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Bulletin 9


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Liste de diffusion

Document "La main à la pâte"  
Isabelle Catala & David Jasmin map@inrp.fr
INRP 29 rue d'Ulm, 75005 Paris Paris
Publication : mars 1999 Mise en ligne : avril 1999

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La map info, numéro 9 rédacteurs : Isabelle CATALA / David JASMIN INRP
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19 mars 1999

Dans ce numéro :
1. La liste de diffusion a un an !
2. Synthèse sur l'expérience de la combustion
3. Le réseau des correspondants "la main à la pâte"

1. La liste de diffusion a un an !

La liste de diffusion reseau-lamap fête son premier anniversaire au mois de mars. Le temps est donc venu de faire le bilan de cette première année de fonctionnement.
Depuis l'ouverture de la liste, le nombre d'abonnés ne cesse d'augmenter. Au 16 mars 99, celle-ci compte 471 abonnés. Pour savoir à quoi pouvait correspondre ce nombre d'abonnés nous avons fait une comparaison avec deux autres listes concernant l'enseignement à l'école primaire. La liste reseau-lamap compte plus d'abonnés que la liste de diffusion 'Freinet' ou
autant que 'listecolfr'.  Malgré le nombre d'abonnés croissant, le nombre de messages échangés sur cette liste restent inférieurs à ceux des deux listes précédemment citées.
La liste reseau-lamap ne concerne que les sciences, ce qui pourrait expliquer des échanges moins importants.
Les messages échangés sur cette liste ont varié de 15 au mois de mars 1998 à 121 durant le mois de janvier 1999, 66 au mois de févier 1999 et pour le mois de mars, nous enregistrons au 16 mars 1999, 28 messages échangés.  Pour tous ceux qui voudraient avoir plus de détails sur le bilan de notre liste, n'hésitez pas à consulter le bilan mis en ligne sur le site "la main à la pâte"

2. Synthèse sur l'expérience de la combustion

Au cours du mois de janvier, nombre d'entre nous ont tenté de trouver une explication à l'expérience de M.C Vallet (
http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00072.html ).
Celle-ci consistait à faire brûler " une bougie dans une assiette contenant de l'eau et sur laquelle on retourne un bocal pour que l'eau monte à l'intérieur du bocal ". M.C Vallet a alors constaté que lorsqu'une seule bougie était allumée, l'eau ne montait presque pas, alors qu'avec 4 bougies le niveau s'élevait presque 10 fois plus. Dans le texte qui suit, nous effectuons une synthèse des réponses qui on été apportées :

Rappelons le principe, pour que l'eau pénètre dans le bocal, il faut que la pression de l'air à l'intérieur du bocal soit inférieure à la pression extérieure (la pression atmosphérique). A priori, une telle dépression est possible si la combustion réduit la quantité de gaz contenus dans le bocal.
Dans son message http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00080.html, J.M Bérard nous "éclaire" sur les différents mécanismes mis en jeu : "l'eau monte car la bougie "consomme" l'oxygène et que du coup il ne reste que l'azote qui a un volume moindre que l'air de départ; en fait la bougie brûle et consomme l'oxygène, mais sa combustion produit du dioxyde de carbone, du carbone et peut être du monoxyde de carbone ; certes une partie du dioxyde de carbone se dissout dans l'eau, mais pas en totalité ; de plus la ou les bougies chauffent le gaz, qui se dilate. Au total il y a beaucoup de paramètres, et l'on peut, en faisant varier la taille du bocal, le nombre de bougies, etc.. obtenir des observations surprenantes"

Vos contributions ont permis d'identifier certains de ces paramètres:

- La reproductibilité de l'expérience :
Claudine Larcher glisse dans un premier message ( http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00076.html )
qu'avant de tenter une explication, il faut établir un fait reproductible".
Elle montrera dans le message suivant ( http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00097.html   ), que les résultats obtenus avec un protocole expérimental rigoureux sont en effet différents de ceux présentés par MC Vallet. Avec une bougie allumée, l'eau monte de 2 cm, avec 2 bougies allumées, elle monte de 3,1 cm et avec 4 bougies allumées de 5 cm
Il n'en reste pas moins que le mystère reste entier " si avec une bougie on a consommé tout l'oxygène disponible et fabriqué le maximum de gaz carbonique (puis qu'elle s'éteint) , pourquoi peut on obtenir un dénivellation plus grande avec les 4 bougies ?

- " Un effet d'optique " :
Edith Saltiel ( http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00074.html   ) a souligné dès le début des échanges qu'une bougie occupant moins de volume que quatre, " il reste moins de place horizontalement pour l'eau et il est possible que la différence de hauteur soit due en partie à cela ". Pour vérifier cette hypothèse, certains ont choisi de réaliser l'expérience avec
quatre bougies en allumant suivant les cas, une seule ou la totalité des bougies. Malgré cette précaution, le constat reste le même : l'eau monte beaucoup plus avec quatre bougies allumées. Le volume occupé par les bougies n'est donc pas seul en cause.

- Dilatation de l'air
B. Gillot ( http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00073.html   ) avance un autre argument : l'air se dilate sous l'effet de la chaleur émise lors de la combustion. La faible hauteur de l'eau n'offrant pas une résistance suffisante à la sortie de l'air, celui ci a tendance à s'échapper par dessous les bords du bocal. Il y aurait donc au final moins de gaz qu'il y en avait au départ. Il est difficile d'évaluer la quantité d'air expulsé en fonction du nombre de bougies.
L'expérience réalisée par Claudine Larcher (http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00097.html )
montre cependant que la combustion des quatre bougies dure 1 s alors que dans des conditions expérimentales identiques, celle d'une seule bougie est plus longue et que de ce fait le récipient est plus chaud. L'élévation de température due à la combustion semble donc plus importante dans ce dernier cas, il devrait donc y avoir plus de gaz expulsé pour une bougie que pour quatre allumées, ce qui ne va pas dans le sens du résultat observé.

- La température de l'air enfermé :
L'article du BUP (N°710 du bulletin de l'Union des Physiciens p 69-82 ) cité par Edith Saltiel ( http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00081.html   ) , met en avant un deuxième facteur dont il nous faut tenir compte : la température de l'air qu'on enferme dans le récipient. En effet, avant d'être recouvert, cet air est déjà échauffé par les bougies. Après la combustion, la température décroît, l'air occupe alors un plus petit volume. Il est donc raisonnable d'affirmer que quatre bougies allumées chauffant plus qu'une seule, la température de l'air emprisonné est plus élevée dans le premier cas que dans le deuxième, ce qui expliquerait donc en partie le résultat de notre expérience.

- La produit de la réaction
Loic Poullain rappelle dans son message ( http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00106.html )
l'équation de la combustion de la stéarine principal constituant des bougies.

C25H52 + 38O2 ---> 25CO2 + 26H2O

On peut considérer dans une première approximation que la totalité de l'oxygène (environ 20% de l'air) est transformée. Qu'advient-il du produit de cette réaction?

- La dissolution du gaz carbonique :
A température ambiante, le gaz carbonique est soluble dans l'eau. Une partie de ce gaz va donc se combiner avec l'eau et entraîner une diminution de la quantité de gaz. Loic Poullain évalue cette diminution à 13% du volume total (pour un volume initial d'un litre)

- La condensation de l'eau
La vapeur d'eau produite par la combustion va également se condenser et se confondre avec l'eau de l'assiette. Là encore, selon les calculs de Loic Poullain, on observe une perte de la quantité de gaz, 13 %.

Cette diminution est-elle plus importante pour 4 bougies que pour une seule ?

Théoriquement non, car on peut considérer que dans le deux cas, la totalité de l'oxygène a réagi.
Dans la pratique oui, l'expérience de Claudine Larcher semblant en effet montrer que la durée de la combustion varie en fonction de la position des bougies dans le bocal. La distribution et la combustion de l'oxygène ne seraient donc pas homogènes. Il est donc difficile de conclure quoique se soit à ce sujet.

Nous voilà donc bien avancé, aucune des pistes n'est vraiment concluante.
Pour aller un peu plus loin, il est intéressant de se pencher plus attentivement sur l'article du BUP écrit par Norberto Ferreira. Ce dernier rapporte sous la forme d'une entrevue imaginaire, les conclusions de Lavoisier sur notre sujet d'étude. Ses travaux l'ont en effet conduit à étudier la combustion de la bougie et il est passé deux siècles avant nous par des questionnements similaires.
Voici les réponses qu'il a en son temps apporté à notre problème :

1 ) L'air se dilate pendant le temps même qu'on y introduit des lumières, il continue de se dilater pendant le temps de la combustion, et il s'échappe en conséquence une quantité notable d'air par dessous les bords de la cloche ; il est donc impossible de connaître exactement la quantité d'air sur laquelle on a opéré, et de savoir par conséquent, si il y a eu
diminution de volume et combien.

2) La combustion des chandelles a la propriété de changer en acide crayeux aériforme ( gaz carbonique ) une portion de l'air atmosphérique, ou plus exactement une portion de l'air pur (Oxygène) contenu dans l'air de l'atmosphère : or l'acide crayeux aériforme a la propriété de se combiner avec l'eau ; en supposant donc dans cette expérience une diminution de volume occasionnée par la combustion, il est impossible de la distinguer de celle qui e eu lieu en raison de la combinaison de l'acide crayeux aériforme (gaz carbonique) avec l'eau "

Dans cet entretien, Norberto Ferreira propose à Lavoisier de mettre en place le montage expérimental suivant :
" 1 ) un gros flacon (bouteille en plastique transparent -d'eau minérale par exemple ) : on fait plusieurs trous au fond avec une épingle
2 ) un bouchon en caoutchouc sur lequel est attaché une bougie
3 )Un bout de paille d'acier dur qui peut-être relié à une source de tension, et qui, dès que l'on ferme le circuit, va dégager une quantité de chaleur suffisante pour allumer la bougie
4) un morceau de l'extrémité combustible d'une allumette en contact avec la mèche de la bougie "
Avec ce matériel, il devient possible " d'allumer la bougie en isolant dans le flacon, une quantité d'air bien déterminée. Ainsi, on n'aura pas le problème de dégagement de gaz. Par ailleurs, si on veut isoler le gaz carbonique de l'eau, on peut verser, sur l'eau à l'intérieur du flacon, une certaine quantité d'huile. "
Grâce à cet appareillage, on réduit considérablement le nombre de paramètres mis en jeu et on peut alors concentrer notre étude aux seuls mécanismes relevant de la combustion.

On observe alors :
"1) La baisse du niveau du liquide à cause du dégagement de la chaleur
2) Le niveau revient presque au même endroit qu'auparavant : une partie de l'oxygène a disparu mais le dioxyde da carbone a été formé "

L'article du BUP fait également référence à une expérience similaire de Lavoisier. Ce dernier avait inventé un système qui permettait d'allumer la bougie sans retirer la cloche et avait remplacé l'eau par du mercure pour éviter que le gaz carbonique ne se dissolve.
Il arrive alors à une conclusion identique : " la combustion des chandelles ou bougies ne diminue pas sensiblement le
volume de l'air dans lequel on les brûle "

Compte tenu de ces résultats, il semblerait qu'en négligeant les effets de la condensation de l'eau et en reprenant les conditions expérimentales décrites par Norberto Ferreira, le niveau de l'eau (couverte d'une pellicule d'huile) ne devrait pas plus varié avec une qu'avec plusieurs bougies allumées. Nous n'avons pas réalisé une telle expérience mais je pense qu'elle conclurait agréablement le débat que nous avions commencé sur la liste. Avis aux amateurs.

Le point de vue des didacticiens :
Auparavant, l'expérience de la bougie était présentée en classe de sixième pour illustrer les réactions chimiques. Dans son article, Norberto Ferreira s'interroge sur la pertinence de cette expérience qui " comporte de nombreuses barrières difficiles à franchir pour les enfants de cet âge "
C'est également l'avis de Jean-Michel Rolando ( http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00114.html ) qui
"croît prématuré d'engager les élèves dans des expériences de combustion tant qu'ils ne disposent pas d'un modèle de la réaction chimique leur permettant de comprendre par une loi de conservation plus profonde (celle des atomes) les non-conservations apparentes (volume et nature de la substance)". Il souligne cependant qu'en biologie une telle expérience a la
mérite de permettre l'étude de la respiration en montrant que l'air inspiré n'a pas la même composition que l'air expiré.
Claudette Balpe ( http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00116.html ) rejoint son point de vue et ajoute " plus prosaïquement, que si une telle réaction (celle des bougies) pose tant de difficultés aux adultes, comment en tirer réellement profit dans une classe ? ".
En fait, tout dépend des objectifs surlesquels on veut faire travailler les élèves avec cette manipulation.
- si on veut les faire travailler sur l'établissement d'un fait, on peut leur faire reproduire l'expérience, comparer leurs résultats, cerner les différences entre les façons de faire et arriver au fait : l'eau monte dans le flacon puis s'arrête de monter et cette hauteur est approximativement la même si on procède de la même façon.
-si on veut interpréter la montée d'eau, cela devient un autre problème pour lesquels les élèves n'ont pas les moyens de construire une réponse.
-si on veut se servir de cette manip de combustion comme modèle de la respiration, on mettra en correspondance l'air avant/après la combustion avec l'air inspiré/expiré ; mais ce ne sont pas les élèves qui pourront faire seuls ce parallèle, c'est un modèle proposé et qui sera plus ou moins accepté par les élèves.

Bibliographie :

Olivier Kempf ( http://listes.cru.fr/arc/reseau-lamap@inrp.fr/1999-01/msg00082.html ) a établi une petite bibliographie rapide du BUP (1907-1997) sur les mots combustion et bougie.
3-4 articles semblent être concordant.

Gaz carbonique - Combustion, 1977, mai, n° 594, pp. 1075.
Oxydation des hydrocarbures : Dégradation - combustion - sécurité, G. AVOND, 1988, janvier, n° 700, pp. 51.
Les phénomènes de combustion dans les fusées à propergol chimique (Stage d'information de Dijon), M. BARRERE, 1966, juin-juillet, n° 490, pp. 591.
Sur la chaleur de combustion des composés organiques, M. BERNARD, 1987, novembre, n° 698, pp. 1187.
Deux expériences simples : Combustion de la bougie, J. GAMBINI, 1980, avril, n° 623, pp. 926.
Un taille-crayon est-il en magnésium ?, J. JOURDAIN, 1991, janvier, n° 730, pp. 92-92.
Chimie à l¹École élémentaire : À propos des combustions, J.-P. MARTIN, P. DAUSSE, 1990, juillet-août-septembre, n° 726, pp. 933.
Expériences d'oxydoréduction - quelques montages ou renseignements qui nous facilitent la tâche, G. NOCQ, M. CALVEZ, 1991, avril, n° 733, pp. 609-614.
À propos de la combustion du mélange acétylène-oxygène, I. REGNAULT, 1969, avril, n° 514, pp. 867.
Combustions, flammes et sécurité, J. ROBIN, 1980, juin, n° 625, pp. 1243.
Caractéristiques de combustion d'un combustible, J.-P. SAWERYSYN, 1991,
mars, n° 732, pp. 483-488.
Les pouvoirs calorifiques, J.-P. SAWERYSYN, 1993, mars, n° 752, pp. 401-411.
Aspects cinétique et thermodynamique de la combustion normale dans les moteurs à allumage commandé, D. SCACHE, S. ANTONIK, 1987, décembre, n° 699, pp. 1311.
L'influence de P.-J. Macquer sur les chimistes français de son temps, C. VIEL, 1992, juillet-août-septembre, n° 746, pp. 1111-1132.
Quatre expériences de chimie, J.-P. ISLER, 1996, avril, n° 783, pp. 755.
Description : chimie ; manipulation .
Internet : morceaux choisis, P. VAILLAUD, 1997, avril, n° 793, pp. 820-825.
Combustions vives (expériences), M. CANTAGREL, 1953, mars-avril, n° 409, pp. 309.
À propos de l'enseignement des combustions en classe de Sixième. Aperçus d'une recherche, M. MEHEUT, E. SALTIEL, 1984, juillet-août-septembre, n° 666, pp. 1303.
Application à l'étude de la combustion, H. TRICHÉ, 1952, mai-juin, n° 404, pp. 327.


3. Le réseau des correspondants "La main à la pâte"

La main à la pâte concerne actuellement environ 4000 classes réparties dans 49 départements. De manière à informer l'ensemble des acteurs de l'opération des différentes actions menées sur le terrain, nous avons structuré un réseau de correspondants locaux. Ces derniers ont pour mission de tenir à jour sur le site national une page décrivant la mise en place du
dispositif dans leur département ainsi qu'un agenda local répertoriant chaque mois les activités et les manifestations départementales relatives à l'enseignement scientifique à l'école primaire ( http://www.inrp.fr/lamap/reseau/reseau.htm   ). Les correspondants ont été identifiés et formés lors d'un plan national de formation ayant eu lieu à Nantes entre le 16 et le 20 novembre 1998. Dans l'avenir nous espérons pouvoir renouveler de tels stages pour pouvoir élargir ce réseau à d'autres
départements.

 

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