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

Matière : la dissolution du sel dans l'eau

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 de mer contient, à nos latitudes, environ 35 g de sel par litre. On peut cependant dissoudre beaucoup plus de sel dans de l'eau à température ambiante. Par ailleurs, la solubilité du sel (quantité de sel dissout dans un litre d'eau) dépend de la température. Nous vous proposons d'observer ces propriétés.

  1. Vérifiez que, lorsqu'on dissout du sel dans de l'eau, la masse du mélange est bien égale à la somme des masses des constituants.
  2. Déterminez la plus grande quantité de sel qu'il est possible de dissoudre dans de l'eau à température ambiante et comparer vos résultats aux données du problème.
  3. Proposer une expérience qui montre que la solubilité du sel dans l'eau dépend de la température.

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Mise en situation et mise en oeuvre

La première question concerne la vérification de la conservation de la masse lors de la dissolution du sel dans l'eau. Cette question ne posant pas de problème particulier, les participants, avant de passer rapidement à la phase expérimentale, élaborent succinctement une stratégie. Principalement, les difficultés rencontrées sont liées à l'utilisation de la balance électronique qui ne fonctionne pas sur le principe de la balance Roberval. Comment dans ce cas équilibrer la balance ? Comment la tarer ? Les réponses aux problèmes techniques (mise en marche, lecture simple...) sont apportées par les animateurs. Le deuxième type de problème concerne la nécessité de tenir compte (ou non) des masses des récipients contenant l'eau et le sel. Ce dernier point s'avère central dans l'établissement du protocole. Comme précédemment, les protocoles présentent une trame commune en accord avec le cahier des charges (objectif, matériel, chronologie des étapes), le détail de la chronologie est rédigé, aucun schéma n'est utilisé. Concernant les améliorations possibles, le protocole 1 est testé par un groupe qui en approuve la rédaction dans son ensemble mais souligne l'intérêt de préciser les quantités d'eau et de sel à utiliser. D'autres groupes justifient leurs choix concernant ces quantités par la nécessité de recourir à des valeurs significatives de sel sans toutefois dépasser la saturation. Un groupe reste imprécis.

La deuxième question étant davantage liée à un problème de méthode, les participants commencent par élaborer un protocole. Du point de vue de la faisabilité de l'expérience, le facteur lié à la quantité initiale de sel à dissoudre apparaît déterminant. Les protocoles sont significatifs de cette question ; en effet, en partant d'une " solution non salée " (100 ml) à laquelle on ajoute le sel par variation de 5g, il est peu probable que les participants aient le temps de mener à bien leur expérience. Pour les groupes qui en font la demande, les animateurs fournissent un ordre de grandeur de la valeur à rechercher. L'encadrement de la valeur recherchée est alors possible.

Le protocole du groupe 1 est testé. Deux éléments sont soulignés :

  • Si le choix de schémas non commentés (seul ce groupe choisit ce mode de représentation) est jugé correct, les participants souhaitent toutefois apporter un complément de texte à ces schémas.
  • L'ajout de sel proposé est plus important ; cette remarque renvoie aux nombreux essais à réaliser avant d'obtenir l'encadrement recherché lorsque l'ajout s'effectue gramme à gramme.

Par manque de temps la dernière question est peu traitée. Relative à l'influence de la température sur la dissolution du sel, les groupes commencent par établir un protocole assez précis avant d'aborder le travail expérimental (seuls deux groupes auront le temps de manipuler). Les stratégies adoptées sont analogues. En partant de la valeur correspondant à la saturation du sel (cette valeur est fournie dans le protocole du groupe 1), il s'agit soit de chauffer la solution soit de la refroidir. Un protocole témoigne de l'absence de démarche expérimentale en indiquant la nécessité de " chauffer un gobelet à 50°C " et de " ... descendre la température... à 5°C ", ce qui est irréalisable avec le matériel proposé. En revanche, la prise en compte du matériel rendu nécessaire lors de la phase expérimentale permet d'apporter des précisions au protocole (l'eau est simplement chauffée à l'aide de la bouilloire et refroidie avec de la glace ; les valeurs des températures n'ont pas à être prises en compte). Le protocole 1 est jugé correct par les groupes qui le testent.

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Notre proposition de protocole d'expérience : quelle quantité de sel peut-on dissoudre ?

Vérification expérimentale de la conservation des masses

Prendre une quantité de sel de quelques dizaines de grammes et mesurer sa masse (la balance électronique est précise à 1 g). Remplir d'eau un gobelet et mesurer la masse de l'ensemble. Verser ensuite la quantité de sel précédemment mesurée dans le gobelet rempli d'eau et mesurer à nouveau la masse de l'ensemble. On peut alors vérifier si la masse du mélange est bien égale à la somme des masses des constituants.

Détermination expérimentale de la limite de solubilité à température ambiante

Pour une quantité d'eau de 200 ml (mesurée avec une éprouvette graduée) contenu dans un gobelet, on ajoute progressivement du sel par quantité de 10 g jusqu'à environ 60 g (attention saturation vers 70 g). On diminue alors les quantités de sel ajouté (par 2 g) jusqu'à ce que le sel ne se dissolve plus (saturation). On en déduit ainsi la limite de solubilité du sel à température ambiante.

Influence de la température sur la solubilité

Dans un gobelet qui contient 200 ml d'eau à température ambiante (eau froide), ajouter environ 70 g de sel pour arriver légèrement au-dessus de la saturation (quelques cristaux de sel ne peuvent plus être dissous). Ajouter la même masse de sel dans un gobelet qui contient 200 ml d'eau chaude (à 50°C environ) : tout le sel s'est alors dissout et on peut conclure.

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Compléments scientifiques

Le sel

Le sel que nous utilisons dans la vie quotidienne (sel de cuisine) est un solide cristallin de formule chimique NaCl appelé chlorure de sodium.

Na est le symbole chimique du sodium. Cl est le symbole chimique du chlore.

Du sel dans de l'eau

Lorsqu'on met du sel dans l'eau, on dit que le sel est le soluté et que l'eau est le solvant. Les forces qui assurent la cohésion du cristal de sel sont beaucoup plus faibles dans l'eau que dans l'air. Dans ces conditions, les chocs des molécules d'eau contre le cristal peuvent arracher beaucoup plus facilement les éléments sodium et chlore (appelés respectivement ions Na+ et ions Cl-). Lorsque ces ions se détachent du cristal, ils sont immédiatement entourés de molécules d'eau, ce qui les empêchent de se rapprocher et de reformer le cristal. Ce phénomène porte le nom général de solvatation (dans le cas particulier où le solvant est de l'eau, on parle d'hydratation).

Dans le cas du chlorure de sodium, la dissolution dans l'eau est endothermique : la dissolution du NaCl nécessite un transfert d'énergie thermique (chaleur) de la solution vers le cristal de sel. On observe donc une chute de la température de la solution de un ou deux degrés.

La solubilité

Très souvent, la concentration d'un soluté en solution a une limite. Par exemple, à 25°C, on peut dissoudre au maximum 365g de NaCl par litre d'eau. La solution est alors dite saturée.

La solubilité dans un solvant donné varie selon les solutés et dépend des conditions de température et de pression. Le chlorure de sodium est par exemple plus soluble dans l'eau chaude que dans l'eau froide.

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Protocoles expérimentaux élaborés par les participants

Protocole 1 : Proposition de protocole (expérience non réalisée)

Objectif

Vérifier la conservation de la masse

Matériel

  • 2 récipients,
  • 1 balance électronique,
  • 1 agitateur,
  • sel fin.
Les étapes
  1. Mettre de l'eau dans le 1er récipient,
  2. Poser ce récipient au centre du plateau de la balance allumée,
  3. Relever la masse indiquée M1,
  4. Oter le récipient et le remplacer par le 2ème récipient contenant un peu de sel fin,
  5. Relever la masse M2,
  6. Vider le sel dans l'eau,
  7. Mélanger jusqu'à dissolution complète,
  8. Empiler les 2 récipients et les placer au centre de la balance,
  9. Relever la masse M3,
  10. Comparer la somme M1 + M2 avec

Protocole qui fonctionne. Il faudrait la masse d'eau et la masse de sel pour que la dissolution puisse se faire sans problème.

Protocole 1 (suite)

Objectif

Déterminer la plus grande quantité de sel qu'il est possible de dissoudre dans l'eau à température ambiante

Matériel
  • 10 gobelets remplis chacun de 200 ml d'eau,
  • 1 kg de sel fin,
  • 1 balance électronique,
  • 1 récipient propre et sec pour peser le sel,
  • 1 agitateur.
Les étapes

Agiter et comparer visuellement et calculer la quantité de sel par litre.
Procéder à partir de 60 g de sel en rajoutant 3 g de sel à chaque fois : 555861646770
avec 6 flacons de 200 ml : 123456

Proposition de protocole (expérience non réalisée)

Objectif

Proposer une expérience qui montre que la solubilité du sel dans l'eau dépend de la température

Matériel
  • des gobelets,
  • 3 x 70 g de sel,
  • eau à température ambiante,
  • éprouvette graduée,
  • glace,
  • bouilloire
Etapes
  1. Dans 1 gobelet, mettre eau + glaçons. Attendre,
  2. Mettre de l'eau à chauffer dans la bouilloire,
  3. Mettre 200 ml d'eau à température ambiante dans 1 gobelet,
  4. Ajouter 65 g de sel fin. Agiter,
  5. Mettre 200 ml d'eau chaude et ajouter 65 g de sel. Agiter. Regarder. Noter vos observations.
  6. Mettre 200 ml d'eau refroidie + 65 g de sel. Agiter. Observer. Noter.

Conclure

Groupe 1

Objectif

Montrer que lorsqu'on dissout du sel dans de l'eau, la masse du mélange est égale à la masse d'eau + la masse de sel.

Matériel
  • 1 gobelet,
  • 1 cuillère,
  • 1 éprouvette graduée,
  • 1 balance,
  • 20 g de sel,
  • 100 g d'eau.
Etapes
  1. Peser le gobelet,
  2. Verser 50 g de sel en tenant compte de la masse du gobelet,
  3. Ajouter l'eau (100 ml),
  4. Vérifier la masse de l'ensemble des 2 constituants après dissolution.

Groupe 2

Objectif

Déterminer la quantité maximale de sel que l'on peut dissoudre dans l'eau (à 5 % près).

Matériel
  • gobelet,
  • balance,
  • sel,
  • eau.
Etapes
  1. Verser 100 ml d'eau dans un gobelet (faire la tare),
  2. Ajouter 5 g de sel par 5 g. Vérifier que le sel se dissout.

Même expérience avec de l'eau chaude, 37°C, 60°C, 100°C (utiliser des verres plutôt que des gobelets).
Observer, comparer avec le travail précédent.

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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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