturelles, qu’il n’a d’ailleurs pas encore toutes inventoriées, mais il sait néanmoins synthétiser des « produits » qui n’existent pas dans la nature.

Cette partie est conçue comme une transition entre le collège et le lycée ; il s’agit de réinvestir les acquis du collège sans redondance, et plus largement les connaissances acquises dans des contextes variés : environnement quotidien, informations par les médias, connaissances antérieures de sciences physiques ou de SVT. Les espèces et les transformations chimiques rencontrées dans cette partie seront reprises, à titre d’exemples, pour illustrer les parties suivantes. Les savoir-faire expérimentaux et les comportements mis en place dans cette partie constituent le fondement d’un bon déroulement des activités ultérieures de la classe de seconde et sont mobilisables dans d’autres disciplines, mais aussi dans la vie quotidienne.


Tableau de présentation générale

Progression chronologique

BO (1)Durée (2)ProgressionRéf. documentsI.1.11hComment le chimiste peut-il utiliser ses cinq sens ?
Quelles sont les « substances » chimiques présentes dans un « produit » de la nature ou dans un « produit » manufacturé ?Activité 11,5hFamiliarisation avec le laboratoire et « tests » sur un produit.TP 1I.1.21hQuelles sont les substances naturelles dans le « produit » étudié et d’où viennent les autres ?
Inventaire et classement des « substances » (naturelles ou de synthèse) en partant de l’environnement quotidien, ou de domaines d’importance économique.Activité 2
I.2.11,5hComment extraire des espèces chimiques contenues dans un « produit » de la nature ?TP 21hExploitation du TP : principe des techniques utilisées et élaboration d’un glossaire.(3)Exploitation TP 21hApproche historique de l’extraction à partir d’une recherche documentaire et d’un travail sur l’iconographie.
Approche contemporaine de l’extraction à partir d’une vidéo et d’un document écrit à analyser.Activité 3I.2.21,5hComment séparer et identifier des espèces chimiques extraites d’un produit de la nature ?TP 31hExploitation du TP : principe des techniques utilisées et situation-problème en vue de l’élaboration d’un protocole d’extraction.(3)Exploitation TP 3
Activité 41hNécessité de la chimie de synthèse.Activité 5I.31,5hComment synthétiser une espèce existant dans la nature ?TP41hExploitation du TP et ouverture sur d’autres synthèses (reprise et compléments de : Nécessité de la chimie de synthèse).(3)Exploitation TP 4
Activité 61,5hIdentification et comparaison entre un « produit » de synthèse et un « produit » de la nature.
Situation-problème expérimentale ou TP évalué.TP 5I1hÉvaluation de la première partie.Contrôle écrit.(1)Partie du programme référencée dans le BO.
(2)La durée de la progression chronologique proposée pour la partie I est de 7h classe entière, de 5 TP (au lieu de 4 annoncés dans le BO en raison des remarques des enseignants impliqués dans la « Mise en place anticipée ») et 1h d’évaluation.
(3)Le temps en classe entière qui encadre un TP doit permettre d’apporter aux élèves des compléments d’information en vue de préparer, d’exploiter ou de prolonger les activités pratiques ou de les mettre en perspective sur « l’activité du chimiste ».

Progression thématique : « Les sucres »
Extraction du sucre de la betterave (ou de la canne à sucre)
1TP, 1 à 2 h classe entière

Approche historique et économique.
Principe et présentation des différentes étapes de l’extraction.
Film : « Les racines du sucre », CEDUS.
Sortie pédagogique (visite d’une sucrerie, au premier trimestre impérativement).
TP : Extraction du sucre de la betterave (l’extraction est facile, mais la cristallisation très difficile à réaliser en lycée).

Progression chronologique de la partie I


- Comment le chimiste peut-il utiliser ses cinq sens ?
Quelles sont les « substances » chimiques présentes dans un « produit » de la nature ou dans un « produit » manufacturé ?
Activités 1 (au choix, pour 1 h en classe entière)
1a. Questionnaire : La richesse chimique d’un « produit » courant : un exemple la pomme.
1b Questionnaire : Les cinq sens du chimiste s’éveillent devant un « produit » courant.
1c. Variante de l’activité 1b.
1d. Travail sur texte : La cuisine chinoise.

- Familiarisation avec le laboratoire et tests sur un produit.
TP 1 : Introduction au laboratoire.

- Quelles sont les substances naturelles dans le « produit » étudié et d’où viennent les autres ?
Inventaire et classement des « substances » (naturelles ou de synthèse) en partant de l’environnement quotidien, ou de domaines d’importance économique.
Activités 2 (au choix, pour 1 h en classe entière)
2a. Questionnaire : Domaines d’activité de la chimie.
2b. Travail sur texte : Naturel ou synthétique ? Le caoutchouc.
2c. Travail sur texte : Naturel ou synthétique ? L’éponge.

- Comment extraire des espèces chimiques contenues dans un « produit » de la nature ?
TP 2 : Extraction
Techniques d’extraction de quelques espèces chimiques organiques : une approche préliminaire, des exemples d’extraction réalisables et un protocole expérimental.
Approche préliminaire de l’extraction : miscibilité et solubilité. Densité.
Un exemple de protocole élève : Extraction de l’anéthole de l’anis étoilé.
Un exemple d’extraction sur un produit manufacturé : Le sucre aromatisé à la vanille (chimique ou naturel ?).

- Exploitation du TP : principe des techniques utilisées et élaboration d’un glossaire.
Compléments au TP 2
a. Huiles essentielles, extraits naturels
b. Informations sur l’extraction réalisée en TP, un exemple : l’eucalyptol
c. Informations sur l’extraction réalisée en TP, un exemple : le limonène
d. L’acide chrysophanique

- Approche historique de l’extraction à partir d’une recherche documentaire et d’un travail sur l’iconographie.
Approche contemporaine de l’extraction à partir d’une vidéo et d’un document écrit à analyser.
Activités 3 (au choix, pour 1 h en classe entière)
3a. Document vidéo et questionnaire : comment extraire les espèces chimiques qui caractérisent l’odeur d’une fleur ?
3b. Exercice : comment isoler le « parfum » d’une fleur ?
3c. Travail documentaire : le parfum à travers les âges.
3d. Travail sur texte : le système périodique, Primo Levi.
3e. Travail sur texte : chimiques mais plus vraies que nature, les effluves de fleurs en bouteille.
3f. Exercice : la lavande
3g. Entrée historique : N’allons pas nous alambiquer la cervelle.

- Comment séparer et identifier des espèces chimiques extraites d’un produit de la nature ?
TP 3 : Identification et séparation
Séparation et identification d’espèces chimiques : une approche préliminaire et quelques exemples de chromatographie réalisables.
Comment vérifier que l’huile essentielle obtenue par extraction à partir de l'anis étoilé lors du TP extraction (TP 2) contient de l'anéthole ?

- Exploitation du TP : principe des techniques utilisées et situation-problème en vue de l’élaboration d’un protocole d’extraction.
Compléments au TP 3
Principe de la chromatographie sur couche mince.
Activités 4 (au choix, pour 1 h en classe entière)
4a. Exercice : l’huile essentielle de clou de girofle.
4b. Exercice : l’amande amère.

- Nécessité de la chimie de synthèse
Activité 5
Nécessité de la chimie de synthèse.

- Comment synthétiser une espèce existant dans la nature ?
TP 4 : Synthèse
Synthèses d’espèces chimiques : des exemples de synthèses réalisables.
Un protocole expérimental : la synthèse de l’acétate de linalyle.

- Exploitation du TP et ouverture sur d’autres synthèses (reprise et compléments de : « Nécessité de la chimie de synthèse »).
Compléments au TP 4
L’acétate de linalyle.
Activités 6 (au choix, pour 1h en classe entière)
6a. Travail sur texte : une petite histoire, l’ivoire des boules de billard.
6b. Travail sur texte : l’histoire de la margarine.
6c. Exercice : synthèse de l’acétate d’isoamyle (odeur de banane)

- Identification et comparaison entre un « produit » de synthèse et un « produit » de la nature.
Évaluation : situation-problème expérimentale ou TP évalué.
TP 5 : « Chimique ou naturel ? »
Hydrodistillation de la lavande.
Identification de l'acétate de linalyle synthétisé et comparaison avec l'huile essentielle extraite de la lavande par hydrodistillation.
Une situation problème en TP : identification d’une espèce chimique synthétique et comparaison avec une espèce extraite de la nature.
Un exemple de TP évalué : l’eucalyptol.

- Compléments d'information
Les arômes alimentaires.
Les matières premières de l'aromatisation.

- Entrées historiques
Les huiles essentielles.
Textes historiques.


Activité 1a
Questionnaire

La richesse chimique d’un produit courant
Un exemple : la pomme

Objectifs :
Mise en évidence de l’ubiquité des substances chimiques.
Prise de conscience du rôle du chimiste.
Définir le vocabulaire et élaborer un glossaire.

Activité :
Donner aux élèves une pomme. Ils l’observent, la goûtent, la sentent (l’activité peut être complétée en prenant un jus de pomme en boîte et en exploitant l’étiquette).
Faire définir le vocabulaire employé. Inciter les élèves à proposer des termes équivalents (graisses et lipides, par exemple).

Question :
Une pomme contient-elle des « substances » chimiques parmi celles proposées dans le tableau suivant ? Compléter le tableau.

« Substance » chimique
(liste non exhaustive)Présente ?
(oui ou non)« Substance » naturelle
ou additif ?CommentairesEauColorantsGraissesAcidesBasesDétergentsSucresInsecticidesPesticidesArômesHydrocarburesSels minérauxVitaminesProtéinesAutreAutre
Une fois le tableau complété, demander aux élèves de proposer quelques tests sur la base des acquis du collège qu’ils pourront réaliser dans le TP 1.

Activité 1b

Questionnaire

Les cinq sens du chimiste s’éveillent devant un « produit » courant

Objectifs :
Utiliser les sens pour caractériser un « produit » courant par un terme faisant partie du vocabulaire courant ou spécifique à la chimie.
Proposer des tests lorsque les sens sont insuffisants.
Définir le vocabulaire et élaborer un glossaire.

Activité :
Après distribution du document puis discussion, les élèves notent leurs réponses dans le tableau.
La feuille des dessins schématisant les « produits » courants est présentée sur un transparent. L’enseignant peut aussi apporter les « produits ».

Question :
Les sens sont-ils suffisants pour caractériser un « produit » ?
Attention à la sécurité : seuls les produits alimentaires peuvent être goûtés !
Citer les cinq sens et les reporter dans le tableau. Les différentes sensations peuvent avoir un lien avec la nature chimique des « produits » ; dans le cas contraire, proposer un test expérimental simple permettant de mettre en évidence une caractéristique d’un produit courant.

Sens sollicité

Caractéristique « produit »AcideBasiqueColoréContient de l’eauContient du gazGrasParfuméSucréSalé
L’enseignant choisit s’il laisse l’élève proposer des tests ou s’il fait lui-même des propositions, par exemple :
- eau : test au sulfate de cuivre
- acidité : test au papier pH
- dioxyde de carbone : test à l’eau de chaux
- graisses : tâche « grasse » sur un papier absorbant…






















Activité 1c

Questionnaire
Variante de l’activité 1b

Les cinq sens du chimiste s’éveillent devant un « produit » courant

Objectif :
S’assurer du bon emploi d’un vocabulaire.

Activité :
Quelles sont les observations immédiates permises par les sens ?
Placer un produit quelconque devant les élèves.
Attention à la sécurité : seuls les produits alimentaires peuvent être goûtés !
Remplir le tableau avec des qualificatifs comme : mou, humide, amer, transparent, limpide, translucide, solide, pulvérulent, homogène…

Sens sollicitéObservations immédiatesVueToucherOdoratOuïeGoût
Exemple de remplissage du tableau :
figurent en bleu-vert dans le tableau, des exemples de réponses.

Produit observé

SensPomme entièrePomme coupéeProduit ménager (eau de Javel)Vue
solide, coloré, hétérogènesolide, coloré, hétérogènehomogène, coloré, transparentToucherlissehumide, poisseuxhumide, visqueuxOdorat
parfum connuparfum connuparfum connu : eau de JavelOuïeGoûtacide, sucré

Activité 1d

Travail sur texte

La cuisine chinoise


La gastronomie en Chine est un art qui exige de la part du convive la mise en œuvre de tous ses moyens intellectuels, de sa culture, de sa mémoire, de son pouvoir d'association d'idées. Elle n'est donc pas la simple sollicitation de son nez, de ses papilles, de ses yeux.
Inspiré par les Cinq Saveurs, les Six Goûts et les Quatre Consistances, le cuisinier chinois parvient à composer ses subtiles préparations. Les aliments sont porteurs de ce fameux fluide vital qui procure des forces à l'individu. Les Chinois les considèrent donc avec beaucoup de respect, ce qui ne les empêche pas de les gaspiller parfois. Mais ils vont plus loin et pour les plus intellectuels d'entre eux, la cuisine s'intègre à leur conception du monde. Ainsi les Cinq Saveurs correspondent aux Cinq Éléments.
Des Cinq Saveurs, chacune des quatre écoles de cuisine de la Chine a retenu un élément en abandonnant le cinquième : l'amer. Cette répartition des quatre autres saveurs a donné un dicton : « Au Sud, sucré ; au Nord, salé ; à l'Est pimenté, à l'Ouest aigre ». Aux saveurs se combinent donc les six caractères gustatifs : le gras, le parfumé, le corsé, le frais, le fermenté, et le croustillant, et les Quatre Consistances : le glissant, le croquant, le fondant et le sec.

D'après un guide touristique.



Questions

1. Citer un ou plusieurs « produits » courants illustrant une saveur, un caractère gustatif, une consistance évoquée dans le texte.

2. Nommer une « substance » chimique contenue dans le produit cité et responsable de ce caractère ?
TP 1
Protocole élève


Introduction au laboratoire

Mise en évidence de quelques espèces chimiques présentes dans une pomme

Note pour l’enseignant
L’objectif de ce TP est de réinvestir (validation ou mise à niveau) des savoir-faire expérimentaux supposés acquis au collège : utilisation de la verrerie, tests simples de caractérisation.
Pour les expériences préliminaires, l’enseignant décide s’il fait l’expérience devant la classe, si un élève fait l’expérience devant la classe, ou si les élèves travaillent par groupe. L’important est qu’il s’assure que l’expérience préliminaire est comprise de l’élève.

Pour chaque expérience, rédiger un compte rendu comportant les schémas de l’expérience, les observations et les conclusions.


1) Mise en évidence de l’eau

Matériel et produits
Pomme, eau distillée, sulfate de cuivre anhydre, coupelle, couteau, spatule.

Expérience préliminaire
Introduire à l’aide d’une spatule un peu de sulfate de cuivre anhydre dans une coupelle.
Verser quelques gouttes d’eau distillée sur la poudre.
Observer. Schématiser l’expérience. Conclure.

Ceci constitue un test spécifique de l’eau
Préciser le réactif.

Protocole expérimental
Déposer un peu de sulfate de cuivre anhydre sur un quartier de pomme.
Observer. Schématiser l’expérience. Conclure.


2) Mise en évidence du sucre

a) Mise en évidence du glucose

Matériel et produits
Pomme, eau distillée, glucose, saccharose, liqueur de Fehling, erlen, plaque chauffante.

Expériences préliminaires
Dissoudre du glucose en poudre dans un erlen contenant de l’eau distillée. Ajouter de la liqueur de Fehling. Chauffer le mélange. Observer.
Même expérience en dissolvant un sucre (saccharose) dans de l’eau distillée. Ajouter de la liqueur de Fehling et chauffer. Observer.
Même expérience avec de l’eau distillée seule. Ajouter de la liqueur de Fehling et chauffer.
Observer. Schématiser l’expérience. Conclure.

Ce test permet de mettre en évidence la présence de glucose
Préciser le réactif.

Protocole expérimental
Couper des petits morceaux de pomme à l’aide d’un couteau, les introduire dans un erlen, ajouter de l’eau distillée, agiter, ajouter ensuite de la liqueur de Fehling et chauffer.
Observer. Schématiser l’expérience. Conclure.

b) Mise en évidence de l’amidon

Matériel et produits
Pomme, amidon, eau iodée, coupelle, pipette.

Expérience préliminaire
Déposer un peu de poudre d’amidon dans une coupelle. Ajouter quelques gouttes d’eau iodée à l’aide d’une pipette sur la poudre.
Observer. Schématiser l’expérience. Conclure.

Ce test est caractéristique de l’amidon
Préciser le réactif.

Protocole expérimental
Déposer quelques gouttes d’eau iodée sur un quartier de pomme.
Observer. Schématiser l’expérience. Conclure.


3) Mise en évidence de l’acidité

Matériel et produits
Pomme, eau distillée, acide chlorhydrique, soude, bleu de bromothymol (BBT), papier pH, bécher.

Expériences préliminaires
Verser de l’eau distillée dans un bécher. Ajouter quelques gouttes de BBT à l’aide d’une pipette. Observer.
Ajouter quelques gouttes d’acide chlorhydrique dans le bécher. Observer.
Même expérience en ajoutant de la soude à la place de l’acide.
Observer. Schématiser l’expérience. Conclure.

Le BBT est un indicateur coloré
Préciser sa couleur en milieu acide, en milieu basique.

Protocole expérimental
Couper quelques morceaux de pomme dans un bécher, ajouter de l’eau distillée, agiter, puis ajouter deux gouttes de BBT
Observer. Schématiser l’expérience. Conclure.

Préciser le résultat précédent en déposant un morceau de papier pH sur un quartier de pomme.


4) Extraction des colorants de la peau d’une pomme

Matériel et produits
Peau de pomme, mortier, dichlorométhane, béchers.

Protocole expérimental
Broyer de petits morceaux de pommes dans un mortier. Verser quelques millilitres de dichlorométhane, agiter, attendre quelques minutes. Verser le surnageant dans un autre bécher.
Observer. Schématiser l’expérience. Conclure.


5) Caractérisation de l’arôme d’une pomme

L’enseignant présente une solution diluée d’acétaldéhyde (ou éthanal) dans un petit flacon en dispersant les vapeurs avec la main, ou mieux en utilisant une mouillette.
Attention ! ne jamais respirer directement une substance à l’ouverture du flacon !
Respirer avec précautions. Caractériser l’odeur.
Vous venez de caractériser par comparaison un des arômes contenus dans la pomme.



6) Mise en évidence des graisses contenues dans les pépins de pomme

Matériel et produits
Pépins de pomme, mortier, papier calque, spatule.

Protocole expérimental
Récupérer quelques pépins et les écraser dans le mortier. Prélever à la spatule la pommade obtenue, frotter le papier calque avec cette pommade.
Observer. Schématiser l’expérience. Conclure.

Activité 2a

Questionnaire

Domaines d’activité de la chimie

Question 1 :
Pour chacun des différents domaines présentés dans le tableau ci-dessous proposer un exemple de « produit » et nommer une espèce chimique qu’il contient.

Domaine
(liste ouverte)Exemple de « produit » courantEspèce chimique contenue dans le « produit » citéAlimentationCoca-colaCaféineEntretien / ménageMonsieur PropreAmmoniaqueBâtimentBéton
FenêtreSilice
AluminiumArts plastiques / décorationPeinturePigments TiO2. IndigoVêtements / modeTextilesNylon. IndigoHygièneDentifriceFluorure de sodium
AlumineBeautéRouge à lèvresRouge cochenilleCommunicationTéléphonePVCSportPlanche à voileFibres diversesMusiqueCymbales, trompetteCuivreTransportEssenceOctaneSantéAspirineAcide acétylsalicyliqueAutre…Figurent en bleu-vert dans le tableau, des exemples de réponses

Question 2 :
Reprendre quelques exemples cités dans le tableau précédent et les classer dans les catégories ci-dessous :

EspèceExtraite de la natureOrganiqueInorganiqueTransforméeCopiée d’après
la natureInventée
par l’hommeImportance
(production annuelle)*AmmoniaqueXXOctaneXXAspirineXIndigoXXXNylonXXFigurent en bleu-vert dans le tableau, des exemples de réponses
* Activité documentaire

Activité 2b

Travail sur texte

Naturel ou synthétique ? Le caoutchouc


Le caoutchouc naturel

Le mot caoutchouc provient de l'indien : cao (bois) et ochu (pleurer). Quand on pratique une incision (saignée) dans l'écorce de l'hévéa, un liquide laiteux (latex) s'écoule goutte à goutte, composé de 1 / 3 de caoutchouc et de 2 / 3 d'eau. Le latex est d'abord filtré puis traité par une solution acide diluée. On constate alors qu'il y a coagulation, le caoutchouc apparaît, sous forme solide, en suspension. Après laminage, les feuilles de caoutchouc sont séchées et pressées en balles, constituant la matière première utilisée dans l'industrie.

Le caoutchouc synthétique

En 1929, on réussit à fabriquer un polymère du butadiène et du styrène en présence de sodium comme catalyseur. Le polymère appelé S.B.R. (styrène - butadiène rubber) fut développé industriellement par l'Allemagne après 1930. En 1942, les Etats-Unis, privés par les Japonais de leurs approvisionnements en caoutchouc naturel, développèrent la production de S.B.R en améliorant les propriétés mécaniques de ce produit. Cet élastomère synthétique, supérieur au caoutchouc naturel, équipe actuellement l'ensemble de nos automobiles.

D’après une encyclopédie.

Questions
Sous quelle forme se trouve le caoutchouc dans le latex qui s'écoule des saignées de l'hévéa ?
Que faut-il faire pour que le latex coagule ? Qu'obtient-on après coagulation ?
Qu'est-ce que le laminage ? Qu'obtient-on après le laminage ?
Pourquoi les industriels fabriquent-ils du caoutchouc de synthèse ? Donner plusieurs raisons.
Rechercher (CDI, encyclopédie…) une ou plusieurs propriétés mécaniques concernant le caoutchouc.
Le tableau suivant donne, en millions de tonnes, la production annuelle mondiale de caoutchouc naturel (C.N.) et de caoutchouc synthétique (C.S.) :

Année1938195519601970197519801991C.N.0,891,952,033,13,13,85,4C.S.0,021,52,55,96,98,78,9
Sur un graphique porter en abscisse l'année et en ordonnée la production, en millions de tonnes, d'une part du C.N. et d'autre part du C. S. Commenter.

Activité 2c
Travail sur texte

Naturelle ou synthétique ? L’éponge

L'éponge est le parfait exemple d'un produit naturel recopié et amélioré par l'industrie chimique aujourd'hui ; 74 millions d'éponges végétales sont consommées en France chaque année.

Deux siècles avant notre ère, les Crétois utilisaient déjà les éponges marines qu'ils pêchaient comme le font encore aujourd'hui les Tunisiens et les Grecs. Celles-ci sont des squelettes d'animaux marins qui filtrent par leurs pores les microsubstances de l'eau de mer.
Après leur collecte, elles sont d'abord trempées dans une solution peu concentrée d'acide chlorhydrique qui élimine le calcaire, puis stérilisées au permanganate de potassium ; elles sont ensuite blanchies par de l'eau oxygénée, traitées avec du thiosulfate de sodium, puis elles subissent de nombreux lavages et retrouvent leur teinte d'origine sous l'action de l'hydrogénocarbonate de sodium. Les éponges marines sont toujours très prisées. Leur excellente capacité d'absorption de l'eau, de l'ordre de trente fois leur masse, les rend très performantes pour les gros lavages. Elles sont également appréciées pour la toilette. Mais leur production reste limitée.

Au début du siècle, les textiles artificiels fabriqués à partir de la viscose sont en plein essor. Des chercheurs français de ce secteur ont alors l'idée de l'utiliser pour obtenir des éponges artificielles. Un brevet est déposé en 1932 et en 1935 les premières éponges cellulosiques sont commercialisées en France avec grand succès.
Le processus est le suivant : de la pâte de bois est déchiquetée finement, puis imprégnée d'une solution concentrée d'hydroxyde de sodium. Le produit obtenu est soumis à différents traitements, on obtient une pâte contenant entre autre des fibres textiles de renfort et des cristaux de sulfate de sodium qui formeront les futurs trous. Cette pâte est placée dans un moule puis coagulée à la vapeur ou par un procédé électrique. Le sulfate de sodium soluble est éliminé et les trous apparaissent dans la masse. Après le démoulage, quelques opérations permettent de régénérer la cellulose qui est essorée, séchée et découpée aux dimensions voulues. Les éponges ainsi obtenues sont capables d'absorber environ 12 fois leur masse d'eau. Le procédé de fabrication des éponges cellulosiques permet d'obtenir des produits variés, par la forme, suivant la configuration des moules et le découpage, par la porosité, selon la quantité et la taille des cristaux insérés dans la pâte, par la texture et la résistance, selon les fibres végétales incorporées dans la pâte, enfin par la couleur. Les fabricants, en jouant sur ces différents paramètres proposent une gamme de produits répondant à des usages spécifiques.

D'après le magazine Molécules, décembre 1992


Questions à propos des éponges naturelles

Repérer tous les « produits » chimiques concernés par le traitement de l'éponge naturelle.
Comment se manifeste l'action de l'acide chlorhydrique sur le calcaire ?
Pourquoi faut-il stériliser l'éponge ?
Un produit courant autre que l'eau oxygénée permet de blanchir. Lequel ?
Quelles sont les qualités des éponges marines ?
Proposer une expérience permettant de mesurer la capacité d'absorption en eau d’une éponge ?
Quelles sont les autres questions que l'on pourrait se poser à propos du circuit économique et des arguments de vente dans différents domaines, par exemple : en biologie, en géographie physique et humaine, en chimie ?


Questions à propos des éponges cellulosiques

Sous quelle étiquette sont vendues ces éponges ? Commenter.
Quelles sont les caractéristiques que l’on peut contrôler au cours de la fabrication ?
Donner le nom de quelques textiles artificiels et de quelques textiles naturels.
Comparer les propriétés des éponges cellulosiques et des éponges naturelles.

TP 2

Approche préliminaire, quelques exemples d’extraction
et un protocole expérimental

Techniques d’extraction de quelques espèces chimiques organiques


Objectifs
S’informer sur les risques et les consignes de sécurité à respecter lors des manipulations, en particulier des solvants organiques, en lisant l’étiquette et les pictogrammes.
Reconnaître et nommer la verrerie de laboratoire employée.
Utiliser une ampoule à décanter et un dispositif de filtration.
Mettre en œuvre une technique d'extraction.

Les outils conceptuels dont dispose un élève de Seconde ne permettant pas d’expliquer les concepts chimiques sous-jacents, les activités pratiques portent sur l’observation.

Principe de l’extraction par solvant
Approche préliminaire

Interpréter les informations de l'étiquette d'un flacon (risques, sécurité, paramètres physiques) comme une carte d'identité de son contenu.

Miscibilité (non-miscibilité) de deux liquides : eau et solvant organique (eau-éthanol, eau-cyclohexane, eau-dichlorométhane).

Solubilité d’une même espèce chimique dans l’eau et dans un solvant organique (diiode dans l’eau, diiode dans le cyclohexane).

Cette approche préliminaire peut donner lieu à un TP (1,5h) tout comme elle peut être conçue comme une expérience préliminaire de l’extraction (partie 3 seulement). Ceci est au choix de l’enseignant. L’ensemble de la partie 1 se prêtant particulièrement bien au travail expérimental, l’enseignant peut choisir d’équilibrer comme il le souhaite les TP dans l’ensemble du programme.


Des extractions réalisables

Question : Comment extraire des espèces chimiques à partir d'un "produit" de la nature ?
Un travail de documentation en particulier historique a pu être proposé pour préparer ce TP et pour son exploitation ultérieure. A partir des observations effectuées lors de l’approche préliminaire, et des indications fournies par l’enseignant sur les caractéristiques des espèces chimiques à extraire, les élèves sont amenés à réfléchir sur le protocole de la méthode d'extraction (type de solvant, séparation des phases)

1) Macération, décoction
Ces techniques permettent d’extraire des huiles essentielles, des colorants…

Dans le dichlorométhane (macération)
On peut extraire facilement des huiles essentielles de certaines plantes : anis étoilé (ou badiane), cumin, cannelle :
l'huile essentielle de l’anis étoilé contient de 80 à 90 % d'anéthole et d'estragol,
l'huile essentielle de cumin contient du cuminaldéhyde,
l'huile essentielle de cannelle contient du cinnamaldéhyde.

Dans l'eau (décoction)
On extrait l'eucalyptol des feuilles d'eucalyptus, l’aldéhyde salicylique de la reine des prés…



2) Hydrodistillation
Certaines huiles essentielles ne peuvent être extraites au laboratoire, en quantité suffisante par macération ou décoction. On procède alors à une hydrodistillation :
le linalol ou acétate de linalyle est extrait de la lavande, du lavandin,
le limonène et le citral de l'écorce d'orange, de citron,
l'eugénol du clou de girofle.

L’enseignant aura tout avantage à présenter une hydrodistillation pendant ce TP et à conserver l’huile pour une identification ultérieure.

Un protocole expérimental

Données

Nom courantM
(g.mol-1)dTf (°C)*Teb (°C)*Solubilité**
g pour 100 mLEauAlcoolsÉther…Acétate de linalyle196,30,895-220tps((Aldéhyde salicylique122,11,167-7196,5ps((Cinnamaldéhyde132,11,112-7,5251tps((Cuminaldéhyde148,20,978-235issAnéthole148,20,99422,5235,3tpsssEstragol148,20,964-215issEucalyptol154,20,9241,5176-7tps((Eugénol164,21,06610,3252-3tps((Limonène136,20,842-177i((Citral152,20,888-220-5i((* Données tirées du Handbook of chemistry and physics, The Chemical Rubber publishing Co.
**i : insoluble, tps : très peu soluble, ps : peu soluble, s : soluble, ( : soluble en toutes proportions

1) Macération et extraction dans (et par) le dichlorométhane
Broyer dans un mortier 10 g de matière : anis étoilé, cumin ou cannelle
Transvaser dans un erlenmeyer de 100 mL.
Introduire un barreau aimanté
Ajouter 25 mL de dichlorométhane à l’aide d’une éprouvette de 25 mL.
Boucher l'erlenmeyer.
Laisser sous agitation vigoureuse pendant 30 minutes à température ambiante.

Décanter ou filtrer sur coton de verre afin de recueillir le filtrat.
Introduire le filtrat dans une ampoule à décanter. Séparer.
Laver à l'eau la solution organique.
Recueillir la phase organique dans un flacon. Ajouter du chlorure de calcium anhydre ou autre desséchant et agiter. Boucher ; celle-ci sera utilisée pour réaliser la chromatographie sur papier ou couche mince dans le TP suivant.

2) Décoction et extraction par le cyclohexane
Peser environ 10 g de feuilles d'eucalyptus globulus.
Les émietter très finement puis les introduire dans un erlenmeyer de 125 mL.
Ajouter 50 mL d'eau bouillante, adapter un réfrigérant à air sur l'erlenmeyer.
Chauffer à reflux 15 à 20 minutes, laisser refroidir, la décoction est prête.






Schéma à légender :




Décanter ou filtrer sur coton afin de recueillir le filtrat.

Introduire le filtrat dans une ampoule à décanter.
Ajouter 2 mL de cyclohexane.
Agiter.
Recueillir la phase organique dans un flacon, boucher ; celle-ci sera utilisée directement pour réaliser la chromatographie sur couche mince dans le prochain TP.

Tâches à réaliser par les élèves (liste non exhaustive)

Interprétation des informations des étiquettes et pictogrammes.

Description de l'expérience :
nommer correctement le matériel de laboratoire,
faire un schéma légendé de l'expérience,
utiliser un vocabulaire scientifique, être capable de le définir.

Manipulation :
respecter des consignes de sécurité,
agir suivant un protocole fourni.


TP 2
Approche préliminaire du principe de l’extraction par solvant

Miscibilité – Solubilité - Densité

Ce protocole expérimental nécessite une séance de TP (1,5 h). En conséquence le nombre de TP prévu pour cette partie passe de 4 à 5. Cette partie se prête particulièrement bien au travail expérimental, l’enseignant peut choisir d’équilibrer différemment les TP dans l’ensemble du programme.
Il peut aussi envisager un protocole simplifié, conçu comme une expérience préliminaire (expérience 4 seule).

Objectifs
Etablir la miscibilité (ou non) de deux liquides.
Comparer la solubilité d’une même espèce chimique dans l’eau et dans un solvant organique.
Interpréter la carte d’identité d’un solvant organique.

Matériel et produits
Eprouvette graduée de 10 mL, seringues, tubes à essai, agitateur.
Eau, éthanol, solution de diiode, cyclohexane, dichlorométhane.

Mode opératoire

Miscibilité de deux liquides : eau / solvant organique

Expérience 1 : eau-éthanol
a) Un élève sur deux réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL d’eau puis 1 mL d’éthanol.
Agiter, laisser reposer.
b) L’autre élève réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL d’éthanol puis 1 mL d’eau.
Agiter, laisser reposer.
Observations, interprétation et schémas. Conclusion.

Expérience 2 : eau-cyclohexane
a) Un élève sur deux réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL d’eau puis 1 mL de cyclohexane.
Agiter, laisser reposer.
b) L’autre élève réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL de cyclohexane puis 1 mL d’eau.
Agiter, laisser reposer.
Observations, interprétation et schémas. Conclusion.

Expérience 3 : eau-dichlorométhane
Appliquer les mêmes procédures que pour les expériences précédentes. Conclure.

Carte d’identité des solvants organiques utilisés

Lire les étiquettes des flacons et remplir le tableau suivant :

SolvantDensitéPictogramme, remarques sur la sécuritéEthanolCyclohexaneDichlorométhane
Les observations concernant la densité des solvants sont-elles en accord avec les conclusions des expériences réalisées ?
Comment procéder pour reconnaître les deux phases en l’absence de ces informations ?



Solubilité d’une même espèce chimique dans l’eau et dans un solvant organique

Expérience 4 : diiode dans l’eau et dans le cyclohexane
a) Un élève sur deux réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL de solution aqueuse de diiode puis 1 mL de cyclohexane.
Agiter, laisser reposer.
b) Un élève sur deux réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL de cyclohexane puis 1 mL de solution aqueuse de diiode.
Agiter, laisser reposer.
Observations, interprétation et schémas. Conclusion

NOTES POUR L’ENSEIGNANT
Expérience préliminaire réalisée sous la hotte par l’enseignant devant les élèves.
Attention, les vapeurs de diiode sont toxiques !

Montrer un ou deux cristaux de diiode aux élèves.
Mettre un cristal dans 1 mL d’eau. Agiter.
Mettre un cristal dans 1 mL de cyclohexane. Agiter.

Faire observer et conclure.

Cette expérience doit être faite devant les élèves pour qu’ils réalisent que le diiode est un solide et qu’ils concluent à la plus grande solubilité du diiode dans le cyclohexane plutôt que dans l’eau.

Expliquer aux élèves que pour des raisons de sécurité on a préparé une solution de diiode dans l’eau.

RAPPELS SUR LA DENSITÉ
Les élèves ont approché les questions de miscibilité, solubilité et densité au collège en cinquième dans la partie : L’eau dans notre environnement (carte d’identité de l’eau, distinction entre mélange homogène et hétérogène…). Toutefois, les définitions de la masse volumique et de la densité ne font pas partie des programmes actuels du collège et la densité est une notion difficile à conceptualiser pour les élèves. Nous en proposons ci-dessous une présentation simple à partir d’un ouvrage du collège déjà ancien (1978) : Sciences physiques, classiques Hachette, collection Libres parcours.

Un glaçon flotte sur l’eau ; un tronc d’arbre flotte sur la rivière. Au contraire une roche, un morceau de fer, une bille de plomb tombent au fond de l’eau. On lit dans une table les masses volumiques de ces « substances ». Celles qui coulent ont une masse volumique plus grande que la masse volumique de l’eau.

Comparer la masse volumique d’une espèce à celle de l’eau permet donc :
de faire des prévisions pour savoir si l’espèce « flotte » ou non (sous réserve lorsqu’il s’agit d’un liquide que l’espèce en question ne soit pas miscible à l’eau).
de faire émerger une notion pratique : la densité.

SolidesLiquidesMasses volumiques
En kg / m3Liège 200Alcool 800 environGlaceHuile 900Eau 1000Lait 1030Eau salée saturée 1130Aluminium 2700Fer 7800Plomb 11300
Par exemple, la masse volumique du plomb est 11 300 kg / m3 et celle de l’eau 1 000 kg / m3. La masse volumique du plomb est égale à 11,3 x 1 000 kg / m3. Elle est 11,3 fois plus grande que celle de l’eau.
Si on divise le nombre qui mesure la masse volumique du plomb par le nombre qui mesure la masse volumique de l’eau, on trouve :
11 300 / 1 000 = 11,3.
Le nombre est sans unité.
On dit que la densité du plomb par rapport à l’eau est 11,3.
Le plomb est beaucoup plus dense que l’eau. Un morceau de plomb mis dans l’eau coule.

La masse volumique de l’huile est égale à 900 kg / m3, c’est-à-dire à 0,9 x 1 000 kg / m3. Elle est plus petite que 1. La densité de l’huile par rapport à l’eau est 0,9. De l’huile versée dans l’eau se place au-dessus de l’eau.

En classe de seconde, la carte d’identité d’une espèce chimique fait apparaître la densité et seulement pour les liquides la densité intervient dans la partie I au niveau de l’extraction (position des phases dans l’ampoule à décanter).

Nous en proposons une approche expérimentale.

Comment trouver, expérimentalement, la densité d’une espèce chimique par rapport à l’eau ?
On mesure le volume d’une certaine quantité de l’espèce et sa masse.
On mesure la masse d’un volume d’eau égal au volume de l’espèce.
On divise la masse de l’espèce par la masse de l’eau, pour ce même volume.
La densité de cette espèce chimique est caractérisée par le nombre obtenu.

Quelques valeurs de densité par rapport à l’eau
SolidesLiquidesDensité par rapport à l’eauAlcool 0,8GlaceHuile 0,9Lait 1,03Eau salée saturée 1,30Aluminium 2,7Fer 7,8Plomb 11,3Mercure 13,6
Remarque
Pour les solides et les liquides on calcule la densité par rapport à l’eau, parce que cela est commode. On pourrait évidemment comparer à une autre espèce chimique que l’eau : l’alcool ou l’huile par exemple. On définirait alors la densité relative à l’alcool ou à l’huile, mais ce sont des espèces moins courantes et ces densités sont moins intéressantes à connaître.
Pour les gaz, la densité est, en général, déterminée par rapport à l’air.

TP 2
Protocole élève
Extraction de l’anéthole de l’anis étoilé

Objectifs
Mettre en évidence le principe de l’extraction par un solvant.
Extraire l’anéthole à partir d’anis étoilé.

Principe d’une extraction par un solvant
a) Expérience préliminaire réalisée sous la hotte par l’enseignant devant les élèves.
Attention, les vapeurs de diiode sont toxiques !
Montrer quelques cristaux de diiode aux élèves.
Mettre un cristal dans 1 mL d’eau. Agiter.
Mettre un cristal dans 1 mL de cyclohexane. Agiter.
Faire observer et conclure.

Cette expérience doit être faite devant les élèves pour qu’ils réalisent que le diiode est un solide et qu’ils concluent à la plus grande solubilité du diiode dans le cyclohexane plutôt que dans l’eau.
Expliquer aux élèves que pour des raisons de sécurité on a préparé une solution de diiode dans l’eau.

b) Solubilité d’une même espèce chimique dans l’eau et dans un solvant organique : diiode dans l’eau et dans le cyclohexane
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL de solution aqueuse de diiode puis 1 mL de cyclohexane.
Agiter, laisser reposer.
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL de cyclohexane puis 1 mL de solution aqueuse de diiode.
Agiter, laisser reposer.
Observations, interprétation et schémas. Conclusion.

Extraction de l’anéthole
a) Extraction
Regarder le pictogramme du flacon de dichlorométhane.
Broyer au mixeur de l’anis étoilé.
Placer environ 1g (2 ou 3 spatulées) de la poudre obtenue dans un erlenmeyer de 100 mL et ajouter10 mL de dichlorométhane (sous la hotte) avec une éprouvette graduée.
Attention : pour manipuler le dichlorométhane CH2Cl2, il faut aller sous la hotte !
Mettre un barreau aimanté dans l’erlenmeyer. Boucher. Fixer l’erlenmeyer avec une pince et agiter le mélange pendant 30 minutes avec l’agitateur magnétique.
b) Filtration
Filtrer le mélange obtenu sur du coton de verre. Récupérer le filtrat dans un bécher.
c) Lavage de la solution
Verser le filtrat dans une ampoule à décanter, ajouter 10 mL d’eau, agiter et laisser décanter.
En utilisant le tableau de données, situer la phase aqueuse et la phase organique dans l’ampoule à décanter.

DensitéEau1,00Cyclohexane0,78Dichlorométhane1,32Récupérer la phase organique dans un tube à essai propre et sec.
d) Séchage de la phase organique
Verser une spatulée de desséchant (sulfate de magnésium ou chlorure de calcium anhydre) dans le tube à essai. Boucher. Agiter.
Noter le nom. La solution obtenue sera utilisée lors de la prochaine séance TP.
e) Questions
Faire l’inventaire du matériel utilisé et le schématiser.
Représenter les pictogrammes des flacons de solvant. Quels dangers indiquent-ils ?
Qu’est-ce que le filtrat ?
Qu’est-ce qu’une solution aqueuse ? Qu’appelle-t-on phase aqueuse, phase organique ?
Quel est le rôle du lavage ? Quel est le rôle du séchage ?
Comment procéder pour reconnaître les deux phases en l’absence d’informations sur la densité ?
Qu'est-ce que la densité d'un liquide ?

Documentation (à donner ou faire chercher pour les compléments d’information concernant ce TP)
Les graines d'anis sont utilisées en pâtisserie et dans la préparation de liqueurs. Les pastis sont en effet le plus souvent obtenus à partir d'anis étoilé ou badiane.
En Angleterre, du temps du roi Edouard IV, le linge royal était parfumé à l'aide de sachets remplis de racines d'iris de Florence et de graines d'anis.
L'essence d'anis est constituée pour 80 % à 90 % d'anéthole, accompagné d'estragol qui peut être extrait de l'estragon.

Liste du matériel
Paillasse enseignant
anis étoilé (1 paquet de 200g)
desséchant (sulfate de magnésium ou chlorure de calcium anhydre)
carbonate de potassium anhydre
coton
mixeur
2 spatules
1 boîte de béchers
1 crayon qui « écrit sur verre »
Sous la hotte
Dichlorométhane : gros flacon + 3 petits flacons étiquetés
Cyclohexane : gros flacon + 3 petits flacons étiquetés
Diiode (cristaux )
2 soucoupes ; 1 pince à épiler, tubes à essai
Lunettes
Pour chaque groupe
pissette d'eau distillée
erlenmeyer de 100 mL + bouchon
1 éprouvette de 10 mL
agitateur magnétique
entonnoir de verre + support
ampoule à décanter + support
deux béchers de 50 mL
2 tubes à hémolyse + bouchons
tubes à essai + bouchons
une spatule

TP 2
Protocole élève et fiche d’exploitation

Un exemple d’extraction sur un produit manufacturé

Sucre aromatisé à la vanille : vanilline, éthylvanilline
Chimique ou naturel ?

Note pour l’enseignant
Cette proposition est faite pour montrer qu’une espèce chimique peut aussi être extraite d’un produit manufacturé (et non naturel). Dans cette expérience on procède au cours de la même séance à l’extraction, l’identification et la comparaison de deux espèces, ce qui permet de ne faire qu’un seul TP (au choix de l’enseignant, qui « gagne » ainsi du temps pour un autre TP, ou qui met l’accent sur une approche historique plus développée et donnant lieu à un travail en groupe dédoublé).


Produits
dichlorométhane
eau déminéralisée (dans une pissette)
desséchant : sulfate de magnésium anhydre par exemple
1 paquet de sucre vanillé (extrait naturel)
1 paquet de sucre vanilliné (arôme artificiel)

éluant : dichlorométhane / éthanol, 96 / 4
support et révélateur : gel de silice ou sable de Fontainebleau / diiode

Matériel
2 agitateurs
2 erlens de 100 mL
1 éprouvette de 50 cm3
2 entonnoirs + filtres
2 pipettes de prélèvement graduées de 3 cm3
4 tubes à essai + portoirs + bouchons adaptés
2 cuves à chromatographie (type pot de confiture de 370 g) à ouverture large et couvercle vissé,
1 éprouvette de 10 cm3
1 morceau de papier filtre de 8x12 cm
plaque de chromatographie : gel de silice sur papier aluminium (3x8 cm)
2 micropipettes
double décimètre + crayon + stylo à bille + étiquettes


Mode opératoire
Attention ! les cristaux de diiode sont toxiques et doivent être manipulés par l’enseignant sous la hotte !
Préparer les cuves à chromatographie : les cuves doivent être préparées une demi-heure à l'avance.

1) Extraction des « produits » à analyser

Sucre vanillé (extrait naturel)
Dans un erlen, mettre 30 cm3 d'eau mesurés avec l'éprouvette de 50 cm3.
Dissoudre 1 sachet (7,5g) de sucre vanillé, puis mélanger avec l’agitateur jusqu'à dissolution complète.
Ajouter 10 cm3 de dichlorométhane, mesurés avec l'éprouvette de 10 cm3.
Bien mélanger avec l’agitateur. Boucher et laisser reposer.
Prélever avec une pipette la phase organique (ou phase inférieure) et la transvaser dans un tube à essai, ajouter une pincée de desséchant.
Boucher et agiter, laisser reposer (la solution doit être claire).
Filtrer et récupérer le filtrat dans un autre tube à essai.
Boucher et étiqueter.

Sucre vanilliné (arôme artificiel)
Procéder de la même façon qu'avec le sucre vanillé.

2) Caractérisation par CCM : mode opératoire

Préparation des cuves
Cuve 1 : dichlorométhane, éthanol dans le rapport 96 / 4 en volumes.
Cuve 2 : gel de silice dans le fond du pot et quelques cristaux de diiode (1 cuve pour 2 élèves (ou plus) préparée par l’enseignant sous la hotte).

Préparation des échantillons
Sucre vanillé (extrait naturel) et sucre vanillé (arôme artificiel), préalablement préparés.

Dépôt
Déposer sur une plaque (environ 3x8 cm) à l'aide d'un capillaire les 2 échantillons.

Observer. Schématiser l’expérience et conclure.
Exploitation de la manipulation vanilline

Ce document peut être distribué aux élèves accompagné de questions y compris de questions sur le mode opératoire ou sur les techniques…

La vanille fait son apparition en France dès le 16è siècle introduite par les Espagnols. Ce n'est qu'au milieu du 19è siècle que la culture s'étend dans de nombreuses îles : Madagascar, La Réunion, Maurice, Tahiti. La culture du vanillier posa de nombreux problèmes jusqu'à ce que l'on découvre qu'un insecte, vivant au Mexique assurait la fécondation. En absence d'insecte, la pollinisation est faite manuellement à l'aide d'une fine spatule fleur par fleur.
La production mondiale annuelle est de 1400 tonnes, Madagascar fournit environ 1200 tonnes de vanille, la Réunion environ 500 kg (Tahiti environ 500 kg, mais d'une autre variété : Vanilla tahitensis).






C'est l'arôme le plus utilisé dans le monde : pâtisserie, chocolats, thé, glace, liqueurs et parfums. Les gousses de vanille contiennent peu de vanilline : 25 g de vanilline correspondent en ce qui concerne leur pouvoir parfumant à 1 kg de gousses de vanille. Compte tenu du prix de revient élevé de la vanille, elle est très souvent remplacée par l'éthylvanilline, produit de synthèse dont le pouvoir aromatisant est plus élevé que celui de la vanilline, mais surtout par la vanilline de synthèse (dont le prix de revient est environ 300 fois moins élevé que celui de la vanilline naturelle).


Vanilline Ethylvanilline

Compléments TP 2a

Huiles essentielles – Extraits naturels

Les mots suivis d’un astérisque sont des mots dont la définition est extraite de la norme internationale ISO 9235:1997 (E / F).

Huiles essentielles
"L'huile essentielle représente l'ensemble des substances volatiles de faible masse moléculaire extraites du végétal, soit par entraînement à la vapeur (avec ou sans présence d’eau), soit par expression (pressage des zestes de fruits frais, citrals et hespéridées)" (Richard, Cahiers de nutrition et de diététique). La volatilité des huiles essentielles les oppose aux huiles de table (lipides). Les propriétés physiques de ces huiles rendent leur extraction à la vapeur particulièrement aisée. On les appelle huiles essentielles, parce que, comme l'essence elles s'enflamment. On les appelle d'ailleurs parfois essences.

Dans le programme de la classe de Seconde, nous nous intéressons aux techniques d'entraînement à la vapeur en présence d'eau (hydrodistillation).

Les huiles essentielles sont des mélanges complexes, contenant de très nombreuses espèces chimiques (de l’ordre d’une centaine à plusieurs centaines), identifiables par chromatographie. Il s'agit d’espèces organiques : des terpénoïdes et des aromatiques (aldéhydes, esters, alcools…). L’espèce majoritaire est appelée principe actif.

Les huiles essentielles peuvent être extraites de différentes parties de la plante :
fleurs (pétales de rose),
écorces de fruits (citron, bergamote, orange),
graines (anis),
feuilles (eucalyptus),
baies (genévrier),
boutons floraux (clou de girofle),
fruits (persil),
bois (santal, écorce de quinquina).
En principe, toutes les parties d'une plante contiennent ces huiles essentielles, mais elles sont souvent majoritairement dans l'une d'elles. La composition peut varier selon la localisation dans la plante, par exemple, dans l'oranger amer, le zeste donne l'essence de Curaçao, et la fleur, l'essence de Néroli.

La teneur des plantes en huile essentielle est faible de l'ordre de 1 à 3 % à l'exception du clou de girofle (14 à 19 %), du macis (10 à 13 %), de la noix de muscade (8 à 9 %), de la cardamone (4 à 10 %).
Elles sont utilisées dans certains médicaments, en parfumerie, en phytothérapie ou comme agent de saveur dans l'alimentation.
Il faut distinguer l'activité de l'huile essentielle et celle de la plante infusée. Il existe souvent un seuil au-delà duquel elles peuvent devenir toxiques. L'utilisation des plantes et des huiles est contrôlée par le code de la santé publique.

La plupart des huiles essentielles peuvent être obtenues par hydrodistillation de la partie riche de la plante (schéma de montage 1). On obtient deux phases non miscibles : les huiles essentielles et les eaux aromatiques appelées hydrolats, chargées d’espèces volatiles contenues dans les plantes (eau de fleur d'oranger, de rose, de lavande…).

En seconde, à la fois pour des raisons de temps et de matériel, on pourra se contenter d'extraire l'huile essentielle à partir d'une décoction de la partie riche de la plante (schéma de montage 2). L’enseignant pouvant réaliser l’hydrodistillation devant les élèves.








Schéma de montage 1 Schéma de montage 2
Hydrodistillation Décoction

Remarque : L'entraînement à la vapeur (sans présence d’eau) consiste en une percolation (par la vapeur d'eau) de la plante.

Extraits naturels obtenus par des solvants organiques
« …Certains composés contenus dans les plantes (responsables du goût brûlant ou piquant, de la couleur ou de la protection vis-à-vis de l'oxydation) sont des substances non entraînables par la vapeur d'eau et donc absents de l'huile essentielle. Par contre, ils sont extractibles par certains solvants organiques… En utilisant ces solvants, on obtiendra des extraits beaucoup plus complets renfermant les substances volatiles mais aussi les triglycérides, les cires, les colorants de nature lipidique et les substances sapides (qui ont du goût). Le solvant sera ensuite éliminé avec le plus grand soin de manière à ne pas faire disparaître les substances les plus volatiles… Par ailleurs, la plupart des solvants utilisés sont l’objet d’une réglementation stricte dictée par des considérations de santé. En particulier, leur teneur résiduelle dans les aliments doit être inférieure au ppb (1 mg / kg) ; de plus, seuls les solvants sans risque de toxicité sont autorisés.
Par cette méthode d'extraction, deux types de produits sont fabriqués : les concrètes, à partir de substances végétales fraîches, les résinoïdes à partir de substances végétales sèches.
Le terme oléorésine désigne indifféremment l'un ou l'autre de ces deux extraits.
Une nouvelle technique d'extraction se développe utilisant le dioxyde de carbone à l'état supercritique (Pc = 72,9 atm et Tc = 31,3 °C)… » (Richard, Cahiers de nutrition et de diététique).
A des degrés moindres, d'autres techniques sont également utilisées pour la préparation d'extraits : macération à froid, décoction à ébullition, infusion et teinture alcoolique.

Extraits naturels affinés
A partir des extraits bruts, il est possible de réaliser des fractionnements. Selon les techniques employées (cryoconcentration, distillation sous pression réduite, ultrafiltration, osmose inverse, etc.), on obtiendra divers produits :
- absolues, par lavage à l'alcool suivi de l'élimination de l'alcool,
- essences solubles,
- essences fractionnées (essences déterpénées, essences sesquidéterpénées), etc.

Un peu de vocabulaire
Infusion : de l'eau bouillante est versée sur les feuilles ou sur les fleurs finement hachées de la plante pour qu'elles libèrent tout l'arôme et leur principe actif. Laisser infuser une dizaine de minutes.

Décoction : la plante est mise dans l'eau froide. Porter à l'ébullition quelques temps. Cette méthode de transformation ne permet pas d'extraire autant de principes actifs que l'infusion, mais elle est adaptée aux racines, écorces pour lesquelles l'extraction est difficile.

Macération : action de laisser séjourner, à froid, dans un solvant organique une substance pour en extraire les constituants solubles.




Matière première d'origine naturelle*
Matière première d'origine végétale, animale ou microbiologique, y compris les produits dérivés de cette matière première obtenus par des voies enzymatiques ou des procédés traditionnels de préparation (par exemple chauffage, torréfaction, fermentation).

Huile essentielle*
Produit obtenu à partir d'une matière première d'origine végétale :
- soit par entraînement à la vapeur d'eau (avec ou sans présence d'eau)
- soit par des procédés mécaniques (à partir de l'épicarpe des citrus),
- soit par distillation sèche (distillation sans addition d'eau ou de vapeur d'eau).

Eau aromatique* (hydrolat)
Distillat aqueux qui subsiste après l'entraînement à la vapeur d'eau, après la séparation de l'huile essentielle.

Alcoolat*
Distillat résultant de la distillation d'une matière première d'origine naturelle en présence d'un éthanol de titre variable.

Extrait*
Produit obtenu par le traitement d'une matière première d'origine naturelle par un solvant. Après filtration, le solvant est éliminé par distillation, excepté dans le cas de solvant non volatil.

Absolue*
Produit ayant une odeur caractéristique, obtenu à partir d'une concrète, d'une pommade florale ou d'un résinoïde) par extraction à l'éthanol à température ambiante.
Note : la solution éthanolique est généralement refroidie et filtrée dans le but d'éliminer les cires. L'éthanol est ensuite éliminé par distillation.

Concrète*
Extrait à odeur caractéristique obtenu à partir d'une matière première fraîche d'origine végétale, par extraction au moyen d'un solvant non aqueux.

Résinoïde*
Extrait à odeur caractéristique obtenu à partir d'une matière sèche d'origine végétale, par extraction au moyen d'un solvant non aqueux.

Pommade florale*
Corps gras parfumé obtenu à partir de fleurs, soit par "enfleurage à froid" (diffusion des composés odorants des fleurs dans le corps gras), soit par "enfleurage à chaud" (digestion ou immersion des fleurs dans le corps gras fondu).

Teinture*
Solution obtenue par macération d'une matière première d'origine naturelle dans un éthanol de titre variable. Exemples : teinture de benjoin, teinture d'ambre gris.

Remarque concernant le relargage :
Le relargage est un procédé qui consiste, lorsqu'un produit est soluble à la fois dans l'eau et dans un autre liquide non miscible à l'eau, à ajouter à ce mélange liquide un peu de chlorure de sodium pour faciliter la séparation. En effet, la solubilité du produit concerné est moins importante dans l'eau salée que dans l'eau pure (augmentation de la force ionique du milieu). De plus, la densité de la phase aqueuse saline est plus grande que celle de l'eau.

L’enseignant pourra consulter très utilement le document d’accompagnement du programme de terminale S (programme 1994) pour des compléments (p.127-147). Il aura à faire un travail d’adaptation pour la classe de Seconde.
Nous remercions Monsieur Richard, professeur à l’ENSIA, pour sa relecture critique.


Compléments TP 2b


L’exemple de l’eucalyptol


Lors de cette exploitation, l’enseignant reprend (avec le cas échéant les comptes rendus corrigés rendus aux élèves) le principe de l’extraction par solvant. Puis il élargit et prolonge le travail d’exploitation du TP en s’appuyant sur une recherche documentaire : histoire de l’extraction. Où trouve-t-on des eucalyptus ? De quelle partie extrait-on l’huile essentielle ? Applications de l’eucalyptol, données économiques…


Historique et présentation

Eucalyptus
(Eucalyptus globulus)
Midi de la France, Corse.
Asthme, stomatite, affections de la gorge et des
bronches, fièvre, grippe, rhume, troubles gastriques.


La feuille séchée et l'huile essentielle sont inscrites à la 10ème édition de la pharmacopée française.

En 1870, le français F.S. Cloëz donne au principal constituant de l'huile d'Eucalyptus Globulus Labill. le nom d'eucalyptol. En 1884, Jahns l'identifie comme étant le 1,8-cinéole.

Deux écritures différentes de la molécule d'eucalyptol (1,8-cinéole)


Constituants de l'huile essentielle et utilisations

La teneur en huile essentielle est comprise entre 0,5 et 3,5 %.
Le 1,8-cinéole est le constituant majoritaire (environ 60 %), mais plus de vingt-cinq composés de nature terpénique ont été identifiés, principalement de (-pinène, puis de l'aromadendrène, du globulol, viennent ensuite le limonène, le p-cymène, le lédol…
L'huile essentielle possède des propriétés bactéricides, antiseptiques (efficace contre les puces, elle est utilisée dans les colliers insecticides pour animaux).
Mais elle a pour principal débouché l'industrie pharmaceutique en raison de propriétés antiasthmatique, expectorantes et stimulantes de l'épithélium bronchique et mucolytique.
On l'utilise aussi comme aromatisant pour masquer le goût de certaines préparations pharmaceutiques.

Compléments TP 2c


L’exemple du limonène


Quand nous flairons un produit alimentaire, nous aspirons par le nez une portion de l’air environnant ce produit. Cet air est chargé en composés odorants ; la perception recueillie par l’épithélium est assez différente de celle obtenue lorsque l’aliment est placé dans la bouche où le produit alimentaire, porté à la température de la cavité buccale, subit une mastication, source de réactions enzymatiques. En fait, la composition de la phase gazeuse de la cavité buccale se trouve modifiée par rapport à celle de l’air environnant le même produit non ingéré. Ces deux atmosphères gazeuses, quand elles atteignent l’épithélium olfactif par voie directe lors du flairage ou par voie indirecte, dite rétronasale, lors de l’ingestion de l’aliment donnent naissance à deux perceptions différentes : l’odeur dans le premier cas et l’arôme dans le second. Notons que l’arôme est une des perceptions olfacto-gustatives, dont l’ensemble est désigné sous le nom de flaveur, terme qui regroupe la saveur, l’astringence, la pseudo-chaleur et l’arôme.
Le mot arôme désigne également l’ensemble des composés organiques volatils responsables de la perception d’arôme, alors que dans le cas des odeurs, on parlera de parfum. Somme toute, un parfum et un arôme sont tous deux des compositions volatiles ; la seule chose qui les différencie est que le parfum est respiré et l’arôme ingéré, ce qui implique des normes plus rigoureuses.

H. Richard, (1989). Les arômes. Cahiers de nutrition et de diététique. XXIV


Le (+) limonène est extrait des peaux d'orange, de citron.



Schéma du traitement industriel d'extraction des oranges
(d'après les informations fournies, par la société ADRIAN, en liaison avec l'usine CITROSUCO au Brésil)

Le traitement consiste essentiellement à extraire le jus.
Mais des peaux, on retire une huile essentielle constituée de (+) limonène, pur à 95 %, constituant principal de toutes les huiles issues des peaux d'agrumes. Dans le citron on aurait 82 % de l'isomère (+) et 18 % de l'isomère (-).

Les huiles essentielles sont employées comme agent de saveur dans l'alimentation et en parfumerie.

Exemples de questions liées à la manipulation
Dessiner l'ampoule à décanter contenant les deux phases. Spécifier les positions respectives des deux phases : organique et aqueuse.
Laquelle contient le limonène ?
De quels renseignements avez-vous besoin pour répondre à ces questions ?


Compléments TP 2d

Activité

L’acide chrysophanique


Présentation (mise en place, informations générales)

Les racines de rhubarbe ont toujours été réputées pour leur faculté de teindre les fibres textiles en de jolis coloris jaunes orangés, résistant à la lumière et au lavage (les tapis tibétains sont des exemples de ce type de coloration).
Les propriétés tinctoriales sont principalement dues à la présence de l’acide chrysophanique.
(1,8 dihydroxy 3 méthyl anthraquinone)
Question de culture générale : Étymologie de « chrysophanique » de cðrðuðsðoð ð ð(ðphonétique : chryso, en or) et fðaðnðeðiðnð (phonétique : fanein, paraître)
Retrouver des mots de même origine.


Approche expérimentale et documentaire
Présentation de données physico-chimiques permettant de construire un protocole

Un document technique nous informe que cet acide n’est pas particulièrement soluble dans les solvants classiques, mais que sa solubilité est grande dans le benzène et l’acide acétique, alors que les autres substances présentes dans la rhubarbe y sont insolubles.

Tableau de donnéesEspèce chimiqueSécurité / risquesSolubilitéMasse volumiqueChangements d’état physiqueBenzèneInflammable
Toxique / CancérigèneInsoluble dans l’eau0,88 g.cm-3Teb : 81°CAcétoneInflammableSoluble dans l’eau0,79 g. cm-3Teb : 56°CAcide acétique
(présent dans le vinaigre)CorrosifSoluble dans l’eau1,06 g.cm-3Tf : 21°C
Teb : 118°CAcide chrysophaniqueSoluble dans benzène, eau, dans acide acétique
Insoluble dans acétoneTf : 481°C
Questions en vue de proposer un protocole à partir des données du tableau.
1) Avec quel solvant est-il recommandé de procéder à l’extraction ? Justifier la réponse.

2) On dispose du matériel suivant : dispositif de filtration- mortier- ampoule à décanter, divers récipients
Proposer un mode opératoire pour préparer une solution d’acide chrysophanique à partir d’une racine de rhubarbe ; l’ampoule à décanter est-elle utile ici ?

3) Réflexion sur les températures de changement d’état.
Remplir les tableaux (a) et (b) ci-dessous pour en déduire une méthode en vue d’isoler ce colorant à partir de la solution préparée en 2).



a) Etat physique des espèces dans l’extrait du 2) à 25 °C
état solide état liquide en solution état gazeux
acide acétique  FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX 
eau  FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX 
acide chrysophanique  FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX 


b) L’extrait du 2) est porté à 150 °C. Etat physique des espèces précédentes ?
état solide état liquide en solution état gazeux
acide acétique  FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX 
eau  FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX 
acide chrysophanique  FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX   FORMCHECKBOX 


4) Déduire des observations du 3) une méthode pour isoler le colorant ; on rappelle que les vapeurs d’acide acétique sont irritantes et corrosives.
Proposer une méthode pour les piéger.

Note
Dans la question 1, même si le benzène convient d’un point de vue physico-chimique pour l’extraction (solvant dans lequel l’acide chrysophanique est soluble et les autres espèces présentes dans la rhubarbe insoluble), il est évident que son usage est INTERDIT au lycée, compte tenu des dangers qu’il présente.
Activité

Correction

QuestionRéponse attendueCompétences mises en jeu (testées)Présentation (mise en place, informations générales)
Les racines de rhubarbe ont toujours été réputées pour leur faculté de teindre les fibres textiles en de jolis coloris jaunes orangés, résistant à la lumière et au lavage
Les propriétés tinctoriales sont principalement dues à la présence de l’acide chrysophanique.
(1,8 dihydroxy 3méthyl anthraquinone)
Question de culture générale : Étymologie de « chrysophanique » : de cðrðuðsðoð ð ð(ðen or) et fðaðnðeðiðnð (paraître)
Retrouver des mots de même origine









chrysanthème, chrysalide, chryséléphantine&

cellophane, diaphane, épiphanie& 


Trier des informations *

Questions en vue de proposer un protocole à partir des données du tableau1) Avec quel solvant est-il recommandé de procéder à l’extraction ? Justifier la réponse.
L’acide chrysophanique n’est soluble que dans le benzène et l’acide acétique. On écarte donc l’acétone.
Le benzène est à proscrire (sécurité)
Le solvant à choisir est l’acide acétique- A l’aide d’un tableau de données, choisir le solvant approprié pour une extraction***
- Respect de la protection des personnes (sécurité)*2) On dispose du matériel suivant (en plus de récipients) : dispositif de filtration- mortier- ampoule à décanter
Proposer un mode opératoire pour préparer une solution d’acide chrysophanique à partir d’une racine de rhubarbe ; l’ampoule à décanter est-elle utile ici ?Ecraser la racine dans un mortier
Faire macérer dans du vinaigre blanc
Filtrer
La décantation est inutile car s’il y a de l’eau dans la racine (ce qui est certainement le cas), l’eau passe dans la solution (miscibilité eau / acide acétique)- Mettre en œuvre une technique d’extraction **

- Rédiger une argumentation*3)Réflexion sur les températures de changement d’état.

a) Etat physique des espèces dans l’extrait du 2) à 25 °C

b) L’extrait du 2) est porté à 150 °C. Etat physique des espèces précédentesa) A 20°C
L’eau est liquide (c’est le solvant). L’acide acétique est en solution dans l’eau. L’acide chrysophanique est en solution dans la solution aqueuse d’acide acétique
b) A 150°C
L’eau et l’acide acétique sont vaporisés. Il reste un résidu solide constitué d’acide chrysophanique (Tf>150°C)

A l’aide d’un tableau de données, prévoir l’état physique d’une espèce chimique à T et P fixées***4) Déduire des observations du 3) une méthode pour isoler le colorant ; on rappelle que les vapeurs d’acide acétique sont irritantes et corrosives. Proposer une méthode pour les piéger.On propose donc de chauffer l’extrait du 2) jusqu’à évaporation totale des solvants. Veiller à ne pas dépasser 450°C.
Elimination des vapeurs acides :
- entraîner les vapeurs par la trompe à eau
- piéger l’acide par un « filtre antiacide » par exemple à base de poudre calcaire.Proposer une expérience répondant à un objectif*** Compétence générale
** Compétence expérimentale
*** Compétence cognitive

Activité 3a


Document vidéo et questionnaire
Activité en classe entière

Comment extraire les espèces chimiques qui caractérisent
l'odeur d'une fleur ?




Objectifs : 

Apprendre à l'élève à observer en éveillant sa curiosité.
Présenter les différentes techniques d'extraction.
Remplir un organigramme schématisant une extraction par solvant.
Identifier les mots nouveaux. Rechercher leur définition.


Le questionnaire est distribué aux élèves avant la projection de la vidéo.




Questions :

Quelles sont les différentes techniques d'extraction envisagées dans la vidéo ?
Quel est le nom donné à la technique permettant d'obtenir le mélange sentant la rose ?
Remplir l'organigramme précisant les différentes étapes de cette technique.
Donner un ordre de grandeur des quantités de matières premières et des quantités des différents "produits" obtenus.


Organigramme

L’enseignant sélectionne quelques informations à indiquer dans l’organigramme à remplir, par exemple celles qui figurent en noir ; en bleu-vert ce sont les réponses.






































Légende
 Matière première

 Technique

Masse ou volume
Activité 3b

Exercice

Le parfum d’une fleur





La fleur proposée peut être de la lavande

Activité 3c

Travail documentaire

Le parfum à travers les âges




Cette situation-problème est donnée à l'avance aux élèves afin qu'ils aient du temps pour effectuer des recherches. Cette activité se prête bien à l’utilisation des réseaux internet ou intranet, en particulier trois sites peuvent être téléchargés :
 HYPERLINK http://www2.ac.nice.fr:ecole:arbre:supdos:parfum:index.htm http://www2.ac-nice.fr/ecole/arbre/supdos/parfum/index.htm
 HYPERLINK http://saveurs.sympatico.ca:ency.voy/France/grasse.htm http://saveurs.sympatico.ca/ency.voy/france/grasse.htm
 HYPERLINK http://www.laprovence.com/produits/lavandes/index.html http://www.laprovence.com/produits/lavandes/index.html

Ils travaillent en équipes et rédigent un document sur transparent pour le présenter à la classe.
L'une des équipes expose le résultat des ses recherches pendant une dizaine de minutes maximum ; les autres interviennent pour compléter ; un bilan est réalisé en fin de séance.







 EMBED Word.Picture.8 


Activité 3d

Travail sur texte

Le système périodique


…Le vieux Cornetto évoqua sa belle époque, l’époque des peintures copals ; il raconta comment, dans ces temps, on combinait l’huile de lin avec ces résines légendaires pour en faire des peintures fabuleusement résistantes… Les copals étaient importés par les Anglais des contrées les plus lointaines dont ils portaient le nom, qui distinguait une variété de l’autre : le copal Madagascar, le Sierra Léone, le Kauri (dont les gisements, soit dit en passant, se sont épuisés vers 1967), le fameux et très noble copal Congo. Les copals sont des résines fossiles d’origine végétale, au point de fusion assez élevé et qui, dans l’état où elles sont trouvées et commercialisées, sont insolubles dans les huiles : il fallait, pour les rendre solubles et compatibles, les soumettre à une violente cuite à demi destructive au cours de laquelle leur acidité diminuait et leur point de fusion s’abaissait. L’opération était menée de façon artisanale, dans de modestes chaudières d’une contenance de deux ou trois quintaux, mobiles, et chauffées à feu direct pendant la cuite ; elles étaient pesées à intervalles répétés et lorsque la résine avait perdu 16 pour cent de son poids en fumée, vapeur aqueuse et anhydride carbonique, on estimait que la solubilité dans l’huile était atteinte…
Primo Levi, Le système périodique, chapitre "Chrome" (extrait).



Questions

1. Quels sont les deux constituants principaux des « peintures copals » ?

2. Donner des exemples (dans d’autres domaines) de composés « au point de fusion assez élevé ».

3. Expliquer pourquoi la solubilité dans l’huile du colorant copal est nécessaire ?

4. Que signifie : « le poids en fumée ». Proposer une autre expression.

5. Donner une autre appellation pour « anhydride carbonique ».

6. Approche quantitative : on traite 3 quintaux de résine brute. A l’aide des informations du texte calculer la masse de colorant soluble dans l’huile que l’on peut espérer produire après traitement dans les chaudières.
Rappel : 1 quintal = 100 kg
Activité 3e

Travail sur texte

Chimiques mais plus vraies que nature :
les effluves de fleurs en bouteille


Pouvoir utiliser la multitude de senteurs présentes dans 1a nature, ou disposer de leur reproduction exacte pour composer des parfums, a toujours été le rêve des parfumeurs. Une nouvelle technique permet désormais de le réaliser, ou presque. Après plus de dix années de recherche, les grands fabricants de fragrances et d'arômes, tels IFF (International Flavors and Fragrances), Firmenich ou Roure, ont commencé à mettre à la disposition de leurs « nez » une gamme chaque jour plus large de « headspaces » (effluves), comme on dit dans la profession. En clair, il s'agit de reproductions chimiques des émanations odoriférantes recueillies directement autour de fleurs ou de plantes sur pied. De tels effluves entrent dans la composition de quelques parfums lancés depuis peu, comme Red (Giorgio Inc.), Eternity (Calvin Klein), Cabotine (Grès), Trésor (Lancôme), Romeo Gigli.
Aussi étonnant que cela puisse paraître, bien que synthétiques, les effluves sont plus proches de l'odeur naturelle que les produits dits naturels (huiles essentielles) utilisés en parfumerie. Ceux-ci sont extraits par divers procédés de fleurs et plantes cueillies. Or, le simple fait de cueillir une fleur altère son parfum, comme le montrent les expériences faites aux Etats-Unis par Braja D. Mookherjee, vice-président chez IFF. « La concentration, des différents produits volatils composant la senteur varie beaucoup; elle augmente pour certains, diminue pour d'autres, selon que la fleur est sur pied ou coupée. De plus, la fleur sur pied émet des substances qu'on ne trouve plus dans l'analyse de la fleur coupée, et inversement », observe-t-il.
Le parfum de certaines fleurs comme le jasmin, la tubéreuse, le chèvrefeuille, varie également beaucoup en fonction des heures de la journée. Or, pour la fabrication des huiles essentielles, les fleurs sont toujours cueillies le matin. En ce qui concerne le lilas, la rose, la jacinthe ou le nénuphar, par exemple, on observe des variations sensibles du parfum en fonction de la couleur. De manière générale, la senteur évolue au cours de la floraison, en fonction des saisons, selon qu'il fait sec ou qu'il pleut, etc. Autant de nuances qui peuvent désormais être saisies sur le vif ou analysées grâce à un procédé qui paraît relativement simple.
Une partie de la plante sur pied est emprisonnée dans un bocal relié à un petit tube, « la cartouche », contenant un produit absorbant (un polymère de synthèse poreux). L'air ambiant (filtré) est pompé, comme si on respirait la fleur. La cartouche est ensuite prélevée. Les produits volatils qu'elle a permis de capturer sont « désorbés » et analysés grâce à un chromatographe et à un spectromètre de masse. On travaille là sur des substances qui pèsent de l'ordre du milliardième de gramme. « Tout le secret de la performance réside dans la manière de désorber la cartouche. Aussi chaque industriel a-t-il construit son propre appareil », précise Ivon Flament, de la direction de la recherche de Firmenich, à Genève.
Le système de prélèvement des odeurs est suffisamment simple pour être utilisé dans la nature aussi bien qu'en laboratoire. Et, contrairement à la fabrication d'huiles essentielles, qui exige le traitement de milliers de fleurs pour obtenir un gramme de substance, la fabrication d'effluves peut se faire à partir de l'analyse du. parfum d'une seule fleur. Aussi Firmenich a-t-elle, depuis cette année, des contrats ponctuels avec des ethnobotanistes chargés de capturer des senteurs qui semblent intéressantes et de faire parvenir au centre de recherche les précieuses petites cartouches.
Mais il ne suffit pas d'analyser. Encore faut-il fabriquer les effluves. Le rôle du «  nez » est alors fondamental. C'est lui qui doit sélectionner les bons constituants significatifs de l'effluve, ceux qui, parmi les centaines de produits volatils recueillis autour d'une rose, par exemple, permettront de copier la nature le plus fidèlement. Ce travail peut prendre deux ou trois mois. Voire plusieurs années : l'analyse de fleurs sur pied révèle parfois la présence de molécules dont la synthèse chimique n'a pas encore été effectuée. Se lancer dans cette fabrication relève alors d'un choix économique. De la même manière que le patchouli ou la rose bulgare de synthèse coûterait plus cher à produire que les extraits naturels correspondants, le coût de certains effluves peut être prohibitif.
Il ne faut donc pas s'attendre à ce que les effluves se substituent systématiquement aux huiles essentielles ou aux parfums de synthèse correspondants. Mais ils apportent un plus incontestable au monde de la parfumerie et des arômes. «  On découvre des molécules nouvelles, des structures chimiques auxquelles on n'avait jamais pensé. C'est une bibliothèque d'odeurs totalement originale qui s'offre au parfumeur », commente-t-on chez Roure. « Les effluves sont très volatils. Ils donnent un effet naturel aux notes de départ, évoquent la fraîcheur d'un jardin, et créent beaucoup de sillages autour de la personne », explique un « nez » chez IFF-France. De plus, le parfum de certaines fleurs comme le freesia, le muguet, le lilas, ne peut être extrait de manière naturelle; il n'en existait donc jusqu'à présent que de pâles approximations synthétiques.
IFF se flatte de disposer actuellement d'une centaine d'effluves; Firmenich, d'une vingtaine, Roure, d'une dizaine. Oh bonheur, ils arrivent à point pour donner aux parfums fleuris, de nouveau à la mode, une touche de naturel et de modernité. Argument dont jouent bien évidemment les producteurs de fragrances pour arracher à leurs concurrents la clientèle des grandes marques de parfums.
Mais les enjeux seront sans doute plus importants pour les produits dits de masse ( savons, shampooings, déodorants pour la maison, détergents, etc.). «  Depuis longtemps, le coût des extraits naturels, que nous sommes désormais pratiquement les seuls à produire, amène à ne les utiliser que pour la parfumerie de luxe. Grâce aux effluves, les produits de toilette et d'hygiène pourront sentir très bon », dit-on chez Roure.
Enfin, comme la technique des effluves s'applique également aux fruits, aux épices, aux produits manufacturés, à la peau. humaine, bref à tout ce qui dégage une odeur, leur utilisation peut entraîner une véritable révolution dans bien des domaines, dont l'industrie agroalimentaire. Ainsi Firmenich a-t-elle récemment déposé un brevet : « Pour la première fois nous avons réussi à identifier 135 composants de la faveur (odeur-saveur) de la truffe noire fraîche, et nous sommes parvenus à la reconstituer ». Chez IFF, on reste discret, tout en admettant que l'effluve de pêche ou de poire peut être utilisé pour parfumer aussi bien de la confiture ou des yaourts que du rouge à lèvres ou du shampooing. L'effluve de menthe pourrait bien remplacer un jour les milliers de tonnes d'huile essentielle utilisées pour parfumer le chewing-gum ou le dentifrice.
En fait, on commence tout juste à entrevoir les possibilités qu'offrent les effluves, y compris en matière d'espionnage industriel. Il est très facile, par exemple, de voler l'odeur d'un biscuit frais qui se vend particulièrement bien. Imaginez que l'effluve obtenu parfume les biscuits d'une marque concurrente…
Martine Leventier, Le Monde

Questions de vocabulaire
Chercher dans un dictionnaire le sens exact des mots : senteur, arôme, effluve, fragrance, altérer, prohibitif.
Le terme technique « headspace » a été traduit dans le texte par effluve. Quel est donc dans le texte le deuxième sens de ce mot ?
En anglais, il existe le mot flavour. Quel est son sens ? Le mot flaveur existe-t-il en français ?
Donner la signification scientifique de: produits volatils , adsorption.
On emploie quelquefois l'expression imagée : « l'argent n'a pas d'odeur ». Quel est son sens ?

Analyse du texte, en s’aidant des TP
Rappeler la définition d'une huile essentielle.
Quels sont les différents facteurs qui peuvent agir sur l'odeur d'une huile essentielle obtenue à partir des fleurs et plantes cueillies ?
La fleur sur pied a-t-elle la même odeur que la fleur cueillie ?
Faire un schéma du dispositif qui permet de capter les odeurs émises par les fleurs .
Quel est le contraire du mot adsorber ?
Rappeler le principe de la chromatographie. Quel est son intérêt ici ?
Convertir un milliardième de gramme en ng, µg, g et kg.
Qu'est-ce qu'un ethnobotaniste ? A votre avis dans quelles régions du monde fait-il ses recherches ?
A partir de l'effluve recueilli, comment travaille le « nez » ?
Quels sont les avantages des effluves dans un parfum ?
Quels sont les intérêts industriels de ces nouvelles techniques ?
Activité 3f

Exercice

La lavande


C'est à son essence que la lavande doit sa renommée actuelle.
Celle-ci est extraite de la plante grâce à un procédé ancestral, l’entraînement à la vapeur.
Le procédé a été mis au point par les Arabes au VIème siècle après Jésus-Christ avec le développement de l'alambic. Aujourd'hui, les appareils de distillation se sont naturellement perfectionnés mais le principe de fonctionnement reste identique.
Les fleurs de lavande sont placées sur une grille que l'on nomme cucurbite.
L'appareil est mis en contact avec de la vapeur d'eau. Celle-ci en traversant les fleurs se charge de leur essence.
La solution ainsi obtenue passe ensuite par le col de cygne de l'alambic puis dans le serpentin où en se refroidissant, elle se condense. On la recueille dans la partie de l'alambic appelée l'essencier.
L'essence de lavande étant plus légère que l'eau elle remonte à la surface où l'on la récupère facilement grâce à un petit robinet situé sur l'essencier.
Il faut en moyenne 100 à 130 kg de fleurs de lavande pour obtenir 1 kg d'essence. L'essence ou l'huile essentielle ainsi obtenue est utilisée en pharmacie, en aromathérapie, en cosmétologie et en parfumerie.
L'essence de lavandin, un peu moins fine, est destinée essentiellement à la fabrication de détergents (lessives, produits d'entretien).

EMBED MSDraw \* MERGEFORMAT 


Schéma 1: appareil de distillation utilisé au laboratoire.



Schéma 2 : appareil anciennement utilisé par les producteurs d'essence de lavande.


Répondre aux questions suivantes :

1. Quel est le principe de l'extraction de l'essence de lavande ?
2. Sur les schémas 1 et 2 retrouver les différentes parties du montage évoqué dans le texte (mots en caractères gras) et donner sur le schéma 1 les noms actuellement utilisés au laboratoire.
3. Quel est le rôle de la vapeur d'eau ?
4. Quel est le rôle du serpentin ? Pourquoi n'est il pas constitué d'un tube rectiligne ?
5. Dans quelle partie de l'essencier se trouve l'essence de lavande ?
6 Qu'est-ce que le lavandin ?


Adapté d’une question du baccalauréat 1996, série S, APISP (1996), 123, p.41.
Pour la partie historique (et pour en savoir plus), voir « Entrées historiques » de ce document.

Activité 3g


« N’allons pas là-dessus nous alambiquer la cervelle », Bossuet


Retrouver des vers ou des phrases où les termes « alambic, alambiquer » apparaissent.

Observer les reproductions ci-dessous.
Préciser, si possible, la fonction des parties essentielles de chaque alambic.
Etablir, si possible, un parallèle avec les appareils servant à la distillation vus en classe.
Retrouver des reproductions ou des photographies anciennes d’alambic où figurent des termes tels que : chauffe-vin, tête de maure (ou more), flegme, rectificateur, col de cygne, cucurbite.
Définir le rôle du rectificateur et préciser ce que l’on entend par flegme.














Les sources documentaires utilisées pour cette activité sont les suivantes :
- Larousse du 20ème siècle (6 volumes), édition 1928 (questions et réponses).
-  HYPERLINK http://www2.ac-nice.fr/ecole/arbre/supdos/parfum/renai.htm http://www2.ac-nice.fr/ecole/arbre/supdos/parfum/renai.htm : l’alambic.
-  HYPERLINK http://www.bahnhofplatz.com/absinthe/ http://www.bahnhofplatz.com/absinthe/ : la distillation au bain-marie.


TP 3

Séparation et identification d’espèces chimiques

Une approche préliminaire en vue de comprendre le principe de la chromatographie et quelques exemples de chromatographie réalisables

Ce TP fait suite au TP sur l’extraction (TP 2).
On utilise donc pour la chromatographie l’huile essentielle extraite lors de ce précédent TP.


Objectifs
Comprendre sur un exemple simple le principe de la chromatographie.
Réaliser une chromatographie sur couche mince.



Principe de la chromatographie
Approche préliminaire

L’enseignant juge de l’importance qu’il donne à cette approche préliminaire.
La chromatographie est une méthode physique de séparation d’espèces chimiques, basée sur les différences d'affinités de ces espèces à l'égard de deux phases : l'une dite stationnaire ou fixe, l'autre dite mobile, l’éluant.

On observe :
la fixation ou non d'une espèce chimique sur la phase fixe, donc une affinité plus ou moins grande de l'une par rapport à l'autre,


Protocole expérimental

A. PREPARATION DE LA PHASE FIXE

La phase fixe est de l'hydroxyde de magnésium.
Remplir, jusqu'à 3 cm du bord, un tube à essai avec une solution de chlorure de magnésium.
Ajouter progressivement de l’hydroxyde de sodium (lessive de soude).
Boucher le tube et agiter. Un précipité d'hydroxyde de magnésium se forme : il est blanc.
Séparer le précipité obtenu en deux parties.

B. MISE EN EVIDENCE DE LA FIXATION OU DE LA NON-FIXATION SUR LA PHASE FIXE

1. A l'une des fractions du précipité, ajouter 3 gouttes de solution alcoolique de bleu de méthylène : le mélange est bleu.
Filtrer sur papier filtre ; noter les couleurs du filtrat et du précipité.
2. A la deuxième fraction du précipité, ajouter 3 gouttes de solution alcoolique de thymolphtaléine : le mélange est bleu.
Filtrer sur papier filtre ; noter les couleurs du filtrat et du précipité.
3. Conclure sur le rôle de l’éluant en comparant les couleurs des deux filtrats obtenus.

C. MISE EN COMMUN DES RESULTATS ET CONCLUSIONS

Lors de la concertation, les élèves sont amenés à conclure quant à « l'affinité » de chacune de ces deux espèces pour la phase fixe.





Indications pour l’enseignant

Solutions utilisées :
Hydroxyde de sodium : 6 mol/L ou lessive de soude
chlorure de magnésium : 0,1 mol/L
solution alcoolique de bleu de méthylène : 2 g/L
solution alcoolique de thymolphtaléine : 2 g/L

Résultats obtenus

Phase stationnaireEspèce chimiqueCouleur du mélangeCouleur du précipitéCouleur du filtratConclusionMg (OH)2
Bleu de méthylène BMBleuBleuIncoloreLe BM est fixé sur Mg(OH)2Mg (OH)2
Thymolphtaléine
TPhBleuIncoloreBleuLa TPh n'est pas fixée sur Mg(OH)2
Les chromatographies réalisables

La chromatographie permet-elle la séparation et l'identification des espèces chimiques ?

Trois techniques sont utilisées : chromatographie sur papier, sur couche mince ou sur colonne (démonstration par l’enseignant).
Démarche :
- révisions des techniques vues au collège : chromatographie papier d’encres ou de colorants alimentaires,
- chromatographie de l’huile essentielle extraite lors du TP extraction et comparaison avec un témoin et une huile essentielle du commerce (CCM de préférence).

Au cours de cette séance de TP il y a lieu :
de rappeler les consignes de sécurité lors de l'utilisation des éluants.
d'utiliser la lampe U.V avec les espèces possédant des doubles liaisons conjuguées.
Ce peut être l’occasion d'utiliser un logiciel de simulation.

Indications sur quelques chromatographies
1. Huiles essentielles extraites de l'anis étoilé, du cumin, de la cannelle :

Eluant utilisé : dichlorométhane seul ou en mélange avec le diéthyléther (diéthyle oxyde), 65/35 en volume ; l’enseignant teste la manipulation et choisit.

Dépôts des espèces chimiques témoins, d'essences commerciales et de l’huile obtenue lors de l'extraction :
anéthole, essence d'anis…
cuminaldéhyde, huile essentielle de carvi…
cinnamaldéhyde, huile essentielle de cannelle…
Ces huiles sont mises en solution dans le dichlorométhane, solution à environ 2 à 5 %.

2. Huiles essentielles extraites de l'eucalyptus

Eluant : cyclohexane et acétate d'éthyle, 70/30 en volume.

Dépôts des espèces chimiques témoins, d'essence commerciale et de la solution obtenue lors de l'extraction : eucalyptol, huile essentielle , parfum d'ambiance…

Révélations
Révélateurs chimiques
diiode
permanganate de potassium à 2 10-2 mol/L
Lampe UV (254 nm)

Attention ! Ne pas regarder la lampe. Porter des lunettes de protection.
Ne pas mettre les mains sous la lampe sans porter de gants !

TP 3
Cette manipulation fait suite au TP2 l’extraction de l’anis étoilé


Comment vérifier que la solution obtenue pour l’extraction
de l'anis étoilé contient de l'anéthole ?

Expérience préliminaire

Chromatographie sur papier de colorants alimentaires
Prendre la feuille de papier Whatman (6,5 x 11 cm ) dans le sens de la hauteur et tracer un trait au crayon à papier à 2 cm du bord inférieur.
A l’aide d’une pipette, déposer une goutte de chaque colorant alimentaire et une goutte du mélange de colorants. Les gouttes doivent être régulièrement espacées de 1 cm et déposées juste au-dessus du trait.
Suspendre le papier de façon à ce que la partie inférieure trempe d’environ 1 cm dans l’éluant.
Sortir le papier de la cuve quand l’éluant arrive à 2 cm du
bord supérieur.
Observer. Conclure.

Rôle de l’éluant
Déposer une goutte du mélange de colorants alimentaires sur une feuille de papier Whatman (4 ( 4 cm) placée sur un bécher.
Déposer sur la tache obtenue cinq gouttes d’éluant : eau ou dichlorométhane ou mélange eau - alcool.
Observer l’aspect de la tache en fonction de l’éluant choisi et conclure.


Chromatographie de la solution obtenue par extraction de l'anis étoilé
Attention : lors de l'utilisation de la lampe UV, il faut mettre des gants et des lunettes de protection UV.
Sur une plaque de silice avec révélateur UV de dimensions 3 ( 10 cm, réaliser deux dépôts :
Dépôt A : la solution d'extraction de l'anis étoilé.
Dépôt B : la solution d'anéthole (l'authentique dans le dichlorométhane).
Après séchage des taches, placer la plaque sous la lampe UV pour vérifier la qualité des dépôts.
Placer la plaque dans la cuve à élution contenant du dichlorométhane.
Retirer la plaque lorsque le front du solvant arrive à 1 cm du bord supérieur et repérer le front du solvant avec un crayon à papier. Sécher la plaque à l'air.
Révéler les taches sous la lampe UV puis dans un bocal contenant du diiode (entourer les taches au crayon à papier).

Observations
Comparer les hauteurs de migration des différentes taches.
La solution obtenue par extraction de l'anéthole contient-elle de l'anéthole ?

Matériel
Par groupe
1 bocal avec diiode et sable
1 cuve de chromato
1 bécher de 400 mL pour la chromato des colorants
1 pince en bois + noix de serrage pour tenir la feuille de papier Wathman
1 feuille de papier Whatman 6,5 x 11 cm
1 feuille de papier Whatman 4 ( 4 cm
1 plaque chromato UV 3 ( 10 cm
1 plaque chromato 2 ( 10 cm
1 compte-gouttes
1 éprouvette graduée de 50 mL
Lunettes de protection UV

Produits
Dichlorométhane 1 flacon par paillasse
Mélange 50% eau + 50 % éthanol
Colorants alimentaires
Colorant du paprika (solution déjà préparée)
Solutions d'extraction de l'anis étoilé préparées par les élèves.
Solution d’anéthole dans du dichlorométhane (2 gouttes dans 20 mL de solvant)

Paillasse enseignant
Des pipettes Pasteur
Des capillaires
8 petits béchers ( pour mettre les colorants alimentaires )
Papier filtre


Remarques
L’enseignant peut aussi illustrer la chromatographie avec les
colorants extraits du paprika. Il fournit alors la solution aux élèves
qui réalisent le mode opératoire suivant :


Faire un dépôt de la solution sur une plaque de silice ( 2x10 cm).
Après séchage de la tache à l'air, placer la plaque dans une
cuve fermée contenant du dichlorométhane dont l'atmosphère
est saturée par les vapeurs de l'éluant.
Arrêter l'élution lorsque le front du solvant
arrive à 2 cm du bord supérieur.



Préparation de la solution du colorant du paprika (par l’enseignant)
Chauffer à reflux 4 g de paprika commercial en poudre dans 20 mL de dichlorométhane pendant environ 30 minutes.
Arrêter le chauffage, laisser refroidir et filtrer sur papier filtre le mélange obtenu.
On obtient après filtration une solution contenant les différents pigments colorés du paprika.

Attention !
Pour avoir une belle chromato, il faut que la solution soit relativement concentrée. Si ce n'est pas le cas, il faut demander aux élèves de faire plusieurs dépôts successifs au même endroit, en laissant évaporer le solvant entre chaque dépôt.

Compléments au TP3


Exploitation
Principe de la chromatographie sur couche mince (CCM)


I . Principe

La CCM est une méthode permettant de contrôler la pureté d'une substance, de séparer les constituants d'un mélange et éventuellement de les identifier.
Le mélange est fixé sur un support appelé phase stationnaire (un gel de silice déposé en couche mince sur une plaque d'aluminium). Il est entraîné par un solvant approprié ( phase mobile ou éluant ) qui migre par capillarité sur la plaque. Les constituants du mélange se séparent par migration différentielle : chacun d'eux est d'autant plus entraîné par l'éluant qu'il est plus soluble dans celui-ci et moins adsorbé sur la phase stationnaire.
Après migration les taches doivent être révélées ; c'est la détection qui peut se faire par pulvérisation d'un réactif caractéristique ou par immersion dans un bain de permanganate de potassium ou de vapeur de diiode ou encore par observation à la lumière UV si la plaque de silice comporte un indicateur de fluorescence.


II . Mode opératoire
Les opérations décrites dans ce paragraphe sont valables pour toutes les CCM

Préparation de la cuve
• L'atmosphère de la cuve doit être saturée en vapeur d'éluant. Ceci impose d'avoir une cuve bien fermée et préparée un certain temps à l'avance. Un rectangle de papier filtre, un peu moins haut que la cuve, placé verticalement contre la surface intérieure et mouillé par l'éluant améliore la diffusion de la vapeur d'éluant.
• Le niveau de l'éluant au fond de la cuve doit être de 5 à 8 mm.

Plaques de CCM
• La couche d'adsorbant est fragile, éviter de mettre les doigts sur les plaques.
• Repérer à l’avance l’emplacement où seront effectués les dépôts. Pour cela, tracer un léger trait de crayon parallèle au bord inférieur de la plaque à une distance de 1,5 cm. Les dépôts seront effectués juste au-dessus de cette ligne, à 1cm du bord de la plaque et espacés de 1cm.

Dépôt du mélange et de l'authentique ( ou des authentiques)
• Chaque espèce ou mélange doit être déposé en solution diluée, sinon la silice se sature et les taches obtenues se retrouvent sous forme de traînées et sont donc mal séparées.
• Pour déposer une petite quantité de solution en un point précis, on utilise des tubes capillaires en verre ou des « piques à apéritif » dont le bout a été écrasé.
• Déposer la solution pendant une durée très brève afin d'éviter l'étalement du dépôt.
• Ne pas trop appuyer, pour ne pas détériorer la couche d'adsorbant.
• Le diamètre optimal de la tache est 2-3 mm.

Elution
• Bien sécher la plaque avant élution de manière à ce que le solvant des dépôts soit entièrement évaporé.
• Disposer la plaque dans la cuve, le dépôt doit être au-dessus du niveau de l'éluant.
• Éviter de déplacer la cuve ou de la faire vibrer pendant l'élution.
• Quand le front de l'éluant arrive à 1 cm du bord supérieur, retirer doucement la plaque, marquer au crayon le niveau atteint par le front de l'éluant ( hauteur H ).
• Sécher la plaque à l'air ou éventuellement au sèche-cheveux pour évaporer entièrement l'éluant.



Révélation
• Si les constituants sont colorés, ils sont directement visibles sur la plaque.
• La révélation aux UV permet de mettre en évidence sous forme de taches sombres des substances qui absorbent les UV vers 254 nm, elle nécessite l'emploi de plaques particulières comportant un révélateur UV.
• Les autres méthodes de révélation sont des méthodes chimiques : on met la plaque en contact avec un réactif plus ou moins spécifique de certaines fonctions, qui donne un produit coloré par réaction chimique avec les substances à révéler.( MnO4- , I2 , etc... )
. Mesurer les hauteurs h de migration des différentes taches et calculer les rapports frontaux
Rf = h/H . Identifier la (les) substance(s) par rapport au(x) authentique(s).
Activité 4a
Exercice

L’huile essentielle du clou de girofle

L’huile essentielle du clou de girofle, extraite par hydrodistillation, contient principalement deux composés : l’eugénol et l’acétyleugénol. On désire vérifier cette composition. On réalise une chromatographie sur couche mince.
Dans les conditions de l’expérience, les rapports frontaux sont :
Pour l’eugénol : Rf = 0,3
Pour l’acétyleugénol : Rf = 0,9
Déterminer parmi les chromatogrammes A, B et C proposés celui qui convient. Justifier la réponse.

A B C
 Front de l’éluant






 Ligne de dépôt



dépôt d’acétyleugénol
dépôt d’eugénol
dépôt d’huile essentielle




L’ordre des dépôts est identique pour tous les chromatogrammes

Activité 4b

Exercice

L’odeur d’amande amère


Cet exercice, proche d’une situation-problème prend appui sur le travail fait au laboratoire par les élèves et fait appel à leur mémoire de ces situations de terrain.


Le benzaldéhyde est une molécule à l'odeur caractéristique d'amande amère et on sait la synthétiser au laboratoire; c'est pourquoi, à défaut d'extrait d'amande amère, plus coûteux, il est souvent utilisé pour parfumer les pâtisseries et certaines boissons comme le sirop d'orgeat.

Dans cet exercice on se propose de répondre aux deux questions suivantes :
1. Comment extraire le benzaldéhyde de la boisson ?
2. Comment identifier s'il s'agit d'un extrait synthétique ou d'un extrait naturel d'amande amère ?

1) Extraction par un solvant
a) Choix du solvant

Tableau de données
BenzaldéhydeEauEther diéthylique (1)Ethanol (2)Benzaldéhyde
C7H6OTe = 178 °C
Tf = 56 °C
d = 1,04solubletrès solubletrès solubleEau
H2Opeu misciblesTe = 100 °C
Tf = 0 °C
d = 1,00peu misciblesmiscibles en toutes proportionsEther éthylique
C4H10Omisciblesnon misciblesTe = 35 °C
Tf = -116 °C
d = 0,71MisciblesEthanol
C2H6Omisciblesmiscibles en toutes proportionsmisciblesTe = 78 °C
Tf = - 114 °C
d = 0,80
Interpréter les caractéristiques physiques du benzaldéhyde.
Déduire des données du tableau le solvant approprié pour réaliser l'extraction du benzaldéhyde.

b) Mode opératoire (s’aider du travail fait au laboratoire)
- On prélève 10 mL de boisson parfumée.
Quel instrument choisir pour mesurer ce volume? En faire un schéma.

- On transvase dans un erlen et on ajoute 5 mL de solvant, on agite et on laisse reposer.
Qu'observe-t-on ?
Faire un schéma descriptif en précisant où se trouve le benzaldéhyde.
Comment peut-on le récupérer? Nommer le dispositif utilisé pour cette opération.
Comment éliminer le solvant?

2) Identification par chromatographie

- La cuve de chromatographie est préparée à l’avance. Décrire la procédure suivie.
- On prépare ensuite la plaque et on y dépose des microgouttes de :
1. benzaldéhyde commercial (B)
2. essence d'amande amère naturelle (A.A)
3. extrait de la boisson étudiée (Boisson)
Comment procède-t-on ? Quelles précautions faut-il prendre ?

- La plaque est ensuite introduite dans la cuve dont on referme le couvercle, et, sans la déplacer, on attend que le solvant ait migré jusqu'à 1cm du bord supérieur de la plaque,
- une fois sortie de la cuve, la plaque est séchée après qu'on a repéré le front du solvant,
- on éclaire la plaque avec une lampe U.V. et on obtient le chromatogramme suivant :



















3) Conclusions
L'extrait naturel d'amande amère (A.A) est-il constitué uniquement de benzaldéhyde (B) ?
La boisson étudiée est-elle parfumée à l'arôme de synthèse ou à l'extrait naturel ?
Contient-elle d'autres substances révélées par le chromatogramme ?


Activité 5


Nécessité de la chimie de synthèse

Cette activité peut donner lieu à une présentation par l’enseignant, accompagnée ou non d’une expérience de cours (le nylon par exemple), de travail dirigé sur documents ou cassette vidéo…


Secteurs« Produit » naturel utilisé auparavantCauses de sa substitution par un  « produit » issu de l’industrie« Produit » manufacturé de remplacement ; perfor-mance supplémentaireSynthèse indus-trielle, production annuelleAgricultureHabillementHygiène
et santéSport

Propositions de réponses

Secteurs« Produit » naturel utilisé auparavantCauses de sa substitution par un  « produit » issu de l’industrie« Produit » manufacturé de remplacement ; performance supplémentaireSynthèse industrielle, production annuelleAgricultureFumier, lisierAgriculture intensive, non-contrôle de la quantité d’éléments (N, P, K) apportésEngrais azotés : aminonitrate NH4NO3, ammoniac NH3, urée CO(NH2)2, engrais phosphatés, engrais potassiques
Apport bien contrôléNH4NO3
Matières premières :
N2 et CH4
Production mondiale et française :
Synthèse industrielle
Réaction en classe : dernière étape de la synthèse ;
NH3 + HNO3 NH4NO3HabillementSoie naturelle
Soie artificielle (dérivés de la cellulose) ou rayonneDifficulté obtention matière première, maladie du ver à soieNylon : fibre régulière, élastique, résistante et peu onéreuseNylon 6,6
Matière première : pétrole
Synthèse industrielle : acide aminocaproïque ou caprolactame
Réaction en classe : chlorure d’adipyle et hexaméthylène diamineColorants d’origine végétale : garance ou indigoAlizarine ; coût du produit de synthèse moins onéreux, 1 tonne d’alizarine de synthèse a le même pouvoir tinctorial que 100 tonnes de racines de garanceColorants azoïquesHygiène
et SantéCendres et graisseSavons : plus efficaces car carboxylates d’acides gras donnent des micelles… puis détergents : meilleurs en eaux dures, bonnes propriétés tensio-activesPréparation du savon et action détergente Décoction de plantes : écorce de saule…Quantité d’arbres à utiliserAspirine de synthèse : faible coût de production
paracétamol : même effet analgésique mais pas d’inconvénient hémorragique ou acideHémisynthèse de l’aspirine, du paracétamolSportBois, métalManque de performanceFibre de carbone, kevlar, plastiques, composites ; plus souples ou plus résistants selon les cas.Synthèse PVC, résine, urée formol, bakélite, mousse de polyuréthane…
Le choix des items, non exhaustifs, a été fait pour pouvoir les illustrer expérimentalement par quelques synthèses réalisées en cours ou en TP. Il est conseillé de faire dans ce cours un peu d’histoire de la découverte du « produit » de synthèse ou de l’évolution des matériaux au cours des âges ainsi que d’aborder un peu la chimie industrielle et ses différentes composantes : matières premières, étude du procédé (transformations mises en jeu, conditions expérimentales), unités de production en relation avec le cours de géographie, aspects économiques (marché en relation avec le cours de SES, valeur ajoutée...) , production annuelle, problèmes des rejets, avenir du procédé…

TP 4

Synthèses d’espèces chimiques

Ce TP vient après les compléments d’information 3 : nécessité de la chimie de synthèse.
L’élève est donc sensibilisé à l’importance de la synthèse.


Objectif d'apprentissage
Suivre un protocole de synthèse en respectant les consignes (sécurité, protection de l’environnement).


Des synthèses réalisables
conduisant à une espèce identique à celle extraite d’un produit de la nature

Acétate de linalyle contenu dans l'odeur de lavande.

Acétate de pentyle, contenu dans l’odeur de poire.

Salicylate de méthyle contenu dans l’écorce de saule (et commercialisé sous le nom d'essence de wintergreen).

Acétate de benzyle contenu dans l'odeur de jasmin.

Acétate de 3- méthylbutyle contenu dans l'odeur de banane.

Indigo (colorant).

Ces synthèses peuvent être réalisées à l'aide d'un réfrigérant à air. Il est souhaitable d'utiliser de faibles quantités de réactifs.
Schéma du montage (à légender) :














Remarque : La synthèse de l’acétate de linalyle permet, avec un coût raisonnable pour le TP, une comparaison entre une espèce extraite par les élèves et un produit de la nature (voir BUP, Canaud F. (1996). Aspic, lavande et lavandin, 789, p.1941-1950).


Autres exemples de synthèses

L’enseignant peut aussi choisir de faire réaliser d’autres expériences que celle d’une espèce extraite de la nature, par exemple : un médicament (paracétamol), un polymère (nylon), un colorant, un savon, etc. selon ce qu’il aura choisi de traiter en compléments d’information ou en expérience de cours pour illustrer la nécessité de la chimie de synthèse.
Les protocoles correspondants sont largement décrits dans différents ouvrages, recueil de sujets d’Olympiades, articles du BUP, etc.

Un protocole expérimental : synthèse de l’acétate de linalyle

Le port des lunettes et des gants est obligatoire.

1. Préparation de l'ester
Dans un ballon de 100 mL bien sec, introduire 5 mL de linalol.
Sous la hotte, ajouter 10 mL d’anhydride acétique mesurés à l’éprouvette bien sèche. Boucher .
Agiter quelques instants doucement en maintenant le bouchon.
Réaliser le montage à reflux (La longueur du reflux à air est de 50 à 60 cm).
Chauffer à reflux pendant une vingtaine de minutes (voir montage précédent).

2. Hydrolyse de l'excès d'anhydride acétique
Préparer 25 mL d’eau froide dans un bécher de 100 mL.
Arrêter le chauffage. Refroidir le ballon (tenu par une pince) sous un courant d’eau froide.
Verser doucement en agitant, le contenu du ballon dans le bécher. L’excès d’anhydride est détruit par hydrolyse.
Laisser refroidir, au besoin, le contenu du bécher.

3. Extraction
Verser le mélange dans l’ampoule à décanter.
Décanter.
Observer en vous aidant du tableau de données.
Eliminer la phase aqueuse.
Traiter la phase organique avec 30 mL de solution d'hydrogénocarbonate de sodium à 5%, jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de dégagement gazeux. Procéder avec précaution, le dégagement gazeux peut être important ; dégazer souvent.
Décanter, recueillir la phase organique dans un bécher.
Laver la phase organique avec 20 mL d'eau, éliminer la phase aqueuse.
Récupérer la phase organique dans un flacon. Ajouter un peu de chlorure de calcium anhydre.
Conserver la phase organique (acétate de linalyle) dans un flacon bouché pour réaliser la chromatographie dans le TP suivant.

Tableau de données
LinalolAnhydride éthanoïqueAcétate de linalyleAcide acétiqueDensité0,871,080,891,18Température d'ébullition (1 bar )199 °C139,5 °C220 °C85 °CSolubilité dans l'eauAssez faibleTrès solubleTrès faibleTrès soluble
La caractérisation par CCM sera réalisée dans le TP suivant (TP 5).

Remarque 
On peut réaliser la synthèse de l’acétate de pentyle selon le même protocole opératoire
en utilisant 5 mL de pentan-1-ol et 10 mL d'anhydride acétique.

Compléments TP4

Synthèse de l’acétate de linalyle

Exploitation

Généralités
Les esters sont responsables du goût et de l'odeur agréable de nombreux fruits et fleurs, et de parfums artificiels. Les parfums naturels et les senteurs doivent leur délicatesse à des mélanges complexes, souvent plus de cent substances. Les parfums artificiels peu coûteux sont souvent constitués d'un seul composé ou d'un mélange très simple. Ainsi l'éthanoate de 3-méthylbutyle est utilisé en solution alcoolique comme arôme de banane dans certaines eaux minérales et sirops.

L'acétate d'isoamyle ou l'éthanoate de 3-méthybutyle fait partie de la catégorie chimique des esters ; il existe d'autres esters utilisés comme arômes alimentaires (voir les esters dans les apports théoriques : arômes alimentaires).

Ecriture de la réaction chimique de synthèse
A cette époque de l'année , l'équation de réaction de synthèse de l'acétate de linalyle s'écrit sous la forme :

C10H18O + C4H6O3 C12H20O2 + C2H4O2
linalol anhydride acétique acétate de linalyle acide acétique

Les recommandations de l'UIAPC préconisent pour les acides carboxyliques et les esters " que le nom usuel est en général préférable " (Source : Société Française de Chimie).

Commentaires sur les différentes étapes de cette synthèse
Le chauffage permet d’accélérer la réaction, donc de réduire le temps.
L’addition d’une solution saturée d’hydrogénocarbonate de sodium permet de neutraliser le mélange formé, à savoir de transformer l’acide acétique en acétate de sodium.



Quelques questions
Que signifie le mot reflux ? A quoi sert le réfrigérant à air ? Que se passerait-il si on ne mettait pas de réfrigérant ?

Indiquer le rôle du chauffage.

Indiquer le rôle de la pierre ponce.

Faire une phrase, qui explique le rôle d'un chauffage à reflux.

Pourquoi le réfrigérant doit-il rester ouvert à son extrémité supérieure ?
Dessiner l'ampoule à décanter et y placer la phase aqueuse et la phase organique. Indiquer dans quelle phase se trouve l'acétate d'isoamyle lors de la décantation. De quel(s) renseignement(s) avez-vous besoin pour répondre à cette question ?

Quelle est la nature du gaz qui se dégage lors du lavage avec la solution d'hydrogénocarbonate de sodium ?

Quel est le rôle du séchage ?

Qu'est-ce qu'une CCM ?

Activité 6a


Travail sur texte

Espèces chimiques naturelles et espèces chimiques synthétiques
Une petite histoire : l’ivoire des boules de billard


On raconte qu'en 1863 aux Etats-Unis, le billard faisant rage dans les "saloons", les boules blanches et rouges vinrent à manquer par pénurie d'ivoire. Un prix de 10.000 dollars fut promis à tout inventeur d'un produit de remplacement.
Les frères HYATT, alléchés par la proposition, utilisèrent comme point de départ une macromolécule naturelle aisément accessible : la cellulose (ils ne savaient pas à l'époque qu'il s'agissait d'une macromolécule).
Traitant la cellulose par un mélange d'acide nitrique et sulfurique, ils obtinrent le nitrate de cellulose, mais ce produit ne pouvait pas être moulé sans l'adjonction d'un plastifiant. L'addition de camphre en présence d'un solvant à base d'alcool fit l'affaire ; on obtint un plastique moulable et facile à colorer : le celluloïd.

D'après Histoires des plastiques, Edition et Documentation industrielle.


Questions

Citer quelques origines de l'ivoire.

Quelles sont les principales qualités de l'ivoire ?

Qu'est-ce qu'une macromolécule ? Donner des exemples de macromolécules naturelles et synthétiques.

Où trouve-t-on la cellulose ?

La cellulose est considérée comme un polymère naturel du glucose. Quelle est la formule brute du glucose ?

Donner les formules des acides cités dans le texte.

Le camphre est-il une substance naturelle ou (et) synthétique ? Donner des exemples d'utilisation du camphre

Peut-on classer le celluloïd dans les substances naturelles ou synthétiques ?

Donner une application du celluloïd.
Activité 6b


Travail sur texte

Espèces chimiques naturelles et espèces chimiques synthétiques
L’histoire de la margarine


Depuis des siècles, les hommes ont fait du beurre. L'histoire de la margarine ne commence qu'à la fin des années 1860. Dans les années 1850-1860, le développement des transports maritimes et la guerre de Crimée qui maintiennent les marins et soldats éloignés des sources d'approvisionnement en beurre frais, s'ajoutant à la poussée démographique dans les villes, amènent les pouvoirs publics à souhaiter disposer d'un succédané de beurre plus facile à transporter et à conserver, et venant accroître la quantité de matières grasses alimentaires disponible. Dans la perspective d'une guerre avec la Prusse, en 1866, Napoléon III offre une récompense à qui pourra produire un substitut du beurre pour ses troupes. Dans le discours de lancement du concours, il déclare qu'il faut « découvrir un produit propre à remplacer le beurre ordinaire pour la marine et les classes sociales peu aisées (sic). Ce produit doit être d'un prix de revient modique et être capable de se conserver sans contracter goût âcre et odeur forte ».
En 1869, l'inventeur français Mège-Mouriès propose un produit auquel il attribue le nom d'oléomargarine (du latin oléum : graisse et du grec margaron: perle, donc « perle de gras »), emprunté à Chevreul ; le produit final avait une consistance granuleuse et un aspect moiré comme les perles. Ayant observé que la graisse du lait se formait à partir du tissu adipeux dans le corps de l'animal, il imita le processus en fondant de la graisse de bœuf digérée par de la pepsine à 45°C, mélangée à du sel et du lait écrémé, et refroidie jusqu'à la consistance du beurre.
En 1872, la première usine de margarine fut érigée en Allemagne. Ce n'est qu'après la seconde guerre mondiale que la production a atteint sa pleine extension. Aujourd'hui, elle dépasse la production mondiale de beurre. Le procédé de Mège-Mouriès a bien sûr beaucoup évolué depuis 1869, notamment la margarine n'est plus préparée à partir de graisse de bœuf mais à partir de matières grasses végétales.
Les huiles utilisées pour préparer les margarines sont celles de soja, maïs, arachide, palme, palmiste, coprah, tournesol … Les huiles, en l'état ou hydrogénées, sont chauffées à 40°C environ puis mélangées dans les proportions voulues.
La Chimie du petit déjeuner (M. Terrien et J. Fournier)


Questions

Comment prépare-t-on le beurre à partir du lait ?
Citer d'autres matières grasses animales. Citer des matières grasses végétales.
Quel progrès technique justifie le développement des transports maritimes dans les années 1850-1860 ?
Que signifient les termes soulignés dans le texte ?
Rédiger une courte notice biographique de Chevreul.
Quelles qualités, que ne possède pas le beurre, demande-t-on à la margarine ?
Relever la phrase qui précise la transformation chimique donnant naissance à la première margarine.
Relever sur un emballage de margarine la nature de son composant essentiel.
Activité 6c

Exercice

Synthèse





L’acétate d’isoamyle a l’odeur de banane. Il peut être obtenu par synthèse à partir de l’anhydride acétique et de l’alcool isoamylique.

Données

L’alcool isoamylique a pour densité d = 0,81 et est très peu soluble dans l’eau.
L’anhydride acétique a pour densité d = 1,08, il est très soluble dans l’eau. Il donne avec l’eau de l’acide acétique.
L’acide acétique a pour densité d = 1,05, il est très soluble dans l’eau.
L’acétate d’isoamyle a pour densité d = 0,87 et est très peu soluble dans l’eau.

Début du mode opératoire

Mettre dans un ballon 5 mL d’alcool isoamylique et 10 mL d’anhydride acétique.
Adapter un réfrigérant à boules et placer l’ensemble dans un chauffe-ballon électrique.
Porter à ébullition douce pendant une heure.
Après refroidissement verser le contenu du ballon dans une ampoule à décanter. Ajouter 50 mL d’eau froide, après avoir agité et laissé décanter, éliminer la phase aqueuse.


Questions

1. Quels sont les dangers de l’anhydride acétique ? Comment se protéger ?
2. Pourquoi utilise-t-on un chauffe ballon électrique ?
3. Faire un schéma simplifié du ballon muni du réfrigérant à boules. On indiquera le chemin suivi par l’eau de refroidissement et celui suivi par les vapeurs.
4. Comment s’appelle ce type de chauffage ? Quel est son intérêt ?
5. Représenter l’ampoule à décanter en précisant sur le schéma les positions relatives des phases aqueuse et organique après décantation.
6. Sachant que l’anhydride acétique a été mis en excès, quelle est la composition probable de la phase aqueuse ?
7. Quelle est la composition théorique de la phase organique ? Peut-on se contenter d’un seul lavage ?
TP 5
Extraction en vue d’identification et comparaison


Extraction par hydrodistillation de la lavande

Il semble préférable de considérer cette manipulation comme une expérience faite par l’enseignant devant les élèves, compte tenu de sa longueur, du matériel utilisé, d’opérations délicates à réaliser par les élèves (ouverture d’eau pour les réfrigérants par exemple) et du temps qu’elle demande.

On a réalisé la synthèse de l'acétate de linalyle à partir du linalol et de l'anhydride éthanoïque.
Comment peut-on identifier cette espèce chimique synthétique ?
Cette espèce synthétisée est-elle identique à la même espèce obtenue à partir de la lavande naturelle ?

Hydrodistillation de la lavande

Pour extraire l'huile essentielle de la lavande ou du lavandin, on utilise une technique très ancienne : l'hydrodistillation.
Le montage utilisé par l’enseignant est donné ci-dessous.
On introduit dans le ballon 10 g de fleurs de lavande et 100 mL d'eau. On chauffe à ébullition le mélange jusqu'à obtenir environ 60 mL de distillat.

Schéma du montage (à légender) :















Questions relatives à l'hydrodistillation.
Annoter le schéma ci-dessus.
Indiquer sur le schéma l'arrivée et la sortie de l'eau du réfrigérant.
A partir de quel moment va-t-on recueillir le distillat ?
Expliquer le principe de la technique employée.
Quel est l'aspect du distillat obtenu ? Recueille-t-on de l'huile essentielle ?
f) Quelle odeur a le distillat obtenu ?

Extraction de l'huile essentielle de lavande

Si l’enseignant a déjà réalisé cette extraction, interpréter le mode opératoire utilisé.
1ère étape : Ajouter 3 g de chlorure de sodium au distillat obtenu et agiter pour dissoudre le sel.
2ème étape : Transvaser la solution obtenue dans une ampoule à décanter et y ajouter 10 mL de cyclohexane.
3ème étape : Agiter l'ampoule à décanter en n'oubliant pas de la purger assez régulièrement.
4ème étape : Laisser reposer.
5ème étape : Recueillir dans un bécher sec la phase organique.
6ème étape : Ajouter dans le bécher du carbonate de potassium anhydre et agiter avec une tige en verre.
7ème étape : Filtrer la phase organique et la garder pour réaliser une CCM.


Données : regarder avec attention le tableau suivant.

eaueau saléecyclohexaneacétate de linalyledensité1,00(1,10,780,89solubilité dans l'eaunullefaiblesolubilité dans l'eau saléenulletrès faiblesolubilité dans le cyclohexanenullenulletrès soluble
Questions relatives au protocole d'extraction

1. Pourquoi ajoute-t-on du sel au distillat ? Deux raisons peuvent être invoquées.
2. Pourquoi ajoute-t-on du cyclohexane ?
3. Pourquoi faut-il agiter l'ampoule à décanter et la purger de temps en temps ?
4. Quel est le rôle de la 4ème étape ? Comment appelle-t-on cette étape ?
5. Représenter l'ampoule à décanter et y indiquer clairement la nature des deux phases.
6. Quelle phase faut-il recueillir ?
7. Quel est le rôle du carbonate de sodium anhydre ?

TP 5
Identification et comparaison

Identification de l'acétate de linalyle synthétisé au cours du TP4

Comparaison de l'acétate de linalyle synthétisé
et de l'huile essentielle extraite de la lavande par hydrodistillation



Préparation de la cuve à élution
Mettre dans la cuve le morceau de papier filtre et le volume donné par l’enseignant de dichlorométhane. Fermer la cuve.
.
Préparation de la plaque de chromatographie
Préparer la plaque (5 ( 10 cm) de façon à réaliser 4 dépôts.

Réalisation des dépôts
Dépôt A : le linalol en solution dans du dichlorométhane.
Dépôt B : l'acétate de linalyle ( la référence ) en solution dans du dichlorométhane.
Dépôt C : l'acétate de linalyle que vous avez synthétisé. Mettre dans un petit bécher 5 mL de dichlorométhane et 10 gouttes de votre préparation.
Dépôt D : l'huile essentielle de lavande préparée par l’enseignant.

Elution et révélation
Procéder à l'élution. Retirer la plaque de la cuve et repérer le front de l'éluant.
Sécher la plaque à l'air et révéler les taches avec le bocal contenant du sable et du diiode. Entourer les taches au crayon à papier.

Questions relatives à la chromatographie

L'essence de lavande contient-elle de l'acétate de linalyle ? du linalol ?
Votre préparation contient-elle de l'acétate de linalyle ? Contient-elle d'autres espèces chimiques ?
Votre préparation contient-elle du linalol ? Est-ce que les différents lavages effectués ont été suffisants pour purifier l'acétate de linalyle ? Que pensez-vous de l'acétate de linalyle de référence fabriqué par une société industrielle ?

TP 5
Situation problème expérimentale

Une situation problème en TP

Identification d’une espèce chimique synthétique
et comparaison avec une espèce extraite de la nature

La proposition suivante utilise la chromatographie ; elle a pour objectif d’amener l’élève à comparer l’espèce chimique synthétisée avec un extrait naturel comportant la même espèce chimique que celle de synthèse.

Objectifs
Proposer une méthode expérimentale pour comparer deux espèces chimiques en s’aidant d’un tableau de données.
Savoir interpréter, discuter et présenter les résultats d’une analyse comparative.

Questions sur un exemple : l’eucalyptol
L’espèce chimique de synthèse achetée dans le commerce est-elle identique à l’huile essentielle extraite de la nature* ?
Est-il possible d’identifier dans l’huile essentielle la présence d’eucalyptol ?
* L’huile essentielle peut être achetée dans le commerce et/ou préparée par les élèves au laboratoire.

Démarche proposée pour répondre aux questions en laissant une autonomie à l’élève :
extraction de l’huile essentielle contenue dans les feuilles d’eucalyptus, par exemple.
Les indications pratiques se trouvent dans le TP 5 évalué.

Après avoir donné la définition d’une décoction, l’élève met en œuvre cette technique.
A l’aide d’un tableau de données (températures de changement d’état, solubilité, densité), à pression atmosphérique et à température connues, l’élève :
prévoit l’état physique d’une espèce chimique,
choisit un solvant approprié pour faire une extraction,
prévoit le liquide surnageant dans un système constitué de deux liquides non miscibles.
L’élève effectue l’extraction.

Chromatographie
L’éluant est donné, le révélateur est précisé.

Remarque 
On peut envisager de construire une situation-problème à partir des caractéristiques physiques d’autres produits et de confier à l’élève la construction et la réalisation d’un protocole expérimental, par exemple l’acétate de linalyle…

TP 5
TP évalué
Un exemple de TP évalué : l’eucalyptol

Descriptif du sujet destiné aux enseignants

Objectifs visés lors de ce T.P. évalué :
Réaliser une expérience répondant à un objectif en respectant les consignes (sécurité, protection de l'environnement).
Reconnaître, choisir et utiliser le matériel de laboratoire.
Faire le schéma d'une expérience.
Savoir interpréter, discuter et présenter les résultats expérimentaux d'une analyse comparative.
Ce sujet comporte deux parties :
- une extraction avec une ampoule à décanter,
- une chromatographie sur couche mince (CCM).
Le protocole de l'extraction est fourni, l'élève mène seul la chromatographie mais l’enseignant indique l'éluant et le révélateur ; l'élève réinvestit des savoir-faire déjà mis en œuvre, il est noté selon une grille de compétences expérimentales établie et sur ses réponses aux questions posées.

PREPARATION
Obtention de la décoction pour deux élèves
Peser environ 10 g de feuilles d'eucalyptus globulus.
Les émietter très finement puis les introduire dans un erlenmeyer de 125 mL.
Ajouter 50 mL d'eau bouillante, adapter un réfrigérant à air sur l'erlenmeyer.
Chauffer à reflux 15 à 20 minutes, laisser refroidir, la décoction est prête.
Décanter ou filtrer sur coton de verre afin de recueillir la solution.

Préparation de l'éluant
L'éluant utilisé contient en volume 70% de cyclohexane et 30% d'acétate d'éthyle. Porter sur le flacon le pictogramme "nocif". Les cuves sont préparées à l’avance avec l’éluant.

Préparation du révélateur
Révélation au diiode.
Respect de l'environnement : placer sur la paillasse du professeur des flacons de récupération étiquetés si vous ne possédez pas les bidons ad hoc.

Conseils sur la préparation du poste de travail
Bien séparer sur la paillasse le matériel nécessaire à l'extraction de celui pour la chromatographie.
Etiqueter soigneusement les flacons : éluant, eucalyptol de synthèse, révélateur.

Conseils sur le déroulement de l'épreuve et sur l'évaluation :
Le candidat doit faire appel au professeur trois fois au cours d'épreuve :
- une fois pour vérifier la bonne utilisation de l'ampoule à décanter et le rebouchage du flacon de cyclohexane après utilisation,
- une fois au moment du dépôt des microgouttes sur la plaque de chromatographie, l’enseignant vérifie alors la position des points et le diamètre le plus petit possible des microgouttes sur la plaque,
- une fois pour la révélation du chromatogramme, l’enseignant observe et apprécie les taches obtenues (vérification qui peut se faire après le départ des élèves).

Organisation possible
On peut suivant le matériel disponible faire travailler une moitié de la classe pendant que l'autre moitié cherche un exercice, puis permuter.


Fiche élève

L’eucalyptol

L'eucalyptus est un grand arbre dont les feuilles très odorantes possèdent des poches sécrétrices contenant des huiles essentielles, celles-ci sont contenues dans la solution proposée.

On vous propose de répondre expérimentalement aux deux questions suivantes :

Question 1
L’espèce chimique de synthèse achetée dans le commerce est-elle identique à l’huile essentielle extraite de la nature ?

Question 2
Est-il possible d’identifier dans l’huile essentielle la présence d’eucalyptol ?


Pour cela il faut d'abord isoler par extraction les huiles essentielles, puis effectuer une identification par chromatographie. A l'issue de celle-ci répondre aux questions posées.


1. Extraction des huiles essentielles de la solution proposée

A l'aide d'une éprouvette graduée, mesurer 25 mL de la solution proposée et la verser dans une ampoule à décanter.
A l'aide de la pipette graduée, y ajouter 2 mL de cyclohexane.

Appeler l’enseignant

Agiter doucement, en dégazant plusieurs fois.
Extraire la phase organique et la recueillir dans un pilulier, boucher.
Etiqueter le pilulier : huile extraite.


2. Chromatographie

Attention ! Regarder le pictogramme de l'éluant

Appeler l’enseignant au moment de déposer les microgouttes

Réaliser la chromatographie.

3. Révélation

Révéler au diiode

Appeler l’enseignant

4. Réponses aux questions

5. Remise en état du poste de travail

Récupérer les produits dans les flacons étiquetés "récupération"

Appeler l’enseignant




Feuille réponse

NOM :


DOCUMENT REPONSE


Document à compléter pendant l'épreuve et à rendre à l’enseignant


1. Dessiner le schéma de l'ampoule à décanter, en indiquant les positions relatives des phases aqueuse et organique.


2. Que signifie le pictogramme porté par le flacon de l'éluant ?


Répondre aux questions posées :

Question 1
L’espèce chimique de synthèse achetée dans le commerce est-elle identique à l’huile essentielle extraite de la nature ?
Justifier la réponse.

Question 2
Est-il possible d’identifier dans l’huile essentielle la présence d’eucalyptol ?
Justifier la réponse.


















Fiche évaluation expérimentale

GRILLE DE COMPETENCES



AppelsVérificationsEvaluationPremier appel
Ampoule à décanterReboucher le flacon de cyclohexane*Ampoule à décanter tenue renversée lors de l'agitation*Robinet ouvert lors du dégazage*Bouchon retiré quand l'ampoule est sur son support*Deuxième appelUtilisation du crayon à papier*Place du trait de dépôt par rapport au niveau de l’éluant*Place des dépôts*Taille des microgouttes*Changement de pipette après chaque prélèvement*Troisième appelRepérage du front du solvant*Soin de la chromatographie*Quatrième appel
Fin de séanceRemise en état du poste de travail :
récupération des produits, rinçage de la verrerie, propreté du poste**
D’autres items peuvent être proposés comme, par exemple, vérification de la fermeture de la cuve à élution (couvercle vissé), identification des dépôts par un repère écrit sur le papier, etc.
Feuille barème général

NOM :


Barème

Note
Evaluation pendant la séance
(dans la grille de compétences, chaque étoile vaut 1 point)


13
Exploitation des résultats expérimentaux

Schéma de l'ampoule à décanter (forme, proportion, place des phases)

2
Signification du pictogramme

1
Question 1
2

Question 2

2
NOTE sur 20


Compléments d’information


Les arômes alimentaires
Avec l’aimable collaboration de Monsieur Hubert Richard, professeur
ENSIA, 1 avenue des Olympiades, 91744 Massy


Classification selon le codex alimentaire

Le codex alimentaire classe les substances aromatisantes en trois catégories :
- Naturelles, si elles sont isolées d’un aromate par des procédés physiques (distillation, extraction par solvant volatil, expression).
- Identiques aux naturelles, si elles sont obtenues par synthèse : leur constitution chimique est identique à celles des substances naturelles destinées à la consommation humaine.
- Artificielles, si elles n’ont pas été identifiées dans un produit naturel destiné à la consommation humaine.


Un peu de vocabulaire

Un produit alimentaire contient de nombreuses espèces odorantes, que l’on peut percevoir de deux manières, soit par voie nasale directe, ce qui caractérise l’odeur, soit par voie rétronasale lorsque l’aliment est placé dans la bouche, ce qui donne naissance à l’arôme. Ces deux perceptions font partie d’un ensemble désigné sous le nom de flaveur et qui regroupe la saveur, l’astringence, l’odeur, l’arôme et la pseudo-chaleur.

Les saveurs fondamentales sont au nombre de quatre : acide, amer, salé, sucré ; on peut en adjoindre une cinquième : umami (glutamate de sodium).
Astringence : qualité de ce qui resserre les tissus (ou diminue la sécrétion).
Pseudo-chaleur : sensation d’un changement de température dans la bouche, par exemple impression de fraîcheur provoquée par le menthol contenu dans la menthe ; c’est encore l’effet de feu occasionné par la capsaïcine du piment enragé.


Espèces odorantes

Ces composés odorants, que l'on désigne sous le nom d'arômes, c'est-à-dire sous le même vocable que la perception correspondante, sont des molécules organiques de faible masse moléculaire. Ils ont une pression partielle de vapeur suffisamment élevée à la pression atmosphérique et à la température ambiante pour qu'une fraction se retrouve dans l'atmosphère gazeuse environnant le produit alimentaire. Au cours de la respiration, ils atteignent la muqueuse olfactive et provoquent un stimulus.

Ces constituants volatils appartiennent aux différentes classes de la chimie organique; on trouve des hydrocarbures, généralement de nature terpénique, et des composés possédant un ou plusieurs groupements fonctionnels : alcool, éther-oxyde, aldéhyde, cétone, ester, amine, amide et divers hétérocycles. Ils n'apportent aucune contribution nutritive à l'aliment dans lequel ils se trouvent. Ils sont parfois sensibles à la chaleur et à la lumière ce qui nécessite de les conserver à l'abri de la lumière et de l'humidité.

Un arôme naturel représente pondéralement une part infime du produit alimentaire dans lequel il se trouve, et pourtant, il est constitué de plusieurs centaines de composés volatils : plus de 800 composés dans l'arôme de café.

Mais parmi cette multitude de constituants, tous ne jouent pas le même rôle. Selon la nature de l'aliment, on peut distinguer trois cas de figures :

1). La note aromatique typique du produit alimentaire est donnée par un seul composé : cuminaldéhyde du cumin, oct-1-én-3-ol du champignon, (+) menthol de la menthe poivrée etc. (Figure 1).

Figure 1.- Quelques molécules d'arôme caractéristiques


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2). Plusieurs composés peuvent reproduire ou donner l'illusion de l'aliment :
- arôme de pomme avec le 2-éthylbutyrate de méthyle, le trans-hex-2-énal et l'hexanal (Figure 2),
- arôme de la pêche avec les (-lactones en C6, C8 et C10, la (-lactone en C10, divers esters, alcools, acides et le benzaldéhyde (Figure 3).

3). Aucun des composés chimiques volatils identifiés dans un produit ne semble participer à la note caractéristique : cas du poivre et des arômes de chocolat.

Figure 2.- Quelques composés clefs de l'arôme de pomme

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Figure 3.- Quelques composés clefs de l'arôme de pêche


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Certaines molécules odorantes peuvent exalter des saveurs sucrées ou des perceptions olfactives, comme le maltol, l'éthylmaltol (arôme artificiel) et le furanéol ; on dit que ce sont des exhausteurs (Figure 4).

Figure 4.- Quelques exhausteurs


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Les matières premières de l’aromatisation
Extrait de l’article de B. MAYER (1991) Pour la science, 160, p. 31
 HYPERLINK "http://www.pourlascience.com" http://www.pourlascience.com

Attention ! La nomenclature utilisée dans ce tableau ne prend pas en compte les normes actuelles de la nomenclature officielle.



Entrées historiques

Eléments d’histoire de l’extraction des huiles essentielles (1)

Evolution des techniques de distillation

Les principes odoriférants des plantes peuvent être extraits par divers moyens (largement exposés en particulier dans les ouvrages correspondant aux programmes de Terminale actuellement en vigueur). Les extractions par l’eau, l’huile ou les graisses sont utilisées depuis la plus haute antiquité, notamment en Egypte. Le procédé de distillation est sans doute plus récent.

C’est à ce dernier que nous allons nous intéresser plus particulièrement. Ce procédé, sous une forme rudimentaire était certainement utilisé au début de notre ère. Les historiens pensent que l’Ecole d’Alexandrie, fondée au IIIe siècle avant Jésus-Christ, en a été l’initiatrice. Dioscoride Pedianos, au Ier siècle de notre ère, décrit ce procédé de transformation. Grec d’Asie mineure, il fait des études de médecine, devient médecin militaire sous Néron et parcourt l’Europe. On lui doit des écrits sur la médecine et la pharmacie. Il décrit des procédés de fabrication de remèdes dont des onguents ainsi que des techniques de transformation comme la distillation, la sublimation, la cristallisation et des appareils dont le bain-marie. Ses écrits ont profondément influencé Pline et il est cité fréquemment par Galien. Selon Jean-Baptiste Dumas, il décrirait l’appareil distillatoire sous le nom d’ambix.

Les Arabes développent le procédé de distillation pour fabriquer en particulier des parfums à grande échelle. Des manuscrits byzantins alchimiques du Xe siècle qui présentent de nombreux dessins d’appareils dont des alambics, des chaudières et le bain-marie, s’inspirent également des écrits de Dioscoride. Les Croisés rapporteront d’Orient la technique de l’alambic.

Au Moyen Age, l’alambic alexandrin est remplacé par l’alambic de forme classique. L’alambic alexandrin était constitué d’une cucurbite que l’on chauffait et au-dessus de laquelle était placé un condenseur en forme de cœur que l’on refroidissait par des chiffons humides. Le nouvel alambic comporte un déversoir en forme de serpentin qui baigne dans une cuve à circulation d’eau. Cette forme classique va subsister jusqu’au XVIIIe siècle.

Au cours de la Renaissance, la distillation ne subit pas d’innovations décisives. Mais les appareils se perfectionnent, croissent en taille et en rendement. Léonard de Vinci propose bien quelques nouveautés dont le refroidissement du chapiteau par un courant d’eau sans contact avec le distillat mais son dessin ne paraît pas avoir été applicable. Sous Louis XIV, une ordonnance de Colbert, comme pour d’autres domaines de l’économie du pays, légifère les ateliers de distillation.

L’Encyclopédie de Diderot, ou Dictionnaire raisonné des sciences et des arts, propose, dans un volume de planches, les appareils utilisés dans un laboratoire de chimie. Les ustensiles ou différents appareils servant à la distillation y sont abondamment représentés. Rien dans le principe ne distingue un appareil du XVIIIème siècle d’un appareil de la Renaissance, voire de la période précédente.

Pierre-Joseph Macquer (1718-1784), dans son Dictionnaire de Chymie, paru en 1766, réédité en 1774, définit les mots suivants : alambic, distillation, huiles dont huiles essentielles, ce qui nous permet de préciser nos idées sur la connaissance et l’usage que l’on faisait de ces huiles ainsi que le rôle des différentes parties de l’appareillage (voir textes).

Au début du XIXe siècle, donc après la révolution chimique initiée par Lavoisier (1743-1794), le Dictionnaire des sciences naturelles écrit par les professeurs du jardin du Roi (Muséum d’histoire naturelle sous la direction de Cuvier), redéfinit la distillation et les huiles essentielles dans des termes plus modernes. Chevreul a été chargé d’écrire les articles distillation, huiles dont huiles essentielles (voir textes).

Au XIXe siècle, recueillir le distillat se fait couramment dans un vase florentin qui doit son nom à la ville de Florence où il a été utilisé pour la première fois. Le vase est muni d’une tubulure latérale à la partie supérieure pour les huiles plus lourdes que l’eau, à la partie inférieure pour les huiles plus légères. Ce vase permet de séparer en continu l’eau et l’huile. L’eau est toujours recueillie soigneusement et remise dans l’alambic. Déjà chargée en essence, elle permet une meilleure distillation.

Au début de la seconde moitié du XIXe siècle, on commence à s’intéresser à la distillation fractionnée du goudron de houille, résidu encombrant et inutilisé jusqu’ici des usines de production de gaz d’éclairage. Ces goudrons produisent rapidement de grandes quantités de benzène, de toluène et d’aniline. Les chimistes fabriquent alors les premiers colorants artificiels, puis au cours des décennies suivantes, les premiers médicaments et les parfums de synthèse. La vanilline, principe odorant de la vanille, peut être considérée comme le premier parfum de synthèse. En 1874, si on détaille encore le procédé d’obtention de la vanilline naturelle, on considère déjà que la molécule de synthèse a un avenir commercial.
Le bouleversement opéré par cette chimie naissante issue des substances extraites du goudron de houille puis par la synthèse de produits nouveaux, ou de produits naturels déjà exploités industriellement ou artisanalement, a contribué à donner de la chimie, une image forte de progrès. La fin du XIXe siècle est marquée par l’édition de nombreux ouvrages, dictionnaire de chimie, encyclopédie chimique, précis de chimie industrielle, histoire de l’industrie, etc., qui montrent la volonté de la société de faire le point sur, en quelque sorte, une nouvelle révolution.
L’industrie des parfums très traditionnelle doit se restructurer à la fin du XIXe siècle. Le chimiste fait son apparition chez le parfumeur. En 1908, J.P. Durvelle, chimiste-parfumeur, comme il se présente, écrit :
« Depuis la première apparition de cet ouvrage, l’industrie des parfums a réalisé des progrès que nul n’aurait osé entrevoir à l’époque. Les nombreuses recherches faites dans la voie des parfums synthétiques ont eu pour point de départ l’étude des essences et des parfums naturels et de leurs éléments. Pour imiter les productions de la nature, il a fallu scruter ses voies, découvrir ses méthodes, discerner les variantes que dans sa souplesse incomparable elle y apporte suivant les circonstances de temps, de lieu, de sol, de climat, de température, étudier les influences dues à l’intervention de l’homme, aux soins apportés à la culture des plantes aromatiques, à l’emploi des engrais, aux procédés d’extraction des parfums, etc. Il s’ensuit que les progrès réalisés dans l’industrie des parfums artificiels ont jeté un vif éclat sur l’étude des parfums naturels et contribué puissamment au développement scientifique de cette industrie. »
Durvelle ajoute plus loin que les éléments constitutifs des huiles essentielles sont : les terpènes, les alcools, les éthers, les aldéhydes, les cétones, les phénols, les éthers de phénols, les lactones, les composés sulfurés et les paraffines. Il propose donc d’étudier ces fonctions avant de décrire chaque essence.
Les procédés de distillation avaient déjà été considérablement améliorés. Il reste cependant des problèmes à résoudre. Les éthers contenus dans un grand nombre d’huiles essentielles sont partiellement saponifiés par la vapeur au cours de la distillation. Certains composants très importants pour le parfum de l’essence passent dans l’eau de la distillation et ne peuvent en être extraits complètement par le procédé usuel de cohobation (distillations répétées pour obtenir une plus grande concentration) et parfois sont partiellement décomposés. Et puis, il se produit dans la distillation des produits de décomposition volatils, de mauvaise odeur, qui déprécient les parfums. Il faut donc procéder autrement.
Si le principe de l’appareillage est toujours le même, on travaille maintenant au cas par cas, avec des solvants différents, afin de respecter au mieux la molécule que l’on désire extraire. La distillation avec solvant alcoolique est pratiquée déjà depuis le milieu du XIXe siècle. Dans la seconde moitié du XIXe siècle, on pratique la distillation sous atmosphère très réduite ou dans un courant de gaz carbonique. Dans la distillation sous pression atmosphérique, les essences perdent aussi de leur finesse à cause de la chaleur et du contact prolongé avec le métal de la cucurbite. A la fin du siècle, on maîtrise mieux la distillation sous vide. Par exemple, la maison Schimmel et Cie, de Liepzig, qui publie un bulletin chaque trimestre, dévoile sa réussite, sans pour autant livrer son secret, en avril 1890 :
« Après des essais qui ont duré des années, nous avons réussi à résoudre le problème de la distillation dans le vide d’une manière pratique. Le premier appareil de ce genre, de grandes dimensions, a été construit dans nos propres ateliers. Les résultats qu’il nous a fournis jusqu’à ce jour nous permettent d’affirmer que la distillation des essences dans le vide est une conquête précieuse pour notre industrie. Le vide auquel nous atteignons nous permet de supprimer les inconvénients de l’emploi de la chaleur sur les essences délicates, facilement décomposables ; leur qualité est de beaucoup supérieure à celle des essences fabriquées d’après les anciens procédés ». Ce procédé est principalement utilisé pour les essences sans terpènes.
Aujourd’hui, certaines extractions se pratiquent avec des solvants volatils. La basse température d’ébullition permet en particulier d’éviter cette décomposition tant redoutée des molécules odorantes les plus fragiles. Enfin, une technique particulière, au dioxyde de carbone supercritique, permet d’éviter une partie des inconvénients précités pour l’extraction des arômes.
On trouvera ci-après deux textes, l’un extrait du Dictionnaire de chimie de Wurtz, faisant le point sur la question des huiles essentielles en 1874, l’autre, de 1908, sur l’utilisation du récipient florentin.

Beaucoup reste à dire sur les procédés d’extraction des principes odorants des plantes. L’expression, l’enfleurage et la macération sont des procédés très anciens, toujours utilisés. La découverte et l’identification de chaque molécule odorante au cours du XIXe siècle ne peuvent être séparées de l’évolution théorique de la chimie. Outre ce dernier aspect, des recherches locales sur l’imbrication entre théorie et production artisanale et (ou) industrielle pourraient se révéler motivantes pour les élèves des régions concernées. Dans le domaine des huiles essentielles, les techniques très traditionnelles, ne nécessitant qu’un cadre artisanal, ont tout à fait leur place à côté des industries utilisant la plus haute technologie. Ce n’est pas le moindre paradoxe de cette chimie au naturel qui tient tout autant du synthétique !

Les textes que l’on trouvera ci-après peuvent être utilisés avec les élèves. Ils insistent sur les conditions physiques à remplir pour conduire correctement une distillation, sur les caractères propres à une huile essentielle, et sur ce qui la distingue d’une huile végétale fixe comme l’huile d’olive par exemple.
On peut donner ces textes en entier ou par morceaux, selon l’objectif que l’on se propose d’atteindre. L’orthographe et la ponctuation originelle ont été conservées. Chaque enseignant pourra éventuellement les adapter à la langue moderne. Les italiques sont ceux du texte originel. Parfois nous donnons une information entre crochets dans le texte.

Danielle Fauque, GHDSO, Paris XI-Orsay.

Eléments d’histoire de l’extraction des huiles essentielles (2)

Conceptions de la chimie et techniques de laboratoire


Sans revenir aux conceptions anciennes, rappelons que la distillation, la calcination et la combustion ont joué un rôle important dans l’approche d’une connaissance de la structure de la matière. Dans le cadre du développement de la chimie parcellisante, d’inspiration alchimique, il existe trois principes actifs, le soufre, le mercure et le sel, formés à partir de l’union des quatre qualités aristotéliciennes (froid, chaud, sec et humide) et deux principes passifs, l’eau ou phlegme et la tête morte ou résidu de distillation. Ces cinq principes, non isolables, bien entendu, sont des principes de comportement et constituent, dans des proportions variables, les mixtes, c’est-à-dire les substances que l’on étudie.
La distillation a donc profondément marqué la chimie. Des principes sur lesquels s’appuient certaines doctrines chimiques sont inspirés de cette opération. La distillation qui s’opère par le feu, est analysée méthodiquement. Les chimistes qui la pratiquent au laboratoire pour différentes substances - et non seulement les huiles essentielles dont nous voulons parler - ont vu les phlegmes (les eaux) et les huiles s’échapper en laissant un résidu solide inerte souvent d’aspect résineux ou au goût salé. C’est à la distillation qu’il faut rattacher les principes alchimiques du soufre et du mercure. De même, N. Lemery (1645-1715) commencera son ouvrage de chimie - lequel eut un succès retentissant pendant trois quarts de siècle - qui sera réédité jusqu’en 1756, par un exposé de la définition des principes constitutifs des mixtes, c’est-à-dire des substances composées ; et ces définitions sous-entendent d’avoir à l’esprit le déroulement de l’opération de distillation : « l’eau qu’on appelle phlegme est le premier des principes passifs ; elle sort dans la distillation devant les esprits, quand ils sont fixes, ou après, quand ils sont volatils : elle ne se retire jamais pure, et il y reste toujours quelque impression des principes actifs ; c’est ce qui fait que sa vertu est ordinairement plus détersive que celle de l’eau naturelle : elle sert à étendre les principes actifs, et à modérer leur agitation ». Lémery précise bien cependant que ce qu’on appelle principes en chimie ne sont principes qu’en tant que nous ne pouvons les diviser davantage. Les principes sont donc les termes à l’époque de l’analyse chimique, laquelle est opérée très souvent par la distillation. Si nous insistons sur cet aspect, c’est pour attirer l’attention du lecteur sur le vocabulaire que véhicule encore aujourd’hui le procédé de distillation et que chacun entend quand il est question de parfum. Les traces de l’ancienne chimie, la chimie prélavoisienne, sont ici encore assez présentes.

Lavoisier n’étudie pas la distillation en soi mais il l’utilise comme technique courante au laboratoire à cette époque et selon ses besoins. Il préfère étudier la combustion et l’oxygénation des substances organiques. Cela lui permet de montrer que les huiles végétales sont constituées essentiellement de carbone, d’hydrogène et souvent d’oxygène. Pour la constitution des substances animales, il ajoute le phosphore et l'azote. L'analyse élémentaire est née. Lavoisier donne aussi une première composition centésimale du sucre. On peut considérer le savant français comme le père de la chimie organique moderne. Cette dernière se développe rapidement dès le début du XIXe siècle autour de l’analyse immédiate et élémentaire. On recherche activement la composition centésimale des corps purs.
Sans nous étendre sur les différentes théories qui se côtoient ou se succèdent, regardons de plus près le travail de Liebig et Wölher publié en 1832 sur l’huile essentielle d’amandes amères. Ce travail exemplaire a initié toute une voie de recherche de la composition des huiles essentielles. L’essence d’amandes amères préparée aujourd’hui est utilisée en parfumerie et en pâtisserie. L’huile extraite autrefois par hydrodistillation était toxique à cause de la présence d’acide cyanhydrique.
Le travail des deux savants allemands a été précédé d’une série de recherches commencées dès le début du XIXe siècle. En 1822, Robiquet affirme que l’huile d’amandes amères ne préexiste pas dans l’amande. A preuve, dit-il, l’huile fixe obtenue par simple pression n’a ni l’odeur, ni la saveur de l’huile volatile. Cette huile volatile n’est pas homogène. Elle contient, dit Robiquet, une partie plus volatile, azotée, et une partie cristallisable, sans azote. De plus, cette huile s’oxyde à l’air et se change en acide sans analogie aucune avec l’huile primitive.


Si on procède à une distillation alcoolique, aucune substance azotée n’est détectée. Robiquet ajoute que l’acide cyanhydrique n’est pas plus formé dans l’essence d’amandes amères que l’ammoniac n’est formé dans l’urée. Il montre aussi que la distillation des feuilles de laurier-cerise conduit à une essence identique à celle d’amandes amères.
En 1823, un chimiste bâlois, Stange, détermine la nature de la substance formée par oxydation dans l’huile d’amandes amères : il s’agit de l’acide benzoïque.


En 1830, Robiquet et son associé, Boutron, entreprennent de rechercher si l’acide benzoïque est tout formé dans l’essence d’amandes amères ou bien si elle n’en contient que les éléments. Ils procèdent donc à l’action d’un courant de dichlore sur cette huile. Ils obtiennent une liqueur qu’ils traitent par l’eau. Cette liqueur donne de l’acide chlorhydrique et de l’acide benzoïque. Ils concluent donc que l’acide benzoïque ne préexiste pas dans l’huile ; il est une conséquence de son oxygénation : « il y a dans cette essence une espèce de radical », mais ils ne vont pas plus loin, n’isolent pas ce radical auquel d’ailleurs ils ne donnent pas de nom.
En traitant une solution alcoolique de l’huile, ils en retirent une substance cristalline de saveur amère qu’ils nomment amygdaline, de amygdala, amande en latin classique, et une résine. Cette amygdaline, disent-ils, préexiste dans l’huile d’amandes amères.
En 1832, Liebig et Wölher mettent en réaction avec de l’oxyde de cuivre, de l’huile d’amandes amères, au préalable bien purifiée de toute trace de substance azotée. Le résultat permet de connaître la composition de l’huile : C14H6O2 (selon la notation en équivalents de l’époque), soit C7H6O2 en notation atomique avec la composition centésimale suivante : %C = 79,24 ; %H = 5,66 ; %O = 15,10. Ces valeurs sont publiées dans les traités de chimie des décennies suivantes. On pourra vérifier que cette composition est celle que l’on obtient avec les masses molaires actuelles.
Liebig et Wölher procèdent à une série d’expériences sur cet aldéhyde, obtiennent particulièrement la benzamide par action de l’ammoniac sec sur le chlorure de benzoyle. Ils montrent par une série d’expériences successives qu’une partie de la substance qui constitue l’huile d’amandes amères se transporte, se comporte comme un élément simple, d’un corps à un autre. Ils lui donnent le nom de radical benzoyle.
Ainsi, cette huile d’amandes amères donne naissance à des corps très nombreux d’une composition si remarquable, qu’elle est considérée à l’époque comme le « type » d’une classe d’essences désignée ordinairement par aldéhydes ou hydrures. Le mot type fait référence à une théorie chimique qui s’est avérée très fructueuse au milieu du XIXe siècle. Elle permet en quelque sorte de distinguer dans l’écriture de la formule stœchiométrique du corps ce qui sera appelé plus tard le groupe fonctionnel, ou les radicaux hydrocarbonés au sens d’aujourd’hui.
La découverte de Liebig et Wölher ouvre la voie à des investigations nouvelles en chimie organique dans laquelle les jeunes chimistes s’engagent immédiatement. Les huiles essentielles deviennent un objet d’analyse et, une vingtaine d’années après, la composition d’un grand nombre de ces substances est déjà bien connue. Les huiles essentielles sont considérées comme n’étant pas des corps purs. Leur point d’ébullition n’est pas fixe. Dans la première moitié du XIXe siècle, on les range en trois catégories : les essences hydrocarbonées, les essences oxygénées et les essences sulfurées. Mais cette classification rencontre beaucoup de critiques car on sait maintenant que la catégorie des essences oxygénées regroupe des corps à fonction chimique très différente comme des aldéhydes (essences de cannelle,...), des cétones (essence de rue,...), des phénols (essence de girofle,...), des éthers (essence de gaulthéria,...). Seul, le groupe des essences sulfurées apparaît comme naturel. Parfois des substances oxygénées sont mêlées aux substances hydrogénocarbonées.

Cette deuxième partie, loin d’être exhaustive, propose à l’enseignant des informations lui permettant d’illustrer un exercice ou une expérience pratique et de sensibiliser l’élève à la démarche scientifique expérimentale.

Danielle Fauque, GHDSO, Paris XI-Orsay.


Texte proposé

Huiles essentielles

« On nomme huiles essentielles toutes celles qui ont dans un degré marqué l’odeur du végétal dont elles sont tirées ; il n’y a aucune de ces huiles qui n’ait assez de volatilité pour s’élever au degré de chaleur de l’eau bouillante ; d’où il suit que ce degré de volatilité, est encore un des caractères spécifiques de ces sortes d’huiles ; elles diffèrent de toutes les autres, et singulièrement de celles dont on a parlé dans l’article précédent par ce degré de volatilité qui leur est propre. (...)
Quoi qu’il en soit, comme toutes les huiles essentielles sont capables de s’élever dans la distillation au degré de chaleur de l’eau bouillante, et que ce degré de chaleur ne peut leur occasionner d’altération sensible, comme il est aisé de s’en convaincre en comparant l’huile essentielle des citrons et autres qu’on peut tirer par la seule expression, avec la même huile tirée par une distillation bien conduite, c’est par le secours d’une pareille distillation, qu’on retire presque toutes les huiles essentielles employées dans la chymie et les arts. »

P.-J. Macquer, Dictionnaire de chymie
Lacombe, 1ère éd, t. I, 1766, p. 589


Comparer ce texte avec celui de Chevreul. Chevreul distingue les huiles végétales fixes, des huiles végétales volatiles ou essentielles.

« Les huiles végétales volatiles ont pour caractère d’avoir toutes une odeur plus ou moins forte ; d’avoir une saveur plus ou moins âcre ; d’être un peu solubles dans l’eau ; de passer à la distillation avec ce liquide, et de lui communiquer leur odeur ; de se volatiliser, sans décomposition, à une température de 150 à 160 degrés.
Les huiles végétales fixes ont encore été nommées huiles douces, à cause de leur peu de saveur, et par opposition aux huiles végétales volatiles, qui sont très âcres. »

Chevreul, article huiles, in F. Cuvier (dir.), Dictionnaire des sciences naturelles,
Levrault, 1819, t. XXI, p. 517.

Voici ce que dit Fourcroy, en Brumaire an IX

« On nomme huile volatile, par une opposition bien tranchée avec la précédente, le suc huileux, qui, chauffé comme l’huile fixe, s’élève plus ou moins promptement et facilement en vapeur. On la nommait autrefois essence et huile essentielle, parce qu’on la regardait comme déterminant véritablement l’existence ou l’essence des matières végétales qui la fournissaient. Outre le caractère de volatilité qui la distingue des huiles fixes, elle a de plus une odeur plus ou moins fragrante et aromatique ; et c’est encore en raison de cette seconde propriété qu’on l’avait désignée par les mots essence et huile essentielle.
Il n’en est pas de ce genre d’huiles comme des précédentes ; elles ne sont pas constamment cantonnées et isolées dans les semences ou les fruits des végétaux. L’expérience apprend que toutes les parties des végétaux sont susceptibles d’en contenir, et que par un contraste bien remarquable avec les huiles fixes, elles ne se rencontrent jamais dans l’intérieur de leurs graines même. Ce dernier fait, qui n’a pas assez fixé l’attention des chimistes et des naturalistes, prouve que les propriétés de ces huiles sont tout-à-fait opposées à celles des huiles fixes, et que leurs usages dans la nature et dans l’économie végétale sont tous différents... »

A. F. Fourcroy, Système des connaissances chimiques
et de leurs applications aux phénomènes de la nature et de l’art,
Paris, Baudouin, t. VII, brumaire an IX, p.352-353.


Texte proposé

Distillation

« ...Comme dans l’espèce de distillation qui se fait à l’alambic, les vapeurs des corps volatils montent verticalement et se condensent dans sa partie supérieure ou chapiteau, cette sorte de distillation a été nommée Per ascensum. On peut faire distiller très commodément de cette manière toutes les matières assez volatiles pour monter à un degré de chaleur qui n’excède point celui de l’eau bouillante ; tels sont les esprits recteurs, l’esprit ardent, et toutes les huiles essentielles. (…).
Ce qui se passe dans la distillation en général est fort simple et fort aisé à concevoir. Les substances volatiles deviennent spécifiquement plus légères quand elles éprouvent un degré de chaleur convenable : elles se réduisent en vapeurs, et se dissiperoient sous cette forme, si elles n’étoient retenues et déterminées à passer dans des endroits plus froids, où elles se condensent et prennent la forme de liqueurs, si elles sont de nature à cela : sinon, elles se rassemblent en petites parties solides, qu’on appelle communément fleurs ; dans ce cas, l’opération, qui est néanmoins essentiellement la même, change de nom, et prend celui de sublimation. »

P.-J. Macquer, Dictionnaire de chymie,
Lacombe, 1ère éd., t. I, 1766, p. 354-355



Le passage suivant insiste sur la nécessaire lenteur de l’opération :

« ... parcequ’en général, plus une substance volatile qui se sépare d’avec une substance fixe s’en sépare lentement, et plus cette séparation est exacte. C’est par cette raison, que quand on veut distiller suivant les règles de l’art, on est obligé de conduire la distillation de manière que la substance volatile n’éprouve précisément que le degré de chaleur nécessaire pour la séparer et l’enlever : cela est surtout indispensable, quand il n’y a point une grande différence dans le degré de volatilité des principes des corps qu’on veut décomposer par la distillation. On en a un exemple bien sensible dans toutes les matières huileuses concrètes ; lorsqu’on veut séparer l’acide et l’huile qui les constituent, comme ces deux principes ont presque le même degré de volatilité, ils ne manquent point de s’élever ensemble et sans avoir été désunis, en sorte que le corps composé passe en substance et sans avoir été décomposé, lorsqu’on presse une pareille distillation... : et même avec quelque ménagement que l’on conduise la plupart des distillations, il est très rare que les principes volatils qui passent soient exactement séparés de ceux avec lesquels ils étoient unis dans le composé ; ce qui oblige le plus souvent à soumettre les produits des premières distillations à de nouvelles distillations, qu’on nomme rectifications.
On peut donc établir, comme règles générales et essentielles de la distillation, qu’il ne faut appliquer que le juste degré de chaleur nécessaire pour faire monter les substances qui doivent distiller, et que la lenteur est aussi avantageuse, que la précipitation est préjudiciable dans cette opération. »

P.-J. Macquer, Dictionnaire de chymie,
Lacombe, 1ère éd., t. I, 1766, p. 356

Texte proposé

Alambic

« L’alambic est un vaisseau qui sert aux distillations. Il y en a de plusieurs espèces qui diffèrent soit par leur forme, soit par la matière dont ils sont composés.
L’usage le plus fréquent des alambics est pour les distillations des principes très volatils qu’on tire de plusieurs substances, et particulièrement des végétaux. Quand les principes qu’on a intention de retirer par la distillation n’ont point d’action marquée sur les métaux, et qu’ils sont susceptibles de s’élever à un degré de chaleur qui n’excède point ou qui n’excède que peu celui de l’eau bouillante : on se sert d’alambics de cuivre bien étamés dans toute leur surface intérieure.
Les plus commodes de ces alambics, ceux qui peuvent servir à un plus grand nombre de distillations, sont composés des pièces suivantes ; la première, est une espèce de marmite, destinée à contenir, soit les matières qu’on veut soumettre à la distillation, soit de l’eau dans laquelle on plonge un autre vaisseau plus petit, et de même forme, et fait pour contenir les matières qu’on veut distiller au bain-marie. Ces pièces de l’alambic se nomment en général, cucurbites, parcequ’autrefois elles étoient de forme allongée, élevée, se rétrécissant beaucoup dans leur partie supérieure, et dégénérant en une espèce de col, ce qui les faisoit ressembler à une calebasse, ou à une vessie, dont quelques chymistes leur ont aussi donné le nom.
Les cucurbites des alambics de cuivre n’ont présentement aucun rapport à cette forme ; elles sont au contraire, larges, peu profondes et évasées. Cette nouvelle forme de cucurbites est infiniment plus avantageuse, en ce qu’elle accélère beaucoup les distillations, sans qu’on soit obligé de donner plus de chaleur. La raison de cela, c’est que la promptitude de la distillation est toujours proportionnée à celle de l’évaporation ; et que l’évaporation ne se faisant jamais qu’à la surface des corps ; plus ces corps présentent de surface, plus l’évaporation est prompte et facile. Or la forme large et évasée des cucurbites modernes est infiniment plus propre à faire présenter plus de surface aux corps, et surtout aux corps liquides qu’elles contiennent, que celle des cucurbites anciennes qui étaient hautes et étroites.
La première de ces deux pièces est de cuivre, pour être en état de résister à l’action du feu ; la seconde est ordinairement d’étain, et doit être travaillée de manière qu’elle entre très juste dans la première, et qu’elles se joignent si bien ensemble dans leur partie supérieure, qu’il ne soit point nécessaire de luter cette jointure. Il doit y avoir un petit tuyau ou gouleau à la partie supérieure de la première pièce, que l’on puisse boucher exactement, et par lequel on puisse aussi introduire de l’eau, ou tout autre liqueur à volonté.
La troisième pièce de l’alambic, est celle qu’on nomme le chapiteau, parce qu’elle lui sert de tête : cette pièce a la forme d’une calotte, ou d’un cône creux ; elle est pourvue d’une gouttière ou rigole qui règne dans son contour intérieur et inférieur ; ce chapiteau est aussi garni dans sa partie inférieure d’une espèce de colet qui doit entrer très juste indifféremment dans l’une ou dans l’autre des deux premières pièces, et de manière qu’on soit dispensé de luter. Enfin ce chapiteau doit avoir un tuyau qu’on nomme le bec, qui s’ouvre intérieurement dans la gouttière ; ce bec doit être de quinze à dix-huit pouces à l’extérieur, et incliné de manière qu’il fasse, avec le col de l’alambic, un angle d’environ soixante degrés.
La quatrième pièce des alambics de cuivre, est celle qu’on nomme le réfrigérant : c’est une espèce de seau, qui entoure tout le chapiteau, avec lequel il est exactement soudé dans son pourtour inférieur, et au bas duquel est ajouté un robinet. L’usage de ce réfrigérant est de contenir de l’eau fraîche, pour faciliter la condensation des vapeurs qui circulent dans le chapiteau ; son robinet sert à vuider l’eau quand elle est devenue trop chaude, pour en substituer de la froide.
Comme dans les alambics de cuivre le réfrigérant et le chapiteau tiennent ensemble, on pourroit les regarder comme ne faisant qu’une seule pièce à eux deux ; cependant il est plus à propos de les distinguer, d’abord parceque leurs usages sont forts différents ; et en second lieu, parceque le réfrigérant n’est point essentiel à l’alambic. [Depuis que l’on adapte un serpentin aux alambics].
Le serpentin est un long tuyau d’étain, tourné en spirale, et arrangé dans un seau de cuivre, de manière que ses extrémités supérieure et inférieure sortent de ce seau, par deux trous, au tour desquels elles sont exactement soudées ; l’extrémité supérieure du serpentin reçoit le bec de l’alambic, et son extrémité inférieure entre dans un récipient qu’on y ajuste. On emplit d’eau froide le seau qui contient le serpentin : cette eau rafraîchit et condense parfaitement les vapeurs qui passent. Le principal avantage qu’a ce réfrigérant (car c’en est un véritable) sur celui qui est arrangé au tour du chapiteau, c’est qu’on a [constaté] qu’il n’est point sujet à retarder, ou même à arrêter la distillation comme ce dernier : car on a remarqué que cet inconvénient arrive constamment, quand il règne un certain degré de froid dans le chapiteau de l’alambic. (...)
Les alambics dont on vient de parler sont d’un grand usage pour la distillation des esprits recteurs des végétaux, de leurs eaux qu’on nomme distillées, de leurs huiles essentielles, des esprits ardents, soit purs, soit chargés du principe de l’odeur des plantes, et pour une infinité d’autres distillations de cette nature. (...) »

P.-J. Macquer, Dictionnaire de Chymie, 1766, Lacombe, t.I, p. 64-67.

Texte proposé

Essences

« Les essences ne sont pas des corps purs ; presque toutes constituent des mélanges ; on le reconnaît à l’inconstance de leur point d’ébullition. Sous le rapport de la composition, on les rangeait autrefois en trois classes, les essences hydrocarbonées, les essences oxygénées et les essences sulfurées. Ces dernières forment un groupe assez naturel, mais il n’en est pas de même des autres. Ainsi beaucoup d’essences sont un mélange d’hydrocarbures et de substances oxygénées, et quant à celles-ci, aucun lien ne les rattache, car dans les essences oxygénées on trouve les fonctions chimiques les plus différentes : des aldéhydes, essence de cumin, de cannelle, etc. ; des acétones, essence de rue, etc. ; des phénols, essence de girofle ; des éthers, essence de gaulthéria, etc.
Il n’est donc pas possible de classer convenablement les essences ; tous les principes oxygénés, du reste, dont la fonction est connue, sont étudiés dans ce livre sous leurs noms respectifs ; nous avons à faire connaître les propriétés et la composition de ces mélanges, qui constituent les huiles volatiles fournies par les végétaux.
Elles sont en plus grand nombre, avons-nous dit, formées d’un principe hydrocarboné et d’un principe oxygéné ; elles sont généralement moins denses que l’eau, mais quand le contraire a lieu, cela indique une plus forte proportion d’oxygène dans l’un des constituants.
Leur point d’ébullition est très variable ; il varie entre 160° et 240°. On peut souvent par la simple distillation fractionnée isoler les deux principes ; d’autres fois on est obligé ou de détruire l’un d’eux ou de le faire entrer dans une combinaison pour retirer l’autre à l’état de pureté. C’est ainsi qu’en agitant avec du bisulfite de soude une essence qui renferme une aldéhyde, cette dernière s’y combine, tandis que l’hydrocarbure se sépare et surnage le mélange.
Souvent le principe oxygéné est solide, on lui donnait autrefois le nom de camphre ou de stéaroptène, et il reste en dissolution dans la partie liquide, qu’on appelait éléoptène. Quoiqu’on définisse les essences, des liquides huileux, il est cependant des corps analogues dans lesquels le stéaroptène domine à ce point qu’ils sont entièrement solides à la température ordinaire ; on lui a conservé le nom d’essences, telles sont : l’essence de menthe concrète, l’essence de cèdre concrète. D’autre part, il y a là un grand inconvénient de classification, car si le produit solide de la menthe est une essence, il faudrait aussi ranger le camphre et ses congénères dans la classe des essences ; aussi vaudrait-il mieux ne réserver ce nom qu’aux substances liquides, en reconnaissant toutefois ce qu’il y a là d’arbitraire, puisque tel corps peut être un camphre à 25° et une essence à 50°.
L’odeur des essences dépend souvent de l’altération que l’air leur fait subir ; ainsi, qu’on distille certaines essences dans le vide ou dans un courant d’acide carbonique sur de la chaux vive, on ne pourra reconnaître l’essence de citron de celle de genièvre ou de térébenthine ; mais si on les expose à l’air, chacune reprendra bientôt son odeur caractéristique. Par une plus longue exposition à l’air elles s’épaississent, deviennent visqueuses, souvent acides, et finissent par se transformer en résines... »

Ch.-A. Wurtz, Dictionnaire de chimie pure et appliquée,
Paris, Hachette, t.I, 1874, p. 1269-1270.



Texte proposé

Récipients de distillation


« La forme la plus pratique pour ces récipients est celle du vase florentin. Pour les essences plus lourdes que l’eau, comme l’essence d’amandes amères, le produit de la distillation est recueilli dans un vase cylindrique muni à sa partie supérieure d’un tube latéral par lequel l’eau s’écoule, tandis que l’essence s’accumule à la partie inférieure. L’eau qui a entraîné l’essence, et qui en est souvent chargée au point d’être laiteuse, est soigneusement recueillie et remise de nouveau dans l’alambic, comme nous l’avons déjà fait observer en parlant de la distillation.
Pour les essences plus légères que l’eau, ce qui est le cas général, on peut les recueillir dans le récipient florentin [piriforme] (...). Quand le liquide a atteint un certain niveau, l’eau rassemblée à la partie inférieure s’écoule par le tube recourbé fixé à la partie inférieure du récipient.
Une modification avantageuse a été apportée au récipient florentin par l’addition d’une tubulure latérale à la partie supérieure (...). L’eau distillée s’échappe par le tube [recourbé de la partie inférieure] tandis que l’essence s’accumule dans le vase à la surface de l’eau, et, quand elle a atteint le niveau [de la tubulure supérieure], s’écoule par la tubulure latérale (...).
Dans le courant de la distillation, si l’on veut recueillir l’essence, il suffit de boucher avec le doigt l’orifice du tube [inférieur], l’eau s’accumule alors dans le vase et fait monter l’huile essentielle jusqu’au tube [supérieur] de déversement. Ce récipient a entièrement remplacé dans la pratique le récipient florentin.
Lorsqu’on opère sur des quantités importantes, on emploie une série de vases du genre florentin ; on les établit alors en forme de terrasse ; pour les essences plus légères que l’eau, on leur donne 20 centimètres de diamètre x 20 centimètres de hauteur. On emploie généralement 3-4 de ces vases, de dimensions décroissantes. Dans le premier, le liquide est encore laiteux, il est clair en sortant du dernier ; on le fait alors passer de préférence dans la cucurbite afin d’en retirer les dernières traces d’essence.
L’essence extraite du vase florentin sépare toujours un peu d’eau au repos ; on la sépare avec une pipette, ou encore en versant l’essence dans un entonnoir à déplacement qui permet de laisser écouler jusqu’à la dernière partie de la couche inférieure du liquide. »

J.-P. Durvelle, Fabrication des essences et des parfums,
Paris, H.Desforges, 2e éd., 1908, p. 57-58.

[On peut imaginer le vase florentin comme une carafe piriforme, en verre, sans poignée, possédant une tubulure, genre col de cygne, partant de la partie inférieure et se recourbant seulement au niveau de la partie supérieure du vase. La modification apportée montre un vase cylindrique, genre éprouvette graduée, possédant deux tubulures. La tubulure inférieure en col de cygne comme dans le cas du vase florentin, et une petite tubulure presque horizontale à la partie supérieure. La partie supérieure du tube inférieur se courbe avant d’atteindre la base de la tubulure supérieure. NDLR].


Grille de suivi des compétences mises en jeu lors des séances de TP

Compétences expérimentalesTP 1TP 2TP 3TP 4TP 5Respecter les consignes : protection des personnes et de l’environnementSuivre un protocoleReconnaître, nommer et utiliser le matériel de laboratoire (verrerie, instruments de mesure…)Construire un montage expérimental à partir d’un schémaFaire le schéma d’une expérienceGarder un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de l’expérienceChoisir le matériel en fonction des consignes données*Faire l’étude statistique d’une série de mesures indépendantes en utilisant une calculatrice ou un tableurAnalyser des résultats expérimentaux et les confronter à une référenceAnalyser des résultats expérimentaux, les confronter à des résultats théoriquesIdentifier les paramètres pouvant jouer un rôle dans un phénomène Déterminer le domaine de validité d’un modèleProposer une expérience répondant à un objectif (séparation des paramètres, validation d’une hypothèse, synthèse et analyse chimique) Utiliser les technologies de l’information et de la communication.*L’élève étant en phase d’apprentissage, il ne lui est pas encore demandé, dans la partie I de : « Choisir le matériel en fonction des consignes données » car le mode opératoire précise la verrerie à utiliser (dans le texte ou sur un schéma).

Rappel des titres :

TP 1 : Familiarisation avec le laboratoire
TP 2 : Extraction
TP 3 : Séparation - Identification
TP 4 : Synthèse
TP 5 : Identification – Comparaison

Apports bibliographiques

Documentation

- Des livres de référence très complets
RICHARD H., MULTON J.L. (1992) coordinateurs. Les arômes alimentaires. Tec et Doc APRIA.

LINDEN G (1994). Biochimie agro-industrielle (chapitre arômes et colorants), Masson.

- Un livre simple et bien fait
GULLINO A. (1997). Odeurs et saveurs. Dominos Flammarion.

- Articles de revue
CHASTRETTE M. (1992). L’art de la parfumerie : des fleurs aux produits de synthèse. L’Actualité Chimique, mai-juin. p.257-264.

DEMOLE E. (1992). Parfums et chimie : une symbiose exemplaire. L’Actualité Chimique, mai-juin. p.227-237.

MAYER B. (1991). Les matières premières de l'aromatisation. Pour la science. 160, p.30-39.

RICHARD H. (1989). Les arômes. Cahiers de nutrition et de diététique. XXIV, 2, p.2-6.

SEU-SALERNO M. et BLAKEWAY J. (1987). La mousse de chêne, une base de la parfumerie. Pour la science, mai. p.82-92.

LICHTENBERGER R. (1997). Produits « chimiques » et produits « naturels ». L’Actualité Chimique p.24-28.

- Documentation spécifique : parfums
ROUDNITSKA E. (1980). Le parfum. Que sais-je ? éditions PUF.

DE BARRY N., TURONNET M., VINDRY G. (1998). L’ABCdaire du parfum. Flammarion.

SÜSKIND P. (1988) Le parfum, histoire d’un meurtrier. Livre de poche 6427.

- Documentation spécifique : les herbes et les épices
RICHARD H. (1992). Epices et aromates. Tec et Doc APRIA.

RICHARD H., LENOIR R. (1987). Le nez des herbes et des épices, éd. J. Lenoir.


- Livre avec informations générales et manipulations
CAPON M., COURILLEAU-HAVERLAND V., VALLETTE C. (1993). La chimie des odeurs et des couleurs, Cultures et techniques. 256p.

- Articles de revue, avec manipulations
BRETHOMMÉ A., GREDIC. (1995). A propos des oranges. BUP. 89, p.957-961.

CANAUD F. (1996). Aspic, lavande et lavandin. BUP. 789, p.1941-1950.
LAURON H., MALLET J.M., MESTDAGH H., ROLANDO C., VERPEAUX J.N., VILLE G. (1993). Des substances naturelles aux produits chimiques. BUP. 87, p.607-620.

MASSIP C. (1997). Le quinquina. Un arbre d’Amérique du Sud pour guérir des fièvres des marais. Revue du Palais de la Découverte. 250, p.30-40.


- Document Olympiades, avec manipulations
Les Olympiades de la chimie TP n° 5 (1995). L’art de la parfumerie : des fleurs aux produits de synthèse. Académie de Metz-Nancy.


Attention niveau terminale ! Ne pas utiliser tel quel en classe de Seconde.
- Document d’accompagnement des programmes de la classe de Terminale (1992).
- Ouvrages scolaires (1992).
Terminale S chimie, enseignement obligatoire : Parfums et TP (Hachette et Nathan).


Associations, sociétés

ARH association pour le renouveau de l'herboristerie
92, rue Balard, 75015 Paris.
Téléphone : 01 45 58 66 58
Télécopie : 01 45 57 23 83

Société française des parfumeurs (et osmothèque)
36, rue du parc de Clagny 78000 Versailles
Téléphone : 01 39 55 46 99

ONIPPAM
B.P. 8 - 04130 VOLX
Téléphone : 01 92 79 34 46

Herboristeries

BRUNERYE, 21 rue Saint-Antoine, 75004 Paris

GOUMANYAT et son royaume, rue de la Michaudière, 75002 Paris
Téléphone : 01 42 68 09 71

Fournisseurs d’huiles essentielles

ADRIAN, Bureau de Paris
« Horizon Sud », 137, rue Paul Hochart, 94240 L’HAY LES ROSES
Téléphone : 01 46 86 85 59

Techniques de base au laboratoire

BEAUDOUIN G.J., CHAVANNE M., FLAMAND E. et al, (1987). Chimie organique expérimentale, En particulier partie chromatographie. Belin.

BLANCHARD-DESCE M., FOSSET B., GUYOT F., JULLIEN L., PALACIN S. (1987). Chimie organique expérimentale, Hermann, collection enseignement des sciences.

Le guide pratique CIBA du laboratoire de chimie, Edition Livre total Lausanne et Polytechnica.

Activités documentaires

GOFFARD M., (1998), Les activités de documentation de physique et chimie. Armand Colin.








Partie II : Constitution de la matière

3 TP, 8h classe entière

Acquis du collège

Constituants de l’atome : noyau et électrons.
Electroneutralité des atomes.
Ions mono et polyatomiques  : H+, OH-, Cl-, Na+, Zn2+, Cu2+, Al3+, Fe2+, Fe3+, Ca2+, Ba2+, SO42-, NO3-, C2O42-.
Conservation de la masse, des atomes et de la charge électrique lors d’une réaction chimique.
Connaître les symboles Fe, Cu, Zn, Al.
Les molécules sont constituées d’atomes : connaître et interpréter les formules H2O, CO2, O2, N2, CH4, H2.
Utiliser les modèles moléculaires pour représenter les molécules précédentes.



Objectifs

Cette deuxième partie donne une description microscopique de la matière à l’aide de modèles simples pour la constitution des atomes, des ions et des molécules et introduit le concept d’élément et de sa conservation au cours d’une transformation chimique.
L’enseignant sensibilise l’élève à la notion de modèle et à ses limites : modèle de l’atome, modèle du cortège électronique pour l’atome et modèle de Lewis de la liaison covalente pour les molécules. Les modèles mis en place permettent de rendre compte de la formule et de la géométrie des molécules (et éventuellement de les prévoir). Dans une molécule la disposition relative des atomes est interprétée comme résultant de la minimisation des interactions répulsives entre paires d’électrons autour d’un atome central.
Par une démarche historique et l’utilisation de logiciels l’enseignant explore avec les élèves la classification périodique des éléments, donnant ainsi l’occasion à l’élève de mener une démarche documentaire avec différents outils et différents objectifs.
La notion de famille chimique est introduite à partir de la classification périodique. La progression proposée place la classification périodique après les édifices chimiques ce qui permet de réinvestir les connaissances acquises sur les molécules et de suggérer des analogies par familles.




Tableau de présentation générale

Progression chronologique


BO(1)Durée(2)Progression Référence documentsII.1.12hLe modèle de l’atomeCoursActivité 1II.1.21,5hApproche expérimentale de la conservation au cours d’une succession de transformations chimiquesTP11hL’élément chimique ; concepts et conservation : exploitation du TPCoursII.1.31,5hActivité documentaire sur les éléments en utilisant l’outil multimédia : abondance relative et découverte historique de quelques éléments ; constitution de fiches d’identitéTP2
Activité 20,5hLe modèle du cortège électroniqueCours
Activité 3II.2.11,5h
Règles du « duet » et de l’octet Cours 
Apports théoriques
Activité 4II.2.21,5hLa géométrie de quelques molécules simples ; utilisation des modèles moléculaires et de logiciels de représentation moléculaire.TP3
Activité 5II.3.11hClassification périodique des éléments : démarche de Mendeleïev et classification actuelle ; utilisation des fiches d’identité.Cours
Activité 6 II.3.21hUtilisation de la classification périodique ; familles chimiques, formules des molécules usuelles et charges des ions monoatomiques.Cours, expériences de cours
Activité 7II.1hEvaluation de la deuxième partieContrôle écrit
(1) Partie du programme référencée dans le BO. Pour les commentaires relatifs aux différents paragraphes et pour les compétences exigibles, se référer au B.O.
(2) La durée de la progression chronologique proposée pour la partie II est donc de 7h de cours, 3 séances de TP et 1h d’évaluation.

NB : Dans le document d’accompagnement quelques apports théoriques figurent qui peuvent permettre à l’enseignant, soit de construire son cours, soit d’élargir son champ de connaissance dans le domaine considéré.

Progression thématique : « Les sucres »
1 ou 2 séances TP et/ou cours

Construction des modèles de molécules de sucres : glucose, fructose, saccharose, formules brutes et développées linéaires et cycliques, isomérie (après le cours sur les règles du «duet» et de l’octet, l’enseignant peut consacrer une heure spécifique au thème).
Mise en évidence des espèces chimiques contenues dans un « morceau de sucre » avant et après hydrolyse par une chromatographie comparative.


Progression chronologique de la partie II

Le modèle de l’atome
Cours
Activité 1 (au choix pour 1 h classe entière)
1a. La structure lacunaire de la matière.
1b. Travail sur les ordres de grandeurs : Autour des dimensions relatives noyau-atome.
1c. Travail sur texte : La structure de l’atome. G.Charpak.

L’élément chimique
TP : Approche expérimentale de la conservation au cours d’une succession de transformations chimiques.
Les TP proposés dans cette partie II sont largement décrits dans la littérature et ne sont pas repris ici. Précisons seulement que l’objectif n’est pas d’écrire les équations des réactions chimiques associées aux transformations observées, ni de définir la notion d’élément chimique. Il convient simplement de montrer, à travers un cycle de transformations, que, malgré des aspects macroscopiques très différents des espèces chimiques rencontrées, il y a microscopiquement des entités qui restent inchangées. Ainsi entre le métal cuivre et l’ion cuivre(II) en solution le cortège électronique a été modifié mais le noyau est resté le même.
Cours : concept d’élément et conservation au cours des transformations chimiques.
Activité 2 : documentaire et traitements des données (au choix en demi groupe pendant 1,5 h)
2a. Utilisation des TICE : Abondance relative des éléments. 
2b. Travail documentaire : Carte d’identité des éléments chimiques (1).
2c. Travail sur tableau : A propos de l’isotopie.

Le modèle du cortège électronique
Cours et applications
Activité 3
3a. Application de cours : Carte d’identité de l’atome d’un élément (2).
3b. Document vidéo et questionnaire : Le roman de l’atome de Démocrite à nos jours (1).

Les règles du « duet » et de l’octet
Cours
L’apport théorique intitulé : « Proposition d’une méthode pour les représentations de Lewis des molécules » est à consulter pour cette nouvelle approche de la liaison chimique. Les exemples traités dans ce document peuvent servir pour concevoir des exercices.
Fin de l’activité 1c : réponse aux questions 8 et 9.
Activité 4
Travail sur texte : La théorie de l’atome. J. Gaarder.

La géométrie de quelques molécules simples
Activité 5
Travail sur texte : Nécessité d’une autre théorie que celle de Lewis pour justifier de la géométrie des molécules : la théorie de Gillespie. Illustration de la géométrie à l’aide de ballons de baudruche.
TP : La géométrie de quelques molécules simples ; utilisation des modèles moléculaires et, éventuellement de logiciels de représentation moléculaire.

La classification périodique des éléments
Elaboration de la classification périodique des éléments
Activité 6
6a. Document vidéo et questionnaire : Le roman de l’atome de Démocrite à nos jours (2).
6b. Travail de construction du tableau périodique : carte d’identité des éléments chimiques (3).
6c. Travail de construction du tableau périodique (suite).

Utilisation de la classification périodique des éléments
Expériences de cours autour de la notion de famille et de l’évolution des propriétés dans une ligne et une colonne.
Activité 7
Application de cours : Carte d’identité d’un élément (4).

Complément d'information : Rayons atomiques.

Activité 1a
Questionnaire

La structure lacunaire de la matière



Description de l'expérience de Rutherford
























En 1909, Marsden, Geiger et Rutherford entreprirent d’utiliser des particules ( (noyaux d’hélium), produites lors de la désintégration de noyaux radioactifs de radium, pour explorer la structure de l’atome. Ils bombardèrent pour cela une feuille d’or d’environ 0,6 (m, placée dans une enceinte à vide, par un faisceau de particules ( focalisées par deux diaphragmes D1 et D2.
Ils constatèrent que la grande majorité des particules traversent la feuille d’or sans être déviées. En effet, la tache observée sur l’écran fluorescent garde la même intensité avec ou sans feuille d’or interposée. Quelques particules sont légèrement déviées, comme en témoignent les impacts fluorescents sur l’écran.
Leur surprise fut de constater que certaines particules ( (une sur 20 à 30000) subissent de grandes déviations (supérieures à 90 degrés) et sont donc renvoyées vers l’arrière.
Rutherford en déduisit (mais cela lui prit 2 ans de réflexion), que l’atome est constitué d’un noyau très petit par rapport à la taille de l’atome et qui concentre l’essentiel de la masse et toutes les charges positives, et d’un cortège électronique dont le volume est celui de l’atome.

Interprétation de l'expérience de Rutherford

On considère le schéma ci-contre :
1,2,3,4,… 13,14,15, représentent les traces des particules ( lorsqu'elles traversent la feuille d'or.












Questions

Que représentent les cercles en contact les uns avec les autres ?
Que représente le point au milieu de chaque cercle ?
Sachant que le rayon d’un atome d’or est de 0,144 nm et celui d’un noyau d’or est de 7 fm, quel est le rapport des volumes du noyau et de l’atome ? Quel est le volume moyen occupé par un électron ?
Combien faut-il de couches d’atomes, empilées les unes sur les autres, pour obtenir une feuille d’or de 0,6 (m d’épaisseur ? Le rayon d’un atome d’or est de 0,144 nm.
Quel est le rapport de la masse d’une particule ( à celle d’un électron ? Cela permet-il de comprendre pourquoi la majorité des particules ( ne sont pas déviées ? On pourra s’aider de ce qui se passe lorsqu’une boule de pétanque est lancée contre une balle de ping-pong.
Que se passe-t-il pour les particules 5, 9 et 14 ?
Lorsqu’une particule ( passe près d’un noyau, est-elle attirée ou repoussée par lui ? Sachant qu’une particule ( porte une charge positive, que peut-on en déduire quant à la charge du noyau ?
Quel est le rapport de masse d’une particule ( à celle d’un noyau d’or ? Cela permet-il de comprendre pourquoi les particules 5, 9 et 14 sont déviées ?
Comment peut-on expliquer que certaines particules ( soient renvoyées vers l’arrière ? Faire un schéma de cette situation.
Choisir parmi les analogies suivantes, celle qui pour vous traduit le mieux l’expérience de Rutherford :
des joueurs de tennis qui envoient des balles contre un mur.
un enfant qui jette du sable à travers un grillage à larges mailles.
un chasseur qui tire des balles de chevrotine à travers une feuille de papier.
une planète bombardée par une pluie de météorites.
Que pensez-vous de la phrase de Rutherford : « il est aussi surprenant de voir des particules ( réfléchies par une mince feuille d’or, qu’un boulet de canon renvoyé par une vitre » ?
Quelle est la masse volumique d’un noyau d’or ?
Une telle masse volumique se rencontre-t-elle ailleurs que dans les noyaux atomiques ?
Que pensez-vous de la phrase de Frédéric Joliot-Curie : « les noyaux de toute l’humanité, accolés, occuperaient un volume inférieur à celui d’un dé à coudre » ? On admettra que tous les noyaux ont la même masse volumique.
En quel sens peut-on dire que le remplissage de l’espace par la matière est lacunaire ?

Questions complémentaires

16. L'or est un métal malléable et ductile. Que signifient ces indications?
17. Comment peut-on fabriquer simplement une feuille d'or d'épaisseur 0,1 (m ?
18. Pourquoi le dispositif expérimental de Rutherford doit-il être placé sous vide ?
19. Rutherford a-t-il été prix Nobel? Si oui, en quelle année ?
NB : consulter le site:  HYPERLINK http://nobelprizes.com http://nobelprizes.com

Activité 1b
Travail sur les ordres de grandeur

Autour des dimensions relatives noyau - atome

Pour mener à bien cette activité l’élève doit avoir une estimation de l’ordre de grandeur du rayon d’un atome et de son noyau. L’enseignant consultera utilement le complément d'information concernant les rayons atomiques.

Choisir dans chaque groupe une balle, une boule ou un ballon figurant le noyau de l’atome. Déterminer ensuite quel serait le rayon de l’atome (exprimé en km) qui lui correspondrait.
Enfin sur la carte de la région à l’échelle 1/100000, tracer un cercle ayant ce rayon centré sur votre ville.

Groupe 1Groupe 2SportTennis de tableBillardTennisBase-ballHandball (cadet)Volley-ballFootballBasketDiamètre de la balle, boule ou du ballon3,8 cm6,15 cm6,5 cm7,5 cm17,5 cm21 cm22 cm24 cm
Les valeurs figurant dans le tableau sont des valeurs exactes ou des valeurs moyennes selon le cas.



3. Si l’atome de potassium est un ballon de handball, à quelle balle, boule ou ballon correspond l’atome de bore ?

AtomeBorePotassiumRayon*0,10 nm0,22 nm
* Valeurs lues sur la figure 1 du complément d'information concernant les rayons atomiques.




Activité 1c
Travail sur texte

La structure de l’atome

« Lorsque j'entrai au laboratoire dirigé par Joliot au Collège de France, la connaissance que j'avais de la structure de la matière ne devait guère dépasser celle acquise par un lycéen de 1993 abonné à de bonnes revues de vulgarisation. Je les résume rapidement : la matière est composée d'atomes, eux-mêmes constitués de noyaux entourés d'un cortège d'électrons. Les noyaux portent une charge électrique positive qui est de même valeur et de signe opposé à la charge des électrons qui gravitent autour du noyau. La masse d'un atome est concentrée dans le noyau. (...)

Le noyau de l'hydrogène, ou proton, porte une charge électrique positive. Celui-ci a un compagnon, le neutron, qui est neutre électriquement et a sensiblement la même masse. Tous deux s'associent de façon très compacte pour constituer les noyaux qui sont au cœur des atomes peuplant notre univers. Ils s'entourent d'un cortège d'électrons dont la charge compense exactement celle des protons. En effet, la matière est neutre, sinon elle exploserait en raison de la répulsion qu'exercent l'une sur l'autre des charges de même signe, positif ou négatif. Il faut avoir en tête l'échelle des dimensions. Le diamètre d'un atome est voisin d’un centième de millionième de centimètre. Celui d'un noyau est cent mille fois plus petit. On voit donc que presque toute la masse d'un atome est concentrée en un noyau central et que, loin sur la périphérie, se trouve un cortège qui est fait de particules de charge électrique négative, les électrons. C'est ce cortège seul qui gouverne le contact des atomes entre eux et donc tous les phénomènes perceptibles de notre vie quotidienne, tandis que les noyaux, tapis au cœur des atomes, en constituent la masse. »
Georges CHARPAK, Extrait de La vie à fil tendu 

Questions
Qui est Georges Charpak ? Pour quel travail a-t-il reçu le prix Nobel ?
Qui est Pierre Joliot ? Pour quelle découverte a-t-il été prix Nobel ? En quelle année ?
NB : Consulter le site :  HYPERLINK http://www.nobelprizeprize.com http://www.nobelprizes.com
3. Connaissez-vous des revues de vulgarisation scientifique ? Lesquelles ? En lisez vous ?
Compléter le tableau ci-dessous :

Particules citées dans le texte
Où les trouve-t-on  (noyau, atome) ?
Quelle est leur charge électrique ?
Quelle est leur masse ?

Comparer la masse d’un nucléon à celle d’un électron. Que peut-on en conclure quant à la répartition de la masse dans les atomes ?
De quoi est constitué l’atome d’hydrogène ? Quels sont les différents isotopes de l’élément hydrogène ?
Quelle est la taille approximative d’un noyau (exprimé en mètre) ? Quelle est celle d’un atome (exprimée en mètre) ?
Quel est le sens donné au mot « contact » dans la dernière phrase ?
Tous les électrons du cortège interviennent-ils dans les « phénomènes perceptibles  de notre vie quotidienne » ?
N.B. : Les questions 8 et 9 ne pourront être abordées qu’après avoir traité les règles du « duet » et de l’octet (II.2.1).

Activité 2a
Utilisation des TICE

Abondance relative des éléments

Abondance des éléments dans l’univers, dans le soleil, sur la terre, dans un être humain, dans un végétal…
A l’aide d’un tableur (EXCEL par exemple) et d’un tableau d’abondance relative des éléments, faire tracer des diagrammes circulaires en % ou des histogrammes (abondance en % en fonction de Z) et les comparer.


Activité 2b
Travail documentaire

Carte d’identité des éléments chimiques (1)

Pour les dix huit premiers éléments chimiques de la classification périodique et les éléments chimiques suivants au choix : potassium, calcium, fer, nickel, cuivre, brome, krypton, argent, chrome, titane, étain, iode, tungstène, or, plomb, europium, uranium, plutonium, lawrencium, curium,
une carte d’identité recto verso, selon le modèle ci-dessous,  sera établie tout au long de l’année en fonction de l’introduction en cours des différents modèles et concepts.
Pour remplir les différentes caractéristiques, on amènera l’élève à utiliser des livres ou des encyclopédies, des logiciels ou des cédéroms, des sites internet qui sont répertoriés dans les données bibliographiques relatives à la partie II.

Recto de la carte d’identité de l’élément, centré sur l’élément, sa découverte, l’étymologie de son nom, les isotopes naturels

Nom de l’élémentsodium
Symbole


 EMBED Equation.3 Isotopes naturelsNomZASymbole Sodium 231123 EMBED Equation.3 Date et lieu
de
découverte1807 à LondresSavant l’ayant découvertSir Humphry DavyEtymologie du nomDe l’anglais soda, soude
Natrium de l’espagnol natron, carbonate de sodium


Verso de la carte d’identité de l’élément, centré sur l’atome, ses dimensions, sa configuration électronique, la position dans le tableau périodique, les ions et composés avec l’oxygène.


Nom de l’atomesodiumSymbole

NaRayon de l’atome170 pmConfiguration électronique(K)2(L)8(M)1Ions monoatomiques


Na+
Position dans le tableauLigne n°
IIIColonne n°INom de sa famille chimiquealcalinsComposés avec l’élément oxygène

Na2OEléments de la familleLi, Na, K, RbMasse molaire « atomique »22,989 g.mol-1

A ce stade de la progression, les élèves remplissent le recto de la fiche de l’élément qu’ils auront choisi dans la liste proposée par le professeur.


Nom de l’élément
Symbole


Isotopes naturelsNomZASymboleDate et lieu
de
découverteSavant l’ayant découvertEtymologie du nom

Activité 2c

Travail sur tableau

A propos de l’isotopie

En utilisant l’article : « Aborder l’élément chimique, la structure de l’atome et l’isotopie en Seconde » de Jacques Royer, BUP n°796 J-A-S 1997 p 1425 à 1431, on pourra faire travailler les élèves sur la notion d’isotopie (p 1428 à 1431) en faisant attention aux schémas proposés des isotopes de l’hydrogène qui correspondent au modèle planétaire de l’atome et qui peuvent induire une image fausse.



Activité 3a

Application de cours
une partie peut être faite en classe, l’autre en exercice à la maison

Carte d’identité de l’atome d’un élément (2)

Renseigner à ce stade de la progression le verso de la carte avec le rayon de l’atome et la configuration électronique pour les atomes des 20 premiers éléments seulement.


Nom de l’atomeSymbole

Rayon de l’atomeConfiguration électroniqueIons monoatomiques



Position dans le tableauLigne n°Colonne n°Nom de sa famille chimiqueComposés avec l’élément oxygène

Eléments de la familleMasse molaire « atomique »

Activité 3b
Travail sur vidéo

Le roman de l’atome de Démocrite à nos jours (1)

Cette vidéo est très dense et aborde de nombreux aspects, il faut donc l’utiliser par petites séquences. Nous en proposons trois.
A ce stade, nous travaillons autour des constituants de l’atome, de son noyau et de son cortège électronique. La vidéo sera utilisée depuis son début (commentaire sur le diamant) pendant une durée de trois minutes. Compte tenu de la courte durée, il est conseillé de faire lire les questions avant la projection et de passer éventuellement deux fois la vidéo.
Une question précédée d’un astérisque * est à traiter après la séquence car la réponse n’est pas directement donnée dans la vidéo.

1. De quels atomes est constitué le diamant ?

2. Il est dit dans la cassette : « Il y a du vide dans la matière ». Où est concentrée la masse des atomes ?

3. Quel est le diamètre d’un atome de carbone ?

4. Quel est le diamètre d’un noyau de carbone ?

5. Le cortège électronique représenté fait référence à un modèle planétaire en vigueur au début du siècle mais invalidé à ce jour. Compléter la phrase suivante : « Néanmoins …. électrons se trouvent sur l’orbite de plus faible rayon et …. électrons sur celle de rayon supérieur ».
*Qu’évoquent pour vous, ces répartitions dans le modèle du cortège électronique étudié en cours ?

6. Compléter pour l’atome de carbone, le tableau suivant :

NombreCharge électriqueElectronProtonNeutron
7. Compléter le tableau ci-dessous.

Constituant (découvert) ou modèle (proposé)DateNeutronStructure planétaire de l’atomeNoyau denseElectronsEléments simplesAtomes
8. A quelle date Démocrite parle-t-il d’atome ?









Réponses :

1. Atomes de carbone.

2. Elle est concentrée dans un tout petit volume de l’atome (une partie sur 1015en volume).
L’enseignant insiste sur le fait que la masse est concentrée dans le noyau de l’atome et donc dans un tout petit volume, en gardant à l’esprit que la densité électronique n’est jamais nulle.

3. 10-7mm

4. 10-11mm

5. Deux électrons se trouvent sur « l’orbite » la plus proche du noyau et 4 électrons sur « l’orbite » la plus éloignée.
* On retrouve la répartition des électrons dans la couche interne K et externe L selon (K)2 (L)4.

6. Pour l’atome de carbone :

NombreCharge électriqueElectron6-1Proton6+1Neutron60
7. Dates

Constituant (découvert) ou modèle (proposé)Date Neutron1932Noyau dense et structure planétaire de l’atome1911Electrons1895Eléments simples1785Atomes19ème (1913, Jean Perrin)
8. - 430 ou 430 avant JC.
_____________________________________________________________________________________

L’ensemble des informations contenues dans la cassette permet d’établir le tableau suivant, qui peut servir de repère à l'enseignant

Hypothèse philosophique du caractère discontinu de la matière Démocrite, 430 avant JCDécomposition et recomposition de l’eauLavoisier, 1785Formulation moderne de l’hypothèse atomiqueDalton, 1808Distinction entre atomes et moléculesCongrès de Karlsruhe, 1860Découverte de l’électronThompson, 1895Modèle planétaire de l’atome : noyau dense entouré d’électronsRutherford, 1911Sélection (quantification) des orbites électroniquesBohr, 1913Découverte du neutronChadwick, 1932
Apports théoriques


Proposition d'une méthode pour la représentation de Lewis de quelques molécules


Enoncé des règles de stabilité des atomes de gaz nobles (rares)
Dans la nature, les atomes ont tendance à s'associer pour former des molécules, des composés ioniques ou des métaux. Seuls les atomes de gaz nobles (He, Ne, Ar, Kr, ….) présentent une certaine inertie chimique, ce sont des gaz monoatomiques dans les conditions ordinaires de température et de pression.
Cette particularité est liée à la configuration électronique de la couche externe des atomes de gaz nobles :
He : ( K )2
Ne : ( K )2 ( L )8
Ar : ( K )2 ( L )8 ( M )8
Kr : ( K )2 ( L )8 ( M )18 ( N )8
A l'exception de l'atome d'hélium qui possède 2 électrons sur sa couche externe, les autres atomes de gaz nobles ont tous 8 électrons sur leur couche externe.
La grande stabilité des atomes de gaz nobles est donc liée au nombre particulier d'électrons qu'ils possèdent sur la couche externe :
Soit 2 électrons ou un « duet » d'électrons pour l'atome d'hélium He
Soit 8 électrons ou un octet d'électrons pour les autres atomes de gaz nobles : Ne, Ar, Kr, etc.

Les règles du duet et de l'octet
Contrairement aux atomes de gaz nobles, les autres atomes, dans les entités (ions, molécules) qu’ils forment, ont tendance à adopter la configuration électronique externe des gaz nobles . On peut alors définir deux règles :
La règle du « duet »
Les atomes dont le numéro atomique est proche de celui de l'hélium Z = 2 ont tendance à adopter sa configuration à deux électrons ( K )2. C'est la règle du « duet ».
La règle de l'octet
Les autres atomes ont tendance à adopter la configuration électronique externe possédant huit électrons comme celle des autres gaz nobles : Ne, Ar, Kr …. C'est la règle de l'octet.

Vérification des règles du « duet » et de l'octet dans les assemblages comportant des ions monoatomiques
Un atome, ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons, devient un ion monoatomique.
Un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons devient un ion positif monoatomique appelé cation monoatomique.
Un atome qui a gagné un ou plusieurs électrons devient un ion négatif monoatomique appelé anion monoatomique. Dans les solutions et les cristaux ioniques…, pour un atome donné certains ions sont privilégiés, par exemple Na+ et non Na2+, Mg2+ et non Mg+, Cl- et non Cl—ou Cl+. Les règles du « duet » et de l’octet permettent de justifier leur existence.

Exemples de cations monoatomiques
L'ion lithium
L'atome de lithium Z = 3 a la configuration électronique ( K )2 ( L )1. En perdant un électron, il va obtenir la configuration électronique de l’atome d'hélium et donner le cation lithium(I): Li+.
Li : ( K )2 ( L )1 perd un électron Li+ : ( K )2 isoélectronique de He.
La règle du « duet » est vérifiée pour l'ion lithium Li+ .

L'ion sodium
L'atome de sodium Z = 11 a la configuration électronique ( K )2 ( L )8 ( M )1. En perdant un électron, il va obtenir la configuration électronique de l’atome de néon Z = 10 et donner le cation sodium(I) : Na+.
Na : ( K )2 ( L )8 ( M )1 perd un électron Na+ : ( K )2 ( L )8 isoélectronique de Ne.
La règle de l'octet est vérifiée pour l'ion sodium Na+.
L'ion magnésium
L'atome de magnésium Z = 12 a la configuration électronique ( K )2 ( L )8 ( M )2. En perdant deux électrons, il va obtenir la configuration électronique de l’atome de néon Z = 10 et donner le cation magnésium(II): Mg2+.
Mg : ( K )2 ( L )8 ( M )2 perd deux électrons Mg2+ : ( K )2 ( L )8 isoélectronique de Ne.
La règle de l'octet est vérifiée pour l'ion magnésium Mg2+.


Pour illustrer la règle du « duet », on peut traiter l'ion Be2+ et pour la règle de l'octet, les ions Al3+, K+, Ca2+, ……

Exemples d'anions monoatomiques
Le seul anion qui vérifie la règle du « duet » est l'ion hydrure H-. On étudiera les anions courants qui vérifient la règle de l'octet.
L'ion fluorure
L’atome de fluor Z = 9 a la configuration électronique ( K )2 ( L )7. En gagnant un électron, il va obtenir la configuration électronique de l’atome de néon Z = 10 et donner l'anion fluorure F-.
F : ( K )2 ( L )7 gagne 1 électron F- : ( K )2 ( L )8 isoélectronique de Ne.
La règle de l'octet est vérifiée pour l'anion fluorure F-.

L'ion chlorure
L’atome de chlore Z = 17 a la configuration électronique ( K )2 ( L )8 ( M )7. En gagnant un électron, il va obtenir la configuration de l’atome d'argon Z = 18 et donner l'ion chlorure Cl-.
Cl : ( K )2 ( L )8 ( M )7 gagne 1 électron Cl- : ( K )2 ( L )8 ( M )8 isoélectronique de Ar.
La règle de l'octet est vérifiée pour l'anion chlorure Cl-.

L'ion oxyde
L'atome d’oxygène Z = 8 a la configuration électronique ( K )2 ( L )6. En gagnant 2 électrons, il va obtenir la configuration de l’atome de néon Z = 10 et donner l'ion oxyde O2-.
O : ( K )2 ( L )6 gagne 2 électrons O2- : ( K )2 ( L )8 isoélectronique de Ne.
La règle de l'octet est vérifiée pour l'anion oxyde O2-.

On peut traiter l'ion sulfure S2-, l'ion nitrure N3-, l'ion bromure Br-, l'ion iodure I- ……..

Vérification des règles du duet et de l'octet aux molécules
Dans les composés ioniques, les atomes perdent ou gagnent un ou plusieurs électrons pour obéir, si possible, aux règles du « duet » et de l'octet.
Dans les molécules, les atomes mettent en commun des électrons en respectant, si possible, les règles du « duet » et de l'octet.

La liaison covalente
Une liaison covalente simple est une mise en commun de deux électrons entre deux atomes, chaque atome fournissant normalement un électron. Le doublet d'électrons mis en commun ou doublet liant est à l’origine de la liaison covalente établie entre les deux atomes. On représente une liaison covalente par un tiret entre les deux atomes concernés.
 A B


doublet liant ou liaison covalente associant les deux atomes

Une liaison covalente double est une mise en commun de quatre électrons entre deux atomes, chaque atome fournissant normalement deux électrons.
Une liaison covalente triple est une mise en commun de six électrons entre deux atomes, chaque atome fournissant normalement trois électrons.
Les électrons mis en commun appartiennent à chacun des deux atomes et doivent être pris en compte dans le total des électrons de chaque atome.

Les doublets non liants
Les électrons d'un atome, qui ne participent pas aux liaisons covalentes, restent sur cet atome et sont répartis en doublets d'électrons appelés doublets non liants. Chaque doublet non liant est représenté par un tiret placé sur l'atome considéré.

 A B doublet non liant

Remarque : le terme doublet libre serait plus correct que le terme doublet nonliant. En effet un doublet non liant est associé à une représentation précise de l’orbitale moléculaire le décrivant; par exemple, l’atome d’oxygène dans la molécule d’eau porte deux doublets libres dont un essentiellement non liant et le deuxième rigoureusement non liant. Les orbitales moléculaires les décrivant sont, respectivement, pour l’un essentiellement décrite par une orbitale 2p de l’atome d’oxygène et pour l’autre exclusivement.

Méthode pour trouver les formules de Lewis des molécules
Pourquoi ne plus utiliser les schémas de Lewis des atomes ?
Comme tout modèle, le modèle de Lewis a été conçu pour rendre compte et, le cas échéant, prévoir les propriétés des entités chimiques. Son champ d’application est celui de la détermination et l’emplacement des liaisons entre atomes au sein d’une molécule ; en dépit de sa simplicité, le modèle de Lewis s’est ainsi révélé un outil extrêmement puissant (en particulier en conjonction avec la méthode V.S.E.P.R.).
Dans le cas des atomes, la méthode de Lewis ne fournit en revanche aucune réponse qui justifie son utilisation ; la structure résultant de sa mise en œuvre ne correspond pas en effet aux densités électroniques des atomes en phase gazeuse. Comme on peut se passer des schémas de Lewis des atomes pour obtenir ceux des molécules, on a préféré ne pas introduire les schémas de Lewis des atomes.
En effet, les élèves, ne connaissant pas la notion de sous-couches électroniques (s, p, d, f,…), ne peuvent pas comprendre pourquoi les couches externes de certains atomes possèdent des électrons associés en doublets et d'autres célibataires ?
Par exemple, ils ne peuvent pas comprendre pourquoi on choisit pour l'atome de carbone
plutôt que ou , de même pourquoi choisit-on pour l'atome d'oxygène et non etc.
De plus avec le schéma de Lewis de l'atome d'oxygène, comment leur expliquer l'existence de l'ion oxonium H3O+ :


Méthode proposée :
Ecrire le nom et la formule brute de la molécule.
Ecrire la configuration électronique en différentes couches de chaque atome.
Trouver le nombre d'électrons ne de la couche externe de chaque atome.
Trouver le nombre total nt d'électrons externes intervenant dans la molécule en faisant la somme des différents ne.
Trouver le nombre total nd de doublets liants et non liants en divisant par 2 le nombre total d'électrons externes nt .
Répartir les doublets de la molécule en doublets liants (liaisons covalentes) ou en doublets non liants en respectant :
La règle du « duet » pour l'atome d'hydrogène.
La règle de l'octet pour les autres atomes.


Objectifs à atteindre

a) Savoir écrire la formule de Lewis d'une molécule. Il faut alors donner aux élèves l'enchaînement des différents atomes qui constituent cette molécule.
Exemples : pour l'acide hypochloreux, il faut donner l’enchaînement ClOH et non HClO ; pour l'acide phosphorique (HO)3PO et non H3PO4 ; pour l'acide nitrique HONO2 et non HNO3; pour l'acide oxalique (HOCO)2 et non H2C2O4 etc……

b) Savoir proposer une ou plusieurs formules de Lewis à partir d'une formule brute : émergence de l'isomérie.

Remarques : Les formules proposées par les élèves, même sans charges formelles, obéissant aux règles du « duet » et de l'octet, peuvent ne pas correspondre à ce qu'attend le professeur.
En effet, dans le cas simple de CH4O, deux formules de Lewis peuvent être proposées :



ou



La seconde formule est incorrecte (cf les compléments traités à la fin du document).
Ceci revient à dire, que les formules de Lewis que le professeur doit accepter en classe de seconde, sont celles où l'atome de carbone s'entoure de quatre doublets liants, l'atome d'azote, de trois doublets liants et l'atome d'oxygène, de deux doublets liants.


Une méthode possible

On peut, dans un premier temps, utiliser le tableau suivant pour faire établir aux élèves les formules de Lewis de quelques molécules simples.

MoléculeNom : chlorure d'hydrogèneFormule : HClAtomesHCl
Configuration électronique
( K )1
( K)2(L )8( M )7ne17nt1+7 = 8nd8/2 = 4

Répartition des doublets
et nature des doublets


H Cl
1 doublet liant ou 1 liaison covalente simple entre H et Cl
3 doublets non liants sur Cl

Conclusion
respect de la règle du « duet » pour l'atome d'hydrogène H

respect de la règle de l'octet pour l'atome de chlore Cl

Etude de quelques molécules

L'eau

MoléculeNom : eauFormule : H2OAtomesHHO
Configuration électronique
( K )1
( K )1
( K )2( L )6ne116nt1 + 1+ 6 = 8nd8/2 = 4

Répartition des doublets
et nature des doublets


H O H
2 doublets liants ou 2 liaisons covalentes simples entre O et les deux H
2 doublets non liants sur O

Conclusion
respect de la règle du « duet » pour les 2 atomes d'hydrogène

respect de la règle de l'octet pour l'atome d'oxygène 

L'ammoniac

MoléculeNom : ammoniacFormule : NH3AtomesHHHN
Configuration électronique
( K )1
( K )1
( K )1
( K )2( L )5ne1115nt1 + 1+ 1+ 5 = 8nd8/2 = 4

Répartition des doublets
et nature des doublets

H N H

H
3 doublets liants ou 3 liaisons covalentes simples entre N et les trois H
1 doublet non liant sur N

Conclusion
respect de la règle du « duet » pour les 3 atomes d'hydrogène

respect de la règle de l'octet pour l'atome d'azote 


Le méthane

MoléculeNom : méthaneFormule : CH4AtomesHHHHC
Configuration électronique
( K )1
( K )1
( K )1
( K )1
( K )2( L )4ne11114nt1 + 1+ 1+ 1+ 4 = 8nd8/2 = 4

Répartition des doublets
et nature des doublets
H

H C H

H
4 doublets liants ou 4 liaisons covalentes simples entre C et les quatre H
0 doublet non liant sur C

Conclusion
respect de la règle du « duet » pour les 4 atomes d'hydrogène

respect de la règle de l'octet pour l'atome de carbone 



Le diazote

MoléculeNom : diazoteFormule : N2AtomesNN
Configuration électronique
( K )2( L )5
( K )2( L )5ne55nt5+5 = 10nd10/2 = 5

Répartition des doublets
et nature des doublets


N N
3 doublets liants ou 1 liaison covalente triple entre les 2 atomes N
1 doublet non liant sur chaque atome N

Conclusion
respect de la règle de l'octet pour chaque atome N

Le cyanure d'hydrogène

MoléculeNom : cyanure d'hydrogèneFormule : HCNAtomesHCN
Configuration électronique
( K )1
( K )2( L )4
( K )2( L )5ne145nt1 + 4 + 5 = 10nd10/2 = 5

Répartition des doublets
et nature des doublets


H C N
1 doublet liant ou 1 liaison covalente simple entre C et H
3 doublets liants ou 1 liaison covalente triple entre C et N
1 doublet non liant sur N

Conclusion
respect de la règle du « duet » pour l'atome d'hydrogène

respect de la règle de l'octet pour les atomes de carbone et d'azote 



L'acide hypochloreux

MoléculeNom : acide hypochloreuxFormule : ClOHAtomesClOH
Configuration électronique
( K )2( L )8( M )7
( K )2( L )6
( K )1ne761nt7 + 6 + 1 = 14nd14/2 = 7

Répartition des doublets
et nature des doublets


Cl O H
1 doublet liant ou 1 liaison covalente simple entre Cl et O
1 doublet liant ou 1 liaison covalente simple entre O et H
3 doublets non liants sur Cl
2 doublets non liants sur O

Conclusion
respect de la règle du « duet » pour l'atome d'hydrogène

respect de la règle de l'octet pour les atomes de chlore et d'oxygène 

Le dioxyde de carbone

MoléculeNom : dioxyde de carboneFormule : CO2AtomesCOO
Configuration électronique
( K )2( L )4
( K )2( L )6
( K )2( L )6ne466nt4 + 2 ( 6 = 16nd16/2 = 8

Répartition des doublets
et nature des doublets


O C O 
2 fois 2 doublets liants ou 2 liaisons covalentes doubles entre C et O.
2 doublets non liants sur chaque atome d'oxygène.


Conclusion
respect de la règle de l'octet pour les atomes de carbone et d'oxygène 

L'éthène ou l'éthylène


MoléculeNom : éthylèneFormule : C2H4AtomesHHHHCC
Configuration électronique
( K )1
( K )1
( K )1
( K )1
( K )2( L )4
( K )2( L )4ne111144nt4 ( 1 + 2 ( 4 = 12nd12/2 = 6

Répartition des doublets
et nature des doublets
1 liaison covalente double carbone-carbone.
4 liaisons covalentes simples carbone-hydrogène
0 doublet non liant.


Conclusion
respect de la règle de l'octet pour les atomes de carbone et respect de la règle du « duet » pour les atomes d'hydrogène. 

E . La notion d'isomérie de constitution

L'objectif est de montrer aux élèves qu'à une même formule brute, peuvent correspondre plusieurs formules de Lewis. Des molécules ayant la même formule brute et des formules de Lewis différentes sont des isomères de constitution.
Cette partie sera traitée en utilisant des modèles moléculaires et on montrera que les différentes formules de Lewis vérifient les règles du « duet » et de l'octet.
Toutes les notions de nomenclature et de groupe fonctionnel en chimie organique ne sont pas au programme de la classe de seconde. On ne focalisera pas sur ces notions, mais on pourra donner les noms de quelques composés usuels (méthane, butane, acétone, …).

1er exemple : le composé de formule brute C4H10
nt = 4 ( 4 + 10 = 26 nd = 13
Avec 13 doublets, on peut écrire deux formules de Lewis, chaque atome de carbone vérifiant la règle de l'octet et chaque atome d’hydrogène, la règle du « duet ».
 On obtient les deux formules développées ( F.D ) suivantes A et B :


A : B :




A est la molécule de butane et B est la molécule de 2-méthylpropane.
Pour écrire plus rapidement les formules de Lewis des molécules A et B, on utilise les formules semi-développées ( F.S.D ). Dans ces formules, seules sont représentées les liaisons carbone-carbone ; on indique sur chaque atome de carbone le nombre d'atomes d'hydrogène portés en sachant que l'atome de carbone engage quatre liaisons covalentes et vérifie la règle de l'octet.
Pour le butane et le 2-méthylpropane, on obtient les formules semi-développées suivantes :

A : B :


Conclusion : Pour le composé de formule brute C4H10 , il existe deux molécules différentes ayant des formules de Lewis différentes. Ces molécules sont des isomères de chaîne carbonée ou isomères de squelette. Les noms, propriétés physiques et chimiques de ces molécules sont différents.

2ème exemple :les molécules correspondant à la formule brute C2H6O
nt = 2 ( 4 + 6 + 6 = 20 nd = 10
Avec 10 doublets, on obtient les formules de Lewis suivantes, dans lesquelles les atomes de carbone et d'oxygène vérifient la règle de l'octet et les atomes d'hydrogène, la règle du « duet ».

Formules développées :


C : D :



Formules semi-développées :

C : D :

Les molécules C et D possèdent bien 10 doublets d'électrons dont 8 liants et 2 non liants portés par l'atome d'oxygène.
La molécule C est la molécule d'éthanol ou d'alcool éthylique C2H5OH. Elle fait partie de la famille des alcools ou alcanols.
La molécule D est le méthoxyméthane (CH3)2O. Elle fait partie de la famille des ether-oxydes.
Ces deux molécules ont des noms, propriétés physiques et chimiques très différents. Ce sont des isomères de constitution appelées isomères de fonction.

3ème exemple : les molécules correspondant à la formule brute C2H7N
nt = 2 ( 4 + 7 + 5 =20 nd = 10
Avec 10 doublets, on obtient les formules de Lewis suivantes qui vérifient la règle de l'octet pour les atomes de carbone et d'azote et la règle du « duet » pour l'atome d'hydrogène.

Formules développées :


E : F :



Formules semi-développées :

E : F :

Les molécules E et F possèdent bien 10 doublets d'électrons dont 9 doublets liants et un doublet non liant, porté par l'atome d'azote.
Les molécules E et F font partie de la famille des amines. Ces molécules ont des noms, des propriétés physiques et chimiques différents.

4ème exemple : Les 9 molécules correspondant à la formule brute C3H6O
Cet exemple est plus difficile que les précédents, mais il permet de montrer un nombre plus important d’isomères faisant intervenir des insaturations sous forme de doubles liaisons carbone-carbone, carbone-oxygène et de cycles.
nt = 3 ( 4 + 6 ( 1 + 6 = 24 nd = 12
Avec 10 doublets, on obtient les formules de Lewis suivantes qui vérifient la règle de l'octet pour les atomes de carbone et d'oxygène et la règle du « duet » pour l'atome d'hydrogène.




















Toutes ces molécules possèdent 12 doublets d'électrons dont 2 non liants portés par l'atome d'oxygène.
Les molécules A et B sont des isomères de fonction : A, le propanal, appartient à la famille des aldéhydes ; B, la propanone, appartient à la famille des cétones.
Les molécules D, E, F sont des isomères de position.

Compléments théoriques pour les professeurs, totalement hors programme pour les élèves :
La formule de Lewis, la plus probable pour une molécule, doit :

Respecter la règle de l'octet pour les atomes C , O, N, F et la règle du « duet » pour l’atome H.
Faire intervenir les charges formelles les plus petites possibles.
Respecter l'électronégativité des éléments.

Remarque : Pour trouver la charge formelle portée par un atome dans une molécule ou dans un ion, il suffit de casser les liaisons covalentes engendrées par cet atome avec les autres atomes et de répartir de façon équitable les différents électrons. On compte ensuite le nombre d'électrons restant sur l'atome considéré. Trois cas sont alors possibles :
Si l'atome retrouve le même nombre d'électrons qu'il a sur sa couche externe lorsqu’il est seul, alors sa charge formelle est nulle.
Si l'atome possède y électrons en excès par rapport à sa couche électronique externe normale, alors sa charge formelle est y- .
Si l'atome possède x électrons en défaut par rapport à sa couche électronique externe normale, alors sa charge formelle est x+ .


Exemple : l'acide nitrique HNO3 ou HONO2 .





















Exemples de molécules :

Le monoxyde de carbone

nt = 4 + 6 = 10 nd = 5
Avec 5 doublets, on obtient les molécules A et B.
On doit retenir la molécule A.
En effet, la priorité est le respect de la règle de l'octet pour l'atome de carbone et l'atome d'oxygène, ceci indépendamment des charges formelles qui ne respectent pas l'électronégativité des atomes.
D’autre part la formule A est en accord avec le sens du moment dipolaire de la molécule.


L'ion nitrite : NO2-
nt = 2 ( 6 + 5 + 1 = 18 nd = 9
Avec 9 doublets, on obtient les deux formules A et B qui respectent la règle de l'octet pour les atomes d'oxygène et l'atome d'azote et qui respectent aussi l'électronégativité des atomes.
On doit retenir la formule A, car elle fait intervenir les charges formelles les plus petites.





L'ion sulfate : SO42-
nt = 4 ( 6 + 6 + 2 = 32 nd = 16
Avec 16 doublets, on peut obtenir par exemple, les formules A et B.

On doit retenir la formule A, car elle respecte contrairement à la formule B, l'électronégativité des atomes .






Autres formules correspondant à la formule brute C2H6O


etc ..




etc ….



Dans un devoir, au niveau d'une classe de seconde, une formule telle que celles données ci-dessus, doit être comptée juste, même si les charges formelles, hors programme, ne sont pas écrites.
On pourra cependant indiquer aux élèves que ces molécules n'existent pas et qu'ils doivent écrire en priorité les formules de Lewis pour lesquelles l'atome carbone engage quatre liaisons covalentes, l'atome d'azote, trois liaisons covalentes, l'atome d'oxygène, deux liaisons covalentes.


Autres formules de Lewis correspondant à la formule brute C2H7N 






Voir la remarque ci-dessus.


Activité 4

Travail sur texte

La théorie de l’atome


Coucou, Sophie ! Tu vas entendre parler aujourd'hui du dernier grand philosophe de la nature. Il s'appelait Démocrite (environ 460-370 avant Jésus-Christ) et venait de la ville côtière d'Abdera au nord de la mer Égée. Si tu as réussi à résoudre l'énigme du Lego, tu ne devrais pas avoir de problèmes à comprendre le projet de ce philosophe.
Démocrite était d’accord avec ses prédécesseurs pour dire que les changements observables dans la nature n'étaient pas la conséquence d'une réelle «transformation ». Il supposa donc que tout devait être constitué de minuscules éléments de construction, chacun, pris séparément, étant éternel et immuable. Démocrite appela ces infimes parties des atomes.
Le terme grec ((((((() signifie « indivisible ». Il s'agissait pour Démocrite d'établir que ce qui est la base de toute la construction du monde ne peut pas se subdiviser indéfiniment. On ne pourrait pas sinon s'en servir comme éléments de construction. En effet, si les atomes pouvaient être cassés et divisés en parties de plus en plus petites, la nature finirait par perdre toute consistance et ressembler à une soupe de plus en plus diluée.
Les éléments de construction de la nature devaient d'autre part être éternels, car rien ne naît du néant. Démocrite rejoignait sur ce point Parménide et les Éléates. Il croyait que tous les atomes devaient être solides et massifs sans pour autant être les mêmes. Car si tous les atomes étaient identiques, il n'y aurait pas d'explication satisfaisante pour rendre compte de la variété des formes aussi différentes entre elles que la violette, l'olivier, la peau de chèvre ou les cheveux humains.
Démocrite pensait qu'il y avait une infinité d'atomes dans la nature. Certains étaient ronds et lisses, d'autres rugueux et crochus. Et c'est justement parce qu'ils avaient des formes différentes qu'ils pouvaient s'assembler en d'infinies variantes. Mais ils avaient beau être innombrables et différents les uns des autres, ils étaient tous éternels, immuables et indivisibles.
Quand un corps, prenons l'exemple d'un arbre ou d'un animal meurt et se décompose, les atomes se dispersent et peuvent se regrouper pour former de nouveaux corps. Les atomes en effet bougent dans l'espace, mais parce que certains ont des «crochets » ou des «dents», ils s'accrochent les uns aux autres pour former les choses qui nous entourent.
Tu vois maintenant ce que je voulais dire avec les éléments de Lego, n'est-ce pas ? Ils possèdent tous plus ou moins les qualités que Démocrite attribue aux atomes, et c’est pourquoi ils permettent de tout construire. Tout d'abord ils sont indivisibles. Ils diffèrent par la taille et la forme et sont compacts et denses. Ils possèdent par ailleurs ces crochets et ces dents qui leur permettent de s'assembler pour former tout ce qu'on veut. Ce mode de fixation peut facilement se défaire pour permettre la reconstruction d'autres choses à partir des mêmes éléments.
Le fait de pouvoir réutiliser indéfiniment les éléments, c'est ce qui explique le succès qu'a remporté le Lego depuis sa création : ce qui un jour aura servi à une voiture permettra le lendemain de construire un château. On pourrait presque dire que ces éléments de Lego sont « éternels» : les enfants peuvent jouer avec le Lego que possédait leur père ou leur mère quand eux-mêmes étaient petits.
On peut aussi former différentes choses avec de l'argile, mais on ne peut pas la pétrir indéfiniment car elle s'effrite de plus en plus et il devient impossible au bout d'un moment de créer de nouveaux objets.
Nous pouvons affirmer aujourd'hui que la théorie des atomes de Démocrite était assez juste. La nature est vraiment formée de différents «atomes» qui s'assemblent et se défont. Un atome d'hydrogène qui se trouve dans une cellule tout au bout de mon nez faisait peut-être partie autrefois de la trompe d'un éléphant. Et qui sait si un atome de carbone de mon muscle cardiaque ne se trouvait pas, il y a bien longtemps, sur la queue d'un dinosaure ?


La science a entre-temps établi que les atomes pouvaient se subdiviser en «particules élémentaires » encore plus petites. Nous les appelons des protons, des neutrons et des électrons. Peut-être pourrait-on encore diviser ces dernières particules, mais les physiciens sont d'accord pour admettre qu'il y a une limite. Il doit exister des parties infimes qui servent à construire toute la nature.
Démocrite n'avait pas accès aux appareils électroniques de notre époque. La raison était son seul outil et elle ne lui laissait pas le choix. Si nous partons du principe que rien ne change, que rien ne naît du néant et que rien ne disparaît jamais, il faut admettre que la nature est constituée d'une infinité de petits éléments de construction qui s'assemblent et se défont à nouveau.
Démocrite ne faisait appel à aucune « force» ou «esprit» pour expliquer les phénomènes naturels. La seule chose à l'œuvre, pensait-il, ce sont les atomes et le vide. Comme il ne croyait qu'à ce qui est «matériel», nous l'appelons un matérialiste.

Jostein GAARDER
Extrait du livre :  Le Monde de Sophie 


Questions 

Quels sont les termes employés par Démocrite pour décrire les atomes ?
Avec quel modèle les décrivez-vous aujourd’hui ?

Mêmes questions avec les liaisons ?

Pourquoi Jostein Gaarder compare-t-il les atomes à des Lego ?

4. Que pensez vous de la description des atomes et des liaisons dans les trois phrases incluses dans : {Tout d’abord ils sont indivisibles……pour former tout ce qu’on veut} ?

5. Démocrite avait une théorie sur la transformation de la matière proche de celle qu’énonça Lavoisier 2000 ans plus tard. Laquelle ? Justifier à l’aide du texte.
Comment Démocrite la formule t-il ?
Quelle phrase célèbre Lavoisier a t-il prononcée à ce sujet ?

6. De l’analogie entre les atomes et les Lego, commentez la phrase : « On pourrait presque dire que ces éléments de Lego sont éternels. »

7. Démocrite pensait que les atomes étaient insécables, qu’en est-il aujourd’hui ?



Activité 5
Nécessité d’une autre théorie que celle de Lewis
pour justifier de la géométrie des molécules : la théorie de Gillespie.

Illustration de la géométrie de quelques molécules simples
à l’aide de ballons de baudruche

Avant d’utiliser les « modèles moléculaires » classiques dans lesquels les atomes présentent déjà des trous préfigurant les directions privilégiées prises par les liaisons qu’ils engagent, il est souhaitable de demander aux élèves d’essayer de prévoir la géométrie de trois molécules simples dont ils auront au préalable représenté les formules de Lewis, à savoir CH4, NH3 et H2O.

Pour confronter leurs prévisions avec la réalité, on peut leur faire chercher ou leur fournir les données expérimentales sur ces molécules simples :

MoléculeGéométrieAngleCH4 tétraédriqueHCH = 109,28 °NH3pyramidaleHNH = 107 °H2OcoudéeHOH = 105 °
L’étape suivante pourrait être de leur demander d’expliquer pourquoi CH4 et NH3 ne sont pas plans et H2O n’est pas linéaire. Les représentations de Lewis, utilisées jusque-là étant planes ou linéaires, ne permettent pas, seules, de répondre à cette question.

Confronté à cette interrogation, on pourrait leur donner le modèle de Gillespie basé sur la répulsion de tous les doublets (ou paires) d’électrons des couches externes qui conduit, pour que la répulsion soit minimale, à ce que les doublets soient les plus éloignés possibles dans l’espace. On ne développera pas la théorie VSEPR, faite auparavant en Terminale, et on n’en donnera même pas le nom. Néanmoins avec ce nouveau modèle, les élèves peuvent proposer une justification des géométries observées.

Ensuite, on peut leur demander de proposer une explication sur la différence entre les angles des liaisons. Le fait que les doublets non liants s’avèrent plus répulsifs pourrait alors émerger.

Enfin à l’aide de ballons de baudruche symbolisant les doublets (les rouges représentent les doublets liants, les blancs, plus gonflés, représentent les doublets non liants ), on peut leur faire réaliser les trois assemblages photographiés ci-dessous leur permettant d’appréhender alors les positions relatives des doublets dans l’espace et la géométrie de chaque molécule.
Attention néanmoins à ce qu’il n’y ait pas confusion entre l’encombrement stérique et la répulsion électrostatique.



Lors de l’utilisation ultérieure « des modèles moléculaires », on vérifiera bien que les atomes choisis dans les boîtes respectent bien les directions prévues par le modèle de Gillespie.
Activité 6

Activités en classe entière
Pour aborder l’aspect historique avec Mendeleiev : activités 6a et 6c
Pour l’établissement de la classification actuelle : activités 6b
L’enseignant peut traiter 6a et 6b, ou bien 6c et 6b.


Activité 6a

Document vidéo et questionnaire

Le roman de l’atome de Démocrite à nos jours (2)

Nous proposons une deuxième utilisation possible de cette vidéo sur la démarche historique de Mendeleiev dans l’élaboration de sa classification périodique des éléments.
La durée de la séquence est de une minute quinze et démarre 18 minutes 30 après le début de l’enregistrement.
Comme pour la précédente, compte tenu de la courte durée, il est conseillé de faire lire les questions avant la projection et de passer celle-ci deux fois.
Les questions précédées d’un astérisque * sont à traiter après la séquence car la réponse n’est pas directement donnée dans la vidéo.


Questions

Quelle est la nationalité de Mendeleiev ?

Quelle est sa date de naissance ?

Combien d’éléments sont connus à son époque ?

Quel est son âge au moment où il fait ses travaux ?

A quelle date établit-il sa classification ?

Quelles sont les deux informations qu’utilise Mendeleiev pour classer les éléments ?

Quelles sont les conséquences de cette classification ?

Le document cite deux séries d’éléments appartenant à la même ligne. Donner ces deux séries.
*Comment appelle-t-on actuellement ces séries ?

Toutes les lignes du tableau sont elles complètes ?

Mendeleiev avait prévu l’existence possible d’éléments qui ont été découverts ultérieurement. Compléter le tableau suivant à l’aide des exemples cités dans la vidéo.

« Poids atomique » prévuNom donné par MendeleievNom actuelSymboleDate de la découverte« Poids atomique » réel6870NB : Eka vient du sanscrit « premier », ce qui indique que l’élément doit se situer dans la case sous-jacente à l’élément mentionné.

11. Quels ont été les objectifs de Mendeleiev ?

12. Que n’a-t-il pas cherché à comprendre ?


Prolongements possibles sur les différences entre le tableau actuel et celui établi par Mendeleiev :

13. *Combien d’éléments comporte actuellement la classification périodique ?

14. *Les critères de classification actuels sont-ils les mêmes que ceux de Mendeleiev ?

15. *La présentation actuelle est-elle identique ?

16. *Quels autres noms donne-t-on aux lignes et aux colonnes ?


Activité 6b

Travail de construction du tableau périodique

Carte d’identité de l’élément (3)

Le verso de la carte d’identité, tel qu’il est rempli à ce jour, va permettre d’établir collectivement la classification périodique actuelle à l’aide des 20 premiers éléments dont les configurations électroniques auront été écrites. Il suffit pour cela de donner aux élèves les critères de classement avec Z croissant et retour à la ligne pour chaque nouvelle couche en plaçant dans une même colonne les atomes ayant même nombre d’électrons sur leur couche externe.

Les élèves pourront ensuite remplir les cases concernant les numéros des lignes et des colonnes.


Activité 6c

Travail de construction du tableau périodique

A la place de l’activité 6a, on pourra se servir de l’utilisation pédagogique d’informations historiques proposée par B. Bensaube -Vincent et D. Rebaud dans le BUP (1994), n°766, p 1109 à 1129.



Activité 7

Application de cours
Classe entière ou travail à la maison

Carte d’identité de l’atome d’un élément (4)

A ce stade, on mentionnera la famille à laquelle appartient l’élément ( famille de C, N, O, halogènes, gaz nobles, alcalins et alcalino-terreux) ainsi que les autres éléments de la famille ( Z supérieur à 20 aussi).

Complément d’information


Rayons atomiques


La façon la plus simple d’obtenir une information sur les tailles des atomes est de considérer les volumes molaires dans une phase condensée (solide ou liquide). Les valeurs peuvent se calculer à partir des données de masses volumiques du Handbook of Chemistry and Physics. La masse volumique ( est donnée par le rapport M/Vm de la masse molaire atomique M au volume molaire Vm. Si l’on désigne par NA le nombre d’Avogadro, le volume occupé en moyenne par chaque atome est donné par v = Vm/ NA. On peut représenter chaque volume élémentaire par un cube d’arête a = v1/3, dans lequel est logé un atome représenté par une sphère de rayon R = a/2 = (Vm/8NA)1/3. Les atomes seront ainsi au contact et le réseau ainsi obtenu est un réseau cubique simple. Les valeurs de R obtenues de cette façon sont représentées fig. 1, en fonction de la charge Z de l’atome. La procédure n’est qu’une approximation mais un calcul plus détaillé tenant compte de la structure précise de chaque solide n’altère pas les conclusions qualitatives qui suivent.


Fig. 1

On voit apparaître immédiatement deux caractéristiques principales :

1. En moyenne, tous les atomes ont la même taille : les atomes comportant un grand nombre d’électrons ne sont pas plus gros que les atomes comportant un petit nombre d’électrons. Le rayon moyen est de l’ordre de 0,15 nm. Cette caractéristique s’explique par le fait que lorsque le nombre d’électrons augmente, l’attraction produite par le noyau, dont la charge augmente également, devient plus intense. Le rayon des couches K,L,M… diminue lorsque la charge du noyau augmente. Les deux effets, en moyenne, se compensent. Ainsi l’atome de Berkélium, qui comporte 97 électrons, a un rayon voisin de celui du Lithium, qui n’en comporte que trois.

2. A ce comportement moyen se superpose une modulation comportant des pics prononcés pour les alcalins. Ces pics s’expliquent par la présence d’un électron en dehors de couches pleines. Cet électron est moins lié que les autres, et par conséquent sa fonction d’onde s’étend relativement plus loin du centre de l’atome. Le rapport des rayons des atomes les plus gros à ceux des plus petits ne dépasse pas 2,5. Noter que le francium (Z=87), le plus lourd des alcalins, est instable, et n’a pas été produit en quantité suffisante pour que l’on puisse mesurer son volume molaire. Son rayon devrait être le plus grand de tous.

Le cas des atomes de gaz rare a été particulièrement étudié. Pour ces systèmes l’interaction atome-atome est bien connue. Elle est souvent représentée par un potentiel de Lennard-Jones, qui comporte une partie attractive à longue distance et une partie fortement répulsive à courte distance. La valeur de la distance pour laquelle le potentiel change de signe est appelée « rayon de cœur dur », et correspond au double de ce que l’on peut appeler le rayon de l’atome. Les valeurs de ces rayons sont les suivantes (on a rappelé entre parenthèses les valeurs déduites des volumes molaires):

He : 0,128 nm (0,143 nm)
Ne : 0,138 nm (0,152 nm)
Ar : 0,170 nm (0,167 nm)
Kr : 0,183 nm (la masse volumique ne figure pas dans le handbook)
Xe : 0,197 nm (0,198 nm)

De l’hélium au xénon, le rayon augmente d’environ 50 % , alors que le nombre d’électrons est multiplié par 27 (il passe de 2 à 54).
Noter que l’estimation des rayons atomiques obtenue à partir des volumes molaires se compare très bien au rayon de cœur dur, qui est déterminé par des méthodes très précises. Le désaccord dans le cas de l’hélium et du néon peut être dû à un effet de délocalisation quantique, pris en compte de fait dans la mesure du volume molaire, et qui fait que la distance entre atomes est plus grande que deux fois le rayon de cœur dur.

Remarque
On trouve dans la littérature scientifique d’autres définitions du rayon atomique. Dans un article de 1930, J.C. Slater définit le rayon de l’atome comme la distance la plus probable des électrons de valence (maximum de la densité de probabilité radiale). Mais la grandeur ainsi définie n’a pas de signification expérimentale. Signalons que le rayon covalent, défini comme la moitié de la distance entre les noyaux des atomes de cet élément, liés dans la molécule du corps simple correspondant, est nécessairement plus petit que le rayon de l’atome nu (la mise en commun d’électrons s’accompagne d’une diminution du volume total). De même, la formation d’un ion s’accompagne d’une variation de volume qui peut être importante, notamment au voisinage des couches complètes. Par exemple dans le cas du lithium, le rayon ionique est de l’ordre de deux fois plus petit que le rayon de l’atome neutre, ce qui représente une variation de volume d’un facteur 8 !

Grille de suivi des compétences mises en jeu lors des séances de TP

Compétences expérimentalesPartie II123Respecter les consignes : protection des personnes et de l’environnementSuivre un protocoleReconnaître, nommer et utiliser le matériel de laboratoire (verrerie, instruments de mesure…)Construire un montage expérimental à partir d’un schémaFaire le schéma d’une expérienceGarder un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de l’expérienceChoisir le matériel en fonction des consignes donnéesFaire l’étude statistique d’une série de mesures indépendantes en utilisant une calculatrice ou un tableurAnalyser des résultats expérimentaux et les confronter à une référenceAnalyser des résultats expérimentaux, les confronter à des résultats théoriquesIdentifier les paramètres pouvant jouer un rôle dans un phénomène Déterminer le domaine de validité d’un modèleProposer une expérience répondant à un objectif (séparation des paramètres, validation d’une hypothèse, synthèse et analyse chimique) Utiliser les technologies de l’information et de la communication.

Rappel des titres de TP

TP 1 : Conservation des éléments
TP 2 : Documentation
TP 3 : Modèles moléculaires
Apports bibliographiques

Documentation

Ouvrages utilisables par les élèves
AUFFRAY J.P. (1997). L’atome. Dominos Flammarion.
LUFT R. (1997). Dictionnaire des corps purs simples de la chimie. Cultures et techniques.
CLARET S. et al.(1992). Les éléments dans tous leurs états. Oxane.
LAMARCHE E. (1992). Mendel 3D dossier exploitation pédagogique physique chimie. Oxane.
EMSLEY J. Les éléments. Oxford University Press.

Ouvrages d’approfondissement
Depovere P.(1999). La classification périodique des éléments. De Boeck Université.
JEAN Y. et VOLATRON F. (1996). Structure électronique des molécules : 1. De l’atome aux molécules simples. Ediscience international.
HARGITTAI I. Théorie VSEPR : model of Ronald J. Gillepsie. International Student Edition.

Ouvrages d’histoire des sciences
AFTALION F.(1988). Histoire de la chimie. Masson.
BENSAUBE-VINCENT B. et KOUNELIS C. (1991). Les atomes : une anthologie historique. Pocket.
BROCK W.H.(1992) The fontana history of chemistry. Fontana Press.
LAFFONT O. (1994). D’Aristote à Lavoisier, la naissance d’une science. Ellipses.
TATON R. (1966 à 1994). Histoire générale des sciences. PUF, réédité en format de poche, trois tomes, quatre volumes.
VIDAL B. (1985). Histoire de la chimie. Que sais je ? n° 65. PUF.
BENSAUBE-VINCENT B (1993). Lavoisier : mémoires d’une révolution. Flammarion.
BENSAUBE-VINCENT B. (1993). Histoire de la chimie. La découverte.
WOJTOWIAK B. Histoire de la chimie. Lavoisier Tec et Doc.
MASSAIN R. (1982). Chimie et chimistes. Magnard.

Articles de revues
La recherche
BENSAUBE-VINCENT B. La genèse du tableau périodique. n° 159, vol 15, p 1206-1215
MARSHAAL M. Les atomes. n° 299.

BUP
MATHIS A. (1995). Les éléments 107, 108 et 109. n° 773, p.729-737.
MATHIS A. (1996). L’élément 112. n° 787, p. 535
MATHIS A. (1996). Les éléments 110 et 111. n° 783, p.763-768.
MATHIS A. (1996). La valse des éléments lourds. n° 783, p.759-762.
SCHWOB M. (1992). La ronde des éléments. n° 746, p1079-1095.
ROYER J. (1997). Aborder l’élément chimique et l’isotopie en classe de seconde. n° 796, p1425-1431.
BENSAUBE-VINCENT B. et al. (1994). Construire le tableau périodique. n° 766, p1109-1129.

Sites internet
Utiliser le moteur de recherche sur  HYPERLINK "http://www.edunet.education.fr" http://www.educnet.education.fr après avoir cliqué sur secondaire et physique chimie

Tableau périodique interactif
 HYPERLINK http://www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/ http://www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/
 HYPERLINK http://www.cyberscol.qc.ca/mondes/mendeleiev/carrefour/historiqur.htm http://www.cyberscol.qc.ca/mondes/mendeleiev/carrefour/historiqur.htm
Prix Nobel
 HYPERLINK http://www.nobelprizes.com http://www.nobelprizes.com
Liaison chimique
 HYPERLINK http://www2ac-lyon.fr/enseigne/physique.doc/soc/chimie/chimie.htlm http://www2ac-lyon.fr/enseigne/physique.doc/soc/chimie/chimie.htlm

Cédérom
EURISKO : à la découverte du tableau de Mendeleiev (1998). Centre documentaire informatique enseignement chimie (CDIEC), Université de Nice-Sophia Antipolis, 06108 Nice cedex 2.
Tél. : 04 92 07 61 23 Télécopie : 04 92 07 61 25





Partie III : Transformation chimique

4 TP, 8h classe entière






Dans le BO, n°6, 12 août 1999, page 17, subsiste une erreur
merci de prendre en compte cet erratum




Exemple de tableau en reprenant le cas de la synthèse de l’eau :

Equation(1) O2 (g) + 2H2 (g) ((2) 2H2O (l)Etat du systèmeAvancementMoles de dioxygèneMoles de dihydrogène Moles d’eauEtat initial0310Au cours de la transformationx3 - x1 - 2x2xEtat finalxmax
(1) « Equation » et non « Relation stœchiométrique »
(2) Simple flèche « ( » et non le signe  « = »

L’avancement maximal, xmax est obtenu en écrivant que les quantités de chaque espèce chimique sont nécessairement positives :
2 x ( 0 ;
3 – x ( 0 ;
1 – 2x ( 0

Il est alors possible de déterminer xmax (en l’occurrence : 1/2).

Le tableau peut alors être complété.



Acquis du collège

Mettre en œuvre des critères pour reconnaître une « réaction chimique » (quelques tests de reconnaissance d’ions, de molécules : O2, H2, H2O, CO2...).
Distinguer réactifs et produits.
Ecrire les « équations-bilans » et expliquer leur signification : combustion du carbone et du méthane, oxydation de Zn, Cu, Al, Fe, précipitation de AgCl, BaSO4, CaC2O4, Fe(OH)2, action de l’acide chlorhydrique sur le fer et le zinc.
Mesurer une masse avec une balance électronique.
Réaliser une dissolution, une évaporation.
Utiliser à bon escient le vocabulaire : solution, solution saturée, soluté, solvant.
Distinguer dissolution et fusion.
Attention ! Tout particulièrement dans cette partie, l’enseignant veille à une utilisation rigoureuse du vocabulaire proposé en classe de seconde pour traiter de la transformation chimique. Il précise et justifie les points sur lesquels portent ces modifications (mots notés entre guillemets dans les acquis du collège).


Objectifs

Objectifs annoncés dans le BO
La troisième partie porte sur la transformation chimique d’un système. En chimie, les systèmes sont très complexes car ils contiennent généralement un très grand nombre (de l’ordre du nombre d’Avogadro) d’entités. L’analyse de leur comportement nécessite donc le recours à des modèles. Un des objectifs spécifiques de la classe de seconde est d’établir un bilan de matière ; pour ce faire, à la transformation chimique d’un système est associée une réaction chimique, modèle qui rend compte macroscopiquement de l’évolution du système et qui donne lieu à une écriture symbolique appelée équation. Lorsque ultérieurement la cinétique d’évolution du système sera abordée, il sera nécessaire de mettre en place un modèle plus élaboré faisant intervenir des intermédiaires réactionnels et les équations correspondantes. Le modèle et ses limites restent donc au cœur de cette partie.
L’étude de la transformation chimique d’un système commence par la mise en place d’outils de description macroscopique du système impliquant la définition de la mole.
L’enseignant fait bien la distinction entre la transformation subie par le système et la réaction chimique. Aussi souvent que possible, les manipulations servent de support introductif à cette approche pour essayer de remédier aux difficultés actuelles rencontrées par les élèves.
Il s’agit ensuite, en s’aidant d’un outil, un tableau descriptif du système au cours de la transformation, d’analyser cette transformation, en introduisant la notion d’avancement, et d’établir un bilan de matière. L’élève doit être capable d’écrire les nombres stœchiométriques de l’équation en respectant les lois de conservation des éléments et des charges et de comprendre qu’une transformation chimique ne nécessite pas que les réactifs soient dans des proportions particulières dans l’état initial.
Les élèves seront formés à l’utilisation d’un vocabulaire précis et à l’appropriation d’outils commodes pour décrire et analyser une transformation, selon une progression en difficultés croissantes utilisant l’avancement.
L’élaboration que l’enseignant fait avec l’élève de ce bilan de matière est essentielle pour la validation du modèle proposé. Toutefois aucune compétence n’est exigible sur ce bilan de matière. L’ensemble de cette présentation sera reprise au début de l’enseignement de la chimie en classe de première scientifique.
Des illustrations expérimentales sont utilisées pour s’approprier le concept de transformation chimique (état initial et état final) et permettent de vérifier la validité d’un modèle proposé de réaction chimique pour rendre compte de l’évolution d’un système subissant une transformation chimique.

Tableau de présentation générale

Progression chronologique

BO(1)Durée(2)ProgressionRéf. documentsIII.1.10,5hDe l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique : la moleCours
Activité 11,5hComment peut-on mesurer une quantité de matière ?TP 1III.1.20,5hAutour de la quantité de matièreActivité 21hConcentration molaire des espèces moléculaires en solution
Dilution d’une solutionCours
et/ou Activité(*)1,5hOpérations expérimentales de dissolution d’espèces moléculaires et de dilution de solutions courantesTP 21hEvaluation de la partie : « Outils de description d’un système »Contrôle écritIII.2.11,5hModélisation de la transformation chimique
Exemples de transformations chimiques
Description d’un système dans son état initial
Mise en évidence de l’évolution du système
Description du système dans son état finalCours, expériences de cours,
et/ou
Activité 3III.2.21,5hInitiation à l’avancement (approche expérimentale qualitative)TP 31,5hExploitation du TP
Expression des quantités de matière des réactifs et des produits au cours de la transformation
Réactif limitant et avancement maximal
Bilan de matièreCours
Activité 41,5hVérification expérimentale quantitative de la validité d’un modèle proposé de réaction chimique (approche expérimentale quantitative)TP 41hExploitation du TP 4
Applications à d’autres transformations chimiquesCours
et/ou Activité(**)III1hEvaluation de la troisième partieContrôle écrit (1)Partie du programme référencée dans le BO. Pour les commentaires relatifs aux différents paragraphes et pour les compétences exigibles, se référer au BO.
(2)La durée de la progression chronologique de la partie III est de 6h de cours, 3 ou 4 séances de TP et 2h d’évaluation.
(*)Aucune proposition particulière n’est faite ; l’enseignant ayant une grande habitude de cette partie du programme, il dispose de toutes sortes d’activités.
(**)Même indication que pour (*). Il est toutefois demandé à l’enseignant d’être très attentif à bien faire la différence entre transformation chimique et réaction chimique et de veiller à l’emploi du vocabulaire dans l’esprit de ce programme.

Progression thématique : « Les sucres »
1TP, 1 à 2 h en classe entière

Concentration des espèces moléculaires en solution.
Préparation de solutions de concentration donnée en saccharose.
Mesure de l'indice de réfraction (dispositif optique classique).
Etude de n = f(c). Utilisation des TICE (tableur) ; régression linéaire.
Application à la détermination de la concentration d'une solution inconnue.

Progression chronologique de la partie III


OUTILS DE DESCRIPTION D’UN SYSTEME CHIMIQUE

- De l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique : la mole
Comment peut-on mesurer une quantité de matière ?
Activité 1 : A propos de la mole : une présentation analogique.
TP 1a : La mole.
TP 1b : Comment compter des objets avec une balance ?

- Concentration des espèces moléculaires en solution
Activité 2 : Autour des grandeurs : masse molaire moléculaire, M et volume molaire Vm (à T et p).
TP 2a : Une grandeur liée à la concentration : l’indice de réfraction d’une solution concentrée de saccharose.
TP 2b : Une grandeur liée à la concentration : échelle de teintes, solution aqueuse de diiode.


TRANSFORMATION CHIMIQUE D’UN SYSTEME

- Modélisation de la transformation : réaction chimique
Présentation de la transformation chimique (1) : Mise en place du vocabulaire. Distinction entre transformation chimique et réaction chimique. Exemples de transformations chimiques.
Activités 3a & 3b : De la transformation chimique d’un système à la réaction chimique.
TP 3 et exploitation : Initiation à l’avancement, approche qualitative.
TP 3a et exploitation : Suivi d’une transformation chimique avec des ballons.
TP 3b et exploitation : Stœchiométrie, l’hydroxyde de cuivre(II).

- Bilan de matière
Présentation de la transformation chimique (2) : Exploitation de l’approche expérimentale qualitative. Construction d’un tableau descriptif du système au cours de la transformation.
Activité 4a : Stœchiométrie, exploitation quantitative du TP 3b.
Activités 4b & 4c : De la transformation chimique d’un système au bilan de matière en passant par la réaction chimique.
TP 4 et exploitation : Approche quantitative de l’avancement. Vérification expérimentale quantitative de la validité d’un modèle proposé de réaction chimique.
TP 4a et exploitation : Echelle de teintes (prolongement du TP 2b).
TP 4b et exploitation : Suivi d’une transformation chimique avec des ballons (prolongement du TP 3b).
TP 4c et exploitation : Suivi d’une transformation chimique avec un capteur de pression.
Activité 1


A propos de la mole… une présentation analogique


Référence : Arce de Sanabia J.(1993). Relative atomic mass and the mole : A concrete analogy to help students understand these abstract concepts, JCE, vol.70, n°3, p 223.


Mise en évidence du problème

Dans de nombreux manuels, la mole est présentée brutalement : « 1 mole = 6.02.1023 entités ».
La compréhension de ce concept pose beaucoup de difficultés aux élèves :
ils n’ont pas une image claire de ce que représente la masse atomique, qui est une masse molaire atomique.
ils s’étonnent : pourquoi les chimistes ont-ils choisi un nombre si curieux comme unité de comptage ?
ils ont des difficultés à admettre qu’il y a le même nombre d’atomes dans des masses différentes d’atomes différents.

L’auteur note que la notion de proportionnalité en mathématiques est souvent mal maîtrisée.
Il a la conviction que ce concept de proportionnalité doit d’abord être présenté à l’aide d’exemples concrets, et qu’ensuite seulement on peut aborder la masse molaire atomique.


Approche analogique

L’élève dispose de 4 boîtes d’allumettes identiques ou d’enveloppes identiques ; l’une est vide, les 3 autres contiennent un même nombre n d’objets différents, en l’occurrence, des trombones (paper clips) de tailles différentes.
L’élève dispose d’une balance.
Il lui est demandé de réfléchir à la possibilité de déterminer le nombre n de trombones commun aux trois boîtes.

Etape 1 :
Il détermine facilement, par la pesée de chacune des 4 boîtes, puis par soustraction de la masse de la boîte vide, la masse des trombones de chaque boîte :
- contenu de la boîte (1) : m1 = 2,4 g ; m1 = n.M1
- contenu de la boîte (2) : m2 = 3,6 g ; m2 = n.M2
- contenu de la boîte (3) : m3 = 8,4 g ; m3 = n.M3

Etape 2 :
Que peut-on tirer de ces informations ?
- La masse d’un trombone ne peut pas être déterminée car on ne connaît pas le nombre n de trombones dans chaque boîte. On sait seulement qu’il est le même dans les 3 boîtes.
- On peut par contre connaître le rapport entre la masse de deux trombones.
- On peut voir immédiatement quel est le trombone le plus léger.

On propose de définir alors la masse relative d’un trombone en comparant chacune des masses à la plus petite :
Boîte (1) :  EMBED Equation.2 = 1 Boîte (2) :  EMBED Equation.2  = 1,5 Boîte (3) :  EMBED Equation.2  = 3,5
Si on prend M1 comme unité de masse atomique, on a alors :
M2 = 1,5 unités M3 = 3,5 unités
On définit alors une « mole provisoire » comme étant le nombre de trombones contenus dans 2,4 g de l’espèce 1 (dans l’article, l’auteur l’appelle une « clipole »).

L’exercice peut alors se poursuivre avec des trombones d’autres dimensions, l’élève ayant à déterminer une « mole provisoire ».

Retour à la chimie

Il faudrait, pour exploiter cette analogie, choisir comme définition de la mole « le nombre d’atomes d’hydrogène contenus dans 1g d’hydrogène  EMBED Equation.3 », atome de masse la plus petite, à laquelle on comparera les autres. La masse molaire atomique devient le rapport entre la masse d’une mole d’atome et 1 g, masse molaire atomique de l’hydrogène  EMBED Equation.3 .

Cette approche analogique peut être menée différemment, avec d’autres objectifs ; par exemple, différentes boîtes contiennent des nombres différents d’un même trombone ; comment déterminer la masse unitaire du trombone ?

TP 1a
Protocole élève
La mole


Objectifs
Déterminer la quantité de matière (exprimée en mole) contenue dans un échantillon.
Préparer un échantillon, contenant une quantité de matière fixée.


Recherche personnelle

A l'aide d'un tableau de données, trouver la masse molaire atomique de chacune des espèces chimiques figurant dans le tableau ci-dessous :

Espèce chimiquePlombCuivreSodiumChloreSoufreCarboneHydrogèneOxygèneCalciumMasse molaire
(g.mol-1)
Calculer la masse molaire des espèces figurant dans le tableau ci-dessous :

ÉchantillonChlorure de sodium
NaCl
Carbonate de Calcium
CaCO3Sucre (saccharose)
C12H22O11Masse molaire
(g.mol-1)

Comment peut-on mesurer la masse volumique ( et 1a densité d d'une espèce chimique (solide ou liquide) par rapport à l'eau ? (éventuellement donner les définitions respectives).
Voir dans la partie I du document d’accompagnement le TP solubilité, miscibilité, densité.

Donner la relation qui lie la quantité de matière n (mol) d’une espèce chimique contenue dans un échantillon de masse m, à la masse molaire M ?


Manipulation : comment peut-on mesurer une quantité de matière ?

Matériel
- Balance
- Eprouvette de 50 mL
- Burette de 25 mL

Mode opératoire

1. Déterminer une quantité de matière
- Choisir un échantillon parmi les solides suivants : une spatulée de soufre ; un morceau de sucre ou de craie ; une lame de plomb ou de cuivre.

- Mesurer à l'aide d'une balance électronique la masse de l'échantillon choisi.
Attention à bien faire écrire le nombre de chiffres significatifs pour la masse selon la précision de la balance et à préciser l’unité.

- Calculer la quantité de matière correspondante (en mol).



2. Préparer une quantité de matière
Solide (NaCl)
Préparer 0,10 mol de chlorure de sodium, en justifiant la démarche.

Liquide (eau)
A vous de jouer : préparer la quantité de matière n (mol) d'eau parmi les valeurs suivantes :
- 0,5 mol ; 0,50 mol ; 1 mol ; 1,0 mol ; 2 mol. Selon la précision demandée, choisir la verrerie appropriée (burette, éprouvette…).

- Faire valider la préparation.

- Expliquer sur le compte rendu, les étapes de cette préparation.

Donnée : masse volumique de l'eau : (eau = 1,00 kg.L-1
TP 1b
Comment compter les objets avec une balance ?
De la nécessité de la masse molaire atomique et du nombre d’Avogadro

Objets proposés : grains de riz, pâtes alimentaires, clous, perles, billes de polystyrène expansé, feuilles de papier, épingles, autres…

Matériel : balance ; éprouvettes graduées ; loupes ; emballages (enveloppes, sacs…)

Etape A : Comment collecter un grand nombre d’objets identiques ?
Approche expérimentale
On demande aux élèves de faire des paquets d’un nombre identique de ces différents objets.

1° situation : faire des paquets de 20 objets.
Les élèves vont compter et préparer les paquets demandés.

2° situation : faire des paquets de 2000 objets.
Les élèves vont peut-être se mettre à compter… Bon courage et patience !
On peut les mettre sur une voie plus rapide en leur rappelant qu’ils ont aussi une balance à leur disposition.

Bilan :
Les élèves ont été amenés à compter des objets en réalisant une pesée.
Les élèves se rendent compte qu’un nombre identique d’objets différents peut avoir une masse très différente.
A ce stade il est intéressant de faire le rapport des différentes masses à la masse la plus faible (billes de polystyrène).

Etape B : Situation-problème
Un étudiant veut acheter 16 500 feuilles de papier en vue de la préparation d’un tract à distribuer au cours d’une manifestation ; comment peut-il faire pour en emporter la quantité suffisante ?
Les élèves vont se rappeler (espérons-le !) qu’ils ont noté la masse d’un paquet de 2 000 feuilles.
Ils sont amenés à faire l’opération nécessaire (en l’occurrence une division) pour déterminer combien de fois 2000 feuilles sont présentes dans le nombre demandé : 16 500/2 000 = 8,25.
La pesée à réaliser est donc facile à proposer.

Etape C : Retour à la chimie
a) L’atome de masse la plus faible est l’atome d’hydrogène (noyau constitué d’un seul nucléon) de masse unitaire : m(H) = 1,67.10-24 g.
Quel est le nombre N d’atomes d’hydrogène dans un gramme d’hydrogène ?

b) L’atome de carbone a une masse unitaire 12 fois plus grande que celle de l’atome d’hydrogène (12 nucléons dans le noyau).
Quelle masse faut-il peser pour « faire un paquet » de N atomes de carbone ?

c) Combien de « paquets » de N atomes de carbone y a-t-il dans 1 kg de carbone ?

Conclusion : émergence des notions utiles en chimie macroscopique :
- définition de la mole,
- définition de la masse molaire atomique.

« Pour expliquer »

A propos de la notion de quantité de matière.
La définition de la mole donnée par l’IUPAC (et indiquée dans le glossaire) est en fait une définition de l’unité (mol) mais pas de la grandeur « quantité de matière ». En effet, il y est dit qu’une mole est la quantité de matière d’une espèce chimique donnée contenant autant d’entités qu’il y a d’atomes dans 12 g de EMBED Equation.3. Donc une mole d’une espèce est constituée d’un nombre NA d’entités constitutives de l’espèce (NA est la constante d’Avogadro).



A l’issue de l’activité ci-dessus, il importe de définir la grandeur « quantité de matière » utilisée pour décrire un système chimique au même titre que d’autres grandeurs physiques (masse, volume, pression, température…) et de montrer la nécessité d’y avoir recours à l’échelle macroscopique. Comme on manipule toujours un nombre N d’entités très important et impossible à évaluer directement on va prendre les entités par « paquets » et chercher combien il faut de « paquets » pour avoir l’ensemble de ces N entités ; ce qui permet de considérer que le « paquet » sera pour le chimiste l’étalon de quantité de matière (la mole), la quantité de matière correspondra au nombre de « paquets » dont la valeur n sera exprimée en mol.

Ainsi on voit que si NA correspond aux nombres d entités contenues dans un  « paquet », et si il faut n « paquets » pour avoir les N entités du système, la relation qui lie les grandeurs est : N = NA x n. La quantité de matière est donc une grandeur proportionnelle au nombre d entités puisque n = að x N, avec að = 1/ NA.


A propos de la notion de masse molaire atomique
La masse molaire « atomique » est définie comme la masse d une mole d atomes à l état naturel, ce qui revient à considérer les abondances isotopiques naturelles.
Il est possible de la définir aussi comme la grandeur quotient de la masse par la quantité de matière : M = m / n . Son unité s’en déduit alors simplement : g.mol–1.


Activité 2


Autour des grandeurs : masse molaire moléculaire, M
et volume molaire, Vm (à T et p)

Objectif
Se familiariser, pour les différentes espèces chimiques proposées, avec les grandeurs : masse molaire moléculaire, M, volume molaire, Vm (à T et p), quantité de matière n, masse volumique ( et densité d.
Les élèves doivent disposer des masses molaires atomiques.
Cet exercice peut se traiter comme un complément au TP 1a ou comme une évaluation. Selon les objectifs recherchés, l’enseignant rappellera (ou non) les relations des grandeurs entre elles.

Compléter les tableaux ci-dessous :

1. Solides
Espèce chimiqueNomGlaceVitamine C
(acide ascorbique)Acide stéarique
(constituant des bougies)Formule bruteH2OC6H8O6C18H36O2Masse molaire moléculaire (g.mol -1)Masse volumique (g.mL-1)0,9170,941Densité1,65Masse500 mgQuantité de matière (mol)1,35Volume (mL)120
2. Liquides (conditions normales de température et de pression)
Espèce chimiqueNomEthanol
ou alcool éthyliqueOctane
(constituant de l’essence)Styrène
(conduit au polystyrène qui est une matière plastique)Formule bruteC2H6OC8H18C8H8Masse molaire moléculaire (g.mol -1)Masse volumique à (g.cm-3)0,7890,906Densité0,703Masse28 gQuantité de matière (mol)3,2Volume (mL)43,2
Gaz
Espèce chimiqueNomMéthane
(gaz de ville)Dioxyde de carboneButaneFormule bruteCH4CO2C4H10Masse molaire moléculaire (g.mol -1)Volume molaire (L.mol-1) à T et p 22,42
0°C ; 1,013 bar2,447
25°C ; 10,13 bar24,47
25°C ; 1,013 barMasse73 gVolume (mL)3420Quantité de matière (mol)2,75.10-3
TP 2a
ou TP thématique
Une grandeur liée à la concentration

L’indice de réfraction d’une solution concentrée de saccharose

Requis 
- la deuxième loi de Descartes sin i = n sin r ; n est l’indice du milieu par rapport à l’air (en lien avec le programme de physique),
- la définition de la concentration massique : cmassique
- la définition de la concentration molaire : cmolaire et la relation entre les deux.

Les compétences expérimentales exigibles sont indiquées en bleu dans le texte

Objectifs
Montrer que l’indice de réfraction n varie avec la concentration d’une solution ; établir la loi n = f(cmassique), avec n = nsolution/nair pour une solution de saccharose de concentration massique cmassique.
Appliquer la relation trouvée pour déterminer la concentration en saccharose d’une solution inconnue (ou utiliser la courbe d’étalonnage proposée).

Matériel et produits
Sucre cristallisé
Balance (précision 1 g suffisante) et récipient pour pesée
Fiole jaugée de 250 mL
Entonnoir
Dispositif type « discoptic » équipé d’une cuve pour l’étude de la réfraction dans un liquide (les réfractomètres directement gradués en concentration de saccharose ou en degré Brix ne sont pas adaptés à la mise en évidence de la loi d’étalonnage).

Remarque : le dispositif ne permettant pas d’obtenir plus de 3 chiffres significatifs pour n, on ne peut obtenir de résultats exploitables que pour des solutions fortement concentrées en saccharose : de 100 à 500 g.L-1

Organisation de la séance
Les deux premières étapes sont réalisées par groupes de deux élèves, chacun prenant en charge une seule solution.

1) Réalisation d’une solution de concentration massique donnée.
Utilisation de la fiole jaugée et de la balance.

Suivre un protocole.
Utiliser le matériel de laboratoire.

Remarque : les solutions à préparer sont très concentrées : introduire d’abord le sucre en poudre puis un volume d’eau inférieur au volume final souhaité (il y aura variation de volume lors de la dissolution). Agiter énergiquement, attendre, puis compléter petit à petit avec de l’eau jusqu’au trait de jauge en agitant après chaque ajout.


2) Détermination de l’indice de réfraction de la solution préparée à l’aide du dispositif type « discoptic ».

Remarque : il est conseillé de faire des mesures pour un nombre appréciable d’incidences différentes (une dizaine) afin d’obtenir une valeur significative de l’indice ; faire remplir le tableau, ce qui donne une nouvelle fois l’occasion de se servir d’un tableur.

i1i2sin isin r
Faire l’étude statistique d’une série de mesures avec calculatrice ou tableur.
Garder un nombre de chiffres significatifs compatible avec les conditions de l’expérience.

A ce stade, mettre en commun les résultats obtenus par les différents groupes d’élèves concernant les solutions qu’ils ont préparées.


3) Exploitation des résultats pour différentes solutions connues et établissement de la loi :
n = a.c + b
Différentes méthodes sont envisageables : graphe, régression linéaire sur calculatrice, sur tableur...

Faire l’étude statistique d’une série de mesures avec une calculatrice ou un tableur :
Tracé de courbes et régression linéaire ou moyenne d’une série de valeurs.


4) Réflexion sur l’expression trouvée, en particulier interprétation de la valeur de b (ordonnée à l’origine représentant l’indice de l’eau pure).

Analyse de résultats et confrontation à une référence.


5) Exploitation de la loi : travail par groupes de 2 élèves
Mesure de l’indice de réfraction d’une solution de concentration inconnue (l’extrait de betterave éventuellement obtenu lors de l’extraction (partie I) et conservé (congelé) en vue de cette étude, sirop commercial…).
Utilisation de l’étalonnage précédent (graphe ou loi) pour la détermination de cette concentration.

Proposer une expérience répondant à un objectif.


Résultats indicatifs pour quelques solutions

On peut demander aux élèves de prolonger l’activité en calculant les concentrations molaires en saccharose, bien que dans les descriptions habituelles des solutions sucrées cette unité soit peu usitée.
Le tableau est alors à proposer au début de la séance car les élèves y indiqueront la masse à peser.

n° solutionConcentration massique (g.L-1)Masse à dissoudre dans 250 mLConcentration molaire (mol.L-1)Indice de réfraction1100251,382200501,413300751,4644001001,51 TP 2b

Une grandeur liée à la concentration
Echelle de teintes : solution aqueuse de diiode

Objectifs
Montrer que la coloration varie avec la concentration d’une solution. L’observation à l’œil nu est suffisante. L’enseignant peut toutefois choisir d’utiliser un spectrophotomètre.

Ce TP peut être prolongé par :
- la détermination de la concentration de diiode dans une solution de Lugol pharmaceutique
- l’analyse de l’état final d’un système après une transformation chimique : action du diiode sur le thiosulfate de sodium (voir TP 4a)

Les compétences expérimentales sont indiquées en bleu dans le texte.

Manipulation

matériel et produits
Burettes graduées (2)
Tubes à essai (12) et support
Solution aqueuse de diiode de concentration c = 5,00.10-3 mol.L-1 (solution mère)

n° tubeconcentration
(mmol.L-1)V solution mère
(mL)V eau
(mL)Vtotal
(mL)120010,0010,00110,120,259,7510,00100,250,509,5010,0090,501,009,0010,0080,751,508,5010,0071,002,008,0010,0061,252,507,5010,0051,503,007,0010,0041,753,506,5010,0032,004,006,0010,0022,254,505,5010,0012,505,005,0010,00
Suivre un protocole.
Utiliser le matériel de laboratoire.
Garder un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de l’expérience.


Echelle de teintes préparée par dilution à partir d’une solution aqueuse de diiode de concentration molaire 5.10-3 mol.L-1.
_________________________________________________________________________________________

Prolongement autour de l’absorption

Si l’enseignant a choisi de développer un thème sur « la couleur », il peut prolonger les observations faites en physique sur les spectres d’absorption lors de « l’exploration de l’Univers » et utiliser un spectrophotomètre.


Situations problèmes expérimentales autour du phénomène d’absorption 

Les élèves proposent des dispositifs expérimentaux permettant de répondre aux questions suivantes :
Quelle(s) couleur(s) du spectre visible, les solutions aqueuses de diiode absorbent elles ?
L’absorption dépend-elle de la concentration en diiode ?
L’absorption dépend-elle de la forme du récipient qui contient la solution aqueuse de diiode ?
L’absorption dépend-elle du solvant ?


Situations problèmes expérimentales autour du spectrophotomètre et de la grandeur absorbance A

Le spectrophotomètre mesure l’absorption d’un flux lumineux de longueur d’onde lð ðlors de la traversée d une solution homogène colorée et la caractérise par un nombre A appelé absorbance.

Une question très ouverte peut être posée aux élèves :
Quels sont les paramètres dont dépend la valeur de l absorbance A ?

Compétences expérimentales mises en jeu
Formuler une hypothèse sur un paramètre pouvant jouer un rôle dans un phénomène.
Proposer une expérience susceptible de valider ou d’infirmer une hypothèse.

Il est possible de poser des questions moins ouvertes en donnant différents paramètres et en demandant d’en étudier l’influence :
Le solvant eau ?
La longueur d’onde lð ð?
L épaisseur de solution traversée ?
La température ?
La concentration molaire de la solution ?

Il n est nullement question de faire un cours traditionnel sur la spectrophotométrie mais de faire réfléchir à tous les paramètres dont dépend la grandeur absorbance A donnée par le spectrophotomètre et, compte tenu du nombre de ces paramètres, de faire prendre conscience que pour étudier l’influence d’un de ces paramètres, il convient de maintenir les autres constants.
Il doit émerger de l’influence de l’absorption du solvant eau qu’il faut, pour s’en affranchir et ne mesurer que l’absorbance de l’espèce chimique dissoute, faire le réglage d’une origine avec le solvant (nécessité de faire un « blanc »). L’influence de la longueur d’onde lð ðpeut se traduire par le tracé d un spectre d absorption A(lð), carte d identité d une espèce en solution dans un solvant donné à la température EMBED Equation.3. L influence de l épaisseur de la solution traversée et de la concentration peuvent conduire au tracé de la courbe A(c) puis à la loi de Beer-Lambert, loi qui modélise l’évolution de l’absorbance en fonction de la concentration pour des solutions peu concentrées.
Présentation de la transformation chimique (1)


Après la présentation des outils de description d’un système, l’enseignant présente la transformation chimique en lui associant une réaction chimique donnant lieu à une écriture symbolique.
L’enseignant relira utilement les objectifs annoncés dans le BO et rappelés au début de la partie III de ce document d’accompagnement des programmes.
L’objectif est avant tout de permettre à l’élève, le plus possible par une approche expérimentale, de comprendre qu’une transformation chimique ne nécessite pas que les réactifs soient dans des proportions particulières au début de l’expérience.
Le cours encadre donc le TP 3.
L’enseignant prend appui sur les connaissances acquises par l’élève au collège et veille à une utilisation rigoureuse du vocabulaire : élaboration d’un glossaire, précisions et justifications des points sur lesquels portent les modifications par rapport au vocabulaire utilisé au collège (« réaction chimique », « équation bilan », voir acquis du collège en début de partie).

D’une manière générale, l’enseignant gagnera à se référer à l’article proposé par des membres du GTD et du CNP paru dans le BUP (1999), n° 817, vol 93, p. 3-35. Nous en donnons ci-dessous un extrait (p. 10 à 15 de l’article) :


L’esprit du programme
Dans le cadre de la réforme du programme de Seconde, l’objectif essentiel est de distinguer la transformation chimique d’un système de la ou des réaction(s) chimique(s) dont il est l’objet. Ceci amène à adopter une approche thermodynamique pour suivre l’évolution du système.

Méthodologie d’analyse de l’évolution d’un système : système, transformation chimique d’un système, réaction chimique
On introduit la notion de système constitué d’espèces chimiques. Un état de ce système est caractérisé par sa température, sa pression, la nature et l’état physico-chimique de ses espèces (solide, liquide, gaz, ou soluté), son étendue, sa composition... La réaction chimique est introduite comme un modèle rendant compte de la stœchiométrie selon laquelle se forment ou se consomment les constituants lors de la transformation chimique du système. Le bilan de la transformation du système se manifeste au travers de la comparaison des états, initial et final, du système. Dans le cadre du cours de Seconde, on ne s’intéresse qu’à des transformations cessant lorsqu’un des réactifs du système a disparu ; le réactif correspondant est alors qualifié de limitant.

Proposition d’exercice – bilan de matière
Un récipient contient initialement 35 moles d’air (7 moles de dioxygène et 28 moles de diazote) et 5 moles de dihydrogène* à la température T et la pression P. A l’approche d’une flamme, il y a explosion et apparition de gouttelettes que l’on peut identifier comme de l’eau liquide. Analyser l’évolution de ce système.

*Ces valeurs élevées ont été choisies par souci de travailler en moles et avec des nombres entiers.




1. Le système chimique dans son état initial
C’est le système avant transformation. L’état du système est défini par l’ensemble des espèces chimiques ici, O2(g), N2(g) et H2(g), par leur quantité de matière ainsi que par T et P.







Ce système pris dans un état initial (EI) est susceptible d’évoluer vers un état final (EF) dépendant des conditions expérimentales imposées.


2. La transformation chimique
Le passage du système de l’état initial à l’état final est appelé transformation chimique.





Cette transformation chimique peut être mise en évidence par la modification d’un paramètre physique comme, par exemple, la couleur, la pression, le pH… C’est à ce niveau que l’on peut formuler des hypothèses sur les espèces nouvelles formées, hypothèses que l’on cherchera à valider, si possible, par des tests analytiques. Dans notre exemple, à l’approche d’une flamme, il y a eu explosion et apparition de gouttelettes. Il y a donc eu transformation du système. Mais quelles espèces chimiques nouvelles ont été formées ?


Transformation chimique




La production d’eau liquide est mise en évidence expérimentalement. A ce niveau, on ne peut montrer aux élèves qu’il ne se forme pas de façon prépondérante NO, NO2, NH3, N2H4,, H2O2… Comment H2O s’est elle formée ?


3. Le modèle de la réaction chimique
La formation de H2O a nécessité de transformer des espèces chimiques présentes dans l’état initial et contenant les éléments H et O. Dans notre exemple, il s’agit de H2 et O2. Il faut modéliser le passage des réactifs, H2 et O2, au produit H2O. Le modèle est la réaction chimique. Les espèces affectées par la transformation, ici H2 et O2, sont appelées les réactifs. La (ou les) nouvelle(s) espèce(s) formée(s), ici H2O, est (sont) appelée(s) produit(s).
Réactifs Produits
H2 (g) et O2 (g) H2O (l)
La réaction chimique rend compte de la stœchiométrie avec laquelle disparaissent les réactifs et se forment les produits au cours de l’évolution du système. Son écriture symbolique est appelée équation chimique :
EMBED Unknown
Cette équation respecte les lois de conservation (éléments et charges) et nécessite l’ajustement des nombres précédant les symboles chimiques appelés nombres stœchiométriques.


Récapitulation
Schématisation de la transformation chimique







Ecriture symbolique de la réaction chimique : l’équation chimique
EMBED Unknown


4. L’état du système chimique au cours de la transformation
On propose un outil appelé avancement (noté x et exprimé en mol) pour décrire l’état du système au cours de la transformation chimique. La production de deux moles d’eau s’accompagne de la consommation d’une mole de dioxygène et de deux moles de dihydrogène. Ainsi, si on suppose qu’une quantité de matière x de dioxygène a été consommée au cours de la transformation jusqu’à l’instant considéré, on déduira que dans le même intervalle de temps une quantité 2x de dihydrogène a été consommée et que 2x d’eau a été formée. Si l’on préfère partir de l’interprétation de l’avancement x (voir glossaire article BUP (1999), n° 817, vol 93, p. 32-35.), on dira que lorsque l’avancement est égal à x, il y a eu consommation d’une quantité de matière x de dioxygène et 2x de dihydrogène et production d’une quantité 2x d’eau. Dans l’état initial, l’avancement x = 0 mol. On peut résumer l’ensemble des informations précédentes sous la forme d’un tableau comme celui présenté ci-dessous :

Equation de la réaction O2 (g) + 2H2 (g) ( 2H2O (l)Quantité de matière dans l’état initial (mol)750Quantité de matière au cours de la transformation (mol)7 - x5 - 2x2x

5. L’état final du système chimique
L’état final du système d’avancement xfinal est atteint lorsque la transformation chimique arrive à son terme, c’est-à-dire lorsque le système n’évolue macroscopiquement plus. En classe de Seconde, on ne choisit que des transformations qui s’achèvent lorsque l’on a consommation totale d’un des réactifs. Ce réactif est appelé réactif limitant. Dans ces conditions, l’avancement final xfinal est toujours égal à l’avancement maximal xmax. Ultérieurement en classe de Terminale, on étudiera des exemples de transformations pour lesquelles l’avancement final n’est pas l’avancement maximal  (estérification, acide faible dans l’eau...).

Comment déterminer l’état final ?
Au cours de la transformation chimique, x augmente de sorte que les quantités de matière des réactifs diminuent jusqu’à ce que l’une d’elles s’annule. On détermine alors la valeur maximale que peut atteindre x, qui caractérise l’état final, x final.
Dans notre exemple :
- si O2 disparaît le premier alors 7 – x = 0 , ce qui imposerait x = 7 mol,
- si H2 disparaît le premier alors 5 – 2x = 0 , ce qui imposerait x = 2,5 mol.
Ainsi H2 disparaît le premier et la valeur maximale que peut atteindre x est : xfinal = 2,5 mol. On peut alors en déduire très simplement l’état final du système chimique après transformation et compléter le tableau comme suit :

Equation de la réaction O2 (g) + 2H2 (g) ( 2H2O (l)Quantité de matière dans l’état initial (mol)750Quantité de matière au cours de la transformation (mol)7 - x5 – 2x2xQuantité de matière dans l’état final (mol)4,505
















On peut aussi visualiser graphiquement l’évolution des quantités de matière du système en fonction de l’avancement :

























6. Remarque : cas d’un mélange particulier
Supposons que dans l’état initial, on ait à présent 6 moles de H2 et 15 moles d’air, soient 3 moles de O2. Le tableau est le suivant :

Equation de la réaction O2 (g) + 2H2 (g) ( 2H2O (l)Quantité de matière dans l’état initial (mol)360Quantité de matière au cours de la transformation (mol)3 - x6 – 2x2xQuantité de matière dans l’état final (mol)006












Le graphe correspondant est alors :























Cette illustration graphique permet de mieux comprendre le cas particulier du mélange stœchiométrique.


Activité 3a

De la transformation chimique d’un système
à la réaction chimique

Un exercice élaboré à partir d’une situation expérimentale que peut réaliser l’élève

Approche qualitative


On prélève 100,0 mL de solution de sulfate de cuivre(II) contenant :
- des ions Cu2+ à la concentration molaire c = 0,1 mol.L-1
- des ions sulfates  EMBED Equation.3  à la concentration molaire c = 0,1 mol.L-1.
On prélève une masse de 2,0 g de poudre de fer.

La poudre de fer est introduite dans la solution de sulfate de cuivre(II) et la suspension est agitée.

1. Décrire l’état initial du système : espèces chimiques (nom, formule) et quantités de matière présentes dans l’état initial (en mol).

2. Comment peut-on mettre en évidence toutes les espèces chimiques présentes dans l’état initial ?

3. Qu’observez-vous lors de l’introduction de la poudre de fer dans la solution ? Y a-t-il eu transformation chimique du système ?

4. Quelles espèces chimiques sont affectées par la transformation chimique ?

5. Quelles espèces chimiques nouvelles peuvent avoir été formées ? Comment peut-on les mettre en évidence ?

6. Quelle réaction chimique peut rendre compte de la transformation observée? En donner son écriture symbolique appelée aussi équation chimique ou équation de réaction. A l’aide d’une phrase, décrire le processus de transformation, c’est à dire la stœchiométrie, donnée par l’équation de la réaction, avec laquelle disparaissent les réactifs et se forment les produits.

Activité 3b

De la transformation chimique d’un système
à la réaction chimique

Un exercice élaboré à partir d’une situation expérimentale que l’élève peut réaliser

Approche qualitative


Soit S1 une solution aqueuse de chlorure de calcium contenant :
- des ions calcium Ca2+ à la concentration molaire c1 = 0,10 mol .L-1
- des ions chlorures Cl- à la concentration molaire c2 = 0,20 mol.L-1.

Soit S2 une solution aqueuse d’oxalate de sodium contenant :
- des ions oxalates C2O42- à la concentration molaire c3 = 0,05 mol.L-1
- des ions sodium Na+ à la concentration molaire c4 = 0,10 mol.L-1.

1. Quel est l’aspect de chacune de ces solutions ?

2. On prélève, dans un même récipient, 50 mL de S1 et 50 mL de S2.
Comment prélever ces volumes ?

3. Décrire l’état initial du système : espèces chimiques (noms, formules) et quantités de matière présentes avant transformation (en mol).

4. Qu’observez-vous lors du mélange ? Y a-t-il eu transformation chimique du système ?

5. Quel est l’état physique de l’espèce chimique nouvelle observée ? Comment a-t-elle pu se former ?

6. Compte tenu des espèces chimiques présentes dans l’état initial, il y a deux réactions envisageables pour modéliser la transformation. Donner l’écriture symbolique possible de ces deux réactions.

7. L’une de ces deux réactions n’a pas lieu. Laquelle ? Comment pourriez vous le justifier ? (une expérience peut être proposée pour répondre à cette question).

8. Conclure et donner le processus de transformation.
TP 3a et exploitation du TP 3a

Suivi d’une transformation chimique avec des ballons :
approche expérimentale qualitative
1 TP et 1 heure en classe entière

Objectifs
Mettre en évidence expérimentalement qu’une transformation chimique peut avoir lieu sans pour autant que des constituants du système (les réactifs) soient présents dans les quantités stœchiométriques.
Déterminer le réactif limitant.

Deux situations sont envisagées.

situation 1 : 10 mL de vinaigre et 5 g d’hydrogénocarbonate de sodium.

Reconnaissance et inventaire des espèces à l’état initial
- Vinaigre à 6° : test de l’eau ; papier pH
Acide acétique, noté HA (aq), et H2O (l)

- Hydrogénocarbonate de sodium : lecture de l’étiquette, NaHCO3 état physique solide
NaHCO3(s)


Etat iNITIAL Etat fINAL
Acide HA (aq)
 NaHCO3(s) ?
H2O(l)


Reconnaissance et inventaire des espèces à l’état final
Effervescence : quelle est la nature du gaz formé ?
Test : dégonfler le ballon dans de l’eau de chaux. Elle se trouble.
Il se forme donc du CO2(g).

Observation : il reste du solide : Na HCO3(s) dans l’état final.

Test de l’acidité au papier pH : l’acide a disparu dans l’état final.

Question : y a-t-il une nouvelle espèce formée ?

Recherche de la réaction qui rend compte du bilan de la transformation
Equation de la réaction manifestant la conservation de la masse :

Na H CO3 (s) + HA (aq) ( CO2(g) + Produit (aq)

En fait, la conservation de la masse et des éléments implique : « Produit (aq) » doit contenir Na, A, 2H et O ce qui peut donner lieu à l’équation ci-dessous ; les élèves ne pourront valider expérimentalement ni la présence de H2O (déjà présent dans le milieu) ni la présence de NaA.

Na H CO3 (s) + H A (aq) ( CO2(g) + NaA(aq) + H2O(l)

Quantités de matière initiales :

Acide HA : dans 10 mL de vinaigre à 6° il y a 0,6 g d’acide de masse molaire 60 g.mol-1
 EMBED Equation.3  =  EMBED Equation.2  = 0,01 mol



Hydrogénocarbonate de sodium : masse molaire 84 g.mol-1. On prélève 5g.
 EMBED Equation.3  =  EMBED Equation.2  = 0,06 mol


Etat iNITIAL EtAT fINAL
Acide HA (aq) 0,01 mol CO2 (gaz)
 NaHCO3(s) 0,06 mol NaHCO3(s)
H2O(l) NaA (aq)
H2O(l)


Présentation d’un tableau descriptif du système au cours de la transformation

Na H CO3 (s) + HA (aq) ( CO2(g) + NaA(aq) + H2O(l)Quantité de matière dans l’état initial (mol)
0,06
0,01
0
0
vðQuantité de matière dans l état final (mol)
vð
0
vð
vð
vðHA(aq) est le réactif limitant.
vð : indique la présence de l espèce chimique.

situation 2 : 100 mL de vinaigre et 5 g d hydrogénocarbonate de sodium


Etat iNITIAL Etat fINAL
 Acide HA (aq) 0,1 mol ?
NaHCO3 (s) 0,06 mol
H2O(l)


Reconnaissance et inventaire des espèces à l’état final
Effervescence : quelle est la nature du gaz formé ?
Test : dégonfler le ballon dans de l’eau de chaux. Elle se trouble.
Il se forme donc du CO2(g)

Observation : il ne reste plus de solide donc pas de Na HCO3(s) dans l’état final.

Test de l’acidité au papier pH, il reste de l’acide HA(aq) dans l’état final.


Equation de la réaction qui rend compte du bilan de la transformation

Na H CO3 (s) + H A (aq) ( CO2(g) + NaA(aq) + H2O(l)

Quantités de matière initiales :
 EMBED Equation.3  =  EMBED Equation.2  = 0,1 mol
 EMBED Equation.3 =  EMBED Equation.2  = 0,06 mol








ETAT INITIAL ETAT FINAL
Acide HA (aq) 0,10 mol Acide HA (aq)
 NaHCO3(s) 0,06 mol CO2 (g)
H2O(l) NaA (aq)
H2O(l)


Présentation d’un tableau descriptif du système au cours de la transformation :

 NaHCO3 (s) + HA (aq) ( CO2(g) + NaA(aq) + H2O (l)Quantité de matière dans l état initial (mol)
0,06
0,10
0
0
vðQuantité de matière dans l état final (mol)
0
vð
vð
vð
vðNaHCO3(s) est le réactif limitant.
vð : indique la présence de l espèce chimique.


TP 3b et exploitation du TP3b

StSchiométrie, l hydroxyde de cuivre(II) :
approche expérimentale qualitative
1TP et 1 heure en classe entière

Objectifs
Mettre en évidence expérimentalement qu’une transformation chimique peut avoir lieu sans pour autant que des constituants du système (les réactifs) soient présents dans les quantités stœchiométriques.
Déterminer le réactif limitant.

Etude de la transformation chimique entre les ions cuivre(II), Cu2+, et les ions hydroxyde, OH- ; travail par groupes d’élèves ; mise en commun des résultats.

Prélever 50 mL de solution de sulfate de cuivre(II) de concentration molaire 0,1 mol.L-1.
Verser dans cette solution, un volume donné de soude 2 mol.L-1.
Après agitation, observer la quantité de précipité d'hydroxyde de cuivre(II).
Poser le bécher sur la paillasse de l’enseignant et observer l'ensemble des béchers.
Filtrer le précipité et récupérer le filtrat. Le partager dans deux tubes à essai, A et B.
Dans le tube à essai A, verser quelques gouttes de la solution de soude et observer ce qui se passe.
Dans le tube à essai B, verser quelques gouttes de la solution de sulfate de cuivre(II) et observer ce qui se passe.
De ces observations, déduire la nature du réactif limitant.
Les élèves observent alors l'ensemble des tubes à essai A et B.
Les résultats expérimentaux sont rassemblés dans un tableau.


GroupeVolume
CuSO4
(mL)Volume
soude
(mL)Abondance de
précipitéAspect du
filtratAbondance
de précipité
tube AAbondance de précipité
tube B
Conclusion150125023503450455056506750785089509
Présentation de la transformation chimique (2)


L’enseignant propose maintenant une approche quantitative. L’objectif est de mettre en évidence expérimentalement l’influence des quantités de matière des réactifs sur l’avancement maximal en complétant la construction du tableau descriptif d’un système, construction commencée lors de l’approche qualitative (voir TP 3).
Il introduit alors, pour les élèves, un outil : l’avancement (noté x et exprimé en mol), selon la progression proposée dans : Présentation de la transformation chimique (1).

Les élèves confrontent le travail expérimental aux résultats théoriques calculés. Leur cohérence permet de valider le modèle proposé de réaction chimique pour décrire l’évolution d’un système chimique subissant une transformation.

Activité 4a

Stœchiométrie

Exploitation des résultats expérimentaux du TP 3b

L’enseignant propose d'utiliser l'avancement chimique x (mol) pour décrire l'état du système au cours de la transformation chimique. Il donne l'équation de la réaction chimique associée à la transformation chimique étudiée:

 Cu2+ (aq) + 2 OH- (aq) Cu(OH)2 (s)

L’enseignant demande aux élèves de faire le tableau descriptif du système au cours de la transformation chimique et de le compléter pour la transformation chimique réalisée en TP.


Equation chimique
Cu2+ (aq) + 2 OH- (aq) Cu(OH)2 (s)
Quantité de matière dans l'état initial (mol)
5.10-3
 EMBED Equation.3 

0Quantité de matière au cours de la transformation (mol)
5.10-3 - x
 EMBED Equation.3 - 2x
xQuantité de matière dans l'état final (mol)
Les élèves peuvent alors confronter les résultats du tableau avec les résultats expérimentaux.

Groupe n° 2 : VOH- = 2 mL donc  EMBED Equation.3 = 2 ( 2.10-3 = 4.10-3 mol


Equation chimique
Cu2+ (aq) + 2 OH- (aq) Cu(OH)2 (s)
Quantité de matière dans l'état initial (mol)
5.10-3
4.10-3

0Quantité de matière
au cours de la transformation (mol)
5.10-3 - x
4.10-3 - 2x
xQuantité de matière dans l'état final (mol)
3.10-3
0
2.10-3

- L'avancement final est obtenu lorsque pour x = xfinal une des deux expressions
(5.10-3 - x) ou (4.10-3 - 2x) s'annule.

Dans le cas étudié, c'est ( 4.10-3 - 2.x ) qui s'annule en premier, donc xf = 2.10-3 mol.
Le réactif limitant est l'ion hydroxyde, OH-.

- On peut donc valider les résultats expérimentaux.
La quantité de précipité est plus importante que pour le groupe n°1 et moins importante que pour les autres groupes.
Pour le tube à essai A, le filtrat est encore bleuté, et l'ajout de soude donne de nouveau un précipité, car il reste bien des ions Cu(II).
Pour le tube à essai B, rien ne se produit pour un ajout supplémentaire d'ions cuivre(II), Cu2+, car tous les ions hydroxydes ont disparu (réactif limitant).

Groupe n° 5 : VOH- = 5 mL donc  EMBED Equation.3 = 2 ( 5.10-3 = 10.10-3 mol.


Equation chimique
Cu2+ (aq) + 2 OH- (aq) Cu(OH)2 (s)
Quantité de matière dans l'état initial (mol)
5.10-3
10.10-3

0Quantité de matière au cours de la transformation (mol)
5.10-3 - x
10.10-3 - 2x
xQuantité de matière dans l'état final (mol)
0
0
5.10-3
- Les deux expressions ( 5.10-3 - x ) et ( 10.10-3 - 2x ) s'annulent simultanément pour :
x = xfinal = 5.10-3 mol.
Les réactifs, au départ, sont dans les proportions stœchiométriques.

- La quantité de précipité obtenue est supérieure à celles obtenues par les groupes 1 à 4 et est identique à celles obtenues par les groupes 6 à 9.
Les tubes à essai A et B confirment que le filtrat incolore obtenu ne contient plus d'ions cuivre(II) Cu2+, et plus d'ions hydroxyde, OH-.

Groupe n° 8 : VOH- = 8 mL donc  EMBED Equation.3 = 2 ( 8.10-3 = 16.10-3 mol.


Equation chimique
Cu2+ (aq) + 2 OH- (aq) Cu(OH)2 (s)
Quantité de matière dans l'état initial (mol)
5.10-3
16.10-3

0Quantité de matière au cours de la transformation (mol)
5.10-3 - x
16.10-3 - 2x
xQuantité de matière dans l'état final (mol)
0
6.10-3
5.10-3
- L'expression (5.10-3 - x) s'annule en premier pour x = xfinal = 5.10-3 mol.
Le réactif limitant est l'ion Cu2+ et il reste des ions OH-.

- La quantité de précipité est identique à celle obtenue pour les groupes 5 à 9.
Les tubes à essai A et B confirment que le filtrat incolore ne contient pas d'ions cuivre(II) Cu2+, mais renferme des ions hydroxyde OH-.






VALIDATION GRAPHIQUE des résultats obtenus







































Activité 4 b

De la transformation chimique d’un système
au bilan de matière en passant par la réaction

Cet exercice fait suite à l’activité 3a où seul l’aspect qualitatif a été abordé


Rappel

On prélève 100 mL de solution de sulfate de cuivre(II) contenant :
- des ions Cu2+ à la concentration molaire c = 0,10 mol.L-1
- des ions sulfate  EMBED Equation.3 à la concentration c = 0,10 mol.L-1.
On prélève une masse de 2,0 g de poudre de fer.

La poudre de fer est introduite dans la solution de sulfate de cuivre et la suspension est agitée.

Etablir l’évolution des quantités de matière au cours de la transformation en complétant le tableau suivant :

Equation de la réaction (Quantité de matière dans l’état initial (mol)
Quantité de matière dans l’état final (mol)

2. Quand la transformation s’achève-t-elle ?

En déduire alors la valeur de l’avancement dans l’état final.

Décrire l’état final du système.

Proposer une méthode expérimentale pour valider la réaction chimique proposée, c’est-à-dire pour vérifier que les valeurs des quantités de matière déterminées théoriquement dans l’état final sont proches, aux incertitudes de mesure près, de celles obtenues expérimentalement.
Activité 4 c

De la transformation chimique d’un système
au bilan de matière en passant par la réaction

Cet exercice fait suite à l’activité 3a où seul l’aspect qualitatif a été abordé


Rappel

Soit S1 une solution aqueuse de chlorure de calcium Ca2+ contenant :
- des ions calcium à la concentration molaire c1 = 0,10 mol .L-1
- des ions chlorures Cl- à la concentration molaire c2 = 0,20 mol.L-1.

Soit S2 une solution aqueuse d’oxalate de sodium contenant :
- des ions oxalates C2O42- à la concentration molaire c3 = 0,05 mol.L-1
- des ions sodium Na+ à la concentration molaire c4 = 0,10 mol.L-1.

On prélève, dans un même récipient, 50 mL de S1 et 50 mL de S2 et on les mélange.

1. Etablir l’évolution des quantités de matière au cours de la transformation en complétant le tableau suivant :

Equation de la réaction (Quantité de matière dans l’état initial (mol)
Quantité de matière dans l’état final (mol)

Quand la transformation s’achève-t-elle?

En déduire la valeur de l’avancement dans l’état final.

Décrire l’état final du système.

Proposer une méthode expérimentale pour valider le modèle proposé de réaction, c’est-à-dire pour vérifier que les valeurs des quantités de matière déterminées théoriquement dans l’état final sont bien, aux incertitudes de mesure près, celles obtenues expérimentalement.


NB : Cet exercice pourra donner lieu à une validation expérimentale du modèle proposé de réaction de précipitation de l’oxalate de calcium. L’élève devra alors filtrer la solution saturée, sécher le solide et mesurer la masse de ce dernier pour comparer la masse obtenue expérimentalement et la masse prévue par la théorie.
TP 4a et exploitation du TP 4a

Echelle de teintes : approche expérimentale quantitative

Objectifs
Faire un bilan de matière en construisant le tableau descriptif de l’évolution du système utilisant l’avancement x.
Comparer la couleur d’une solution de concentration inconnue à une échelle de teintes initialement réalisée.
Déduire expérimentalement la concentration de la solution proposée.
Comparer la concentration obtenue expérimentalement à celle prévue théoriquement.

Détermination expérimentale d’un avancement final (présentation schématique des expériences, les supports n'étant pas matérialisés).



1 2 3




Solution aqueuse Solution aqueuse Eau
de diiode de thiosulfate de
c = 5,0.10-3 mol.L-1 sodium
c’=1,0.10-2 mol.L-1









V=5,0 mL Ajouter : V=3,0 mL Ajouter : V= 2,0 mL


 I2 + 2 S2O32- 2 I- + S4O62-Quantité de matière dans l’état initial (mol)2,5.10-53,0.10-500Quantité de matière au cours de la transformation (mol)
2,5.10-5-x
3,0.10-5-2x
2x
xQuantité de matière dans l’état final (mol),
obtenue par calcul
1,0.10-5
0
3,0.10-5
1,5.10-5Concentration dans l’état final (mol.L-1)1,0.10-30
On détermine :
 EMBED Equation.3 xfinal = 1,5.10-5 mol

La confrontation à l’échelle de teintes construite dans le TP 2b donne une couleur identique à celle obtenue dans le tube n°7. Ceci correspond à une concentration :
c = 1,0.10-3 mol L-1.
La comparaison entre le résultat théorique attendu et le résultat expérimental est tout à fait satisfaisant.
L’enseignant peut aussi faire réaliser une expérience par groupes d’élèves et faire établir un tableau des résultats de la classe.
TP 4b et exploitation du TP4b

Suivi d’une transformation chimique avec des ballons :
approche expérimentale quantitative

Ce TP vient dans le prolongement du TP3b : approche expérimentale qualitative (p.164-166) permettant de conclure à la présence, ou non, des différentes espèces chimiques.

Objectifs

- Faire un bilan de matière en construisant le tableau descriptif de l’évolution du système utilisant l’avancement x.
- Mettre en évidence expérimentalement l’influence des quantités de matière des réactifs sur l’avancement maximal.
- Confronter les résultats expérimentaux aux résultats théoriques.


NaHCO3 (s) + HA(aq) ( CO2(g) + NaA(aq) + H2O(l)

La transformation s’achève quand l’un des deux réactifs a totalement disparu. Ce réactif est le réactif limitant.

Expérience n° 1 :
Etat initial
Quantité initiale d’acide : 0,01 mol (volume de vinaigre = 10 mL)
Quantité initiale d’hydrogénocarbonate : 0,06 mol
Etat final : deuxième ligne du tableau descriptif
Quantité finale d’acide : 0,0 mol (disparition totale)
Quantité finale de CO2 : détermination expérimentale obtenue par mesure du diamètre du ballon permettant de déduire le volume de CO2 et donc la quantité de matière correspondante. Dans cette expérience : 0,009 mol.

NaHCO3 (s)HA (aq)CO2 (g)NaA (aq)H2O (l)Quantité de matière dans l’état initial (mol)0,060,0100(Quantité de matière dans l’état final
expérimental (mol)
(
0
0,009
(
(Quantité de matière au cours de la transformation (mol)
0,06 - x
0,01 – x
x
x
(
(0,01 – xfinal = 0) d’où xfinal = 0,01 mol : remplissage possible de la dernière ligne

Quantité de matière dans l’état final (mol)0,0500,010,01(
Validation intéressante des résultats théoriques par l’expérience.
Confirmation des nombres stœchiométriques : les nombres stœchiométriques de l’équation chimique associée à cette transformation chimique pour NaHCO3 et CO2 sont égaux puisque nCO2 apparu est égal à nNaHCO3 disparu.

Exploitation analogue de chacune des expériences.

Synthèse des résultats : étude de la variation de xfinal en fonction de la quantité d’acide (modélisation possible).
TP 4c et exploitation du TP 4c

Suivi d’une transformation chimique avec un capteur de pression :
approche expérimentale quantitative


Ce TP se prête particulièrement bien à établir un lien avec le programme de physique (gaz parfaits).


Objectifs

- Suivre une transformation chimique en utilisant une grandeur physique, la pression, grandeur étudiée dans le programme de physique.
- Déterminer la valeur d'un ou des nombres stœchiométriques de l'équation de la réaction chimique associée à la transformation chimique étudiée.
- Trouver expérimentalement l'avancement final de la transformation chimique et approfondir la notion de réactif limitant.


Description du montage expérimental utilisé
































Pour une stabilisation plus rapide des résultats, on peut mettre le flacon dans un cristallisoir contenant un volume d’eau assez important et agiter le mélange réactionnel avec un agitateur magnétique.


Principales caractéristiques du capteur utilisé à 25 °C

Capteur de pression Honeywell, référence 24PCBFA2G type : capteur miniature piézorésistif de pression relative. (Prix : environ 160 HT).
Spécifications techniques :
Tension d'alimentation : 10 V cc.
Courant d'alimentation : 2 mA.
Résistance d'entrée : 5 k(.
Résistance de sortie : 5 k(.
Linéarité : ( 1 %.
Stabilité : ( 0,5 % par an.
Température d'utilisation : - 40 °C à + 85 °C.
Non compensé en température.
Pression mesurée en absolu :
0 à 344,7 hPa ; tension de sortie pleine échelle 115 mV.

L'étalonnage du capteur de pression

Plusieurs méthodes permettent d'étalonner le capteur de pression.

Pour le capteur utilisé, 1 mV correspond à 2,7 hPa soit à 270 Pa.

 1mV 2,7 hPa

L'étalonnage de plusieurs capteurs du même type, dans les mêmes conditions de température et de pression, semble être fiable et donner à peu près la même valeur (2,681, 2,694, 2,687).


Principe de la manipulation ; travail par groupes de deux élèves

Mettre 10 mL de vinaigre 8 ° (densité ( 1 ) avec une pipette jaugée de 10 mL dans le flacon.
Un litre de vinaigre à 8 ° contient 80 g d'acide éthanoïque donc la concentration molaire en acide éthanoïque vaut  EMBED Equation.3  mol.L-1.
La quantité de matière d'acide éthanoïque prélevée par chaque groupe est :
 EMBED Equation.3  = 1,33.10-2 mol.

Introduire dans le flacon une masse donnée m d'hydrogénocarbonate de sodium (différente pour chaque groupe).
Fermer le flacon hermétiquement. Chaque groupe connaît la quantité de matière en hydrogénocarbonate de sodium introduite  EMBED Equation.3  en mol.
Si la réaction chimique associée à la transformation impose qu'une mole d'acide réagit avec une mole d'hydrogénocarbonate de sodium alors la masse d'hydrogénocarbonate de sodium nécessaire pour convertir la totalité de l’acide présent est mS = 1,33.10-2 ( 84 = 1,117 g ( 1,12 g.

Mesurer la variation de tension (U = U-U0 en mV due au dioxyde de carbone formé lorsque la transformation chimique est terminée.
En déduire la variation de pression pCO2 = (p = (U ( coefficient d'étalonnage en mbar.

Connaissant la température absolue T à laquelle l'expérience s'est déroulée et le volume V du flacon, calculer la quantité de matière en dioxyde de carbone  EMBED Equation.3  en utilisant la relation des gaz parfaits p.V = n.R.T .

Chaque groupe peut effectuer plusieurs expériences en faisant varier la masse m d'hydrogénocarbonate de sodium avec m < 1,12 g et m > 1,12 g.
L’enseignant fait mettre en commun les différents résultats de chacun des groupes, ce qui permet de construire le tableau ci-dessous.


Quelques résultats expérimentaux obtenus

Notations utilisées :

 EMBED Equation.3  = 1,33.10-2 mol est la quantité de matière d'acide éthanoïque utilisée.
m = masse d'hydrogénocarbonate de sodium.
n1 = quantité de matière en hydrogénocarbonate de sodium.
(U = U-U0 (en mV) est la différence de tension obtenue, U0 étant la tension initiale lorsque la transformation n'a pas commencé et U la tension lorsque la transformation chimique est terminée.
 EMBED Equation.3 = (p (en mbar) est la pression du dioxyde de carbone formé.
 EMBED Equation.3 est la quantité de matière de dioxyde de carbone obtenu.
V est le volume du flacon utilisé (y compris le volume du tuyau). On doit déduire le volume du vinaigre et de l'eau distillée ; exemple pour la manipulation réalisée :
V = 1,135 - 0,030 = 1,105 L.



Tableau des résultats obtenus :

m
(g)n1
(mmol)U0
(mV)U
(mV)(U
(mV) EMBED Equation.3 
(mbar) EMBED Equation.3 
(mmol)0,22,383,519,916,444,282,000,44,764,140,035,996,934,390,55,952,648,045,4122,585,550,67,144,157,553,4144,186,530,78,333,470,467,0180,908,200,89,523,776,672,9196,838,920,910,713,588,084,5228,1510.341,011,904,8101,196,3260,0111,781,113,093,8107,2103,4279,1812,651,214,293,5114,9111,4300,7813,631,315,483,8122,3118,5319,9514,501,416,673,8121,6117,8315,0914,411,619,054,1120,8116,7319,6814,281,821,433,5121,9118,4322,3814,482,023,813,1122,5119,4315,9014,612,226,193,5120,5117313,5614,31
L'utilisation d'un tableur est conseillée pour remplir le tableau ci-dessus.


Exemple d'un calcul permettant d'obtenir  EMBED Equation.3 .

Pour m = 0,7 g, (U = 67 mV donc  EMBED Equation.3 = 67 ( 2,7 = 180,90 mbar = 18090 Pa.
Température de la salle ( = 20,02 °C donc T = 293,3 K.
 EMBED Equation.3 

Validation du modèle proposé

m (g )

Equation NaHCO3 (s) + CH3CO2H (aq ) CO2 (g ) + CH3CO2Na (aq )
Quantité de matière dans l’état initial (mmol)n113,3300Quantité de matière au cours de la transformation
(mmol)
n1 - x
13,33 - x
x
x

Exemples :

m = 0,7 g

Equation NaHCO3 (s) + CH3CO2H (aq ) CO2 (g ) + CH3CO2Na (aq )
Quantité de matière dans l’état initial (mmol)8,3313,3300Quantité de matière dans l’état final (mmol)058,338,33
Pour cette transformation chimique, le réactif limitant est l'hydrogénocarbonate de sodium. La valeur calculée  EMBED Equation.3 = 8,33 mmol est en accord avec la valeur expérimentale donnée dans le tableau  EMBED Equation.3 = 8,2 mmol.
On peut en déduire que les nombres stœchiométriques de l'équation chimique associée à cette transformation chimique pour NaHCO3 et CO2 sont égaux puisque  EMBED Equation.3 apparu est égal à  EMBED Equation.3 disparu.




m = 1,2g

Equation NaHCO3 (s) + CH3CO2H (aq ) CO2 (g ) + CH3CO2Na (aq )
Quantité de matière dans l’état initial (mmol)14,2913,3300Quantité de matière dans l’état final (mmol)0,96013,3313,33
Pour cette transformation chimique, l'acide éthanoïque est le réactif limitant. La valeur calculée  EMBED Equation.3  = 13,33 mmol est en accord avec la valeur expérimentale donnée dans le tableau  EMBED Equation.3 = 13,63 mmol.
On peut en déduire que les nombres stœchiométriques de l'équation chimique associée à cette transformation chimique pour CH3CO2H et CO2 sont égaux puisque  EMBED Equation.3 apparu est égal à  EMBED Equation.3  disparu.


Vérification graphique de la validité du modèle proposé

On demande aux élèves de tracer le graphe  EMBED Equation.3 = f (n1) en portant en abscisse la quantité de matière n1 en hydrogénocarbonate de sodium et en ordonnée la quantité de matière expérimentale  EMBED Equation.3 de dioxyde de carbone formé.
On obtient le graphe suivant :



























L’exploitation de ce graphe est aisée avec les élèves et permet de confirmer l’étude précédente.
On peut leur poser les questions suivantes :
Que représente le coefficient directeur du segment de droite AB ?
Pourquoi y a-t-il une rupture de pente au point B ?
Pourquoi le segment de droite BC est-il quasiment horizontal ?
D’extrapoler le segment BC et de trouver la valeur de l’ordonnée à l’original de ce segment (13,9 mmol pour l’expérience proposée ici).
De comparer cette valeur (ici 13,9 mmol) à la quantité de matière initiale en acide éthanoïque : nacide = 1,33.10-2 mol.
De préciser pour quelle quantité de matière et pour quelle masse en hydrogénocarbonate de sodium, la transformation chimique est terminée ?
De concevoir la manipulation où la quantité de matière en hydrogénocarbonate de sodium serait fixe (par exemple m = 1,12 g, n1 = 1,33.10-2 mol) et où l’on ajouterait mL après mL une solution de vinaigre blanc à 8°.
De tracer et d’interpréter, dans le cas ci-dessus, le graphe donnant la quantité de matière en dioxyde de carbone en fonction de la quantité de matière en acide éthanoïque.

Le capteur de pression Honeywell
Le capteur de pression Honeywell est un pont de Wheastone alimenté sous 10 V. Il produit une tension de déséquilibre très faible et non référencée à la masse. Son impédance de sortie, voisine de 5 k(, est élevée vis-à-vis de l’impédance d’entrée des interfaces classiques.
Il faut donc veiller à l’utiliser associé à un voltmètre, à limiter la tension d’alimentation à 12 V et la pression appliquée à 3 bars.

Grille de suivi des compétences mises en jeu lors des séances de TP



Compétences expérimentalesPartie IPartie IIPartie III1234512312a2b3a4a4b4cRespecter les consignes : protection des personnes et de l’environnementSuivre un protocoleReconnaître, nommer et utiliser le matériel de laboratoire (verrerie, instruments de mesure…)Construire un montage expérimental à partir d’un schémaFaire le schéma d’une expérienceGarder un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de l’expérienceChoisir le matériel en fonction des consignes données*Faire l’étude statistique d’une série de mesures indépendantes en utilisant une calculatrice ou un tableur*Analyser des résultats expérimentaux et les confronter à une référenceAnalyser des résultats expérimentaux, les confronter à des résultats théoriquesIdentifier les paramètres pouvant jouer un rôle dans un phénomène Déterminer le domaine de validité d’un modèleProposer une expérience répondant à un objectif (séparation des paramètres, validation d’une hypothèse, synthèse et analyse chimique) *Utiliser les technologies de l’information et de la communication.* au choix de l’enseignant













Rappel des titres de TP


Partie I

TP 1 : Familiarisation avec le laboratoire
TP 2 : Extraction
TP 3 : Séparation - Identification
TP 4 : Synthèse
TP 5 : Identification – Comparaison


Partie II

TP 1 : Conservation des éléments
TP 2 : Documentation
TP 3 : Modèles moléculaires


Partie III

TP 1 (a et b) : La mole
TP 2a : Une grandeur liée à la concentration : l’indice de réfraction d’une solution concentrée de saccharose
TP 2b : Une grandeur liée à la concentration : échelle de teintes, solution aqueuse de diiode
TP 3a : Suivi d’une transformation chimique avec des ballons, approche qualitative
TP 3b : Stœchiométrie : hydroxyde de cuivre(II)
TP 4a : Echelle de teintes (prolongement du TP 2b)
TP 4b : Suivi d’une transformation chimique avec des ballons (prolongement du TP 3b)
TP 4c : Suivi d’une transformation chimique avec un capteur de pression


Apports bibliographiques


Rappelons l’article proposé par des membres du GTD et du CNP :
BUP (1999). Transformation chimique d’un système. Le modèle de la réaction chimique,
n° 817, vol 93, p. 3-35.

Concernant la réaction chimique de nombreux articles ont été publiés depuis plusieurs années en particulier dans le BUP. Le lecteur pourra les retrouver (en utilisant BUPdoc par exemple).
L’article d’André Gilles (1996) marque un tournant dans la présentation de la réaction chimique :
GILLES A. (1996). Traitement quantitatif d’une réaction chimique. BUP, vol. 90, n°785, p.1141-1144.


Par ailleurs, pour aider à la réflexion didactique sur les notions de modèles et de modélisation et sur l’apprentissage de la réaction chimique et des difficultés qu’il comporte, le lecteur pourra se référer à :

ASTER (1988). Modèles et modélisation, n°7, INRP.

ASTER (1989). Expérimenter, modéliser, n°8, INRP.

ASTER (1994).La réaction chimique, n°18, INRP.

BARLET R. (1999). L’espace épistémologique et didactique de la chimie. BUP, n°817, p. 1423-1448. Cet article a également été publié dans l’Actualité Chimique.
Enseignement thématique, un exemple : couleur

Un exemple de progression thématique autour des pigments et colorants

Partie I : Chimique ou naturel ? 1 cours et 2 séances de TP
Classe entière :
Ubiquité et importance des pigments et des colorants.
Approche historique et économique.
Utilisation de cédéroms :
- « Le secret des couleurs ». Collection Sciences pour tous,
- « Libertés en couleurs ». Point média conseil académie de Créteil.

TP : Préparation du dioxyde de titane
Extraction et purification d’un pigment TiO2 à partir d’un minerai ; l'attaque acide peut être réalisée par l’enseignant, les élèves effectuent l'hydrolyse et la filtration sur büchner.

TP : Analyse des composants d’une peinture par chromatographie sur couche mince
Chromatographie d'une peinture, mélange de plusieurs colorants naturels (indigo, rouge cochenille).

Partie II : Constitution de la matière 1 activité
L'ion Zn(II).
Mise en forme de documents afin d'établir une carte d’identité de pigments : formule chimique, datation, fabrication, caractéristiques physiques, conservation des propriétés initiales au cours du temps, toxicité.
Abondance de l'élément Zn.

Partie III : Transformation de la matière 2 séances de T.P. avec exploitation en 1 séance de cours
TP : Vieillissement des œuvres d’art
Transformation chimique : reconnaissance des réactifs, des produits à travers le vieillissement des œuvres d'art (action des polluants, de la température, du pH, de l’humidité, de la lumière).

TP : Préparation de quelques pigments : jaune de chrome, bleu de Prusse, bleu "Thalo", laque rouge de cochenille. Elaborer un mode opératoire simple.

Cours : bilan de matière.

Prolongements possibles
Teinture de tissus.
Etude d’un texte historique (le texte proposé est un texte de Chevreul.
Mélange optique, contrastes de complémentaires, ombres colorées (émission : C’est pas sorcier, 1999, La peinture)
Etude comparative d'œuvres non restaurées et restaurées, conférence d'un conservateur du patrimoine.
L’enseignant peut aussi se référer au document d’accompagnement Chimie, partie III : TP 2b : Une grandeur liée à la concentration : échelle de teintes, solution aqueuse de diiode : prolongement autour de l’absorption.

ConceptsSavoir-faireLiaisons avec la physiqueLiaison avec autres disciplinesEcriture de la formule d'une molécule, d'un ion.
Ecriture d'une réaction chimique.
Bilan de matière en utilisant l'outil avancement.Extraction.
Chromatographie.
Mise en œuvre d'un protocole.
Elaborer un protocole.Dispersion de la lumière.
Synthèse soustractive.SVT (art pariétal).
Arts plastiques (contrastes des complémentaires).
Delacroix, impressionnistes.
Préparation de l’oxyde de titane


Objectifs
- Comprendre le principe de la préparation du dioxyde de titane à partir d'un minerai : le slag.
- Savoir effectuer un chauffage à reflux.
- Apprendre à centrifuger, à filtrer.
- Savoir respecter des règles de sécurité.

I. PRINCIPE
Première étape
Attaque à chaud du minerai par l'acide sulfurique concentré ; il se forme du sulfate de titanyle et du sulfate de fer(II) pouvant donner lieu à l’écriture de l'équation suivante :

FeO,TiO2 + 2 H2SO4 ( FeSO4 + TiOSO4 + 2 H2O

Deuxième étape
Dissolution dans l'eau du sulfate de fer(II) et élimination des ions Fe(II).

Troisième étape
Hydrolyse de l'ion titanyle

TiO2+ + 2 H2O ( TiO(OH)2 + 2 H+

Quatrième étape
Déshydratation du dihydroxyde monoxyde de titane afin d'obtenir l'oxyde de titane(IV) TiO2.

II. PROTOCOLE EXPERIMENTAL
Première étape
Elève 1 : peser dans un bécher de 50 mL, 20 g de minerai (paillasse enseignant).
Continuer cette étape sous la hotte (mettre la hotte en marche).
Repérer le ballon de 100 mL posé sur un valet.
Introduire dans le ballon à l'aide de l'entonnoir les 20 g de minerai.

Elève 2 : préparer 2 mL d'eau mesurés à l'éprouvette graduée de 10 mL ; les introduire dans le ballon.

Elève 3 : mesurer avec soin 20 mL d'acide sulfurique à 95% à l'aide de l’éprouvette graduée de 25 mL (gants et lunettes obligatoires), les introduire lentement dans le ballon par le réfrigérant.

Elève 4 : préparer le montage à reflux selon le schéma de montage proposé ; faire vérifier par l’enseignant.
Mettre en marche le thermostat sur la graduation 7.

Quand les fumées de trioxyde de soufre et de sulfure d'hydrogène sortent du reflux, laisser bouillir 10 minutes.
Pendant ce temps préparer la suite de la manipulation.
La réaction devient plus vive et la température atteint environ 210°C, l'acide bout, le produit prend en masse.

5. Au bout de 10 minutes, arrêter le chauffage et abaisser l’élévateur (appeler l’enseignant afin de désolidariser le ballon et le chauffe-ballon si on ne dispose pas d’élévateur).

6. Laisser refroidir avec le reflux pendant 5 minutes puis arrêter le reflux.

Deuxième étape
Mettre le ballon (toujours tenu) dans une capsule émaillée ou un cristallisoir d'eau froide.
Vérifier que la température de l'ensemble (liquide + solide) est inférieure à 50 °C.
Préparer 100 mL d'eau dans une éprouvette graduée de 100 mL.
Ajouter lentement en agitant 100 mL d'eau.
Avec l’agitateur en verre décoller la plus grande partie de la masse solide de la paroi du ballon.
Verser le tout dans un bécher.

Troisième étape
Séparation du sulfate de fer(II) et du sulfate de titanyle par centrifugation.
Celle-ci se fait au bureau suivant les conseils de l’enseignant.
A la fin de la centrifugation, prendre les tubes délicatement dans la centrifugeuse.
Le filtrat (la solution noire) contient le sulfate de titanyle, le sulfate de fer(II) est collé aux parois et au fond du tube; verser sans agiter et avec beaucoup de précaution le liquide noir dans un bécher de 100 mL.

TEST : vérification de l'absence d'ions fer(III).

Prélever avec une pipette 0,5 mL de filtrat, les introduire dans un petit tube à test.
Ajouter 1 mL d'eau et 1 goutte de thiocyanate de potassium (K+, SCN-).
Observer : un complexe rouge s'est-il formé ?

HYDROLYSE

Préparer à l’aide de l'éprouvette graduée 40 mL de filtrat.
Les introduire dans le ballon de 100 mL.
Préparer 40 mL d'eau chaude à 50°C avec l'éprouvette graduée (la même !).
Ajouter les 40 mL d'eau chaude dans le ballon.
Préparer le montage à reflux suivant le schéma de montage ; faire vérifier par l’enseignant.
Mettre en marche le thermostat sur la graduation 6.
Chauffer à reflux jusqu'au blanchiment du liquide, la teinte à obtenir est "chocolat clair".
Appeler l’enseignant afin de désolidariser le ballon et le chauffe-ballon.
Refroidir le ballon sous l'eau courante.

FILTRATION

Filtrer sur büchner.
Laver le précipité avec de l'eau distillée.
Placer le précipité et le papier filtre dans une coupelle.
Sécher à l'étuve.

La quatrième étape ne sera pas réalisée.

III. QUESTIONS
Dessiner le montage du chauffage à reflux, nommer les différents appareils.
Préciser le sens de circulation de l'eau dans le réfrigérant, justifier ce sens.
Pour quelles raisons la première étape est-elle effectuée sous la hotte ?
Ecrire l'équation du test sachant que le complexe rouge qui pourrait se former a pour formule [FeSCN2+].
Etablir une carte d'identité du dioxyde de titane.
Analyse des composants d’une peinture par chromatographie sur couche mince
Méthode d’analyse destructive
(nom donné lorsqu’il y a prélèvement direct sur le tableau)

Objectifs
- Etre capable de suivre un protocole expérimental.
- Savoir séparer les pigments contenus dans une peinture.

matériel
Micropipettes, sèche-cheveux, plaque de silice, bocal avec couvercle, pigments témoins, propan-2-ol, solution concentrée d'ammoniac.

I. PROTOCOLE OPERATOIRE
Préparation de la cuve à chromatographie
Apporter la cuve sous la hotte.
Repérer sous la hotte le propan-2-ol dans une burette, la solution d'ammoniac dans une autre burette.
Introduire dans la cuve 8 mL de propan-2-ol, puis 2 mL de la solution d'ammoniac concentrée (éluant).
Fermer la cuve avec son couvercle, agiter doucement d'un mouvement circulaire.
La cuve doit rester fermée pendant le dépôt des échantillons sur la plaque afin que les vapeurs de l’éluant saturent la cuve.

Dépôt des échantillons sur la plaque.
Ne pas mettre les doigts sur la plaque. La tenir par les bords.
Prendre la plaque de silice dans le sens de la hauteur.
Tracer un trait au crayon noir à 2 cm du bas de la plaque. Repérer sur ce trait, des points équidistants de 1 cm. Les numéroter.
Déposer à l'aide des micropipettes verticales une goutte de peinture de composition inconnue sur le premier point, puis une goutte de chaque témoin sur les autres points précédemment repérés.
Sécher les taches à l'aide du sèche-cheveux (soigneusement pour ne pas disperser le dépôt).
Faire deux dépôts sur un même point en procédant comme précédemment (d et e).

3. Développement du chromatogramme.
Introduire la plaque de silice dans la cuve (sans agiter l’éluant pendant l’introduction ni pendant l’élution).
Refermer la cuve.
Observer la migration des pigments.
Lorsque le front de l'éluant se trouve à 1 cm de l'extrémité supérieure de la plaque, la retirer et marquer sa position avec un trait de crayon.
Repérer la position des taches obtenues.

II. QUESTIONS
Faire un schéma du dispositif expérimental.
Donner la formule du propan-2-ol.
Quelle est la phase fixe ? Quelle est la phase mobile ?
Les divers colorants ont-ils le même comportement vis-à-vis du couple adsorbant-éluant ?
Dans quel rapport sont introduits les volumes qui constituent l'éluant ?
Déterminer la composition de la peinture proposée.
Vieillissement des œuvres d’art

Etude des pigments à l’huile

Objectifs
- Construire une carte d’identité de deux pigments.
- Etudier la stabilité chimique d’un pigment et la conservation des propriétés initiales au cours du temps.

I. CARTE D’IDENTITE
Etablir la carte d’identité de l’oxyde de zinc(II) ; des informations sur les points suivants sont à rechercher : constitution chimique, toxicité, stabilité, conservation des propriétés initiales au cours du temps.
Les élèves précisent les sources bibliographiques utilisées.

II. FABRICATION
L’un des procédés consiste à faire brûler la vapeur de zinc dans un courant d’air.
Quels sont les réactifs de la réaction ?
Ecrire l’équation de cette réaction.

III. SOLUBILITE
1. Expérience
Remplir d'eau un tube à essai à la moitié de sa hauteur.
Préparer une spatulée rase d’oxyde de zinc(II).
Verser celle-ci dans le tube à essai, boucher.
Agiter ; poser le tube sur le portoir (ne pas jeter son contenu).

2. Conclusion
l’oxyde de zinc(II) est-il soluble dans l’eau ?
Quel nom est donné à ce mélange ?

IV. ACTION DE LA TEMPERATURE
1. Rappeler la couleur de l’oxyde de zinc(II). Préciser quelle partie du spectre de la lumière blanche est réfléchie ?

2. Expérience
Mettre dans une coupelle métallique une spatulée d’oxyde de zinc(II).
La poser sur la grille et la chauffer assez longuement.

3. Conclusion
Quelle est la nouvelle couleur de l’oxyde de zinc(II) ?
Quelle est la partie du spectre qui est absorbée ?

V. INFLUENCE DU pH
1. Expérience
Reprendre le tube à essai contenant la suspension d’oxyde de zinc(II).
Partager en 3 parties égales dans 3 tubes à essai numérotés 1,2,3.
Tube n°1, préparation du témoin : ajouter 6 mL d’eau, agiter.
Tube n°2, action d’une base : ajouter 6 mL de solution d’hydroxyde de sodium (soude) concentrée, agiter, observer, comparer au tube témoin.
Tube n°3, action d’un acide : ajouter environ 2 mL d’acide chlorhydrique à 6 mol.L-1, agiter, observer, comparer au tube témoin.

2. Conclusion
Quelle est l’influence du pH sur la couleur ?
Ecrire les équations de réaction.


VI. ACTION D’UN POLLUANT : le sulfure d’hydrogène
Travailler sous la hotte

1. Préparer une suspension d’oxyde de zinc(II)

Dans un premier tube à essai introduire une pointe de spatule de dioxyde de zinc et 3mL d’eau.
Introduire le tube à dégagement, poser l'ensemble sur le portoir.

2. Préparer du sulfure d’hydrogène  de formule H2S par action de l’acide chlorhydrique sur du sulfure de fer(II) :
FeS + 2 HCl ( H2S + FeCl2

Dans un deuxième tube à essai, introduire une spatulée de sulfure de fer(II).
Ajouter environ 2 mL d’acide chlorhydrique à 6 mol.L-1.
Boucher immédiatement avec le bouchon du tube à dégagement ce deuxième tube à essai.
Disposer les deux tubes à essai dans des béchers sous la hotte aspirante ; pour éviter au maximum des dégagements importants de sulfure d’hydrogène, même sous la hotte, obturer du mieux possible le premier tube à essai avec du papier d'aluminium.

3. Observer
- Décrire les phénomènes observés dans les deux tubes à essai.
- Noter si un changement de couleur a lieu dans le tube à essai contenant le pigment.

4. Conclusion
- Ecrire l’équation de la réaction sachant que les produits de réaction sont le sulfure de zinc(II), ZnS, de couleur blanche et de l’eau.
-Les pigments qui contiennent des ions plomb(II) ne sont pas inertes vis-à-vis de ce polluant, en conséquence quelle conclusion porter sur la pureté de l’oxyde de zinc(II) ?

VII. CARACTERES D’UN PIGMENT

D’après l’étude qui précède, citer les caractéristiques d’un pigment.
Préparation de quelques pigments

Objectifs
Savoir suivre un protocole expérimental.
Préparer des pigments pour réaliser des peintures.
Faire un bilan de matière.
S'assurer de la couleur des peintures en les éclairant par différentes lumières colorées.


I. PREPARATIONS DES PIGMENTS

PIGMENT JAUNE : Jaune de chrome, PbCrO4

Mesurer à l'éprouvette graduée 10 mL de nitrate de plomb(II) (Pb2+ , 2 NO3-) de concentration molaire 0,5 mol.L-1.
Les introduire dans un bécher.
Mesurer à l'éprouvette graduée 10 mL de chromate de potassium (2 K+ , CrO42-) de concentration molaire 0,5 mol L-1.
Les introduire dans le même bécher. Un précipité apparaît.
Le filtrer sur papier filtre, le rincer à l'eau distillée.
Mettre le précipité dans une capsule.

Questions
Quelle est la couleur du précipité ?
Ecrire l'équation correspondant à la réaction de précipitation.
Quelle masse de chromate de plomb(II) PbCrO4 peut être obtenue en faisant réagir les quantités de réactifs introduites ?
Quelle est la masse obtenue expérimentalement ? Commenter.
Quelle a été « la grande utilisation » de ce pigment ?
Pourquoi ne l'utilise-t-on plus ?


PIGMENTS BLEUS : Bleu de Prusse et bleu Thalo

Bleu de Prusse Fe3[Fe(CN)6]2.
Mesurer à l'éprouvette graduée 10 mL de sulfate de fer(II) (anciennement appelé sulfate ferreux), (Fe2+ , SO42-) de concentration molaire 0,5 mol.L-1.
Les introduire dans un bécher.
Mesurer à l'éprouvette graduée 10 mL d'hexacyanoferrate(III) de potassium (3 K+ , [Fe(CN)6]3-) de concentration molaire 0,5 mol.L-1.
Les introduire dans le même bécher. Un précipité apparaît.
Le filtrer sur papier filtre, le rincer à l'eau distillée.
Mettre le précipité dans une capsule.

Questions
1. Quelle est la couleur du précipité ?
2. Ecrire l'équation correspondant à la réaction de précipitation.
3. Quelle masse de Bleu de Prusse Fe3[Fe(CN)6]2 peut être obtenue en faisant réagir les quantités de matière de réactifs introduites ?
4. Quelle masse est obtenue expérimentalement ? Commenter.

Bleu Thalo ou phtalocyanine de cuivre (la formule est donnée en documentation).
Peser successivement sur papier filtre 2,5 g d'anhydride phtalique, 1 g d'urée, 1 g de sulfate de cuivre(II) pentahydraté, (CuSO4,5 H2O).
Dans un mortier, réduire en poudre fine ces solides.
Introduire ces quantités dans un bécher de 100 mL.
Ajouter une pointe de spatule de molybdate d'ammonium qui sert de catalyseur (permet d’accélérer la réaction).
Homogénéiser le mélange à l'aide d'un agitateur en verre.
Sous la hotte, chauffer sur la plaque chauffante, tout en agitant à l'aide de l'agitateur en verre.
On observe une effervescence due à un dégagement de dioxyde de carbone.
Arrêter de chauffer lorsque cesse l'effervescence.
Placer le solide dans une capsule.

Nettoyage du matériel : verser une solution d'ammoniac dans le bécher et sur l'agitateur.

Questions
L'écriture de l'équation de cette synthèse s'écrit :


Nommer les réactifs et les produits.
Quelle est l'origine de ce pigment ?
Quelle est sa couleur ?

PIGMENT ROUGE : Laque rouge de cochenille

Dans un tube à essai, introduire 2 mL d'une solution de rouge cochenille.
Ajouter 2 mL de solution de sulfate de sodium à 1 mol.L-1. Observer.
Ajouter 2 mL de solution de chlorure de baryum à 1 mol L-1.
Un précipité apparaît. Observer.
Filtrer la laque obtenue sur papier filtre, la rincer à l'eau distillée.
Mettre la laque dans une capsule.

Questions
Ecrire l'équation correspondant à la réaction de précipitation.
Quelle est la couleur de la solution avant l'ajout du chlorure de baryum ? Après ?

II. PREPARATION DES PEINTURES

Broyer dans un mortier à l'aide du pilon le pigment sec.
Préparer les peintures suivant le mode opératoire suivant :
Capsules 1 et 2 :
- ajouter d'abord dans le mortier une spatulée d'oxyde de zinc(II), puis 1 mL d’huile de lin et 1 mL d’essence de térébenthine. Bien homogénéiser avec le pilon,
- verser dans une capsule le mélange obtenu,
- dans deux capsules différentes, ajouter alors respectivement du jaune de chrome, du bleu de prusse ; bien homogénéiser avec la spatule,
Capsule 3 : la laque rouge de cochenille s’utilise directement.
Capsule 4 : introduire des quantités égales de jaune de chrome et de bleu de Prusse afin de réaliser un nouveau pigment, mélanger. Procéder comme pour les capsules 1 et 2.

Questions :
Quel est le rôle de l'huile de lin ?
Quel est le rôle de l'essence de térébenthine ?

Remarque : la préparation du bleu Thalo conduit à un solide difficile à pulvériser ou broyer ; il ne peut être utilisé ainsi.

III. ECLAIRAGE DES PEINTURES PREPAREES PAR DIFFERENTES LUMIERES COLOREES
1. Aligner les quatre capsules contenant les quatre peintures de couleurs différentes.
2. Prendre quatre carrés de papier blanc, peindre sur chacun d'eux une pastille de peintures.
3. Allumer les lanternes, se placer dans le noir.
4. Eclairer les pastilles de peinture avec différentes lumières colorées.
5. Inscrire dans le tableau la nouvelle teinte observée de la pastille.


Eclairage par des lumières coloréesRougeVertCyanMagenta
prévision sous cet éclairage Jaune de chrome
Bleu de Prusse
Laque rouge cochenille
Mélange
(capsule 4)

IV. VERIFICATION DE LA COULEUR DES PEINTURES PREPAREES

Questions
Montrer que les couleurs observées des peintures sont conformes à la synthèse soustractive.
Prévoir les couleurs des peintures sous un éclairage magenta, remplir le tableau et vérifier expérimentalement.


DOCUMENTATION

Un texte historique de Chevreul
cité par Georges Roque dans Art et Science de la couleur (1997), édition Jacqueline Chambon, p.156

« De la loi du contraste simultané des couleurs », 18 avril 1835

On ne voit nulle part mieux qu'ici comment Chevreul se situe à la frontière entre deux mondes. Son but est bien encore d'aider les artistes à obtenir une imitation fidèle du modèle. Mais les moyens qu'il préconise font en même temps éclater cette vieille notion d'imitation : si, pour imiter, il faut faire autrement qu'on ne voit, alors on n'imite déjà plus, dès lors que le sacro-saint lien qui unissait l'œil au visible dans la fonction imitative se défait. Il fallait tout le sérieux d'un savant pour énoncer pareille règle sans y voir d'ironie ; pour lui, il n'y a que méthode ; mais cette méthode finira par porter d'autres fruits...
De tout ce qui précède, Chevreul tire à l'adresse des peintres six principes qui ont souvent été repris (ils seront par exemple recopiés par Seurat) ; les voici, réduits à leur plus simple expression, c'est-à-dire sans les remarques ou les exemples que Chevreul a ajoutés pour certains d'entre eux :

« l) Mettre une couleur sur une toile, ce n'est pas seulement colorer de cette couleur la partie de la toile sur laquelle le pinceau a été appliqué mais c'est encore colorer de la complémentaire de cette même couleur, l'espace qui y est contigu.

2) Mettre du blanc à côté d'une couleur, c'est en rehausser le ton; c'est faire comme si on ôtait à la couleur la lumière blanche qui en affaiblit l'intensité.

3) Mettre du noir à côté d'une couleur, c'est en abaisser le ton ; dans quelques cas, c'est l'appauvrir. Telle est l'influence du noir sur certains jaunes.
Enfin, c'est ajouter au noir la complémentaire de la couleur juxtaposée.

4) Mettre du gris à côté d'une couleur, c'est la rendre plus brillante, et c'est en même temps teindre ce gris de la complémentaire de la couleur juxtaposée.

5) Mettre une couleur foncée près d'une couleur différente plus claire, c'est élever le ton de la première et abaisser celui de la seconde, indépendamment de la modification résultant du mélange des complémentaires.
Une conséquence importante de ce principe, c'est que le premier effet peut neutraliser le second ou même le contrarier.

6) Juxtaposer deux teintes plates de tons différents d'une même couleur, c'est produire du clair-obscur, par la raison qu'à partir de la ligne de juxtaposition, la teinte de la zone du ton le plus haut va en s'affaiblissant insensiblement, tandis qu'à partir de cette même ligne, la teinte de la zone du ton le moins élevé va en augmentant; il y a donc une véritable dégradation de lumière. »
(§ 335 à 340)
Bibliographie


CAPON M., COURILLEAU V., VALETTE C. (1993). Chimie des couleurs et des odeurs. Cultures et Techniques.
DELAMARE F., GUIEAU B. (1999). Les matériaux de la couleur. Découverte Gallimard.
CARDON D. (1990). Guide des teintures naturelles. Delachaux et Niestlé.
BENSAUDE-VICENT B., STENGERS I. (1994). Histoire de la chimie. La découverte.
DURUPTHY A. (1994). Chimie, option sciences expérimentales. Hachette.
GILLES A., GALIAN M. (1993). La renaissance du Pastel en pays de cocagne. BUP n°757, p. 1229-1251.


DELCROIX G., HAUEL M. (1988). Phénomènes physiques et peinture artistique. EREC.
ROQUE G. (1997). Art et science de la couleur. Edition Jacqueline Chambon.
VIGNES J.L. (1997). Données sur les principaux produits chimiques métaux et matériaux. Centre de ressources pédagogique en chimie, 7ème édition.
PINCAS A. (1988) Le lustre de la main. EREC.
BERGEAUD C., HULOT J.F, ROCHE A. (1997). La dégradation des peintures sur toile. Ecole nationale du patrimoine.
SERULLAZ A. (1989). Delacroix. Fayard.
SERULLAZ M., DOUTRIAUX A. (1998). Delacroix : une fête pour l'œil. Découvertes Gallimard.
AFNOR (1988). Dictionnaire des pigments et des matières de charges.


Recueil des olympiades nationales de chimie (synthèse en deux tomes).
SENEZ J. (1994). Un trimestre d'enseignement optionnel en première S. BUP n°765 ; p. 973-997.
SENEZ J. (1995). Art et couleurs : le vieillissement des œuvres d’art, aspects chimiques. BUP n°770, p. 83-93.
PETIT J., VALOT H. (1991). Des peintures et des vernis. Section française de l'institut international de conservation.


Cédérom (1997). Le secret des couleurs. Carré multimédia.  HYPERLINK "http://www.alapage.tm.fr" http://www.alapage.tm.fr
Cédérom (1999). Libertés en couleurs. Point média conseil, académie de Créteil.

Documents audiovisuels


RÉSEAU CNDP

Programmes audiovisuels libérés de droits pour une utilisation en classe :
le ministère de l’Éducation Nationale, de la Recherche et de la Technologie a mis en place, depuis janvier 95, une procédure d’aide à la production d’émissions de télévision.
Cette aide financière est assortie d’un achat de droits et d’un achat de cassettes. Ces cassettes, au fur et à mesure de la réalisation des programmes, sont mises à disposition dans les vidéothèques du réseau des CRDP et CNDP.
Certains titres sont aussi proposés à la vente.
Ce soutien ne constitue pas une labellisation. Il vise à marquer l’intérêt du ministère pour des programmes qui, de part leur thème et la qualité du projet présenté, sont susceptibles d’être utilisés en classe. Il en permet l’usage légal : droit d’enregistrement au moment de la diffusion, droit d’utilisation des vidéocassettes dans les établissements d’enseignement. C’est l’outil audiovisuel en tant que tel, pouvant être utilisé comme support de cours ou comme objet d’une étude critique, qui est mis à notre disposition.

Série « C’est pas sorcier » (FR3)
(En vente : 120 F les cassettes de 3x26 minutes :
1) C’est pas sorcier (1) : Le son en concert - Ma poubelle vaut de l’or - Au feu les pompiers.

2) C’est pas sorcier (2) : Homo orbitus - Au bout du fil… le téléphone - Les bébés.

3) C’est pas sorcier (3) : Nos vêtements… de fil en aiguille - Un bol d’air dans le grand bleu - Faire du sport.

4) C’est pas sorcier (4) : Pleins feux sur le système solaire - La forêt enchantée - Une journée à la ferme.

5) C’est pas sorcier (5) : Coup de projecteur sur la lumière - Les Rapaces - Qui tient les cordons de la bourse ?

6) C’est pas sorcier (6) : Le Sida - Les ponts - Le dire, c’est bien, le fer, c’est mieux !

7) C’est pas sorcier (7) : Œil pour œil - L’ordinateur - Histoire de cœur.

8) C’est pas sorcier (8) : Trafics routiers - L’Europe - Le marais poitevin.

(Non commercialisées ; enregistrées au moment de la diffusion :
1) Le sucre

2) Les parfums

3) Les colorants (?)


Programmes éducatifs (diffusés sur « la Cinquième Émission Galilée »)
Niveau collège : aborde des notions de chimie.

CNDP, 31 rue de la Vanne, 92120 Montrouge. Tél : 01 46 12 84 57. Télécopie : 01 46 12 84 51.

1) Environnement et protection de la planète (16 séquences de 4 minutes : analyse de l’eau - production d’eau potable - station d’épuration - nitrates - concentration de polluants - analyse de l’air - pot catalytique - effet de serre - couche d’ozone - pluies acides - insecticides - herbicides - traitement des déchets - radioactivité - radioprotection - fertilité du sol).

2) Chimie, cosmétiques et hygiène (12 séquences de 4 minutes : savons - lessives - dentifrices - crèmes solaires - laques - teintures capillaires - déodorants - solubilité - solvants - tension superficielle - filtres et pigments - liposomes).

3) Des phénomènes et des hommes (10 séquences de 4 minutes : le baromètre - l’homéopathie - le procès de Galilée - Nobel et la dynamite - Newton, Goethe et les couleurs - Galilée et sa lunette - Trois degrés pour une température - Lavoisier et la composition de l’air - Franklin et le paratonnerre - Histoire de l’aluminium).

4) D’où ça vient ? Des courts métrages percutants qui présentent les processus physiques, chimiques ou biologiques permet de passer d’une matière première à un produit élaboré (6 séquences de 3 minutes : du lait au fromage - du sable au verre - de l’huile au savon - du pétrole à la fourrure - de l’arbre au papier - du blé au pain).


Production CNRS
Diffusion : CNRS Audiovisuel 1, place Aristide Briand 92195 Meudon Cedex
Tél : 01 45 07 56 86 Télécopie : 01 45 07 58 60
 HYPERLINK "http://www.cnrs.fr/audiovisuel/" http://www.cnrs.fr/audiovisuel/

« Nature contre nature » (38 minutes)
Récolte de plantes tropicales et chasse d’espèces sous-marines dans un but de recherche de nouvelles molécules toxiques exploitables en chimiothérapie dans la lutte contre le cancer : broyage, extraction séparation, identification...
Prix : 120 F pour usage privé ; 250 F pour utilisation « établissement »

Histoire des sciences et techniques
Pierre Louisot raconte l’histoire des médicaments (40 minutes) (Aventures extraordinaires)
Débuts de la pharmacologie avec utilisation des produits végétaux, animaux et minéraux, découverte des molécules actives par l’industrie pharmaceutique.

Production industries
du groupe Usinor Sacilor
Immeuble Ile de France 4 place de la Pyramide Cedex 33, 92070 Paris-la Défense
Tél : 01 41 25 55 79 Télécopie : 01 41 25 56 75

« Sidérurgite aiguë » (30 minutes)


Centre d’études et de documentation sur le sucre (CEDUS)
30, rue de Lübeck 75116 Paris Tél : 01 44 05 39 99 Télécopie : 01 47 27 66 74

« Les racines du sucre » (20 minutes. Présentation des techniques de l’industrie sucrière (principales étapes d’extraction du sucre de betterave).

Union des industries chimiques
Cassette disponible (en prêt gratuit) sur le catalogue CEFILM 2, rue du Bac 92158 Suresnes
Tél : 01 40 99 51 55 ; Télécopie : 01 45 06 04 05 ; E-mail :  HYPERLINK mailto:information@teletota.fr information@teletota.fr

« Le Progrès passe par l’industrie chimique » (six séquences de 5 minutes) : chaque séquence illustre en détail, de sa conception en laboratoire à sa fabrication, un produit d’un des secteurs suivants : agriculture, habitat, santé, transports, loisirs et communication.

Association « Ateliers de diffusion audiovisuelle » , ADAV
41 rue des Envierges 75020 PARIS
Tél : 01 43 49 10 02 Télécopie : 01 43 49 25 70 ; E-mail :  HYPERLINK "mailto:adav@wanadoo.fr" adav@wanadoo.fr

Cette association s’adresse exclusivement à des organismes à vocation culturelle, socioculturelle, éducative, à caractère non commercial ; l’accès à la centrale d’achat est strictement réservé à ces organismes. Prix des cassettes : de 100 à 300F.
Les droits d’utilisation des programmes vendus par l’ADAV sont limités à la possibilité de projeter à titre gratuit, dans l’emprise des locaux de l’organisme acquéreur - en l’occurrence les établissements scolaires.
Pour l’ensemble des programmes audiovisuels proposés, il est interdit de reproduire ou de faire reproduire tout ou partie du contenu des supports.

Sélection mixte chimie et physique
Quelques titres extraits du catalogue qui n’est envoyé qu’aux organismes ou associations
(pas d’envoi à un particulier)

Série Une histoire de médicaments - Des médicaments et des hommes auteur : J.M Pelt
Édition La 7 Vidéo. Chaque cassette : 184 F (52 min)
1) réf : 9553 « L’aspirine / la Quinine »
2) réf : 12438 « L’if / La coca »
3) réf : 9551 « Le pavot / L’ergot de seigle »
4) réf : 9554 « Digitale / Belladone »

réf : 17588 « Le médicament, entre science et magie » 120 F (59 min)
Collection « Canal du savoir »
Longue histoire du médicament, entre rationnel et irrationnel, entre remède et poison.

réf : 11027 « Le Docetaxel, une molécule porteuse d’espoir » 183 F (32 min)
Coproduction CNRS, Rhône Poulenc, Université Paris Sud
L’histoire de la découverte d’une molécule contenue dans l’if, de l’élaboration et du développement d’un nouveau produit anticancéreux.

réf : 22209 « L’atome et la lumière » 220 F (38 min)
A l’occasion de leur prix Nobel en 1997, Claude Cohen-Tannoudji, Bill Philips et Steven Chu racontent comment ils ont réussi à ralentir les atomes en les refroidissant grâce aux rayons laser.

réf : 21570 « Jongleurs d’atomes » 250 F (60 min)
La conquête de l’infiniment petit, aux frontières de l’invisible, un voyage vertigineux au cœur des atomes, dans un univers où on manipule la matière à l’échelle du nanomètre.

réf : 9978 «  Le roman de l’atome de Démocrite à nos jours » 122 F (56 min)
Coproduction Paris Sud Orsay / École Polytechnique
L’aventure extraordinaire de la découverte de l’atome et du décryptage de sa structure… Une histoire qui commence il y a 25 siècles.


Série « Planète Océan » chaque cassette : 164 F (52 min)
Édition La Cinquième développement » (1998)

1) réf 23218 Planète Océan 5 « Le chant des baleines »
Il existe une zone maritime dans laquelle les sons voyagent sans embûche sur des distances immenses. Il est possible que les baleines le connaissent puisqu’elles l’utilisent pour communiquer entre elles à parfois plus de 1000 km de distance…

2) réf 23219 Planète Océan 6 « Vagues et marées »
Les vagues, qui transmettent l’énergie, ou le rythme des eaux, peuvent être tour à tour porteuses de vie ou de mort.

3) réf 23220 Planète Océan 7 « Trésors marins »
L’océan abrite une multitude insoupçonnable d’organismes et de substances dont l’existence même demeure inconnue à ce jour. Les scientifiques cherchent également de nouvelles sources d’énergie dont les océans sont peut-être la solution : sources d’eau chaude, hydrates de méthane libérés lors d’éruptions volcaniques…

4) réf 23221 Planète Océan 8 « Un équilibre fragile »
Les produits toxiques déversés en mer se dispersent très rapidement ; ils peuvent, en quelques années seulement, contaminer des zones immenses. Cette pollution se transmet à travers la chaîne alimentaire et est susceptible d’avoir des répercussions sur l’équilibre terrestre et même atmosphérique : les scientifiques ont découvert qu’une espèce de plancton dominante aurait un lien avec l’équilibre en gaz carbonique de l’atmosphère.


Collection Cité des Sciences et de l’Industrie
réf :16512 « La mesure » 199 F (60 min)
Mesure du temps, des surfaces, des longueurs, du poids ; mesures de l’homme…. Astronome, géomètre , géophysicien, psychologue, sociologue, informaticien, tous interviennent.

réf : 16508 « La Radioactivité » 199 F (60 min)
De la découverte au début du siècle à un grand nombre d’activités quotidiennes d’aujourd’hui où elle est concernée : médecine, centrales nucléaires, traitement bactéricide dans le domaine agro-alimentaire.

réf : 21477 « Le relief de l’invisible » 199 F (33 min)
Vertigineuse plongée au cœur de la matière. On découvre dans un mouvement continu, la structure microscopique des objets qui nous entourent ; images réalisées par microscopie électronique. Onze matériaux sont explorés : acier, aluminium, béton, bois, céramique, laiton, argile, fibre de carbone, plastique, béton, dent.

Collection Dis Jerôme...? Édition Canal plus Vidéo : la physique expliquée par Jérôme Bonaldi
réf : 4051 « Dis Jerôme...? n°1 » 289 F (60 min)
Comment vole un avion ? - Comment fonctionne un frigo ? - L’autocuiseur - Chute des corps et vitesse limite - Principe d’Archimède - Comment lave un savon ? - Résonances mécaniques - Faire de la physique sans le savoir.

réf : 18449 « Dis Jerôme...? n°2 » 289 F (60 min)
Le moteur électrique - L’aspirateur - Le tube fluorescent - Le micro-onde - La plaque à induction - La brosse à dents électrique - Le moteur à quatre temps - Le compteur de vitesse - Le moteur diesel - L’échographie.

réf : 18450 « Dis Jerôme...? n°3 » 289 F (60 min)
L’électroaimant - Le haut parleur - Le lecteur de CD - Le multiplexage téléphonique - Le télécopieur - L’autofocus - La télévision noir et blanc - La polarisation de la lumière - Les cristaux liquides - La télévision couleur.

Production SFR / Palais de la Découverte Le petit théâtre de la science
réf 19091 « Changements d’états » 200 F, 2 films
film 1 (26 min) : Changements d’état
film 2 (34 min) : Phase et changement de phase - Les changements d’état de la matière et les équilibres de phase de l’azote.

réf 19092 « Forces d’inertie » 200 F, 2 films
film 1 (26 min) : Forces d’inertie
film 2 (20 min) : Force centrifuge, force centripète, force de Coriolis ; démonstrations et expériences du Palais de la Découverte.


 A propos des huiles douces tirées des végétaux par expression.

 Esprits recteurs : principe de l’odeur du corps, miscibles à l’eau quoique de nature huileuse. P.-J. Macquer, op. cit., p. 420.
 Esprit ardent : esprit-de-vin, alcool.




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nCu(OH)2

nCu2+

nOH -





n (mol)
8 --

7 --

6 --

5 --

4 -- n(H2)

3 --
n(O2) pente (-1)
2 --
pente (-2)
1 --

0 I I I I I I I I I
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 x (mol)


x final = 3 mol


n (mol)
8 --

7 --
n(O2)
6 -- pente (-1)

5 --
4,5 .
4 -- n(H2)

3 --

2 --
pente (-2)
1 --

0 I I I I I I I I I
1 2 3 4 5 6 7 8 9 x (mol)

x final = 2,5 mol

EI (P, T)
7 moles de O2(g)
5 moles de H2(g)
28 moles de N2(g)


EF (P, T)
n moles de H2O(l)
28 moles de N2(g)
autres espèces restantes

Transformation chimique

EF (P,T)
?

EI (P, T)
7 moles de O2(g)
5 moles de H2(g)
28 moles de N2(g)

P , T , ni

Transformation chimique

EI (P , T , ni)
Espèces chimiques
introduites

EF (P , T , n’i)
Espèces chimiques
(nouvelles et restantes)

EI (P, T)
7 moles de O2(g)
5 moles de H2(g)
28 moles de N2(g)

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Les autres atomes retrouvent leur nombre normal d'électrons ; ils ne portent pas de charges formelles.

Cet atome d'oxygène possède 7 électrons ; il en a gagné un ; il porte une charge formelle négative.

L'atome d'azote ne possède plus que 4 électrons ; il en a perdu un ; il porte une charge formelle positive.

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.

O

.

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Ecran fluorescent au sulfure de zinc

Source émettrice de particules (

Feuille d'or très fine

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Faisceau invisible de particules (

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B A.A. Boisson

Eluant : dichlorométhane

Dépôt du colorant

Phase fixe : plaque de silice

Eluant : mélange eau 50% - alcool 50%

Ligne des dépôts

Phase fixe : papier


Quelles techniques d'extraction les hommes ont-ils utilisées pour obtenir des parfums ?
A quelles époques ?
Quelles sont les matières premières utilisées ?

Comment isoler le « parfum » de cette fleur ?

Absolue de concrète

600 g

Cires

Filtration

Alcool – chauffage mixage

1 kg

Concrète (cires contenant les pigments et substances odorantes)

Solvant

Solvant

1000 L

Evaporation

Extraction par macération

Fleurs + solvant contenant pigments + substances odorantes

400 kg

Fleurs (roses)
posées sur une grille dans la cuve (extracteur)

Sujet : Les parfums
Emission : "C'est pas sorcier", 1999
Partie : Extraction
Durée : 5 minutes environ
7 minutes après le début 700 tours

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Le traitement consiste essentiellement à extraire le jus.
Mais des peaux, on retire une huile essentielle constituée de (+) limonène, pur à 95%, constituant principal de toutes les huiles issues des peaux d'agrumes. L'odeur caractéristique dépend pour chaque agrume des proportions des deux énantiomères. Dans le citron on aurait 82% de l'isomère (+) et 18% de l'isomère (-).

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Les feuilles très odorantes possèdent des poches sécrétrices contenant l'huile essentielle. Elles sont de deux types : sur les rameaux jeunes (feuilles de jeunesse) elles sont ovales et minces, sur les branches plus âgées (feuilles adultes), elles sont longues et en forme de faucille. Toute la plante renferme l'huile essentielle, mais en médecine on utilise seulement les feuilles adultes, les feuilles de jeunesse étant trop pauvres en essence.


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Il existe plus de 600 espèces d'eucalyptus disséminées un peu partout dans le monde. Il fait partie de la famille des Myrtacées. L'Eucalyptus Globulus Labill. (du nom de Labillardière qui le découvrit en 1800 lors d'un voyage en Australie) est une espèce très cultivée. Il a été introduit dans le sud de la France par Ramel, en 1860. Il s'est très bien acclimaté dans l'ensemble des pays méditerranéens. C'est un grand arbre ornemental, appelé gommier bleu de Tasmanie. Il peut atteindre 100 mètres de haut et son tronc 28 mètres de diamètre. Son écorce à la base est foncée et rugueuse, lisse tout en haut, se desquamant par bandes tous les ans. Ses longues racines font qu'il joue un rôle important dans la fixation des sols (retard à la désertification) et dans le drainage des terrains marécageux (il a été introduit en 1857 en Algérie pour drainer les terrains de régions touchées par la malaria).

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La manipulation de grandes quantités de gousses de vanille sans protection déclenche le vanillisme :
(maux de tête, démangeaisons, urticaires) dû aux moisissures se développant sur les gousses.


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Le fruit est une gousse (capsule cylindrique) de 15 à 25 cm de long. Les gousses récoltées encore vertes sont amères et sans parfum. Le processus de préparation de la vanille est lent et délicat. Il s'étend sur environ quatre mois. Pour que se développe l'arôme, les gousses sont échaudées, puis placées dans des couvertures à l'intérieur de caissons d'étuvage pendant 24 à 48 heures où elles subissent une fermentation enzymatique. Elles deviennent de couleur brunâtre, signe qu'elles sont mortes. Elles sont ensuite séchées d'abord très lentement au soleil ou au four, puis à l'ombre. Elles sont calibrées, mises en petits paquets et laissées dans des malles en bois ou en fer blanc pendant encore deux à huit mois au cours desquels l'arôme continue de s'affiner. Elles sont alors prêtes à la commercialisation. L'épice est commercialisée en gousses, en poudre, en extrait liquide ou sous forme de sucre vanillé. L'arôme fin persistant et agréable de la vanille provient en grande parie de la vanilline. Une plantation n'est exploitable que 10 ans.


La vanilline constitue le principe actif des gousses du vanillier, Vanilla planifolia, de la famille des Orchidées. Cette orchidée grimpante est une longue liane pouvant atteindre 30 à 100 m de long, qui s'attache aux branches des arbres à l'aide de racines aériennes. Originaire d'Amérique Centrale, elle est connue depuis les Aztèques (époque précolombienne) qui l'utilisaient pour parfumer le cacao.

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