Université d'été « Enseigner les sciences à l'école primaire »

Matière : les mélanges

Méthode de travail proposée aux participants de l'atelier

Dans le domaine de la recherche scientifique, la notion de protocole expérimental est une discipline de travail qui s'avère indispensable aux chercheurs : elle les contraint à définir clairement et collectivement leurs objectifs préalablement au déroulement de l'expérience, et leur permet souvent d'éviter de commettre des erreurs expérimentales qui compromettraient l'analyse des résultats ou rendraient impossible toute conclusion valable.

Pour réaliser les expériences suivantes, votre principal cahier des charges est donc le suivant : définir en commun et par écrit (lorsque cela est justifié par la complexité de l'étude) le protocole expérimental à suivre, c'est-à-dire l'ensemble des informations utiles dont devrait disposer une personne souhaitant reproduire l'expérience avec succès.

Les questions qui nécessitent d'établir un protocole sont écrites en italique.

L'eau est un solvant exceptionnel, principalement pour les substances minérales, mais aussi pour certaines substances organiques. Nous vous proposons de comparer, dans ce domaine, le comportement de l'eau à d'autres liquides usuels.

Question 1 : Que pensez-vous a priori des différentes combinaisons de deux produits qu'il est possible d'obtenir à partir des constituants suivants ?
Liquide initial : eau, alcool, huile, vinaigre.
Substance ajoutée : sucre, sel, café soluble farine, craie.

Tableau à remplir :

Mélange (1+2)

Prévisions et justifications

Résultats et observations

Produit 1

Produit 2

Se mélangent

Ne se mélangent pas

Question n°2 : Après une vérification expérimentale, élaborez une classification aussi précise et synthétique que possible des différentes situations rencontrées.

Question n°3 : Comparer le pouvoir dissolvant des différents liquides utilisés dans l'expérience.

Nota : l'observation des différents mélanges se fait pour des mélanges que l'on a laissé reposer. Il est important de choisir des conditions initiales semblables : volume, masse, etc.) pour comparer certaines propriétés.

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Mise en situation et mise en oeuvre

Cet atelier est appréhendé de façon analogue par tous les participants qui cherchent à élaborer une méthode permettant de prévoir toutes les combinaisons possibles entre un solide et un liquide parmi les substances mises à disposition. Le tableau proposé en annexe 1 constitue un support essentiel qui guide tant l'établissement de cette méthode que le travail expérimental (comment recueillir les résultats ? ).

Après avoir répondu individuellement aux questions concernant les résultats a priori, la stratégie majoritairement choisie consiste à organiser les différents récipients selon un tableau à double entrée (une ligne pour les solvants et une colonne pour les solides). Les paramètres liés au temps, à la nécessité d'agiter et de fixer les quantités de solvants et de solides sont pris en compte par tous les groupes.

Les protocoles testés permettent de souligner certains points. Une première remarque concerne l'adoption de la " forme tableau " pour organiser les récipients ; ces derniers doivent nécessairement être tous étiquetés sinon les résultats ne sont pas exploitables. Cette remarque a pour conséquence directe l'adoption d'un protocole plus simple décrivant les expériences à réaliser avec un seul des solvants, les mêmes expériences étant ensuite répétées avec tous les autres solvants. La deuxième remarque, relative à la formulation des objectifs jugée insuffisante, est significative d'une difficulté rencontrée par tous les participants : comment en effet établir le classement demandé sans référence ? Selon les questions formulées au sein des groupes, les animateurs guident cette phase du travail. Les discussions qui s'engagent au sein des groupes aboutissent à un système de codage permettant de qualifier le mélange obtenu. Un groupe qui adopte la distinction " se mélangent ou ne se mélangent pas " relève que ces deux catégories sont insuffisantes pour rendre compte de tous leurs résultats expérimentaux alors que le manque de précisions dans l'élaboration du protocole d'un autre groupe ne permet pas à ce dernier d'effectuer toutes les manipulations. Pour ce groupe, le classement ne figure pas dans le protocole. Les problèmes liés au vocabulaire (qu'est ce qu'un mélange ? Qu'est ce qu'une solution ? ) seront abordés dans la phase 2 de l'atelier.

Majoritairement, les protocoles indiquent l'objectif visé, le matériel nécessaire et la description rédigée de la succession des étapes. Exception faite d'un groupe, aucun groupe n'a recours à la représentation sous forme de tableau pour expliciter le protocole (cf. exemples des protocoles 1 et 2). Le groupe qui adopte cette forme le fait après avoir testé les protocoles rédigés jugés trop complexes. Les améliorations soulignées par ce groupe résident dans la précision qu'il faut apporter au simple constat " se mélangent ou ne se mélangent pas ".

Pour résumer, l'action des participants s'organise selon la chronologie suivante :

  • Etablissement au sein du groupe d'un premier protocole
  • Réponses a priori. Il s'agit d'un travail individuel
  • Phase expérimentale
  • Classement : travail théorique puis en relation avec les résultats expérimentaux
  • Rédaction finale du protocole.

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Suggestion de protocole : l'eau, un solvant exceptionnel

Préparationet classification des différents mélanges

  • Pour un même solvant (eau, huile, alcool ou vinaigre) réparti en volumes égaux (200 ml par exemple) dans plusieurs gobelets, on ajoute une même quantité d'ingrédient (sucre, sel, café soluble, farine).
  • On mélange les différentes solutions puis on les laisse reposer. On repérera au fur et à mesure des mélanges quel est l'ingrédient ajouté (par exemple nom de l'ingrédient marqué au feutre sur le gobelet).
  • L'observation se fait alors après quelques minutes d'attente (4-5 min) de façon à ce que l'agitation fournie manuellement n'agisse plus sur le mélange.
  • On renouvelle l'opération ensuite pour les autres solvants.
  • Une observation de l'ensemble des mélanges peut être envisagée en fin de manipulation afin d'effectuer des comparaisons et de proposer une classification.

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Compléments scientifiques

Mélange homogène ou hétérogène ?

Un mélange est un système formé par au moins 2 substances chimiques différentes, que l'on appelle les constituants, sans formation d'une espèce nouvelle. Lorsqu'on mélange du sel dans l'eau, on voit apparaître une seule phase : il s'agit alors d'un mélange homogène. Si l'on mélange de l'huile et l'eau et qu'on laisse reposer quelques secondes, on obtient alors 2 phases (l'huile se trouvant au-dessus de l'eau) : il s'agit dans ce cas d'un mélange hétérogène. Parmi les mélanges hétérogènes, on peut distinguer les émulsions qui sont le résultat d'une agitation violente d'un liquide dans un autre non-miscible formant un amas plus ou moins stable de gouttelettes microscopiques (exemples : le lait, le latex, vinaigrette du commerce). Les suspensions sont également des mélanges hétérogènes qui laissent apparaître après mélange une phase dispersée contenant de petites particules (en suspension) : c'est le cas de l'eau et de la farine ou de la fumée dans l'air.

L'eau comme solvant

L'eau a la propriété de dissoudre de nombreux composés organiques ou minéraux. Les corps qui " disparaissent " dans l'eau sont dits solubles. Le mélange après dissolution s'appelle une solution aqueuse. Malheureusement cette propriété d'excellent solvant peut s'avérer très négative pour l'environnement, puisque l'eau peut devenir un vecteur principal de pollution (pollution de l'eau par les nitrates venant des engrais ou des lisiers répandus sur les sols, par les phosphates contenus dans les lessives ou encore par les pesticides).

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Protocoles expérimentaux élaborés par les participants de l'atelier

Groupe 1

Testé par M.J. Antoine, J. Lemercier, F. Durcieu, P. Hachi

Objectif Classer les différents liquides en fonction de leur pouvoir dissolvant.
Matériel

- 20 gobelets en plastique transparent,
- eau - alcool - huile - vinaigre,
- sucre - sel - café soluble - farine - craie,
- cuillères pour les mélanges.

Protocole

- Construire 1 tableau à double entrée pour n'oublier aucune possibilité de mélange,
- Préparer les récipients (étiquette ou marquage),
- Procéder aux différents mélanges indiqués sur les récipients en respectant les mêmes volumes (1/3) de liquide et de substances à dissoudre (2 cuillères). Après 15 mn, noter les observations.
- Elaborer un classement.

Groupe 2

Objectif

Comparer le pouvoir dissolvant de l'eau à celui de l'alcool et de l'huile avec les substances :
- minérales : sel
- organiques : farine, craie.

Produits utilisés

- eau - sel
- alcool - sucre
- huile- café soluble
- farine
- craie

Matériel

- 3 petits bacs plastiques,
- 7 flacons bouchés,
- 1 balance,
- 1 éprouvette pour doser

Protocole

- Préparer dans 5 flacons 20 ml d'eau,
5 flacons d'alcool,
5 flacons d'huile,
5 flacons de vinaigre.

- Verser 1 cuillère plastique rasante de sucre respectivement dans 1 flacon d'eau, 1 flacon d'alcool, 1 flacon d'huile. Mélanger.
- Répéter la même opération avec sel, café, farine, craie écrasée.
- Secouer les flacons bouchés. Laisser reposer 5 minutes.
- Etablir le constat pour chaque flacon :
- Se mélange ou ne se mélange pas.
- Effectuer un tableau de classement.

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Actes de l'université d'été - Enseigner les sciences à l'école primaire

Mis à jour le 12 mai 2011
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