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

Matière : la purification de 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.

Lorsqu'elle est limitée, la pollution de l'eau est neutralisée par le processus naturel d'auto-épuration (filtration dans les sols, évaporation sous l'action du soleil, réactions chimiques d'oxydation au contact de l'air, action du rayonnement ultraviolet...)

À une autre échelle, les effluents polluants d'une ville doivent être éliminés artificiellement. Quelques procédés employés :

  • la décantation
  • la filtration mécanique
  • la précipitation des composés chimiques par floculation
  • le traitement par bactéries en milieu aérobie ou anaérobie, ou par lagunage (élimination de nutriments. dematières fermentées, de métaux lourds...)
  • ozonisation ou traitement au chlore (désinfection)
  • traitement des odeurs.

On s'intéresse au cas particulier de l'évaporation :
Faites du thé et concevez un dispositif simple permettant d'en extraire l'eau par évaporation. Proposez des évolutions visant à améliorer l'efficacité de production d'eau propre par ce dispositif.

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Mise en situation et mise en œuvre

Hormis une confusion entre les phénomènes d'évaporation et d'ébullition, la situation proposée n'entraîne pas de problème scientifique particulier. Au sein des groupes, chacun est conscient que seule l'eau entrant dans la composition du thé s'évapore (même si une vérification expérimentale semble parfois s'imposer). Dans cet atelier, le rôle du matériel est particulièrement important (petit aquarium, pot en plastique de la taille d'une tasse, sachet de thé, bouilloire et film en plastique).

Deux types d'attitudes semblent se démarquer :

  • Les stagiaires ne se réfèrent pas à un arrière plan théorique ; ils sont dans une véritable situation de découverte et, dans ce cas, la prise en compte du matériel apporte des éléments de réponse. La solution s'élabore en répondant à la question " A quoi peut bien servir tel ou tel objet ? " La progression est tâtonnante : les participants testent différentes hypothèses émises pendant la manipulation (intérêt d'incliner l'aquarium ou de ne pas tendre le film en plastique pour mieux recueillir l'eau...).
  • Les stagiaires s'appuient sur le modèle théorique classique de la distillation qui nécessite la verrerie usuellement utilisée en chimie (ballon, tube réfrigérant...). Dans ce cas, le matériel proposé constitue un obstacle à la mise en œuvre expérimentale et la stratégie choisie est centrée sur la traduction du modèle connu (celui de la distillation) en un modèle prenant en compte le matériel disponible. Cette traduction s'avère délicate à réaliser mais elle présente l'avantage de souligner des améliorations possibles : intérêt de chauffer le thé en permanence, nécessité de refroidir la vapeur d'eau afin de favoriser la condensation. Ce dernier point n'est pas systématiquement pris en compte dans les autres approches, étant donné que les glaçons ne font pas partie du matériel initialement proposé.

Majoritairement les protocoles sont rédigés après qu'une situation expérimentale jugée correcte ait été réalisée. Ces protocoles (exemple) se présentent sous des formes analogues :

  • Objectif clairement annoncé
  • Liste du matériel nécessaire
  • Chronologie des étapes
  • Schéma explicitant l'expérience à réaliser.

Les améliorations proposées sont les suivantes :

  • Nécessité de chauffer le thé en permanence
  • Augmenter la surface d'évaporation du thé. Cette proposition est intéressante dans la mesure où elle souligne la nécessité d'aller contre une conception ancrée dans le vécu de chacun et qui " impose " de faire du thé dans le petit bocal ayant une dimension analogue à celle d'une tasse ! Un groupe apporte une solution en proposant de faire le thé directement dans l'aquarium. Cette méthode est ensuite retenue par les groupes qui testent les protocoles rédigés
  • Favoriser la condensation en refroidissant.

Pour cet atelier, l'approche commune à tous les groupes se résume selon les trois étapes suivantes :

  • Émissions d'hypothèses : " Pour faire évaporer l'eau du thé, il faut... "
  • Recherche expérimentale tâtonnante : " il faut davantage de thé, incliner le plan permet de recueillir l'eau, etc. "
  • Rédaction d'un protocole qui est parfois significatif des tâtonnements expérimentaux et qui est amélioré de proche en proche.

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Notre proposition de protocole : comment nettoyer l'eau ?

Extraction de l'eau du thé :

Réaliser le dispositif décrit ci-contre.

L'eau du thé s'évapore et se condense au contact d'un milieu froid (glaçons). On récupère l'eau condensée dans un bocal.

Afin d'obtenir un bon rendement, voici quelques conditions nécessaires à respecter :

  • Utiliser l'eau la plus chaude possible
  • Changer régulièrement la glace et s'assurer que le film plastique présente bien une pente au centre
  • Utiliser un bocal le plus lourd possible de façon à ce qu'il reste stable dans le bain de thé (il faut éviter qu'il flotte)
  • Maintenir avec un élastique le film plastique afin d'assurer l'étanchéité de l'ensemble.

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Compléments scientifiques

La formation des nuages

Un nuage est un ensemble visible de minuscules particules d'eau liquide ou de glace, ou des deux à la fois, en suspension dans l'atmosphère. Cet ensemble peut également comporter des particules liquides non aqueuses ou particules solides (vapeurs industrielles, fumées, poussières, sable...). Les nuages proviennent de la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air. Cette condensation se fait à partir de germes de condensation (micro gouttelettes d'eau invisibles). Elle est toujours la conséquence d'un refroidissement de l'air.

L'épuration de l'eau

On distingue deux types de stations d'épuration. Celles traitant les effluents pollués et celles traitant les eaux d'alimentation. Les stations de traitement des eaux usées peuvent être schématisées de la façon suivante :

Quelques définitions

Décantation: Séparationde matières liquides ou solides, en suspension dans un mélange, sous l'effet de la gravité. Exemple : les sédiments se déposent au fond de la mer par décantation.

Filtration mécanique: Actionde passer un liquide ou un gaz à travers un filtre. Exemple : la filtration de l'eau permet d'éliminer certaines impuretés.

Floculation: Rassemblement sous forme de particules de grosse taille, des particules très fines en suspension dans une solution. Ce phénomène est initié par l'ajout d'un agent floculant dans la solution. Exemple : la floculation est utilisée dans les stations d'épuration.

Ozonisation: traitementd'épuration des eaux par diffusion du gaz ozone qui permet l'élimination de certains micro polluants (bactéries par exemple).

Protocole expérimental élaboré par les participants

Objectif

extraire l'eau du thé par évaporation

Produits
  • de l'eau,
  • un sachet de thé,
  • des glaçons

Matériel

  • un aquarium,
  • un récipient pour mettre le thé,
  • du film étirable,
  • une bouilloire

Actions

  1. faire du thé,
  2. mettre le récipient de thé bouillant dans l'aquarium,
  3. fermer l'aquarium avec le film étirable,
  4. mettre les glaçons sur le film de la manière suivante :
  5. attendre la condensation de la vapeur d'eau sous le film.

Analyse des facteurs limitants

  • volume d'air de l'aquarium trop grand par rapport à la quantité de vapeur d'eau s'échappant du pot de thé,
  • le thé refroidit petit à petit et la quantité de vapeur d'eau diminue,
  • l'eau pure qui condense sera difficile à récupérer (goutelettes sous le film ou au fond de l'aquarium).

Propositions d'amélioration :

  1. avec un autre matériel
  2. avec le même matériel

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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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