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La matiére

Document "La main à la pâte"  
David Jasmin map@inrp.fr  
INRP 29 rue d'Ulm, 75005 Paris Paris
Publication : avril 1998 Mise en ligne : avril 1998
Avertissement documentation scientifique

Sommaire:

25/05/98 le sel cristallisé
01/10/98 les cristaux de sel
04/11/98 Densité et résistance de l'eau

23/11/98 La couleur du mercure
17/12/98 Les mélanges réfrigérants
20/12/98 Pourquoi la mer ne gèle-t-elle pas?
13/01/98 Pourquoi y-a-t-il du sel dans la mer
14/01/99 Pourquoi l'œuf durcit-il lorsqu'on le chauffe ?
20/01/99 Le sel qui "envahit" les bords du récipient
20/01/1999 Cristaux de sucre et cristaux de sel
26/01/1999 Le thermomètre à aiguille
04/02/1999 La vapeur d'eau disparaît
23/02/1999 Glaçons d'huile, de sirop et d'eau salée.

13/03/1999 L'air froid est-il plus lourd que l'air chaud ?
15/03/1999 Le thermomètre à eau et le thermomètre à alcool
29/03/1999 Les corps pâteux

01/04/1999 Usages du cobalt
01/05/1999
La raréfaction de l'oxygène en altitude
19/05/1999 Les châteaux d'eau
19/05/1999
Pourquoi l'eau prend-elle plus de place à l'état solide qu'à l'état liquide?
26/05/1999 Les odeurs de parfum sont-elles des gaz
17/09/1999 L'agitation de l'air favorise-t -elle l'évaporation ?

30/09/1999 Pourquoi certains solides peuvent passer par un état liquide et gazeux et d'autres non ?
01/10/1999 Pourquoi les bateaux flottent-ils ?
05/10/1999 Soulever un glaçon avec une ficelle
09/10/1999 Comment fabriquer de l'oxygène et gaz carbonique?
14/10/1999 Combustion d'une bougie dans un bocal
17/10/1999 Les polymères
24/10/1999 Pourquoi l'alcool dilué dans l'eau se trouble lorsqu'on le mélange avec de l'huile
08/09/1999 Maintenir des bulles d'air dans de l'eau
13/11/1999 La couleur des feux d'artifice
20/11/1999 Qu'est-ce qu'un liquide ? La sable en est-il un ?
20/11/1999 Y-a-t-il de l'eau dans tous les liquides ?
21/11/1999 La clepsydre
29/11/1999 Fabrication du savon
02/12/1999 Pourquoi la température de l'air diminue-t-elle avec l'altitude ?
07/12/199 La forme des flocons de neige
24/01/2000 Le sel est-il soluble dans l'huile ?
24/01/2000 Pourquoi les avions de ligne laissent-ils parfois une traînée blanche dans le ciel ?
27/01/2000 La tension de surface
31/01/2000 Pourquoi l'eau chaude remonte toujours à la surface de l'eau froide
02/02/2000 La masse de l'eau à l'état liquide est elle la même qu'à l'état solide?
09/02/2000
Le mélange eau-sirop se dilate-t-il plus que le mélange eau-colorant ?
16/02/2000 Quelle sera la température d'un cube de glace plongé, quelques heures, dans un liquide d'une température inférieure à -40°C
08/03/2000 La pression de l'eau du robinet
13/03/2000
Pourquoi la bougie récemment éteinte s'enflamme-t-elle de nouveau à l' approche d'une flamme ?
05/04/2000 D'où vient l'eau produite par la combustion de la bougie ?
07/04/2000 Mélange zinc et acide chlorhydrique 
11/04/2000 La feuille de papier "collée" au verre retourné
25/04/2000 La forme du ménisque
27/04/2000
Densité, couleur et solubilité du mercure
09/05/2000 Filtrer le savon de l'eau  
21/05/2000 Dissolution du thé ou du café dans l'eau
22/05/2000 Chimie et gâteaux

Le sel cristallisé
25/05/98 Question de Charles Henri Eyraud (charles-henri.eyraud@wanadoo.fr, map@inrp.fr), enseignant:

Nous avons envoyé avec une école de la Duchère, un ballon sonde (opération "un ballon pour l'école" du CNES) dans l'espace, avec une nacelle contenant notamment une petite bouteille ouverte d'eau salée. La nacelle a été récupérée et le récipient contenait tout le sel cristallisé. Nous aimerions savoir si l'eau a pu bouillir pendant l'ascension (jusqu'à 25km) sachant que la température décroît aussi.

Réponse de Jean Matricon
Il est peu probable que l'eau ait bouilli, car elle n'en a pas eu le loisir. En effet, la température extérieure, plus l'évaporation intense liée à la faible pression l'ont refroidie au point de geler, et cela bien avant d'atteindre les 25 km. C'est donc de la glace qui s'est sublimée, il y a eu une véritable lyophilisation du sel, qui était probablement très pulvérulent au retour, sauf si une redescente très lente lui a laissé le loisir de se rehumidifier dans les basses couches de l'atmosphère (le sel est très hygroscopique, cf une boîte de sel oubliée dans uns maison humide)

Réponse de Gérard Torchet

D'abord quelques valeurs numériques (arrondies) relatives à l'atmosphère standard, valeurs utilisées par l'aviation civile (et communiquées par un collègue) :

Altitude/m    p/mbar ou hPa     T/°C
0 1 013  15
5 000   540 -17,5
10 000 265 -50
15 000   121 -56,5
20 000 55,3 -56,5
40 000    2 -20
50 000 0,7 0

1- L'eau ne peut pas bouillir car la pression ne diminue pas assez vite avec l'altitude. De l'eau à 1 °C bout si elle est sous une pression d'environ 6,5 mbar. Sous nos latitudes, l'isotherme 0 °C se situe à environ 3 000 m, altitude où la pression est encore bien trop élevée pour que l'ébullition soit possible.

2- Mais de l'eau s'en va quand même par évaporation. D'une part le ballon monte à environ 36 km/h (le linge sèche plus vite quand il y a des courants d'air...) et d'autre part surtout la diminution de pression favorise de plus en plus l'évaporation.

3- Par ailleurs, pendant l'ascension, l'eau qui reste liquide refroidit, à cause de la baisse de température mais aussi du fait de l'évaporation (le linge qui sèche refroidit). Ce qui reste se solidifie.

4- La glace à basse température est en mesure de se sublimer parce que la pression est faible et continue de baisser. Pour que l'eau salée placée au congélateur et gelée se sublime, il faudrait "faire le vide" dans le compartiment (ce qui rendrait difficile l'ouverture de la porte...).

13/12/98 Question de Véronique DEROCHE-GAMONET , cycle 3, Ecole de Gironde,deroche@bordeaux.inserm.fr

A l'attention de Gérard Torchet
Bonjour,

En lisant votre réponse à M C.H. Eyraud, concernant la cristallisation du sel à l'aide d'un ballon sonde, vous donnez des valeurs de température en fonction de l'altitude.
Pourquoi la température remonte-t-elle après 40 000 m ?

17/12/98 Réponse de Gérard Torchet
    En juin dernier, en transmettant les valeurs de la température, je m'étais aussi demandé pourquoi celle-ci "remontait", car je n'ai pas de connaissances particulières en physique de l'atmosphère (sinon que c'est très compliqué !). J'ai laissé le problème en suspens... jusqu'à votre question qui m'a incité à consulter quelques livres. Donc merci, j'en sais un peu plus !

    Les livres : j'ai trouvé un joli schéma des propriétés de l'atmosphère en fonction de l'altitude dans le Petit Larousse (1987) mais sans explications. En revanche, j'ai trouvé des indications dans l'Encyclopédie des Sciences (Livre de poche / La Pochothèque, 1998), mais le schéma est moins lisible.
La réponse : la température remonte à cause de la couche d'ozone.

    Les explications ou du moins, comment je les interprète. La pression ne cesse de diminuer avec l'altitude. En moyenne, la température décroît et se stabilise vers 20 à 30 km. Puis elle croît quand on approche puis traverse la "couche" d'ozone (qui va très approximativement de 30 à 60 km). Les molécules d'ozone (formées de 3 atomes d'oxygène) "absorbent" le rayonnement ultra-violet provenant du rayonnement solaire. Ceci doit accroître la rapidité de leurs mouvements (qui est une mesure de la température). Et s'il n'y avait pas cette "couche", c'est la température du sol terrestre qui monterait et nous compliquerait singulièrement la vie, si elle est encore possible ; d'où le souci causé par les trous que l'on y a détectés... La température monte jusqu'à 20 °C vers 50 km où l'absorption est maximale. Puis la température redescend et devient inférieure à -60 °C environ (les schémas sont peu clairs) vers 90 à 100 km. Ensuite, elle
remonte beaucoup (2 700 °C à 800 km dit l'Encyclopédie). Les molécules (de divers types) sont alors très rares et elles ont le champ libre pour bouger si elles absorbent un peu de rayonnement.
Cette description vous satisfait-elle ? Bonne fin d'année !

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Les cristaux de sel
01/10/98 Question d'André Michau, enseignant de l'école Romain Rolland à Drancy, cycle 3, ecole.primaire.r.rolland@wanadoo.fr

Avec ma classe, nous avons fait une solution saline que nous avons filtré .
En laissant l'eau s'évaporer, le sel se reconstitue en formant des formes carrées et nous pouvons voir des lignes ( on aurait dit des cristaux) sur la surfaces de ces quadrilatères.
La question est : "comment expliquer ce phénomène aux enfants ?".

Réponse de Jean Matricon :

Je pense que la réponse tient à la structure bien connue des cristaux de sel en "trémie", genre "pyramide de Saqquarah", c'est-à-dire des pyramides à étages, dont la base est évidemment un carré. Les "lignes" seraient peut-être l'amorce des étages supérieurs, qui ne se sont pas développés parce que l'expérience n'a pas duré assez longtemps.

Réponse de Martin Shanahan :
Suite a la question concernant les lignes sur le sel solide (du 29/9/98): en effet ce sont des cristaux qui se forment et les lignes sont dues aux imperfections/défauts aléatoires et locales qui se propagent dans les lignes.Deux analogies pour expliquer ceci aux enfants se présentent.
(1) Le cas de l'accrochage d'un bas, collant ou vêtement en laine sur un clou, suivi du phénomène d'une maille qui file.
(2) Une ligne de dominos sur leur tranche-on touche au premier et la chute des autres, l'un après l'autre, suit (fracture/propagation de défaut).

André Michau : j'aimerais savoir ce qu'est une structure en trémie ?

Jean Matricon : D'après la définition du petit Robert : "trémie : sorte de grand entonnoir en forme de pyramide renversée.
Sc. macle de cristallisation du sel marin (en forme de pyramide creuse)."

Gérard Torchet :Comme exemple de trémie, on peut évoquer la partie supérieure, en forme de tronc de pyramide, des petits hachoirs que l'on utilise pour le persil, dans la cuisine.

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Densité et résistance de l'eau
04/11/98 Question de Jean-Luc Le Roux, enseignant de cycle 3, École marsaudies 1 (44), ecole.marsauderies1.nantes@wanadoo.fr

1 Les élèves vont à la piscine . Un des exercices consiste à vider ses poumons progressivement pour se laisser couler au fond de la piscine.
Quelle en est l'explication scientifique ? Est-ce un rapport avec le volume, le poids, l'air?

2 Un enfant plonge à plat : Il y a une résistance de l'eau ( l'enfant se fait mal au ventre ) Un autre plongera de façon aérodynamique en joignant les mains et il recevra moins de résistance et ne se fera pas mal. Quelle est la notion scientifique ayant un rapport avec l'eau ? Est-ce la même notion ( de résistance ??? ) pour expliquer la forme de la proue d'un bateau.
Comment " expliquer " scientifiquement tout ceci aux enfants ? Y -a -t 'il des expériences qui pourraient mettre ces concepts en évidence ?

3 Un sous-marin remplit ses ballasts d'eau pour plonger sous l'eau. Est-ce un rapport avec le volume, le poids. L'air a -t -il une influence dans les phénomènes de flottaison ? Les enfants précisent facilement que si un même objet flotte ou coule c'est parce qu'il y a de l'air.

4 Certains parlent de la surface portante d'un objet ? Y a t'il lieu d'utiliser ces termes ?

5 Que recouvre les termes mécanique des fluides ?

Réponse de Jean Matricon :

1. Le principe d'Archimède nous dit que si un corps est plus dense que l'eau, il coule, s'il est moins dense, il flotte. Le corps humain est juste un peu plus dense que l'eau, donc il devrait couler, sauf que les poumons remplis
d'air (mille fois moins dense que l'eau) diminuent suffisamment la densité moyenne (calculée pour le volume entier du corps) pour qu'il flotte. Vidons nos poumons et nous devenons plus denses que l'eau et nous coulons. Cette
réponse vaut aussi pour les sous-marins du 3

2 Un enfant plonge à plat : Il y a une résistance de l'eau ( l'enfant se fait mal au ventre ) Un autre plongera de façon aérodynamique en joignant les mains et il recevra moins de résistance et ne se fera pas mal. Quelle est la notion scientifique ayant un rapport avec l'eau ? Est-ce la même notion ( de résistance ??? ) pour expliquer la forme de la proue d'un bateau.
Il me semble assez intuitif qu'une surface plane placée perpendiculairement au vent subit une force beaucoup plus grande que la même surface placée parallèlement au vent. De même un parachute ouvert ralentit beaucoup mieux
la chute que le même parachute fermé. En outre, l'eau, beaucoup plus dense que l'air, offre une résistance à l'avancement beaucoup plus élevée que l'air (il suffit pour s'en convaincre, d'essayer de courir avec de l'eau
jusqu'aux genoux) Tout ceci explique aussi bien la pénétration facile du bon plongeur que l'avance facile d'un véhicule bien profilé. La mécanique des fluides, c'est justement l'étude des forces qui s'exercent à
l'intérieur d'un fluide en mouvement, d'une part sur le fluide lui-même, d'autre part sur des corps situés à l'intérieur du fluide.
Le message à faire passer est celui de la résistance dynamique d'un fluide. Je pense qu'on peut y arriver en utilisant des images, par exemple celle d'un individu cherchant à avancer dans une zone couverte de broussailles.
S'il est gros et large, il a beaucoup de mal à avancer. S'il est fluet, il se faufile bien mieux. Les molécules d'air ou d'eau se comportent comme les broussailles vis-à-vis d'un objet qui se déplace et le freinent d'autant plus qu'il est plus "large". Cette comparaison vaut aussi pour la forme des objets, un objet pointu et effilé pénétrant bien mieux qu'un objet plat.
Une fois qu'on a compris ça, la meilleure manip n'est-elle pas justement de plonger dans la piscine?

3. voir plus haut

4 Ce terme est tout-à-fait pertinent, dans le cas des avions par exemple, où la surface des ailes est un facteur fondamental de la "portance", c'est-à-dire de la force qui maintient l'avion en l'air.

5 voir plus haut

Réponse de Martin Shanahan :

1.Euréka! comme dirait Archimède. Si la densité ("lourdeur" pour sa "taille") d'un objet est élevée, il coule comme une pierre. Si sa densité est faible, il flotte comme un bouchon. En vidant ses poumons, l'élève "se transforme" d'un "bouchon" en une "pierre"- son poids reste constant mais son volume diminue parce que ses poumons agissent comme un ballon.

2.Oui, c'est la même chose qu'avec la proue d'un bateau. Il faut demander à l'enfant de couper du beurre avec un couteau et puis d'essayer de faire le même avec le dos d'une cueillere-il devrait comprendre la différence! C'est une question d'"étalement" de la force (poids) sur une surface plus ou moins grande.

3.Le sous-marin agit comme l'enfant dans la piscine:lorsqu'il a de l'air dans ses ballasts, c'est tout comme si ses "poumons" sont pleins d'air.En mettant de l'eau a la place, c'est comme si l'enfant a vide ses poumons(ou pire, a "bu la tasse").

4.Plus compliqué : c'est une histoire de dynamique. Exemples : ce qui empêche un avion de tomber ou un skieur nautique de "se mouiller". Le mouvement de l'objet par rapport au fluide ( liquide ou air) provoque une
force de "flottaison".

5.Mécanique des fluides:c'est l'étude des forces et des mouvements des choses "fluides"-souvent par rapport aux solides.

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La couleur du mercure
23/11/98, question d'Eric Jean, enseignant de cycle 3, école Saint-Exupéry à Vigneux (44), Ecole.st.exupery@wanadoo.fr
Un enfant m'a demandé:"pourquoi le mercure (contenu dans les thermomètres) n'est il pas rouge?
Allusion au mercurochrome
Question posée suite à une intervention sur les vapeurs de mercure contenues dans les tubes d'éclairage.

23/11/98, réponse de Gérard Torchet

Diverses pistes pour une réponse :

-Dans les thermomètres (à mercure...), le mercure est à l'état pur. A l'état pur, le mercure est un métal brillant (on en fait des miroirs) et surtout liquide. Cette propriété exceptionnelle fait qu'on l'utilise depuis longtemps dans divers appareils de mesure, dont les baromètres ou les thermomètres.

-Quand on mélange deux (ou plusieurs) corps purs, le corps composé obtenu a souvent des propriétés différentes de celles des corps purs pris séparément. En particulier l'aspect et la couleur peuvent changer. En regardant les étiquettes de tubes de peinture (à l'huile ou aquarelle), on constate qu'un même corps (cobalt, chrome...) peut servir à fabriquer des couleurs différentes. Dans le Mercurochrome, il y a du mercure "mélangé" (entre autres éléments) à un autre corps, le brome. En solution dans l'eau, le mélange donne un liquide rouge.

-Un petit piège : le mot Mercurochrome (qui est une marque) pourrait laisser penser que le mercure est aussi mélangé au chrome, un autre métal... Ce n'est pas le cas. Le chrome (mélangé à d'autres corps) est à l'origine de tellement de couleurs différentes que son nom est utilisé comme suffixe pour signifier coloré ou couleur, comme dans les marques des pellicules photographiques.

-Dans certains thermomètres courants, il y a un liquide rouge. Ce n'est pas du Mercurochrome. C'est de l'alcool...coloré (ce qui ne signifie pas que c'est du vin !).

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Les mélanges réfrigérants
17/12/98 question de Bernadette Launay, formateur à l'IUFM d'Anthony, bernadette.launay@ac-versailles.fr
Peut-on m'indiquer une documentation accessible à public non spécialisé sur les propriétés des "mélanges réfrigérants" type glace pilée / sel marin (il en existe d'autres) et l'explication qu'on peut en donner. Mon seul document source est un vieux "que sais-je" sur le froid; D'après de vieux souvenirs de classe prépa, il me semble qu'il s'agit de mélanges eutectiques(?, à voir)
Tout cela est insuffisant. Or ce mélange est bien commode à utiliser à l'école pour y congeler de l'eau entre autre.

22/12/98 Réponse de Gérard Torchet
Je n'ai pas connaissance de documentation récente sur les mélanges réfrigérants et leur explication. La généralisation des réfrigérateurs et congélateurs dans les cuisines (pour faire des glaces), ou de l'azote et de l'hélium liquides dans les laboratoires (pour travailler à basse température) doit en être la cause... On parle du mélange glace + sel dans Textes et documents pour la classe (n°74,1997, une petite expérience) et dans Des mains à la tête (Cycle 2, Magnard, 1996, un paragraphe sur l'eau salée), en me référant uniquement aux documents dont je dispose. Des explications relativement accessibles se trouvent dans les ouvrages classiques (complets et anciens...) de Thermodynamique (Y. Rocard, p. 210 ou Fleury et Mathieu, p.418).

Pour se dissoudre (ou fondre, comme on dit improprement), le sel (de cuisine) doit recevoir l'énergie qui permet de "casser" les liaisons de nature électrique qui assurent sa cohésion (ces liaisons sont assurées par les forces électrostatiques qui se manifestent entre les ions Na+ et Cl-). On peut apporter cette énergie de l'extérieur : c'est ce qui se passe quand on met du sel dans de l'eau en train de chauffer sur la cuisinière. On peut imaginer que mettant du sel dans de l'eau froide, la chaleur soit prise à l'eau elle-même, qui sera donc encore plus froide, une fois le sel dissous (le sucre qui "fond" abaisse la température du café...). Si le sel est placé dans un mélange eau liquide + glace (0°C), la température de l'eau (salée) décroît et la solidification de l'eau (salée), si on cherche à l'obtenir en refroidissant l'ensemble, intervient en dessous de 0°C (d'où le salage des chaussées gelées). Cette température de solidification dépend de la concentration en sel de la solution. Elle est minimale (environ -20°C) pour une proportion de sel d'environ 20%, ce qui correspond au mélange dit "eutectique".

22/12/98 Réponse de Jean Matricon
Voici ma réponse à la question des mélanges réfrigérants. Elle est extraite d'un mémorable ouvrage datant de 1884, écrit par Mr Amédée GUILLEMIN, et qui s'appelle : La Chaleur, dans la série "Le monde physique", dont je possède plusieurs ouvrages, obtenus comme prix par mon grand père quand il était lycéen.

Parlons d'abord de l'emploi des mélanges réfrigérants, que les chimistes et les physiciens utilisent depuis longtemps dans leurs laboratoires. Ces mélanges sont nombreux. Citons quelques-uns des plus usités: 2 parties en poids de glace pilée ou de neige avec 1 partie de sel marin (ou chlorure de sodium); les deux sels prennent l'un et l'autre l'état liquide, et le thermomètre plongé dans la dissolution descend à 19°C, ou même à 20°C au-dessous de zéro.
3 parties de glace pilée ou de neige, mélangées avec 4 parties de chlorure de calcium, permettent d'atteindre un froid de -50°C. Dans ces deux mélanges, la cause du refroidissement est double. L'affinité de l'eau liquide pour l'un ou l'autre sel détermine la double liquéfaction; l'eau doit d'abord se liquéfier pour que cette affinité puisse s'exercer. De là une première absorption de chaleur, nécessitée par le travail mécanique de la fusion de la glace ou de la neige; puis une nouvelle absorption, résultant de la liquéfaction des sels.
Un autre mélange réfrigérant fréquemment employé est celui qu'on forme avec 8 parties de sulfate de soude cristallisé et 5 d'acide chlorhydrique concentré. Le sulfate de soude doit être finement pulvérisé. On le voit fondre rapidement, et le thermomètre plongé dans le mélange s'abaisse à 27°C environ au-dessous de sa température initiale. Ici l'abaissement de température est dû à diverses causes, notamment à la liquéfaction de l'eau
de cristallisation du sulfate de soude (1).
Voici d'autres mélanges d'un sel avec un acide: 3 parties de sulfate de soude et 2 d'acide azotique étendu: refroidissement de 29°C. 9 parties de phosphate de soude et 4 d'acide azotique étendu: abaissement de température, 39°C. 6 parties de sulfate de soude, 5 d'azotate d'ammoniaque et 4 d'acide azotique étendu: 36°. On
sait enfin que l'azotate d'ammoniaque est un sel blanc, solide, qui cristallise parfaitement et est très soluble dans l'eau. Si l'on fait un mélange de 1 partie de ce sel, finement pulvérisé, avec 1 partie d'eau distillée, la fusion se fait presque instantanément, en déterminant un abaissement de 20°C au dessous de la température ambiante. Si cette dernière est 10°, le froid produit est de 16° au-dessous de zéro.
(1). D'après M. Berthelot, « les mélanges réfrigérants constitués par des sels hydratés, associés aux acides, aux bases ou a d'autres sels, sont réglés par la théorie suivante: le phénomène anormal que ces mélanges manifestent résulte du concours des énergies chimiques avec des énergies étrangères. Les énergies chimiques agissent conformément au principe du travail maximum, pour déterminer une première réaction exothermique, dont
toutes les autres sont la conséquence. Les énergies calorifiques interviennent ensuite en sens inverse pour déterminer une absorption de chaleur, sous sa quadruple forme de dissociation (sulfate de soude hydraté), de désagrégation par le dissolvant (équilibre entre le bisulfate de soude et l'eau), de dissolution (laquelle ne joue qu'un rôle intermédiaire dans le cas du sulfate de soude et de l'acide chlorhydrique concentré), enfin de liquéfaction (eau de cristallisation). » (Comptes rendus de l'Académie des sciences pour 1880, t. 1.)

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"Pourquoi la mer ne gèle-t-elle pas?
20/12/1998 Question de Sandrine Hauser, enseignante de cycle 3 à  l'école Condorcet de Villeneuve Saint-George (94), sousajo@ibm.net
Comment répondre a la question suivante : "
"pourquoi la mer ne gèle-t-elle pas?"
Est-ce à cause du sel? des courants chauds qui la traversent?
Je me suis posée cette question car je prévois des activités en sciences en cycle 3. Ces activités concernent l'eau et plus spécifiquement ses passages d'un état à un autre. D'autre part, notre projet de classe porte sur la mer. J'ai donc pensé que cette question pourrait surgir lors de l'expérience où l'eau passe d'un état liquide à un état solide.

28/12/1998 Réponse de Jean Matricon :
D'abord, la mer GÈLE, la preuve : la banquise, les icebergs, le Titanic etc. Ensuite, certes la salaison de l'eau abaisse à -1,8°C la température de solidification, mais ce n'est pas très important. ce qui compte, pour nos latitudes, c'est d'une part, en effet, le rôle des courants chauds qui maintiennent l'eau océanique aux environs de 8 à 10°C, mais c'est surtout l'énorme chaleur latente de la transformation eau-glace (333J/g) qui fait
que l'air n'est jamais assez froid pour geler une masse d'eau comme celle des océans, tout au plus peut-il geler le fond d'une petite crique peu profonde.

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Pourquoi y-a-t-il du sel dans l'eau de mer ?

13/01/1999 Question de Frédéric Daubelcour, enseignant de cycle 3 à l'école Molière à Arras dans le Pas-de-Calais Frederic.Daubelcour@ia62.ac-lille.fr

Lors d'une banale expérience sur les produits solubles dans l'eau,Pauline demande:
"Mais pourquoi y-a-t-il du sel dans l'eau de mer?"
Là, je cale!
Alors, j'ai promis de poser la question sur Internet.

15/01/1999 Réponse de Jean Matricon
La mer est salée parce que le chlorure de sodium est particulièrement soluble. La croûte terrestre primitive lors de son refroidissement contenait toutes sortes d'éléments chimiques plus ou moins stratifiés par densité et formant des composés par suite de leurs affinités. Certains sont solubles, dont les halogénures alcalins, d'autres pas , comme la plupart des silicates. Lors du ruissellement dont la surface de la terre a été le témoin lorsque l'eau s'est condensée, les éléments solubles se sont dissous, en fonction de leurs solubilités et de leurs abondances. Il y avait du ClNa, donc la mer est salée. "

15/01/1999 Réponse de Jean-Louis Basdevant
Réponse d'Alphonse Allais: Si la mer est salée malgré l'apport en eau douce des fleuves, c'est parce qu'elle contient beaucoup de morues (salées).

La mienne: La mer, les océans, représentent une énorme masse d'eau en contact permanent avec les roches de la croûte terrestre. Il est normal que les sels s'y dissolvent, jusqu'à atteindre un certain équilibre entre la
quantité de sel dans l'eau et celle dans les roches.(la réponse à Alphonse Allais est que l'eau d'évaporation, qui forme les nuages, est de l'eau douce, les pluies et apports des fleuves ne font que recycler cette eau douce en permanence: la mer reste toujours aussi salée). Le sel "marin" est un mélange des sels les plus solubles dont les halogénures alcalins. Ils ne sont pas les seuls! les Océans représentent le plus gros réservoir d'Uranium connu! (Le seul problème pratique pour l'exploiter est que sa concentration est très faible; mais ce n'est pas hors de question).

En revanche, la majorité des lacs sont alimentés en permanence par de l'eau de pluie, douce, et l'eau y est régénérée à un rythme suffisamment rapide pour que, la plupart du temps la salinité reste faible. Il y a des cas
connus de grands lacs salés (dans l'Utah par exemple) ou la grande masse, le faible courant sortant (rivières) et la nature de la roche environnante font que la concentration en sel y est voisine, parfois supérieure, à celle de la mer."

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Pourquoi l'œuf durcit-il lorsqu'on le chauffe ?
14/01/1999 Question de Thierry Isambert, Enseignant de cycle 3 à   Vieux Pont de Sèvres à Boulogne Billancourt, isambert@club-internet.fr

Après avoir travaillé sur les états de la matière en fonction de la température, un élève m'a demandé pourquoi lorsqu'on chauffe un œuf, celui-ci durcit au lieu d'aller vers l'état liquide puis gazeux...
J'ai répondu qu'il s'agissait d'un phénomène de coagulation, mais mon explication peu précise se semble pas l'avoir satisfait...
Merci de m'aider à trouver une explication afin de faire la différence entre les deux phénomènes.

15/01/1999 Réponse de Jean Matricon
"La coagulation de l'œuf, tout comme l'épaississement des sauces contenant de la farine sont deux situations qui semblent paradoxales au regard des phénomènes habituels de fusion-évaporation. Il n'est pas simple de tout décrire dans le même cadre conceptuel, car les molécules biologiques ont des comportements particuliers, liés à leur structure de TRÈS grosses molécules.
Il est facile de concevoir que des atomes, petits objets sphériques, puissent se tasser les uns sur les autres quand rien ne les agite (solide), puis glisser les uns contre les autres quand on commence à leur communiquer de l'énergie thermique (liquide), puis s'envoler quand on les secoue trop (gaz).
Les grosses molécules biologiques du blanc d'¦uf doivent être vues comme des sortes de ressorts maintenus à l'état comprimé par de petites ficelles fragiles (les liaisons faibles, genre liaison hydrogène ou liaison de Van der Waals). Sous cette forme, elles n'occupent que peu de place et glissent les unes sur les autres facilement lorsqu'elles sont en solution : le blanc d'œuf cru est (presque) liquide.
Si on commence à chauffer (dès 45°), ces petites ficelles ne résistent pas à la chaleur, elles craquent et le ressort se détend. On imagine la scène : tous ces ressorts détendus s'emmêlent les uns aux autres, s'enchevêtrent,
emprisonnent les molécules d'eau dans leurs entrelacs, et le milieu se solidifie.
Le processus n'est pas exactement le même pour la farine, la gélatine et les molécules qui durcissent les confitures (pectines), mais le résultat est le même : apparition d'un réseau tridimensionnel qui emprisonne l'eau.
Ce phénomène de durcissement par la chaleur est à rapprocher des colles qui polymérisent, genre Araldite, ce durcissement étant favorisé par un léger chauffage.(j'ai raconté tout ça en détail dans mon livre "Cuisine et
Molécules", et Hervé This en a fait de même dans "les secrets de la casserole")".

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Le sel qui "envahit" les bords du récipient

20/01/1999 Question de Nicolas Rey, enseignant de cycle 3, nicolas.rey@grenoble.iufm.fr
Lors d'une expérience sur la conservation de la matière, j'ai dissout du sel dans de l'eau. Après un séjour du mélange sur le radiateur, l'eau s'est évaporée et le sel a "envahi" les bords du récipient. Pourquoi le sel est-il "monté" et pourquoi ai-je retrouvé du sel sur les bords extérieurs du récipient ???

20/01/1999 Réponse de Jean Matricon
Je n'ai jamais observé ce phénomène, mais j'ai rencontré des situations du même genre au cours d'évaporations en chimie. Je propose l'explication suivante, que je confirmerai (ou infirmerai) après avoir fait la manip.
Lorsqu'on pose un récipient plein d'eau sur un radiateur, l'eau s'évapore, mais, comme la paroi du récipient du récipient n'est pas chauffée, l'eau se condense dessus, donnant un film d'humidité qui redescend jusqu'au liquide (on voit très bien ce phénomène avec le film d'alcool qui tapisse les parois d'un verre contenant du vin). Il n'en faut pas plus pour que, dès que le contact est établi, le sel en solution dans le liquide du fond diffuse dans ce film qui, au fur et à mesure de l'évaporation du liquide, se sature de plus en plus en sel. Quand tout le liquide s'est évaporé, il reste une grosse croûte de sel au fond, et une pellicule sur les parois.

21/01/1999 Réponse de Martin Shanahan
Je suis partiellement d'accord avec Jean Matricon, mais si les parois sont à la même température (récipient petit), il doit y avoir un autre mécanisme. Cela pourrait être le suivant, mais je n'en suis pas sûr. Si le liquide s'évapore (relativement) plus rapidement vers les bords ( rapport surface/volume plus élevé..cela dépend de la forme du récipient), la concentration de sel augmentera + vite que vers le centre. Une différence de concentrations de sel s'installe et le liquide du centre grimpera vers l'extérieur pour (essayer d' ) équilibrer les concentrations (sorte d'effet Marangoni: dans le sens classique, qui est la cause de la formation de "larmes" dans un verre de vin et qui est du a une différence de tension de surface du liquide suite a une évaporation locale de l'alcool qui est + rapide qu'ailleurs. Ajouter à la montée capillaire du liquide dans les zones des bords déjà sèches (sel cristallisé), et la continuation du cycle avec cristallisation de la nouvelle matière apportée, le front de la zone sèche avec cristaux pourra s'étendre."

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Cristaux de sucre et cristaux de sel
20/01/1999 Question de Catherine Réguer, enseignante en cycle 3 à l'école Saint-Grégoire (35), catherine.reguer@wanadoo.fr
Lors d'une expérience sur la dissolution du sel dans l'eau, les enfants ont établi une comparaison avec du sucre. Pourquoi ne peut-on récupérer le sucre cristallisé après évaporation de l'eau?

23/01/1999 Réponse de Martin Shanahan
Apres séchage le sucre recristallise, mais en un grand cristal et non en beaucoup de petits comme le sel!

04/02/1999 Réponse de Jean Matricon
"Concernant le sucre, j'ai fait la manip du verre d'eau sucré qu'on fait sécher sur le radiateur. Je n'ai certes pas obtenu de BEAUX cristaux, mais la masse de sucre est cependant vraiment cristallisée en bloc, et on distingue bien des mâcles. Si vous voulez de beaux cristaux de sucre, je vous suggère de fabriquer un sirop très concentré dans de l'eau bouillante, et de laisser refroidir lentement. Le sucre, beaucoup plus soluble à chaud qu'à froid, précipite et donne des cristaux."

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Le thermomètre à aiguille
26/01/1999 Question d'Armelle Caignec-Dupont, enseignante en cycle 3 à l'école annexe de Saint-Germain-en-Laye (78),  annexe_1@club-internet.fr

Nous sommes la classe de CE2 de l’école Annexe , rue Claude Chappe de Saint Germain en Laye de madame CAIGNEC DUPONT

Nous avons étudié et fabriqué des thermomètres. Nous avons compris que la plupart des thermomètres fonctionnent avec un liquide qui augnente de volume quand on le chauffe . Ce liquide monte dans la colonne et indique la température lisible grâce à des graduations .
Voici un thermomètre qui ne fonctionne pas comme ceux que nous avons étudiés. Il ne possède pas le liquide et c’est une aiguille qui indique la température. Pouvez -vous nous expliquer son fonctionnement?

26/01/1999 Réponse de Jean-Louis Basdevant
C'est souvent un ressort métallique en spirale dont une extrémité est fixée au socle, et l'autre est solidaire d'un axe (portant sur l'autre côté l'aiguille en question). En se dilatant, le ressort fait pivoter l'axe, donc l'aiguille. Il y a des quantités de raffinements possibles.
A peu de choses près (effet de pression sur un tube creux au lieu de la dilatation) c'est la même chose pour les baromètres, ou (avec un cheveu ou tout matériau sensible à l'humidité) pour les hygromètres.
L'avantage (notamment sur un bateau) est la robustesse et une lecture facile .
Les appareils modernes fonctionnent de plus en plus avec des capteurs électroniques (avec affichage numérique).

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La vapeur d'eau disparaît
04/02/1999 Question de Maryvonne Farrugia, enseignante de cycle 2 au Lycée Français Lapérouse à San Francisco. USA michudd@aol.com
Dans le cadre de manipulations sur l'eau, nous avons fait de la vapeur en faisant bouillir de l'eau. Expérience on ne peut plus simple mais qui fascine toujours les enfants de 6 ans.
Lors de l'élaboration du compte-rendu, les enfants verbalisent ce qu'ils ont vu et illustrent les étapes de l'expérience; A un moment les enfants ont voulu écrire: " la vapeur s'échappe et disparaît dans l'air" Cette dernière remarque me gêne dans le sens où après avoir tenu un verre au-dessus de la vapeur, les enfants ont constaté qu'il y avait condensation...
Que peut-on dire plutôt que" la vapeur disparaît dans l'air"?

04/02/1999 Réponse de Martin Shanahan
Je pense que vous pouvez suggérer le concept de "concentration" ou de "dilution" -la vapeur devient de plus en plus "dispersée" dans l'air et donc "rare". Vous pourrez par la suite ajouter une gouttelette d'encre à un grand bol(ou encore mieux,a un seau en plastique de couleur claire) d'eau et faire observer aux enfants sa "disparition" avec le temps (certes plus lente que la vapeur dans l'air-mais le même principe) à titre d'analogie.
Une fois que la gouttelette d'encre a été diluée dans la masse d'eau,elle a apparemment "disparu", mais vous pouvez faire remarquer que l'encre est forcement toujours dans le seau qui n'a pas été vidé!

04/02/1999 réponse de Jean-Louis Basdevant
D'accord avec ce que dit M.E.R Shanahan. L'"apparence" est d'ailleurs une chose importante en physique. "Disparaît" ne veut pas dire " n'existe pas".

04/02/1999 réponse de Jean Matricon
Je propose : la vapeur passe dans l'air, où elle est invisible,de la même façon que lorsqu'on dissout un morceau de sucre dans un verre d'eau, il passe dans l'eau et on ne voit rien. L'utilisation du verbe "disparaître" est néanmoins parfaitement "correcte" : disparaître = ne plus être vu ou visible (Robert)

04/02/1999 réponse de Jean-Louis Basdevant
Les enfants ont toujours raison. La vapeur "disparaît" effectivement; c'est à dire qu'on ne la voit plus, elle ne "paraît" plus. La vapeur d'eau est un gaz d'eau qui se mélange à l'air et qu'on ne voit pas (comme on ne voit pas le parfum qu'on sent dans l'air, alors qu'il a une couleur dans son flacon). L'eau, ainsi mélangée à l'air, peut réapparaître sous forme de gouttelettes, comme dans les nuages ou en se condensant sur votre verre, si les conditions s'y prêtent, par exemple s'il fait froid.
Regardez bien votre bouilloire. La "vapeur" qui en sort paraît visible. Elle se condense en gouttelettes d'eau au contact de l'air extérieur plus froid quand elle est très concentrée, mais elle se dilue et ... disparaît.
Elle peut réapparaître en se condensant, sur les vitres ou sur le plafond. Faites l'expérience de laisser votre verre longtemps au contact de la vapeur. Au bout d'un certain temps la vapeur ne s'y condensera plus, car il
aura chauffé.
Je pense qu'il y a une confusion entre la "vapeur" d'eau des machines à vapeur, qui se voit (à l'extérieur) car c'est de l'eau condensée, et la vraie vapeur d'eau qui est du gaz d'eau comme il y a du gaz butane, liquide à l'intérieur du bidon et gazeux une fois détendu.

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Glaçons d'huile, de sirop et d'eau salée.
23/02/1999 Question de Alix Orsini, enseignante de cycle 2 à l'Ecole Jean Macé (93), cyrnosis@wanadoo.fr
Je me suis livrée à une expérience de solidification dans mon congélateur de différents liquides dont : huile, sirop pur et eau salée pour préparer d'éventuelles demandes de mes élèves.Pouvez-vous m'apporter des explications relevant de la non solidification de l'huile et du sirop pur, d'autre part le glaçon d'eau salée s'est disloqué en fines lamelles, pourquoi? "

25/02/1999 Réponse de Jean Matricon :
Les huiles végétales existent, comme pratiquement tous les liquides, sous une forme solide cristallisée, mais qu'il n'est pas toujours facile d'obtenir (sauf pour l'huile d'olive de bonne qualité, qui commence à cristalliser dès +10°). Plus on refroidit un liquide visqueux, plus il devient visqueux, plus difficile est sa congélation, car les germes qui veulent bien apparaître ont du mal à s'agrandir dans un milieu où les mouvements des molécules sont si lents et difficiles. On connaît bien des liquides qui refusent de cristalliser et deviennent très visqueux, au point de paraître solides : les verres. Le sirop pur est probablement de ce genre, peut-être faudrait-il le refroidir beaucoup plus bas que ne le permet le congélateur (azote liquide?)
Pour ce qui est du glaçon d'eau salée, il aurait été intéressant de le goûter, car je pense qu'il n'était pas salé, ou très peu. En effet, l'eau salée qui gèle donne une phase "glace" beaucoup moins salée que la phase liquide. La structure feuilletée pourrait peut-être s'expliquer par un processus de cristallisation dans lequel la phase salée se concentre en sel pendant que l'eau peu salée cristallise, donnant ainsi un système à 2 phases qui s'empilent l'une sur l'autre? En tout cas, la congélation d'eau salée ne donne pas toujours des glaçons feuilletés, car ni la banquise ni les icebergs n'ont cette réputation.

25/02/1999 Réponse de Gérard Torchet :
N'ayant pas de réponses immédiates aux questions posées, j'ai reproduit vos expériences en laissant une nuit au congélateur de l'huile (d'olive), du sirop (d'orgeat) et de l'eau salée (à 20% environ en masse).
J'ai constaté au matin que l'huile était solidifiée, mais le sirop pas complètement. La température de solidification dépend de la nature chimique et de la forme des constituants élémentaires des corps. Dans le cas présent ce sont des sortes de chaînes qui glissent plus ou moins facilement les unes le long des autres. L'abaissement de la température rend les mouvements de plus en plus difficiles (ou la viscosité de plus en plus grande). La température de solidification dépend alors du corps (et sans doute de son degré de pureté). L'huile d'arachide se solidifie à 3 °C, l'huile d'olive à -6 °C, celle de soja à -16 °C et celle de tournesol à -17 °C. La température d'un congélateur peut ne pas être suffisante (se situant théoriquement aux environs de -18 °C) dans les deux derniers cas. Est-ce que ceci correspond à votre expérience ?
Je ne sais pas si les sirops présentent des températures de solidification aussi différentes selon leur nature (une expérience à faire?). Celui d'orgeat s'est solidifié sans problème... en trempant le récipient dans un liquide nettement plus froid (de l'azote à -196 °C !).
Je n'ai pas observé les lamelles dont vous parlez dans le cas de l'eau salée. Une hypothèse : suivant la concentration initiale en sel, la densité ne serait pas la même en haut et en bas du bac et conduirait à une solidification en couches successives. Les lamelles sont-elles horizontales ?

05/03/1999 Question de Alix Orsini, enseignante de cycle 2 à l'Ecole Jean Macé (93), cyrnosis@wanadoo.fr
Je remercie Mrs Torchet et Matricon de leurs réponses. Pour répondre à la dernière question de Mr Torchet, j'ai refait l'expérience, mes "lamelles" n'en sont plus, mais le glaçon s'effrite très facilement, verticalement et en position oblique. J'ai bien obtenu, un glaçon d'huile d'olive. Dans ma première expérience, il s'agissait d'huile de tournesol.(Je referai les tentatives avec un mélange réfrigérant:glace et sel et les différentes huiles)
Merci de me préciser que la solidification obtenue du sirop (de menthe) s'est fait à -196°, je suis consolée.
A Mr Matricon, j'ai goûté mes nouveaux glaçons d'eau salée dont je ne saurais donner les proportions sel et eau( ne sachant pas comment, les mesurer),en essayant de repérer, au dessus, au dessous, si il y avait une différence de concentration du sel, ils sont bien salés et je n'ai pas "senti" de différence.
Qu'en est-il alors de la banquise?

06/03/1999 Réponse de Jean Matricon
Doctus cum libro, ayant consulté l'Universalis, je comprends ce que vous avez observé : la glace qui se forme initialement à partir d'eau salée est effectivement de la glace douce, mais elle peut emprisonner des gouttelettes de saumure, et donc paraître salée. Pour ce qui est de la structure feuilletée, elle existe effectivement dans la partie inférieure, à cause du mécanisme que j'avais proposé, c'est-à-dire une séparation de phase entre glace non salée et eau salée. Les lamelles (1 mm d'épaisseur) seraient alors, toujours d'après mes références, verticales, mais ne s'étendraient pas à tout le cristal.

Je pense qu'il faut distinguer entre l'expérience faite dans le congélateur et la prise de la banquise en haute mer. En effet, dans le congélateur, on transforme en glace l'intégralité de l'eau salée. On a alors affaire à un processus non stationnaire, car, au fur et à mesure que la prise se développe, le liquidus devient de plus en plus salé, et la concentration en sel du solidus en équilibre avec ce liquidus évolue, probablement jusqu'à la concentration de l'eutectique, qui, si mes souvenirs sont bons, fond à -17° et correspond à une concentration en sel de 30%. La glace correspondante est alors franchement salée. Dans la mer, la variation de concentration en sel n'est pratiquement pas sensible, et la glace de banquise n'est pas salée (les esquimaux la font fondre pour la boire). Je viens de mettre en route une expérience dans mon congélateur, avec l'intention de la suivre d'heure en heure."

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L'air froid est-il plus lourd que l'air chaud ?
13/03/1999 Question de Jean Charles Hagnerè, enseignant de cycle 3 Jean-Charles.Hagnere@wanadoo.fr
Je suis instituteur en cycle 3 (CE2) et nous avons travaillé sur les états de la matière depuis pas mal de temps.
Après avoir étudié les solides et les liquides et mené des expérimentations sur leurs propriétés, nous travaillons en ce moment sur les gaz.
Après mise en évidence de la présence de gaz (boîte de jus de fruit avec paille qui se vide du liquide puis de "quelque chose qu'on ne voit pas mais qui doit exister puisque si on continue à aspirer, la boîte s'écrase sur elle-même", échappement de gaz d'un tube à essai apparemment vide qui dégage des bulles quand on le plonge dans l'eau)
- notion de place (volume de gaz) dans le corps d'une pompe:
gaz comprimé = volume restreint mais "quantité" de gaz égale puisque le ballon se gonfle autant
Comme nous l'avons vu pour les liquides, nous cherchons à connaître des gaz plus légers ou plus lourds que d'autres.
Systématiquement, les enfants ont pensé à l'hélium qui a servi à gonfler les ballons de notre opération Téléthon et au ballon à air chaud. Pour cette dernière solution, un enfant a proposé de gonfler un ballon de baudruche en le "branchant" sur la soupape d'un autocuiseur "rempli d'air"
Nous n'avons pas encore réalisé cette expérience.
Nous avons également construit un ballon à air chaud au dessus d'un réchaud : sac plastique très léger soulevant un trombone.

Nous pensons donc maintenant prouver que l'air froid est plus lourd que l'air ambiant de notre classe.
Personnellement, les mises en évidence de ce phénomène sont faciles : courant d'air froid dans les pieds en ouvrant un "congélateur armoire" ou absence de couvercle sur les "congélateurs bahut" dans les grandes surfaces. Néanmoins, des comparaisons de relevés de température entre le haut et le bas d'un congélateur ne me paraissent pas totalement efficaces.
Auriez-vous donc un moyen expérimental simple d'apporter une réponse à cette interrogation : l'air froid est-il plus lourd?

15/03/1999 réponse de Jean Matricon
Votre expérience sur l'air froid du congélateur est excellente, même si vous avez trouvé que la température est homogène à l'intérieur : en effet, l'air glacé du congélateur s'écoule en bas, non pas parce qu'il est plus froid qu'en haut, mais parce qu'il est au contact de l'air de la pièce qui est beaucoup plus chaud : du coup, il "tombe" vers le bas, alors que l'air de la pièce, lui, entre dans le congélateur en haut. La même expérience, classique, se fait en entrouvrant la porte d'une pièce quand il fait nettement plus froid dehors : la flamme d'une allumette est poussée vers l'extérieur en haut de la porte, et soufflée vers l'intérieur en bas. Dans ce même ordre d'idée, faire remarquer que les bacs à produits surgelés des grandes surfaces sont ouverts en plein air vers le haut, et néanmoins la température y reste de l'ordre de -18°C. Quand il s'agit d'armoires qui s'ouvrent latéralement, elles sont soigneusement fermées par des fenêtres à double vitrage.
On peut littéralement, avec un dewar contenant de l'azote liquide, "verser" de l'air très froid et le visualiser : losqu'on le penche, l'air très froid coule vers le bas et se voit par la condensation d'eau qu'il produit et qui forme brouillard.

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Le thermomètre à eau et le thermomètre à alcool
15/03/1999 Question de Laurence BERGER, enseignante de cycle 3, école de l'IUFM d'Alençon (61) BERGERJA@ACM.FR
Comment expliquer, par une expérience simple, que c'est la dilatation de l'eau colorée d'un thermomètre expérimental qui provoque la montée du liquide dans la tige (quand le réservoir est plongé dans l'eau chaude)?
Thermomètre expérimental:
- réservoir: petit pot en verre
- liquide: eau colorée
- tige: paille
D'autre part, pourquoi quand le liquide est de l'eau, cela ne fonctionne pas à température ambiante alors que cela fonctionne avec de l'alcool?

19/03/1999 Réponse de Gérard Torchet
- Si l'on veut montrer ce qu'est la dilatation (thermique), l'expérience proposée est simple. On convient d'appeler dilatation ce qui fait augmenter le volume d'un corps, qu'il soit gazeux, liquide ou solide, quand on le chauffe. Encore faut-il lier la montée du liquide dans la paille avec une augmentation de volume. On pourrait vérifier que la masse ne change pas en plaçant l'ensemble du thermomètre expérimental sur une balance, d'où l'on pourrait déduire (mais pas en cycle 3 !) que la masse volumique (masse de liquide divisée par le volume) a diminué.
On (les élèves) peut se demander quelle autre cause que la chaleur pourrait provoquer la montée. Elle ne se produit pas si on plonge le thermomètre dans l'eau froide (sauf si la paille a un très petit diamètre, mais c'est une autre histoire). La pression de l'air reste la même, alors...
En fait, l'expérience met en évidence le phénomène de dilatation. On pourrait aussi chauffer un fil de cuivre (tendu) et constater son allongement pour montrer que c'est un phénomène général.
- Tel qu'il est décrit, comment le thermomètre peut-il fonctionner à température ambiante (= eau du réservoir et eau de la cuvette -dans laquelle on le plonge- à la même température ?) ? Voulez-vous dire que, plongé dans l'eau chaude, le liquide du réservoir monte plus haut quand c'est de l'alcool et non de l'eau ? Les liquides ne se dilatent pas tous de la même façon et l'expérience "marche" mieux avec l'alcool.

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Les corps pâteux
29/03/1999 Question d'Anne-Marie Roussel, IUFM 85 roussel@pl.iufm.fr
Un corps pur passe de l'état solide à l'état liquide à une température précise. Cela signifie-t-il que les corps pâteux sont tous des mélanges ? Pourtant la paraffine peut devenir molle lorsqu'on la chauffe et c'est un corps pur. Qu'en est-il ?

30/031999 Réponse de Jean-Louis Basdevant
La distinction solide-liquide n'est pas absolue, je crois, et subtile (ou, encore, dire que la matière existe sous 3 formes: liquide, solide, gaz est un peu sommaire). J'ai toujours gardé le souvenir du fait que si on pose une bougie horizontalement sur 2 supports à ses 2 extrémités, elle reste droite. Si on fait la même chose avec un bâton de cire à cacheter, le bâton se courbe sous son poids. Le bâton est "pâteux", voire visqueux ou liquide, sur une échelle de temps longue, alors que la bougie est "solide". Mais si on tape dessus, la bougie est molle et la cire à cacheter est dure (dans les même conditions de température et de pression). (On peut extrapoler à la lave des volcans etc.)

Il y a d'autres formes drôles de la matière. Le Silly Putty (qui doit bien encore exister dans les magasins de jouets) est mou à basse vitesse, mais très élastique à plus grande vitesse (de même les pâtes dégoûtantes avec lesquelles les dentistes font des moulages). A l'inverse, il y a les liquides non-newtoniens, visqueux à basse vitesse et très fluides quand on les agite (par exemple de la peinture "qui est fluide sur le pinceau, mais qui ne coule pas sur le mur"!).
De même, il y a, dans l'industrie du caoutchouc, des polymères (des corps purs) de formules voisines, qui ont des propriétés mécanique d'une diversité fascinante. (De la super balle presque parfaitement élastique à des gommes très "tendres" qui ne rebondissent pas et ont une excellente adhérence pour les voitures de course).

Je pense que l'énoncé "tout corps pur a une température de fusion donnée" est un peu trop catégorique. Surtout si l'on introduit la notion de corps "pâteux".

30/03/1999 Réponse de Martin Shanahan
Tout a fait d'accord avec J L Basdevant.En effet cette classification en "état solide" et "état liquide" est souvent arbitraire et une conséquence du fait que l'homme essaie de mettre les choses dans "les petites boites" pour faciliter sa compréhension!
Les polymères (plastiques) sont un bon exemple de l'exception à la règle.Si un polymère possède une large distribution de masses moléculaires-c'est à dire que les molecules,ou groupes d'atomes liés les uns aux autres,ont beaucoup de tailles différentes,comme une assiette de spaghetti avec beaucoup de longueurs différentes, le processus de fusion peut avoir lieu sur une plage de températures de plusieurs degrés. En plus, ceci peut dépendre de la vitesse de chauffe! Ceci peut expliquer,du moins partiellement ,le comportement observé avec la paraffine -elle est chimiquement pure mais possède une gamme de masses moléculaires.Ceci est souvent modélisé (phénomènologiquement) par une partie élastique ( allongement proportionnelle à la force appliquée-donc solide ) et une partie visqueuse ( vitesse d'allongement proportionnelle à la force -donc liquide ) dans le même corps! Si le polymère subit un choc mécanique, il se porte plutôt comme un solide, mais s'il subit une force qui augmente lentement, il se porte plutôt comme un liquide-cf. commentaire de JLB.

01/04/1999 Message d'Anne-Marie Roussel, IUFM 85 roussel@pl.iufm.fr
Je vous remercie pour ces renseignements : encore une fois, nous pouvons constater que la nature est bien complexe et qu'il est parfois difficile de faire rentrer les choses dans des classifications bien nettes. C'est un des problèmes quand on veut faire des sciences à l'école élémentaire, car on s'attaque parfois à des problèmes ardus. Je retiens donc de votre réponse que : des substances pures formées de molécules complexes ont donc des propriétés mécaniques très diverses. De plus je crois que l'influence de la température variera selon les substances. En conséquence, seuls les corps purs atomiques (métaux) ou moléculaires avec de petites molécules, (eau, alcool) , ont peut-être trois états bien nets.

01/04/1999 Réponse de Jean-Louis Basdevant
Je crois que c'est tout à fait correct et bien vu, au moins dans les conditions de température , de pression et de densité "a peu prés" normales.
Pas "normales" veux dire que les propriétés mécaniques, magnétiques etc. d'objets sous haute pression comme le cœur de la Terre, ultra-denses comme les naines blanches sont à nouveau insolites. Mais c'est entrer dans quelque chose de plus compliqué (de même que l'état plasma de milieux ultra chauds comme le soleil).
Dans des conditions "normales" une petite molécule (H2O ou C2H5OH) est très "rigide" et indéformable, contrairement à une longue chaîne polymérisée.
L'influence de la pression est un phénomène courant. En appuyant une lame de couteau ou un fil métallique sur un pain de glace, on s'aperçoit que la glace fond à l'endroit où s'exerce la pression, et se resolidifie au dessus. On peut ainsi "traverser" un pain de glace avec un couteau sans qu'il soit, au bout du compte, tranché en deux.

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Usages du cobalt
01/04/1999 Question de M. Verdon, étudiant, verdon@pl.iufm.fr
A propos des activités possibles en école primaire sur les aimants:
le cobalt est un métal attiré par les aimants.
A partir de cette constatation, nous nous sommes interrogés sur les utilisations du cobalt pour des applications de la vie courante et où l'on peut en trouver.

12/04/1999 Réponse de Marc Julia
Usages du cobalt:
1)bombes dites au cobalt pour irradier tumeurs
2)utilisation considérable d'alliages samarium-cobalt et apparentés pour aimants permanents (petit appareillage pour automobiles) Ce grand débouché a même fait augmenter le prix!
3) dans les accumulateurs dits "au nickel" il y a aussi du cadmium qui va être proscrit par les autorités pour cause de toxicité ; il sera remplacé par du cobalt

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La raréfaction de l'oxygène en altitude
01/05/1999 Question de Martine Besson, enseignante de cycle 3 à   l'IEN de Rumilly (74), mbesson@cur-archamps.fr ,
Comment peut-on expliquer aux enfants le phénomène de la raréfaction de l'oxygène dans l'air en altitude?
Quel rôle joue l'ozone en général?

18/05/1999 Réponse de Martin Shanahan
" Comment peut-on expliquer aux enfants le phénomène de la raréfaction de l'oxygène dans l'air en altitude?

Je pense que la façon la plus facile pour expliquer ce phénomène, quoi que pas entièrement rigoureuse, est de comparer la terre à un plat de nourriture chaude où on voit la vapeur disparaître lorsqu'elle se distance du plat -il y a de moins en moins de vapeur donc il y a raréfaction. Plus exacte mais moins facile à expliquer est le fait que les molecules d'air (et pas seulement l'oxygène) sont de moins en moins attirées par la pesanteur en altitude,étant plus loin de la terre. Avec leur mouvement aléatoire -elles sont en mouvement continu à cause de leur température -il y a de plus en plus de chance pour qu'elles se dirigent vers l'extérieur et quittent la planète. En moyenne ceci provoque une raréfaction.

Quel rôle joue l'ozone en général?"

A part la barrière pour certains rayons nocifs (sujet "a la mode") je ne connais pas la réponse a cette partie.

19/05/1999 Réponse de Jean Matricon :
"La difficulté d'expliquer proprement l'équilibre atmosphérique, démontrée en particulier par l'explication inexacte du rôle de la pesanteur, est telle qu'à mon avis, il vaut mieux s'abstenir de donner une explication, tout juste se servir d'une comparaison : la pile d'oranges du marché montre comment le nombre d'oranges dans une couche ne peut que diminuer au fur et à mesure qu'on s'élève. De la même manière, mais pour des raisons physiques différentes, le nombre de molécules d'air, donc
d'oxygène qui en représente un cinquième, décroît quand l'altitude augmente.
Si on veut absolument aller un cran plus loin dans l'explication, il faut parler d'abord de la pression comme résultant des chocs des molécules : plus il y a de molécules, plus il y a de chocs, plus la pression est élevée. Deuxième étape, il faut relier la pression au poids qui appuie sur l'air, comme la pression dans la pompe à vélo se relie à la force avec laquelle on pousse. Troisième étape, la pression de l'air au niveau du sol est liée au poids de l'air qui est au dessus, et plus on monte, moins il reste d'air au dessus, donc moins il y a de pression, donc moins il y a d'oxygène.
Difficile tout ça"

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Les châteaux d'eau
19/05/1999 Question d'Alain Briel, enseignant de cycle 3 à l'école Hortensias (69) ecole.hortensias@wanadoo.fr
Nous avons des questions sur les châteaux d'eau et nous ne trouvons pas de réponse satisfaisante dans les livres à notre disposition:
Faut-il toujours une pompe pour monter l'eau en haut des châteaux, ou l'eau monte-t-elle seule (si le château est plein d'eau par exemple)?
Quelle est l'utilité véritable du château d'eau? le stockage, ou la régulation du débit et de la pression?
Les châteaux d'eau sont-ils obsolètes? nous sommes dans une grande ville (Lyon) et nous pensons qu'il n'y pas assez de châteaux pour toute l'eau que nous consommons.

20/05/1999 Réponse de Jean Matricon
Le rôle d'un château d'eau est double : d'une part, c'est un réservoir qui permet de délivrer beaucoup d'eau aux heures de grosse consommation (et qu'on remplit aux heures creuses), d'autre part, il assure à l'eau une pression constante et suffisante pour qu'elle jaillisse bien des robinets.
Cette pression est la pression hydrostatique qui résulte de la position élevée du réservoir.
Pour le remplir, il faut évidemment une pompe qui refoule l'eau depuis la nappe, la source ou la station de filtration, et lors d'une panne d'électricité un peu longue, on est également en panne d'eau.
Je ne pense pas que les châteaux d'eau soient obsolètes, d'ailleurs on continue d'en construire, mais dans les grandes villes, je pense qu'on les dissimule, et qu'on remplace la pression hydrostatique due à la hauteur par une pression de gaz comprimé au-dessus de l'eau, dans des réservoirs souterrains.

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Pourquoi l'eau prend-elle plus de place à l'état solide qu'à l'état liquide?
19/05/1999 Question de Michel Allier, enseignant de cycle 2 à l'école de la Talaudière dans la Loire
Pourquoi l'eau prend-elle plus de place à l'état solide qu'à l'état liquide?
Voilà la question que se pose mes élèves de CE1. Pourriez-vous m'indiquer un schéma explicatif correspondant à leur niveau de perception?

20/05/1999 Réponse de Jean Matricon
L'eau est un liquide bizarre, aux propriétés étranges, qui sont justement celles qui la rendent si fondamentale pour la vie. La différence entre l'état cristallisé de la glace et l'état désordonné de l'eau liquide tient au fait que dans le premier, les molécules d'eau, qui ressemblent à la tête de Mickey (un gros rond, l'oxygène, et deux larges oreilles, les hydrogènes) s'ordonnent dans l'espace de façon très contraignante, chaque oxygène d'une molécule devant être aligné avec la direction de la liaison oxygène-hydrogène de la molécule voisine. Essayez de construire cet empilement de têtes de Mickey en respectant cette contrainte, et vous verrez qu'il ne peut pas être compact. De ce fait, les molécules ne peuvent pas se rapprocher, alors que dans l'eau liquide, cette contrainte d'alignement n'est plus assez forte comparée à l'énergie d'agitation thermique, et les molécules glissent les unes sur les autres en étant bien plus proches en moyenne. Il faut remarquer que juste à 0°, l'eau se "souvient" encore un peu de l'état de glace et des contraintes qu'il impose. Elle n'est pas tout-à-fait à son maximum de compacité, qu'elle n'acquiert qu'à 4° : entre 0° et 4°, l'eau se contracte et ne commence à se dilater qu'au delà de 4°.

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Les odeurs de parfum sont-elles des gaz
26/05/1999 Question de Pierre Grossetete. Professeur des écoles de cycle 3 à l'école des Iles de Mars Pont de Claix pgcd@club-internet.fr
Un élève de CE1 pose la question suivante : est-ce que les odeurs de parfum sont des gaz?
La collègue nous demande notre avis !!
Pour moi l'odeur des parfums vient du dégagement de molécules d'aldéhydes, mais on ne peut pas considérer cela comme un gaz.
Qu'en pensez-vous?

26/05/1999 Réponse de Jean Matricon :
L'odeur des parfums, comme toutes les autres sensations olfactives, est déclenchée par le contact, sur les terminaisons sensorielles de l'olfaction, de molécules de tailles variables, mais toutes portées par l'air inspiré. La notion de gaz est imprécise lorsqu'il s'agit de molécules extrêmement diluées, portées par le mélange de gaz qu'est l'air. Cependant, la plupart des substances organiques dont la masse molaire n'excède pas une centaine ont, à température ambiante, une tension de vapeur non négligeable, ce qui veut dire qu'elles existent à l'état gazeux en équilibre avec le liquide (ou le solide). Tout ça pour dire qu'à mon avis, une molécule odorante n'est "perçue" qu'à l'état gazeux, même si ce qu'on renifle a l'air d'un liquide (le benzène) ou d'un solide (le camphre).

26/05/1999 Réponse de Gérard Torchet :
Il faut sans doute essayer de préciser les termes. Une odeur est le résultat de la rencontre entre un type de molécule et... un nez (dans lequel se trouvent les terminaisons du nerf olfactif) relié à un cerveau.
La molécule en question et quelques autres identiques sont au départ diluées dans un gaz (par exemple l'air), un liquide ( par exemple l'eau) ou un solide (un savon). Les molécules ne forment donc pas, à elles seules, un "état" de la matière. Lorsqu'elles sont libérées, par exemple en chauffant le liquide ou le solide (car dans un gaz, elles sont déjà libres), elles voyagent, en général dans l'air, jusqu'au nez. Le gaz, c'est le moyen de transport des molécules odorantes. On a longtemps pensé que l'odeur était exclusivement associée à des fonctions chimiques, comme dans les aldéhydes. Il est intéressant de noter qu'on a aussi mis en évidence, depuis quelques dizaines d'années, le rôle de la forme des molécules. A un site olfactif d'un type donné correspond une odeur caractéristique (camphre, menthe...) lorsqu'une molécule de forme appropriée vient s'y loger (comme 2 pièces d'un puzzle se logent l'une dans   l'autre)."

27/05/1999 Réponse de Martin Shanahan
Il est reconnu (par quel moyen, je l'ignore) que le mâle peut "sentir" une femelle vierge a 11 km! Elle a moins de 0,0001 mg de la substance responsable sur ou dans) elle. Il paraît que c'est un alcool ( cela veut dire qu'il contient un (ou des ) groupement(s) -OH)de formule C16H29OH. Le mâle peut (apparemment) détecter une molécule du produit!
Donc le sens de "gaz" disparaît complètement dans ce contexte !

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L'agitation de l'air favorise-t-elle l'évaporation ?
17/09/1999 Question de Bernard Theys, cycle 3, db140279@club-internet.fr
Lors d'une préparation de séance sur la sensation de froid qui accompagne l'évaporation, la question s'est posée de savoir pourquoi, quand on utilise un ventilateur (qui brasse de l'air chaud), l'agitation de l'air favorise le processus d'évaporation.

17/09/1999 Réponse de Gérard Torchet
"Lorsqu'une assiette remplie d'eau se trouve sur une table, il ya, au voisinage de la surface liquide, de la vapeur d'eau (un gaz, que l'on ne voit donc pas). Si l'on supprime cette vapeur, une partie de l'eau liquide se transforme en vapeur pour remplacer celle qui a disparu. L'eau liquide "s'évapore". Le vent favorise l'évaporation (séchant les trottoirs mouillés ou le linge pendu à l'extérieur) en balayant la vapeur au fur et à mesure qu'elle se forme. Le ventilateur joue le même rôle, même s'il brasse de l'air chaud : dans un premier temps, on peut dire que le coup de balai (d'air) est plus important que la température du balai.
Mais la température joue aussi un rôle. A une température donnée, le liquide ne s'évapore pas s'il est surmonté d'une certaine quantité maximale de vapeur (on parle de pression de vapeur "saturante"). Tant que cette quantité n'est pas atteinte, le liquide a tendance à s'évaporer (l'assiette se vide même s'il n'y a pas de ventilateur, sauf si elle se trouve dans une salle de bain... après le bain). Le ventilateur accélère le processus. Si la température est plus élevée, la quantité de vapeur maximale qui peut être atteinte est aussi plus élevée, ce qui facilite aussi l'évaporation. Les deux effets, courant d'air et air chaud, sont combinés dans le sèche-cheveux."

18/09/1999 Question de Bernard Theys, cycle 3, db140279@club-internet.fr
Merci pour cette réponse, mais nous voudrions un complément d'information : si nous avons bien compris, la quantité de vapeur d'eau située au dessus de la coupelle est supérieure à celle qui se trouve à 20 cm (par exemple). Donc la quantité de vapeur présente dans l'air varie de façon significative en fonction de la distance à une source éventuelle d'eau ? Pourquoi ne se répend - elle pas dans tout l'air environnant ("un gaz occupe tout le volume dont il dispose")?
Pourriez vous nous indiquer un livre (facile) qui nous permettrait d'approfondir la question?

21/09/1999 Réponse de Gérard Torchet
Votre remarque est justifiée. Dans une salle sans courants d'air, où l'air est partout à la même température, la vapeur d'eau occupe "tout le volume dont elle dispose". Si j'ai privilégié le voisinage de la surface liquide, c'est que c'est la région où s'opère la vaporisation de l'eau. La quantité de vapeur d'eau (comme pour l'air) varie avec l'altitude et la température, mais ces effets sont négligeables dans une salle. En fait, du moins dans nos régions, l'air contient toujours de la vapeur d'eau, un peu (air sec) ou beaucoup (air humide) ; il est rarement saturé de vapeur d'eau (sauf dans une salle bains). La comparaison entre la teneur en vapeur d'eau de l'air d'une pièce et celle d'un air saturé (à une température donnée) fournit le degré hygromètrique de l'air, mesuré avec un hygromètre (de l'ordre de 60 % dans les appartements).
L'évaporation de l'eau liquide est évidemment d'autant plus rapide qu'on la place dans un air (ou un courant d'air) plus sec.
Il n'est pas simple de vous indiquer un livre "facile". Pour interpréter le changement d'état liquide->gaz, les physiciens (thermodynamiciens) introduisent des grandeurs délicates à manipuler (par exemple la pression dite "partielle" des différents gaz qui composent l'air humide). De plus, les livres parlent toujours de l'ébullition et rarement de la vaporisation
à toute température (qui me semble être votre sujet d'intérêt). En voici deux :
- Enseigner la physique à l'école primaire, J.-P. Bonan, Hachette Education, 1998
(4 pages sur vaporisation et liquéfaction, avec propositions d'expériences) ;
- Le chaud et le froid, J.-P. Maury, Hachette/Palais de la découverte, 1987 (excellent petit livre, mais peut-être difficile à trouver).

07/10/1999 Réponse de Jacques Dufaux
Bonjour, un livre plus récent de JP Maury: la glace et la vapeur, collection ''papa dis- moi'', Palais de la découverte, éditions OPHRYS 1989

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Pourquoi certains solides peuvent passer par un état liquide et gazeux et d'autres non ?
30/09/1999 Question d'Anne Doll, enseignante de cycle 3 à l'école Marcel Pagnol dans la Vienne anne.doll@libertysurf.fr
Je suis en ce moment entrain de préparer ma progression sur les états de la matière et je me suis demandée comment j'allais pouvoir expliquer aux enfants que certaines matières pouvaient (comme l'eau, la silice, les métaux )dans certaines conditions de température et de pression, changer d'état de manière réversible, alors que d'autres matières (comme le carton, le bois) ne changeaient pas d'état mais étaient transformées (charbon, CO2).
Pourquoi certains solides peuvent passer par un état liquide et gazeux et d'autres non ?

30/09/1999 Réponse de Jean-Louis Basdevant
Avant tout, le carton et le bois brûlent si on les chauffe parce qu'on fait
cette opération dans l'AIR qui contient de l'oxygène. Ca arrive d'ailleurs
à beaucoup de métaux (magnésium, aluminium etc.).
En outre, le carton et le bois sont des corps compliqués. Si on les fait cuire (en atmosphère neutre), on peut distiller divers corps plus simples comme du gaz (c'était employé dans les moteurs à gazogène), recueillir des goudrons (on en parle beaucoup à propos des cigarettes). L'échauffement de corps comme le bois provoque avant tout quantité de transformations chimiques, car les molécules organiques complexes qui composent la cellulose sont vite instables au delà d'une certaine température.
Les cuisiniers connaissent bien cela (ils font de la cuisine avec des substances pas tellement différentes du carton ou du bois). Je pense donc que Jean Matricon va, une fois encore, nous donner une explication savoureuse. Le sucre est un corps intermédiaire: il commence par fondre, puis se transforme en caramel, mais il ne faut pas pousser l'échauffement trop loin.

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Pourquoi les bateaux flottent-ils ?
01/10/1999 Question d'Emmanuel Yvon, enseignant de cycle 3 à l'école de Triaize en Vendée. LES3ILES85.TR@wanadoo.fr
Travaillant actuellement sur la "flottabilité" d'un objet (dégager des critères sur cette même flottabilité), je me trouve un peu ennuyé pour expliquer SIMPLEMENT pourquoi les bateaux flottent...et j'ai donc du mal à dégager ces critères qui ne sont pas seulement la masse, la matière ou le volume.
C'est pourquoi je souhaite:

oeil.gif (620 octets)quelques explications théoriques afin de m'approprier le problème de façon plus claire
oeil.gif (620 octets)des pistes expérimentales pour que les enfants comprennent le phénomène.

04/10/1999 Réponse de Jean Matricon
L'explication "théorique" réside dans la célèbre "poussée d'Archimède" : tout corps plongé dans un liquide subit de la part de celui-ci une force verticale dirigée de bas en haut, égale au poids du liquide déplacé. De deux choses l'une, ou bien le poids de ce corps est supérieur à la poussée d'Archimède, et le corps coule, ou bien il est inférieur, et le corps flotte.
C'est vite dit, mais ça n'est pas forcément très clair. Que signifie "liquide déplacé"? Quand j'immerge en entier dans de l'eau un objet dont le volume est un litre, le volume d'eau déplacé vaut précisément un litre, dont la masse est 1kg. La poussée d'Archimède vaut 1kg x 9,81=9,81N. Tant que je ne l'ai pas entièrement enfoncé, le volume déplacé ne correspond qu'à la partie immergée, et la poussée d'Archimède est inférieure à cette valeur. La question de flottabilité est alors un problème d'équilibre de forces, le corps immergé étant soumis à deux forces de sens opposés, son poids et la poussée d'Archimède. L'une est constante (le poids), l'autre varie avec l'enfoncement (la poussée). Si l'équilibre entre ces deux forces est atteint avant immersion complète, le corps cesse de s'enfoncer et flotte. Si l'équilibre n'est jamais atteint, ce qui signifie que la densité moyenne du corps est supérieure à celle de l'eau, le corps coule irrémédiablement. Le corps qu'on immerge n'a pas besoin d'être homogène pour que la loi s'applique. Un bateau est en fait une boîte métallique étanche en ferraille, pleine d'air. Elle n'est donc pas vraiment lourde, et son poids est inférieur au poids d'un volume égal d'eau. Donc elle flotte. Si on la remplit d'objets lourds, par exemple des morceaux de plomb ou de cuivre, il vient un moment où son poids dépasse celui du même volume d'eau, et elle coule.
Je propose la petite expérience suivante, qui nécessite un matériel peu coûteux : une cuvette pleine d'eau, un gobelet en plastique de qualité moyenne, de l'alcool à brûler, de l'eau et du sel.
-1 on remplit à moitié le gobelet d'alcool et on le dépose sur l'eau. il flotte évidemment, et on le remplit avec précaution, toujours d'alcool, jusqu'au bord. Il flotte toujours, et son bord est bien à quelques millimètres au-dessus du niveau de l'eau.
-2 on refait l'expérience en le remplissant d'eau. Juste quand il est plein, il coule, ou presque, en tout cas l'eau affleure le bord.
-3 même expérience, avec de l'eau bien salée. Pour obtenir vite de l'eau bien salée, il est commode de chauffer l'eau avec plein de sel dedans, de laisser refroidir et de décanter. Cette fois, on constate que le gobelet coule avant d'être rempli jusqu'au bord.

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Soulever un glaçon avec une ficelle
05/10/1999 Question d'Aurélien Perroud, enseignant stagiaire dans les Bouches-du-Rhône, aurelien.perroud@caramail.com
Une expérience connue consiste à soulever un glaçon par une ficelle. Celle-ci est fixée au glaçon en y déposant du sel. Quelle est l'explication possible alors que généralement on dit que le sel fait fondre la glace.

07/10/1999 Réponse de Gérard Torchet :
La solidification de l'eau pure se produit à 0 °C mais celle de l'eau salée intervient à une température plus basse, disons par exemple à - 5 °C. Un peu de sel en surface d'un glaçon donne naissance à une goutte d'eau salée qui demeure liquide tant que sa température est supérieure à - 5 °C. Mais comme elle est en contact avec le glaçon qui, lui, est plus froid et bien plus gros, elle se solidifie rapidement. Le glaçon joue en quelque sorte le rôle du compartiment froid d'un réfrigérateur, ou du congélateur, dans lequel on place un verre d'eau salée. Une chaussée salée en hiver peut très bien "regeler".
"Le sel fait fondre la glace". Il me semble que cette expression usuelle doit être maniée avec précaution devant des élèves. Surtout si l'on vient de montrer qu'un glaçon se liquéfie quand on le chauffe !
Il faudrait faire constater que la goutte liquide en surface n'est pas de l'eau pure (si chacun dispose d'un glaçon, chez lui ou en classe)

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Comment fabriquer de l'oxygène et du gaz carbonique
09/10/1999 Question de Dominique Chopard, enseignant de cycle 3 à l'école Saint-Blaise dans les Hautes Alpes, saintblaise05.dominique@wanadoo.fr
Comment pourrait-on fabriquer facilement de l'oxygène en classe ?
Comment pourrait-on fabriquer facilement du gaz carbonique autrement que par notre respiration ?

12/10/1999 Réponse de Jean Matricon
Pour l'oxygène, je préconise une méthode simple et efficace, qui demande seulement un produit de consommation courante, l'azote liquide. Il suffit de fabriquer un entonnoir conique en cuivre, dont le sommet est fermé et terminé par une structure pointue. On remplit ce cône d'azote liquide (température -192°C) et l'oxygène de l'air, qui bout à -185°C, se condense sur les parois externes du cône et coule goutte à goutte en bas le long de la pointe. Il suffit de le recueillir. Il existe d'autres méthodes, comme le chauffage de certains peroxydes ou chlorates, mais c'est un peu dangereux, et ça peut donner de mauvaises idées, le chlorate étant un produit courant de désherbage dont il vaut mieux ne pas trop montrer toutes les bêtises qu'on peut faire avec.
Pour ce qui est du gaz carbonique, il suffit de traiter du calcaire avec de l'acide chlorhydrique, ou même du vinaigre, pour obtenir autant de CO2 qu'on veut.

14/10/1999 Réponse de Richard-Emmanuel Eastes
En ce qui concerne la production de dioxygène, il me semble qu'une alternative assez simple à réaliser consiste en l'électrolyse d'une solution aqueuse saline (soude par exemple) à l'aide d'un générateur de courant continu (le courant alternatif conduirait à l'obtention de deux mélanges tonnants 2H2 + O2). Le gaz produit à l'anode (électrode reliée au pôle + du générateur) est du dioxygène (attention, la présence d'ions chlorures dans la solution saline mène à la production conjointe de dichlore avec certains types d'électrodes).
Je propose également de recueillir le gaz obtenu par décomposition de l'eau oxygénée concentrée (la dismutation du peroxyde d'hydrogène H2O2 conduit à H2O + 0.5 O2). La chaleur et diverses substances accélèrent cette décomposition : acides, bases, ions fer II, etc.
Si l'enseignant désire réaliser l'une de ces deux expériences, je pourrai lui donner quelques indications d'ordre expérimental supplémentaires.

15/10/1999 Réponse de Michel Boyer :
Autre solution également facile à mettre en œuvre : faire agir une solution de permanganate de potassium acidifiée par un peu d'acide sulfurique sur une solution d'eau oxygénée (prendre de l'eau oxygénée à 10 ou 20 volumes du commerce ; ajouter un peu d'acide et quelques cristaux de permanganate de potassium) l'oxygène se dégage spontanément dans le tube ; on peut directement faire le test de combustion.
Au point de vue réaction chimique, il s'agit de l'oxydation de l'eau oxygénée (dans laquelle l'oxygène est au degré d'oxydation -1) en oxygène (degré d'oxydation 0) par l'ion MnO4- en milieu acide.

03/12/1999 Réponse d'André Pousse, scientifique, pousse@chimie.u-strasbg.fr
J'ai lu un certain nombre de réponses apportées aux questions des enseignants, en particulier celle qui concerne la production d'oxygène gazeux. Les méthodes indiquées sont tout à fait judicieuses. Il me semble cependant que la méthode le plus simple consiste à faire couler goutte à goutte dans une solution de soude à 10%, à laquelle on a ajouté quelques cristaux (quelques milligrammes) de chlorure de cobalt, de l'eau oxygénée du commerce. Le dégagement d'oxygène commence aussitôt et on peut en régler le débit avec l'addition goutte à goutte de l'eau oxygénée. Le débit cesse dès qu'on interrompt l'addition d'eau oxygénée.

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Combustion d'une bougie dans un bocal
14/10/1999 Question de Dominique Chopard, enseignant de cycle 3 à l'école Saint-Blaise dans les Hautes Alpes, saintblaise05.dominique@wanadoo.fr

Tout d'abord merci de nous offrir votre aide précieuse. (cf question précédente)
Pour le C02, pas de problème.
Pour l'oxygène, la mise en place est trop compliquée. Je vais voir à l'hôpital s'ils peuvent nous en fournir dans une bouteille plastique.
Je vous pose une autre question survenue lors de notre dernière expérimentation.
Un enfant a émis l'hypothèse que lorsque qu'une flamme s'éteint ( quand elle se consume dans un bocal) c'est parce que la flamme produit un gaz qui provoque son extinction. Que dois-je lui répondre ?

14/10/1999 Réponse de Jean-Louis Basdevant :
Qu'il a raison et qu'il a de bonnes idées. Que ce qui se passe est que le fait de brûler transforme un gaz O2 qui permet de brûler en un autre C02qui ne le permet pas (on ne peut pas respirer dans du CO2).
Attention, savoir si c'est du CO2 (qui éteint) qui est produit, ou bien de l'O2 (qui fait brûler) qui est consommé est une affaire de sophistes grecs.

14/09/1999 Réponse de Martin Shanahan
"Un enfant a émis l'hypothèse que lorsque qu'une flamme s'éteint ( quand elle se consume dans un bocal) c'est parce que la flamme produit un gaz qui provoque son extinction. Que dois-je lui répondre ?"
Oui et non! En brûlant, la matière en question consomme l’oxygène présent. Sans oxygène, un des combustibles (l'autre étant la substance enflammée), la combustion ne peut plus continuer. Donc, la flamme s’éteint si il n'y a plus d’oxygène. Toutefois, dans certaines conditions, sans assez d’écoulement local d'air, il peut rester de l’oxygène mais qui est séparé de la flamme par une "couverture" de produits de combustion, notamment le dioxyde de carbone si la substance enflammée est organique, c.a.d contient du carbone. Si la flamme n'est pas très grande, il n'y a pas beaucoup de convection (brassage d'air dû aux différences de température), et étant donné que le dioxyde de carbone est plus dense que l'air (plus lourd par unité de volume),le récipient se remplit a partir du bas avec ce gaz. Lorsqu'il atteint le niveau de la flamme, il "pousse" l'air, contenant l’oxygène, vers le haut, empêchant le contact nécessaire pour la combustion. Notons que l'effet est passif; le dioxyde de carbone n’éteint pas la flamme par une action directe. (Des questions de diffusion mutuelle des gaz (des mélanges air/dioxyde de carbone ) interviennent également, mais il ne faut pas trop compliquer la question!).

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Les polymères
18/10/1999 Question de Jean-François Ortemann, enseignant de cycle 3 à l'école d'Areines (41) XOrtemann@aol.com
Nous souhaitons aborder les polymères et la matière molle avec les enfants . Pourriez-vous me donner une liste des polymères naturels et artificiels . Ainsi que le principe des polymérisations par catalyse et d'autres types de polymérisations?
est-ce l'hévéa ou le caoutchouc naturel , le polymère?
Le jaune d’œuf est-il un polymère ou entraîne-t-il une polymérisation de l'huile?
En ce qui concerne les matériaux composites pourriez-vous me donner des exemples
est-il vrai qu'ils additionnent les propriétés des matériaux dont ils sont faits
Peut-on tester en classe de façon simples ces matériaux?
Pourriez-vous me situer les uns par rapport aux autres ces termes polymères, polymérisation ,surfactant et colloides à l'aide d'exemples simples.

19/10/1999 Réponse de Richard-Emmanuel   Eastes
>Le jaune d’œuf est-il un polymère ou entraîne-t-il une polymérisation de l'huile ?
Le jaune d’œuf contient de la lécithine, une molécule aux propriétés tensio-actives (telles qu'en présentent les détergents). L'action de cette molécule est de favoriser la création de micelles, microscopiques goutelettes d'huile dispersées dans la phase aqueuse (le vinaigre dans le cas de la fabrication de la mayonnaise), qui confèrent à l'émulsion ainsi constituée, son opacité (les microgouttelettes diffusent la lumière dans toutes les directions) et sa consistance.
Le jaune d’œuf n'est donc responsable d'aucun processus de polymérisation ; la lécithine "enrobe" simplement les gouttelettes d'huile, grâce à une partie hydrophobe tournée vers l'intérieur de la micelle, et une partie polaire hydrophile orientée vers la phase aqueuse. C'est ce caractère, à la fois hydrophile et hydrophobe de la molécule (caractère "amphiphile"), qui permet la dispersion des micelles dans l'eau. Dans le cas du lait, une protéine nommée caséine joue le même rôle que la lécithine en assurant la dispersion des lipides dans le mélange. La dénaturation de la caséine, par acidification par exemple, conduit à la libération des graisses, qui ne sont alors plus solubilisées : le lait "caille".

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Pourquoi l'alcool dilué dans l'eau se trouble lorsqu'on le mélange avec de l'huile
24/10/1999 Question de Jocelyne Crinière, enseignante de cycle 3, Jules Lenorman (Loiret) ikosal@club-internet.f
Nous menons une activité (niveau CM2) de mélange de liquides avec de l'eau (suite à un article de journal sur les "marées noirs"). Nous avons constaté que des liquides étaient miscibles d'autres pas. Nous avons abordé la notion de densité...Nous posons la question suivante lorsqu'on mélange eau, huile alcool à 90° le mélange eau alcool se trouble, pourquoi ?
Notre question vient du fait que nous constatons que lors du mélange eau + alcool + huile, (après avoir agité) l'huile remonte à la surface. "

29/10/1999 Réponse de Richard-Emmanuel Eastes
"Je n'ai pas réalisé l'expérience, mais si je comprends bien les observations décrites par l'enseignant, il me semble que l'ajout d'alcool à l'eau augmente l'affinité de la phase ainsi obtenue pour les corps gras. Toutefois, cette affinité n'est pas suffisante pour que la dissolution ait lieu. Dans un premier temps, de fines particules de graisse se dispersent dans la phase aqueuse, lui conférant ainsi son aspect laiteux (il s'agit toujours du même phénomène de diffusion de la lumière sur les particules en suspension), puis la décantation se produit lentement, et l'huile "remonte à la surface".

05/11/1999 Question de Jocelyne Crinière, enseignante de cycle 3, Jules Lenorman (Loiret) ikosal@club-internet.f
Je vous remercie de votre réponse, mais pourriez vous expliciter les termes "affinité de la phase" ?"

09/11/1999 Réponse de Richard-Emmanuel Eastes
Très schématiquement, et si l'on néglige les effets [entropiques] liés à la dispersion de l'huile dans la phase eau-alcool, l'affinité de cette phase eau-alcool pour les corps gras correspond à la force des interactions qui lient les gouttelettes ou molécules d'huile à leur environnement aqueux.
Le terme "affinité" fait partie du vocabulaire de la thermodynamique, mais sa signification usuelle convient également : les corps gras ont plus d'affinité avec la phase aqueuse lorsque celle-ci contient de l'alcool que lorsqu'elle n'en contient pas.
On comprend assez bien alors pourquoi la vitesse de démixtion (séparation des phases aqueuse et organique) est ralentie par l'ajout d'alcool dans l'eau (ce résultat, très intuitif, n'est toutefois pas immédiat).

 02/11/1999 Réponse de Gérard Torchet
"J'ai fait l'expérience du mélange eau + alcool + huile et ce qui se passe est bien décrit dans la réponse de Richard-Emmanuel Eastes.
Il me semble intéressant d'observer comment se reconstitue la couche d'huile en surface. Les gouttes d'huile, qui étaient dispersées dans l'eau, se rassemblent peu à peu pour en former de plus grosses. L'eau n'est pas "capable" de les maintenir dispersées alors qu'elles remontent vers la surface. C'est particulièrement rapide et spectaculaire quand on regarde la surface les "ronds" d'huile proches forment des ronds plus grands qui à leur tour grossissent jusqu'à occuper toute la surface.
Le mécanisme de reconstitution de la couche d'huile est bien plus lent et même incomplet lorsque l'on ajoute un détergent. Ce dernier maintient en partie la dispersion de l'huile et l'on voit, après avoir laissé reposer quelques minutes, une couche laiteuse sous la couche d'huile. D'où le rôle des produits utilisés pour laver la vaisselle grasse diviser pour nettoyer, en quelque sorte.

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Maintenir des bulles d'air dans l'eau
08/11/1999 Question d’Elizabeth Guéhenno, enseignante de cycle 3 à l’école Jean Guéhenno (14), audeliza@wanadoo.fr
La classe de ma collègue, regroupant des enfants de C.E.2 aimerait savoir si des bulles d'air peuvent longtemps séjourner, emprisonnées dans l'eau. Par ailleurs, ils se demandent si on peut en retrouver la trace dans l'eau, sous une autre forme. Leur professeur est bien embêtée pour répondre à ces questions très pertinentes.

09/11/1999 Réponse de Richard-Emmanuel Eastes :"la classe de ma collègue, regroupant des enfants de C.E.2 aimerait savoir si des bulles d'air peuvent longtemps séjourner, emprisonnées dans l'eau."
Une bulle d'air peut a priori séjourner dans l'eau longtemps, à condition qu'on l'empêche de remonter à la surface, ou elle éclaterait irrémédiablement (à moins que la tension superficielle de l'eau ne soit diminuée par adjonction d'un tensio-actif). Cette condition est bien rarement satisfaite, et c'est pour cette raison que l'observation de bulles d'air stables dans l'eau ne peut être réalisée très facilement.
Toutefois, les insectes aquatiques, comme certaines espèces de libellules ou de moustiques, utilisent cette propriété. Ils se développent sous l'eau, attachés à une herbe, la larve étant placée dans une bulle d'air qui lui permet de respirer.
Bien évidemment, la durée de vie de la bulle est d'autant plus allongée que l'eau est plus saturée en air dissous, sans quoi elle se résorbe pour se dissoudre à son tour.
>"Par ailleurs, ils se demandent si on peut en retrouver la trace dans l'eau, sous une autre forme."
Je ne comprends pas bien la question.
Il me semble toutefois important d'ajouter que l'air, comme je l'ai écrit ci-dessus, peut exister dans l'eau sous forme dissoute, et donc invisible. C'est ce qui permet aux poissons et crustacés de se procurer le dioxygène nécessaire au fonctionnement de leurs organes.
Dans la mesure où la quantité de gaz qu'il est possible de dissoudre dans un liquide augmente avec la pression, cette dissolution peut être mise en évidence en diminuant brutalement la pression du liquide. C'est ce qui se produit lorsque l'on ouvre une bouteille de boisson gazeuse (Champagne, eau pétillante, soda, cidre, bière...) : la pression chute brutalement, et le gaz dissous (le dioxyde de carbone cette fois, et non plus l'air) s'échappe du liquide.
Il ne le fait heureusement pas d'un seul coup, car le processus nécessite le passage de ce que l'on appelle une "barrière d'activation", ce qui ralentit le dégazage. Quelle que soit la quantité de gaz dissous , une bulle doit en effet posséder un volume minimal pour pouvoir grossir, sans quoi elle se résorbe.
Cette barrière d'activation peut toutefois être abaissée en présence de substances poreuses ou de petits grains solides. C'est pour cette raison que la bière déborde si on lui ajoute du sucre en poudre, et que les bulles se forment toujours sur les parois du récipient qui contient le liquide.
Une autre façon de franchir cette barrière d'activation consiste à agiter le récipient avant de l'ouvrir : le liquide emprisonne alors le gaz présent autour de lui, et il se forme une multitude de petites bulles dont le volume est suffisant pour qu'elles puissent grossir une fois le récipient ouvert.
Si le récipient reste fermé, ces bulles se résorbent progressivement car l'atmosphère du récipient est saturée en dioxyde de carbone, et il peut être ouvert sans danger peu de temps après.
Enfin, pour accélérer le dégazage, plutôt que d'abaisser la pression du liquide, il suffit d'en augmenter la température ; ainsi, les premières bulles qui se forment dans une casserole d'eau que l'on fait chauffer ne sont pas constituées de vapeur d'eau, mais de l'air dissous qui s'échappe du liquide.
Pour terminer, notons qu'il est facile de prouver que l'introduction d'une cuiller en argent dans une bouteille de Champagne n'a aucun effet sur la préservation de son effervescence, quoi qu'on en dise ! "

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La couleur des feux d'artifice
13/11/1999 Question de Martine Pollender, enseignante de cycle 3, mpollender@yahoo.com
Le sujet de mes activités est les feux d'artifice. Comment parler de la couleur, en lien avec ce sujet. Nous savons que la couleur grâce à la quantité de poudre noire et de la température change. Les minéraux utilisés font varier les couleurs. J'aimerais présenter des coins-ateliers qui leur font prendre conscience de cette conception scientifique.

19/11/1999 Réponse d'Eric Walle
Tout d'abord, un petit cours théorique simple pour votre information : chaque élément chimique peut émettre, dans une flamme, un spectre de lumière (une "couleur") bien particulière et qui lui est propre. L'explosion d'un feu d'artifice permet de libérer une chaleur suffisante pour exister les atomes des minéraux présents dans la fusée, qui émettent alors leur couleur caractéristique. Si la flamme est trop "froide" (la température n'est pas assez élevée), la totalité du spectre n'est pas émis, et la couleur est différente. C'est pourquoi la température influe sur la couleur émise par un minéral dans une fusée de feu d'artifice.
Si on projette une poudre minérale dans une flamme, les atomes qu'il contient vont émettre une couleur particulière. Vous pouvez visualiser ce phénomène en projetant du sel de table (chlorure de sodium) dans la flamme de votre gazinière. La flamme jaune/orange qui en résulte est due au sodium.
Aller plus loin dans l'expérience est assez dangereux dans une classe, car il faut utiliser une flamme plus chaude qu'un brûleur de gazinière! A titre d'exemple, le sulfate de strontium émet une couleur rouge, le chlorate de barium une couleur verte et le chlorure de cuivre, une couleur bleue. Vous trouverez un petit film qui illustre cela à l'adresse Internet suivante http://www.webelements.com/webelements/elements/text/key/Cu.html site extérieur
Ce film illustre la combustion successive des minéraux que je vous ai cités, ce qui donne un magnifique arc en ciel.
Si les moyens techniques vous le permettent, la diffusion de ce petit film (quelques secondes) à vos élèves peut être intéressante"

19/11/1999 Réponse de Patrick Bouchareine
La poudre noire, c'est un mélange de salpêtre et de carbone utilisé surtout pour propulser les fusées. Des mélanges d'oxydants (nitrates) et de réducteurs (soufre, métaux en poudre) donnent divers types de combustions lumineuses et ce sont des sels métalliques qui apportent les couleurs (sels de cuivre, de baryum, de cadmium, de sodium, etc.). Il me paraît bien trop dangereux de faire jouer des élèves avec ces produits, mais il est relativement facile d'obtenir quelques couleurs caractéristiques en soufflant dans la flamme d'un bec Bunsen des sels finement pulvérisés. Le sel de cuisine (chlorure de sodium, NaCl) donne de beaux éclairs jaune vif, le cuivre (parfois présent sous forme de sel ou d'oxyde au bord du bec) donnera du vert. Un petit spectroscope de poche permettra d'observer les raies caractéristiques des métaux employés.

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Qu'est-ce qu'un liquide ? La sable en est-il un ?
20/11/1999 Question de Catherine Jullien, enseignante de cycle 1 à l’école Saint-Ouen ( 41) catmatphi@aol.com
J'ai lu une définition :
LIQUIDE:"Qui coule ou qui tend à couler. Etat de l'eau qui n'a pas de forme propre."
Je m'interroge à propos de cette définition.
En effet ne peut-on pas dire aussi:" le sable coule, je le verse..."
Le sable non plus n'a pas de forme propre.
Comment répondre à l'objection?
Comment préciser la définition du LIQUIDE au niveau Grande section maternelle?

24/111999 Réponse d'Eric Walle :
On peut définir, de manière générale, un liquide comme une matière dont la forme s'adapte au récipient dans lequel elle est contenue. Un liquide "coule" d'autant moins facilement que sa viscosité est élevée : par exemple, l'huile est plus visqueux que l'eau, et elle coule moins facilement.
Dans le cas du sable, la matière est composée de grains indépendant les uns des autres : on ne peut pas considérer que la matière "coule", car le mouvement global de la matière est assuré par le glissement des grains de sable entre eux. Si on prend un seul grain de sable, qui est représentatif de la matière en elle-même, le grain possède une forme "propre", c'est à dire que sa forme (que vous pouvez observer avec une loupe par exemple), ne change pas si vous changez le grain de récipient.

24/111999 Réponse de Jean Matricon :
Les physiciens sont très embarrassés pour donner une définition du liquide qui soit non ambiguë et exhaustive. Ils sont obligés de descendre au niveau moléculaire, et là, ils passent leur temps à énumérer les exceptions à leurs définitions. Je crois qu'au niveau de maternelle, il faut s'en tenir à une définition opérationnelle : un liquide, c'est ce qui se comporte comme de l'eau, et là, on énumère ensemble les propriétés de l'eau : elle coule, elle remplit complètement la forme du récipient, sa surface est plane et horizontale, elle se déforme indéfiniment. Puis on commence à comparer avec d'autres "liquides", de l'huile par exemple : tout est pareil, mais ça va plus lentement, surtout s'il fait froid, mais, en gros, c'est comme l'eau, donc c'est un liquide. Puis du sable. Là, tout n'est plus pareil, en particulier la surface n'est pas forcément ni plane ni horizontale, et puis ça ne coule pas tout de suite quand on commence à verser lentement. Donc, ça n'est pas un liquide puisque ça ne se comporte pas comme de l'eau. Il y a de quoi s'amuser pendant des heures.

24/111999 Réponse de Gérard Torchet :
Quand on parle de liquide dans les livres, le plus souvent, on parle de l'un des états possibles d'un corps pur. L'eau est un corps pur (courant à défaut d'être simple), l'alcool, le butane vendu en bouteilles, aussi. Le sable n'en est pas un. C'est un ensemble de petits grains formés de corps purs à base de silicium, qui sont à l'état solide. Quand on casse du sucre "en morceaux" pour en faire du sucre "en poudre", le sucre ne change pas d'état : c'est un solide. Dire que le sable ou le sucre en poudre "coulent" est un abus de langage, du moins si couler est considéré comme l'une des propriétés caractéristiques des liquides, ce qui, comme l'absence de forme propre, se révèle donc insuffisant.
Dans un liquide, il y a du mouvement, même si habituellement on ne le voit pas (on dit que c'est un état désordonné). Ce n'est pas le cas d'un tas de sable. Il me semble que quelques expériences peuvent faire sentir la différence, sans conduire à une définition simple. On verse de l'eau dans un récipient, elle s'étale et la surface est plane. Avec le sable, on obtient un cône. Si l'on plonge son doigt dans l'eau et qu'on le retire, la surface redevient plane. Avec une surface plane de sable, il reste un trou. En versant une goutte d'encre dans de l'eau, on voit un nuage d'encre qui se promène. Dans le sable, la goutte s'étale un peu mais reste où elle est tombée.
Qu'en pensez-vous ?

25/11/1999 Réponse de Martin Shanahan
Sans vouloir évoquer les problèmes de l'ordre sémantique, on peut considérer le sable comme un liquide, en quelque sorte. Surtout dans le cas des "lits fluidisés" ou un gaz est propulse, sous pression, a travers le sable et son comportement est encore plus "coulant"! En effet, cela me semble une question d’échelle: un grain de sable est visible a l’œil nu et est solide (rigide), tandis qu'une molécule de liquide est très petite et invisible (mais également assez rigide!). De même, les espacements entre les particules sont, respectivement "grands" et petits. Ceci évoque la nature des forces entre particules qui diminuent avec la distance. Ainsi les forces entre les grains de sable sont petites, mais celles entre les molecules de liquide (assez) grandes (ce qui limite la volatilité).

09/01/2000 Question de Catherine Julien :
Je viens de découvrir dans le magazine le point du 7 janvier 2000 http://www.lepoint.fr/data/PNT1425/2503001P.html ,ailleurs.gif (1328 octets)un article intitulé:"MATIERE: les mysteres du sable"
L'auteur de l'article ecrit" la communauté des physiciens est tourmentée, par "l’état énigmatique du pâté de sable".(...) Solide ou liquide? "les deux!" tranche Franck Radjai, chercheur au CNRS de Montpellier.(...)
Il reste donc à définir une nouvelle physique théorique destinée à comprendre le quatrième état de la matière: sable, semoule, sucre en poudre....Fin de l'article. Dans cet article on trouve des arguments qui appuient la thèse sable = solide et d'autres sable=liquide.
L'affirmation de Franck Radjai est-elle accessible aux enfants de grande section ( 5 ans) ?
Pourquoi, au lieu de prendre une position exclusive ne pas faire apparaître l'énigme?
cela se comporte comme un solide parce que.....
cela se comporte comme un liquide parce que....
La catégorisation conceptuelle est brisée.
Liquide et solide s'identifient a un comportement de la matière et n'est plus "une carte d'identité" de la matière. Qu'en pensez-vous? "

09/01/2000 Réponse de Jean Matricon : Du temps d'Aristote, les choses étaient simples : les liquides étaient représentés par l'eau, et je suis persuadé qu'il n'aurait jamais pris du sable pour un liquide. De nos jours, (ne serait-ce pas une pure question sémantique), on cherche à donner une nouvelle définition du mot "liquide", qui élargit le concept jusqu'à des limites quasi infinies : pour le physicien, le verre est un liquide. Se sent-on capable de faire passer ce message en maternelle? De même, la limite entre liquide et gaz est diffuse, il suffit de faire le petit voyage bien connu du tour du point critique. Et puis il existe d'autres états de la matière, d'autant plus subtils qu'ils sont plus exotiques, genre liquide superfluide ou cœur des étoiles à neutrons.
L'idée d'une définition opérationnelle du liquide et du solide (et du gaz) est séduisante, mais je la crains un peu périlleuse en maternelle. Et puis, si on veut absolument que du sable soit un liquide, il faut expliquer pourquoi, dès qu'on le mouille avec de l'eau, il devient presque un vrai solide.

10/01/2000 Réponse de Jean-Louis Basdevant :
J'ajouterais qu'il est bon d'inculquer un peu de tolérance dans l'esprit des enfants. Je veux dire par là que tout n'est pas bon ou mauvais, noir ou blanc, solide, liquide ou gazeux, un point c'est tout.
Certaines choses , l'eau de la mer a la plage, sont des liquides; d'autres, les briques d'une maison, sont des solides; d'autres encore, l'air, le butane à l'extérieur de la bouteille, sont des gaz. Et puis on peut, avec de l'imagination et de l'observation, voir qu'il y a toutes sortes d'assemblages qui ont des propriétés intermédiaires.
Je trouve l'exemple du sable mouillé superbe. Il fait REFLECHIR, au lieu d'être posé comme un dogme (de plus). Et il concerne un objet parfaitement familier.

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Y-a-t-il de l'eau dans tous les liquides
20/11/1999
Question de Nicolas Demarthe, enseignant de cycle 3 à Granges-Est ( 60) ZEPNOGENT.60@wanadoo.fr
Dans le questionnaire d'introduction du module sur les liquides, un élève de CE2 répond à la question :"Qu'est-ce qui est vrai pour tous les liquides ?"
Réponse : "Dans tous les liquides, il y a de l'eau".
Est-ce exact ?

24/11/1999 Réponse d'Eric Walle :
C'est inexact : ce qui est vrai pour tous les liquides, c'est que leur forme s'adapte au récipient dans lequel ils sont placés

24/11/1999Réponse de Gérard Torchet
L'eau liquide est un état possible du corps pur "eau". Tous les autres corps purs ont un état liquide qui (évidemment) ne fait pas intervenir l'eau. Il n'y a pas d'eau dans le liquide (butane) que l'on voit dans les briquets. Ce qui est vrai, c'est que la plupart des liquides courants contiennent de l'eau , mais ce ne sont pas des corps purs.

25/11/1999 Réponse de Martin Shanahan
NON! Il n'y a certainement pas de l'eau dans tous les liquides!
Voir Qu.précedente. C'est surtout les qualités de pouvoir couler mais d’être (relativement) incompressible qui decrivent bien un liquide. Il faut remarquer que certaines matières (certains caoutchoucs, par ex.) ne sont ni solides rigides, ni vraiment liquides (coulant)...la définition devient assez floue ici!

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La clepsydre
21/11/1999 Question d'Armel Dromain, enseignant en cycle 3 à l'école Pommery (51) abcdromain@aol.com
J'ai besoin d'un peu d'explications à propos d'une expérimentation que mes élèves sont en train de réaliser. Il s'agit de clepsydres…
Le point de départ est une clepsydre conçue comme un sablier, construite avec deux bouteilles superposées et une paille permettant la communication entre les deux réservoirs.
Le problème s'est posé ainsi : quelques gouttes tombent, et c'est tout. Pourquoi l'eau ne tombe-t-elle pas ?
Les élèves ont émis un certain nombre d'hypothèses :

oeil.gif (620 octets) Il y a peut-être de la colle qui bouche.
oeil.gif (620 octets) Il y a peut-être trop d'eau et le tuyau est trop fin
oeil.gif (620 octets) L'air de la partie du bas ne peut pas prendre le même chemin que l'eau qui veut descendre.
oeil.gif (620 octets)Il faudrait peut-être mettre les deux parties d'air en communication.
oeil.gif (620 octets) Il y a trop de pression en bas et pas assez en haut.

Avant que les élèves ne réalisent un autre dispositif, j'ai voulu moi même en avoir le cœur net, et j'ai fait deuxième montage , avec deux pailles, l'une permettant le passage de l'eau, l'autre le passage de l'air. Et ça fonctionne. Il y a bien une question de communication entre les deux réservoirs d'air.
Le problème est que je ne sais pas trop quelle autre explication supplémentaire donner, d'une part aux enfants quand ils seront arrivés à cette conclusion, et d'autre part à moi-même.
Je subodore qu'il doit y avoir des questions de tensions de surface, mais je ne vois pas clairement quoi.
Pourrait-on me renseigner à ce sujet ?

24/11/1999 Réponse d'Eric Walle :
Le récipient du haut possède un certain volume, qui est occupé par de l'eau et de l'air. Si une quantité d'eau passe vers le récipient du bas, il faut que le volume qu'elle occupait soit remplacé par de l'air, de sorte que la somme des deux volume (air+eau) soit constant et égal au volume total du récipient du haut. On peut faire le raisonnement inverse pour le récipient du bas. Pour assurer le mouvement de l'eau du haut vers le bas, il faut donc assurer le mouvement de l'air du bas vers le haut.

24/11/1999 Réponse de Jean Matricon :
Je pense que vous avez parfaitement compris la cause du non-écoulement : pour que l'eau puisse descendre, il faut que l'air de la bouteille du bas puisse remplacer l'eau de la bouteille du haut, sinon la pression augmente en bas et diminue en haut, et lorsque la pression en bas devient égale à la pression hydrostatique de la colonne d'eau du haut, le système est en équilibre et ne coule plus. C'est bien ce qui est arrivé.
L'hydrostatique suffisant à tout expliquer, il n'est pas utile d'introduire la tension superficielle.
Puis-je me permettre de demander pourquoi vous avez construit une clepsydre en forme de sablier, alors qu'une clepsydre à l'air libre marche bien mieux?

24/11/1999 Réponse de Gérard Torchet :
Plusieurs suggestions des élèves sont pertinentes. Le diamètre de la paille a de l'importance, à cause des forces de cohésion internes dans l'eau liquide (qui produisent la tension superficielle, à sa surface) et aussi des forces de contact entre l'eau et la paille . Si l'on met en contact, directement, les goulots des bouteilles, la surface se déforme, des bulles montent et l'eau coule. Une expérience classique consiste à remplir complètement un verre d'eau, poser au dessus une feuille de papier, retourner (délicatement !) le tout : la pression atmosphérique empêche l'eau de couler. La feuille de papier évite la déformation de la surface plane (il suffit de refaire l'expérience sans feuille...). Avec la paille (faible section), l'eau est aussi "repoussée" par l'air de la bouteille inférieure (à pression atmosphérique). La suggestion sur les différences de pression est intéressante. Un trou dans la bouteille inférieure ne changerait rien (à moins de mettre une paille et d'aspirer).
Il faut donc augmenter la pression, au dessus de l'eau, qui est un peu inférieure à la pression atmosphérique. On peut faire un trou en haut, mais il y aura des problèmes quand on va retourner les bouteilles... Faire communiquer l'air des deux bouteilles est donc un moyen simple (et interne au dispositif) de maintenir la même pression d'air des deux côtés de l'eau.
La tension superficielle n'est pas capable, à elle seule, de résister au poids de l'eau. Des bouchons munis de deux "pailles" sont parfois utilisés dans les cuisines...

25/11/1999 Réponse de Martin Shanahan
Difficile de répondre sans voir les détails du montage, mais la 3eme suggestion des élèves semblerait la bonne, vu la 2eme expérience de l'enseignant (ce qui recoupe la 5eme suggestion). Toutefois la tension de surface peut jouer un rôle. Si le poids du liquide est faible, cette tension peut empêcher le progrès: cf. 1 goutte de pluie sur une fenêtre: si elle est petite, elle "colle", si grosse, elle "coule".

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Fabrication du savon
29/11/1999 Question de Georges Neveux, coordonnateur ZEP à l’IEN Sainte Suzanne à l’Ile de la Réunion, georges.neveux@ac-reunion.fr
Dans le cadre du projet ZEP 1er degré de la circonscription de Sainte Suzanne, le coordonnateur que je suis a besoin de quelques conseils. Suite à une idée d'un collègue, nous voulons lancer la fabrication du savon de l'an 2000 made in Réunion.
Le projet pédagogique est bouclé et nous entamons les premiers essais de fabrication par les adultes (tests);
Le procédé que nous avons trouvé utilise de la soude.
Questions :

oeil.gif (620 octets)Est-il judicieux d'utiliser de la soude en primaire hors laboratoire et sans personnel qualifié ?
oeil.gif (620 octets)Existe-t-il des protocoles utilisant des produits non toxiques ?- Si oui, ou les trouver ?

03/12/1999 Réponse de Jean Matricon
Il est clair que l'utilisation de la soude caustique est à proscrire absolument dans une classe. Malheureusement, c'est ce qui marche le mieux pour obtenir la saponification des graisses. Si mes souvenirs (qui remontent à la guerre où on faisait son savon avec ce qu'on trouvait, par exemple des graisses animales, bonjour l'odeur!) sont exacts, on peut aussi obtenir une saponification avec du carbonate de soude, qu'on employait autrefois pour faire la lessive, justement parcequ'il solubilisait les graisses par saponification. Je suis malheureusement incapable de donner la recette, mais il me semble bien qu'on mettait un excès de carbonate par rapport à la stœchiométrie, et qu'on employait du saindoux comme graisse. Le résultat était noirâtre et putride, mais ça lavait.
Le carbonate de soude peut être manipulé sans risque.

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Pourquoi la température de l'air diminue-t-elle avec l'altitude ?
01/12/1999 Question de Annie Wolff, enseignante de cycle 3 à l’Institut de jeunes sourds en Savoie cdi@injs-chambery.org
Pourquoi la température de l'air diminue-t-elle avec l'altitude alors qu'on se rapproche du soleil ?

03/12/1999 Réponse de Jean Matricon
La question est simple et joliment posée, la réponse sera pénible et dénuée de poésie.
D'abord, réglons son compte au fait de se rapprocher du Soleil. Certes, on s'en rapproche, mais le fait de faire 10 km vers lui en rapproche autant que d'avancer d'un millimètre vers une lampe située à 15km. C'est pas ça qui réchauffera beaucoup.
Le refroidissement avec l'altitude se comprend si on admet deux résultats préalables :

oeil.gif (620 octets)la pression diminue quand on s'élève. En effet, la pression n'est que la mesure du poids de la colonne d'air qu'on a au dessus de soi. Plus on est haut, moins il y a d'air, moins c'est lourd, plus faible est la pression.
oeil.gif (620 octets)un gaz se refroidit lorsqu'on baisse sa pression. C'est presque vrai tout le temps. En tout cas, c'est vrai pour un extincteur à dioxyde de carbone (je n'ai pas dit gaz carbonique, il paraît que c'est mal élevé).

Lorsqu'on ouvre le robinet, le gaz, initialement sous pression à la température ambiante, se refroidit en se détendant au point de se solidifier et de donner de la neige carbonique.
Pour comprendre le refroidissement de l'atmosphère avec l'altitude, il faut la considérer comme un système dynamique, où l'air est chauffé au contact du sol. Il se dilate, sa densité diminue et il s'élève (merci Archimède). Ce faisant, il se refroidit puisque lors de son ascension sa pression diminue. Ce modèle n'est pas trop faux, et, soumis au calcul, il donne le bon ordre de grandeur pour le refroidissement (6° par km). Ceci n'est vrai que dans la basse atmosphère, où cette circulation se produit normalement. Il peut se produire aussi le phénomène inverse, lorsque la terre froide refroidit l'air à son contact. Cette couche d'air froid n'a pas tendance à s'élever car l'air au dessus d'elle est plus chaud, donc moins dense. Elle reste donc immobile et piège tout ce qui s'y dégage de nauséabond et toxique. C'est l'effet d'inversion de température qui provoque le smog.
Quand on s'élève suffisamment haut, le refroidissement cesse, et les extrêmes confins de l'atmosphère sont même assez chauds, de l'ordre de 400° vers 200km d'altitude. Et là, c'est bien l'échauffement dû au Soleil qui se fait sentir.

03/12/1999 Réponse de Joël Lemaire :
Il est vrai que la température de l'air diminue avec l'altitude dans la couche de l'atmosphère la plus proche de la terre (la troposphère) : il fait plus froid au sommet d'une montagne. Mais on ne peut en faire une loi générale car la température augmente dans la couche suivante (la stratosphère) puis rediminue dans la mésosphère et enfin réaugmente dans la thermosphère jusqu'à des valeurs très élevées (plus de 1500°) ... Ce sont donc les couches les plus proches du soleil qui sont les plus chaudes. Dans la troposphère ou nous vivons la température décroît généralement avec l'altitude (mais ce n’est pas toujours très régulier: il peut y avoir des inversions de température qui empêchent le renouvellement de l'air et provoquent l'accumulation de la pollution au dessus des villes). Dans la troposphère la vapeur d'eau joue un rôle très important dans la régulation de la température car elle absorbe le rayonnement solaire ainsi que le rayonnement thermique émit par la surface de la terre. La température diminue parce que la pression de vapeur d'eau décroît avec l'altitude. Dans la couche suivante, la stratosphère ( de 10 a 50km au dessus de la surface de la terre) la température est d'abord constante puis augmente. Là c'est l'ozone, qui joue le rôle principal. L'énergie solaire est convertie en chaleur lorsque les molécules d'ozone absorbent les rayonnements Ultra-Violet du soleil.

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La forme des flocons de neige
07/12/1999 Question de Patricia Fraissard, enseignante de cycle 3 près de Nevers (58), francoisbarraud@lemel.fr
Qu'est ce qui explique la forme des cristaux de neige?
Je suis professeur d'école en stage à l'iufm, centre de Nevers. Cette question sur la forme des cristaux de neige est survenue à propos des travaux et expériences que nous avons faits sur les transformations de la matière.

07/12/1999 Réponse d’Eric Walle
La formation de la neige résulte de la cristallisation de l'eau, c'est-à-dire d'un changement d'état de la matière. Dans ce cas, il s'agit du passage de l'eau sous forme liquide à l'eau sous forme solide. Lors de la formation d'un cristal deneige, les molécules d'eau s'organisent dans l'espace pour consommer le moins d'énergie possible.
Dans le cas de l'eau, il existe des forces très faibles entre les molécules, appelées "liaisons hydrogène", qui confèrent à l'eau des propriétés particulières. L'organisation des molécules d'eau dans un cristal de neige résulte de cet effet: en minimisant l'énergie nécessaire à la formation du cristal, les molécules s'organisent de manière organisée, mais très jolie, dans l'espace.

08/12/1999 Réponse de Joël Lemaire :
On dit que deux cristaux de neige ne sont jamais identiques.
Cela est dû aux différents types de structures que peuvent prendre les cristaux de glace lorsqu'ils se forment.
On dénombre une dizaine de formes différentes (aiguilles, prismes creux, dendrites,…) Le type de structure que prend le cristal dépend de la température et de l'humidité à l'endroit de sa formation. Ainsi à une température donnée la cristallisation peut se faire sous forme d'aiguilles, à une autre température elle peut avoir lieu sous la forme de cristaux plats à six cotés ou sous forme d'étoiles à six branches. Lorsque le cristal de neige se forme dans un nuage le microclimat qui l'entoure change constamment et dicte la forme qu'il prend. Pour un cristal donné les conditions de température et d'humidité sont les mêmes au bout de ses différentes branches et il croit de façon symétrique. Par contre deux cristaux différents n'ont pas la même histoire et leur forme sera différente.

08/12/1999 Réponse Jean Matricon :
J'ai contacté d'éminents spécialistes, qui m'ont confirmé que le problème de croissance des cristaux, s'il est pratiquement résolu, n'en est pas moins d'une très grande difficulté. En gros, que se passe-t-il dans un milieu contenant de la vapeur d'eau, à basse température, et en présence d'un cristal de glace qui a déjà commencé à pousser? Une molécule d'eau qui s'approche du cristal est attirée par les molécules déjà en place, mais toutes les places ne sont pas équivalentes. Si le cristal est plan, s'il s'étale à deux dimensions, les sites accessibles sur le bord du plan offrent plus de possibilités d'accrochage que les sites au milieu du plan, donc la molécule s'y logera plus facilement et la croissance plane continuera. En outre, le problème majeur de la croissance cristalline est celui de l'évacuation de l'énergie libérée par la congélation, et on peut concevoir qu'une structure pointue offre plus d'espace autour d'elle pour évacuer cette énergie qu'une ligne droite ou qu'une surface plane. Ainsi s'explique le fait que le cristal se développe dans un plan et émette des pointes qui se ramifient elles-mêmes, en respectant les directions cristallographiques de la glace, qui sont celles de l'hexagone. La seule chose que n'expliquent pas ces théories, c'est la symétrie macroscopique d'un beau cristal, dont tous les bras sont semblables dans toutes leurs ramifications. Comment une nouvelle molécule d'eau qui arrive sur le cristal peut elle "savoir" où elle doit de mettre pour respecter la symétrie du dessin très compliqué amorcé sur les autres bras, à plusieurs millimètres de là? Il semble qu'il n'y ait sur ce problème que des hypothèses non vraiment vérifiées, faisant intervenir les vibrations de l'ensemble du cristal, dont les modes de plus basse fréquence ont certainement des valeurs différentes pour un cristal symétrique et un cristal même faiblement dissymétrique. De là à savoir comment ces vibrations peuvent orienter la mise en place des nouvelles molécules !?

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Le sel est-il soluble dans l'huile ?
24/01/2000 Question de Didier Legeas de l’école d’Ammeville ( 14), Ecole.Ammeville@wanadoo.fr
Nous avons essayé de dissoudre différents solides dans différents liquides: sel/eau, sucre/eau... Nous avons l'impression que le sel ne se dissout pas dans l'huile. Avons-nous raison ? Et si le sel se dissout dans l'eau, comment le prouver ?

25/01/2000 Réponse de Michel Boyer :
Non, le sel ne dissout pas dans l'huile mais se dissout dans l'eau .
Explication : le sel est un composé ionique ; l'eau est un solvant polaire qui facilite la dissolution des composés ioniques (par séparation des deux ions sodium et chlorure qui constituent le sel ) alors que l'huile est un solvant non polaire qui ne permet pas cette séparation et par suite ne permet pas la dissolution.
L'application pratique est que pour faire une vinaigrette il faut commencer par prendre du vinaigre et ajouter le sel dans le vinaigre (qui n'est pas autre chose que de l'eau avec un peu d'acide acétique) ; le sel est soluble dans le vinaigre mais pas dans l'huile; si on fait l'inverse le sel ne peut pas se dissoudre dans l'huile et donc la vinaigrette n'est pas salée. Pour constater que le sel s'est bien dissout dans l'eau, il suffit d'abord de constater que le solide blanc a disparu (quand on en n'a pas mis en excès); après on peut le faire réapparaître en évaporant l'eau: dans un petit récipient en verre , faire dissoudre le maximum de sel dans un peu d'eau; constater qu'on a un liquide limpide (une solution limpide), puis chauffer doucement pour faire évaporer l'eau; à la fin de l'évaporation on retrouve un solide blanc qui n'a pas tout à fait la même allure que le sel de départ si on a pris du gros sel, mais qui est à peu près identique si on est parti de sel fin; c'est une question de grosseur des cristaux uniquement.

25/01/2000 Réponse de Jean Matricon :
Il est exact que le sel est totalement insoluble dans l'huile, les atomes de chlore et de sodium n'ayant aucune affinité pour les molécules d'huile.
Pour prouver que le sel se dissout dans l'eau, il existe toutes sortes de moyens. D'abord, il suffit de regarder : on met le sel dans un verre, on verse dessus de l'eau tiède et on voit le sel disparaître. On peut aussi procéder par pesée et constater que la masse de la solution est exactement égale à la somme de masses de l'eau et du sel. On peut ensuite laisser la solution s'évaporer et constater qu'il reste au fond du verre exactement tout le sel qu'on avait dissous. On peut goûter la solution et constater qu'elle est salée. On peut montrer qu'une goutte d'eau pure (distillée de préférence) lâchée dans une flamme ne donne aucune coloration particulière, alors qu'une goutte d'eau salée colore la flamme en jaune, ce que fait également le sel solide.
"Le sel, c'est ce qui donne mauvais goût aux pommes de terre quand on n'en met pas."

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Pourquoi les avions de ligne laissent-ils parfois une traînée blanche dans le ciel
24/01/2000 Question de Gilles Fagot, enseignant de cycle à l’école Jeanne d’Arc à Paris, gilles.fagot@scola.ac-paris.fr
Question d'un élève à laquelle je n'arrive pas à trouver de réponse.
La voici : "Pourquoi les avions de lignes dans le ciel font-ils parfois une grosse fumée blanche et parfois non alors qu'ils semblent voler à la même vitesse ? "

25/01/2000 Réponse d'Eric Walle
Il y a deux choses dans cette question : l'impression de vitesse de l'avion dans le ciel, et la présence ou non de fumée blanche.
oeil.gif (620 octets)la vitesse de l'avion : il est très difficile d’apprécier la vitesse d'un avion dans le ciel, car on ne connaît pas leur altitude, et les apparences sont trompeuses. Imaginez une expérience simple : vous êtes en rase campagne et vous voyez une voiture qui avance sur une route droite à 1 kilomètre de vous. Dans le près, à quelques mètres, une vache se déplace dans le même sens. Avec un peu de chance, vous verrez les deux objets parcourir le même angle de votre champ de vision en même temps. Dans cet exemple, on conçoit bien que la vache et la voiture avancent à des vitesses très différentes, alors que l'impression de vitesse est la même. Pour les avions, c'est pareil : au plus ils volent haut, au plus on a l'impression qu'ils volent lentement.
oeil.gif (620 octets)en ce qui concerne la fumée blanche laissée par les avions dans le ciel, il s'agit de vapeur d'eau condensée : le moteur des avions (surtout à réaction) dégage de la vapeur d'eau (phénomène dû à la combustion du carburant par le moteur).Si les conditions de températures et de pression sont favorables, cette vapeur se condense en fines gouttelettes, exactement comme les nuages. La température et la pression varient très fortement avec l'altitude ; globalement, on a plus de chance de former une traînée blanche à haute altitude car la température diminue (vous ne verrez donc jamais de traînée blanche lorsqu'un avion décolle ou atterrit !). Pour mieux comprendre, on peut faire le parallèle avec le brouillard : le matin la température est assez basse par rapport à la journée), et la vapeur d'eau contenue dans l'air se condense en fines gouttelettes : le brouillard. Quand le soleil arrive, la température augmente un peu et le brouillard se dissipe, car les fines gouttelettes redeviennent vapeur.
Dans tous les cas, la vitesse de l'avion n'influe pas sur la présence ou non de traînées blanches. Pour répondre à l'élèves, je pense qu'il faut séparer les deux idées.
Voilà, j'espère que ces quelques explications pourront être utiles.

25/01/2000 Réponse de Jean Matricon :
La grosse fumée est en fait une grosse traînée de gouttelettes d'eau, même éventuellement de petits cristaux de glace. Par grand beau temps, et atmosphère très sèche, les jets ne laissent qu'un courte traînée, qui correspond à la condensation dans l'air glacé de l'eau due à la combustion du kérosène. Très vite, cette eau s'évapore et la traînée disparaît.
En revanche, lorsque le temps est en train de changer, qu'une dépression océanique arrive, l'air est enrichi en vapeur d'eau sous une forme instable : on dit qu'il est sursaturé en vapeur d'eau, qui ne demande qu'à précipiter sous forme de gouttelettes si on lui en donne l'occasion.
Les gaz et les micro particules issus des réacteurs déclenchent cette précipitation, qui se forme et se développe, donnant parfois des traînées très larges qui subsistent plusieurs heures après le passage de l'avion. En général, lorsqu'on voit ces grosses traînées dans un ciel d'été, on peut prédire que le temps va changer et qu'il pleuvra bientôt.

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La tension de surface
27/01/2000 Question de  Sylvie Ducoron, enseignante de cycle 2 à l'école Romain rolland ( 93) syduc@aol.com
Comment expliquer aux enfants que la surface de l'eau n'est pas toujours plane mais parfois bombée comme avant de déborder du verre?

31/01/2000 Réponse de Martin Shanahan :
La question est un peu ambiguë: il y a 2 niveaux à considérer.
1) S'il s'agit seulement d'expliquer que la surface n'est pas toujours plane, il suffit de leur montrer/donner quelques exemples tangibles, tels que des gouttes de pluie sur une fenêtre, des gouttelettes de rosée sur une toile d’araignée ou sur des feuilles d'herbe , tôt le matin, la condensation de la vapeur d'une bouilloire,...
2)L'explication scientifique est plus délicate. Sans entrer dans des détails de l’équation de Laplace, je pense qu'il faut invoquer le concept que, généralement, une goutte de liquide se comporte un peu comme un ballon en caoutchouc (mince),rempli d'eau. C'est tout comme si la goutte de liquide est entourée d'une membrane élastique (strictement ce n'est pas élastique, mais ceci devrait aider avec le concept) qui essaie de l’empêcher de "s’échapper". Cette membrane correspond a la tension de surface. Elle est faible pour l'huile, qui coule et "mouille" partout. Elle est forte pour l'eau (sans savon, qui l'abaisse),donc l'eau mouille moins bien que l'huile. Elle est très forte pour le mercure (attention: très toxique); ce qui explique pourquoi le mercure échappé d'un (vieux) thermomètre cassé roule par terre en petites boules. La "membrane" est trop forte pour le laisser rester en contact le solide sur lequel il roule.

31/01/2000 Réponse de Gérard Torchet :
Suite à la réponse très complète de Martin Shanahan, il est possible de proposer une expérience classique, à faire en classe, qui illustre le fait qu'à la surface de l'eau, tout se passe comme si se trouvait une membrane ou une "peau". Un trombone ou une aiguille, qui devraient couler compte tenu de leur poids, peuvent se maintenir en surface, si l'on prend quelques précautions pour les y installer. On pose d'abord en surface un morceau de Sopalin, ou mieux une feuille de papier à cigarette. On dépose ensuite délicatement l'aiguille sur le papier. On fait alors couler ce dernier lorsqu'il est imbibé d'eau, en l'enfonçant par exemple avec un crayon, sans toucher à l'aiguille. Celle-ci reste en surface et en regardant attentivement, on voit qu'elle enfonce (un peu !) la surface, comme une règle posée sur un édredon.
Suites possibles :

  1. si l'aiguille est aimantée, on dispose d'une boussole.
  2. si l'on verse un peu de détergent liquide (pour faire la vaisselle), la membrane ne peut plus retenir l'aiguille (le détergent a abaissé la "tension superficielle") et celle-ci coule.

31/01/2000 Réponse de Richard Emmanuel Eastes
J'aimerais compléter les deux très bonnes explications fournies par nos collègues, en faisant remarquer que la courbure des surfaces d'eau ne s'observe que sur les petits volumes. En effet, lorsque le volume considéré devient trop grand, l'énergie de surface (liée à la tension de surface) évoquée dans les réponses précédentes devient plus faible que l'énergie potentielle gravitationnelle (liée au poids) de l'ensemble du liquide. Celui-ci tend alors à s’aplatir, afin que les particules qui le constituent soient toutes le plus proche possible du sol.
Ainsi, un lac, ou même une flaque, ne se met pas en boule, mais une goutte de rosée sur une toile d'araignée est presque sphérique. Par contre, le contenu du verre de whisky du Capitaine Haddock dans "On a marché sur la Lune" peut se mettre en boule, car à bord de la fusée lunaire, il n'y a plus de pesanteur, et le poids du whisky (et donc son énergie potentielle gravitationnelle) devient négligeable par rapport aux "effets de peau" ou "de membrane" (tension de surface) évoqués dans les réponses précédentes.
Evidemment, l'océan est sphérique, mais c'est bien à cause de la gravitation, et non de sa tension du surface ; en effet, son poids l'oblige tout simplement à s'adapter à la forme de la Terre.
Notons encore que la nature du revêtement sur lequel est posée une goutte de liquide a un effet sur la taille maximale que peut avoir cette goutte sans qu'elle ne le "mouille" ; mais il s'agit encore d'un autre paramètre, qui s'ajoute aux deux premiers (tension de surface et poids).

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Pourquoi l'eau chaude remonte toujours à la surface de l'eau froide
31/01/2000
Question d'Isabelle Lagneau, enseignante de cycle 3 à l'école ZEP de Carrières ( 78), Jean.claude.andre@ac-versailles.fr
Suite à des fiches d'expériences trouvées par des élèves intitulées "les volcans sous-marins", nous avons mené toute une série d'expériences sur les mélanges eau chaude/eau froide, pour arriver à la conclusion suivante : "Ces fiches ne peuvent expliquer le fonctionnement d'un volcan sou-marin, mais nous montrent simplement que, lorsqu'on les met en place, l'eau chaude remonte toujours à la surface de l'eau froide."
Notre question repose donc sur le pourquoi de ce phénomène constaté à plusieurs reprises et selon des protocoles expérimentaux variés.

31/01/2000 Réponse de Richard Emmanuel Eastes  
Lorsque l'on chauffe l'eau, les particules qui la constituent (les molécules d'eau) s'agitent de plus en plus, et de ce fait, occupent un volume de plus en plus important (par analogie, songez par exemple à la différence entre le nombre de couples de danseurs de rock n roll et le nombre de couples de danseurs de slow que l'on peut placer sur une même piste de danse sans qu'ils se gênent).
Ainsi, un volume donné (par exemple 1 litre) d'eau chaude (danseurs de rock) contient moins de molécules que le même volume d'eau froide (danseurs de slow) 1 litre d'eau chaude est donc plus léger qu'1 litre d'eau froide. On peut ainsi dire que l'eau chaude est "plus légère" que l'eau froide (*). De même que l'huile est "plus légère" que l'eau et remonte à la surface lorsqu'on mélange ces deux liquides, l'eau chaude remonte à la surface de l'eau froide lorsqu'on les mélange. Ce phénomène est très étonnant, car on s'attend à ce que l'eau chaude et l'eau froide se mélangent instantanément. En fait, il n'en est rien le mélange de l'eau dans l'eau se fait très difficilement, car les molécules d'eau sont très liées entre elles. Ce phénomène peut également être observé lorsque deux rivières de couleurs diférentes se rencontrent, ou lorsqu'un fleuve se jette dans la mer.
(*) En fait, il est plus rigoureux car plus précis de traduire cette notion de "légerté" par deux grandeurs analogues appelées masse volumique (unité kg/m3) et densité (sans unité) ces deux grandeurs sont plus faibles pour l'eau chaude que pour l'eau froide (l'eau chaude est moins dense que l'eau froide).

02/02/2000 Question d'Isabelle Lagneau, enseignante de cycle 3 à l'école ZEP de Carrières ( 78), Jean.claude.andre@ac-versailles.fr
Merci beaucoup de ces explications. Je pensais proposer aux élèves de "vérifier" ce phénomène en faisant chauffer de l'eau pour constater "la place" qu'elle prend en comparaison de l'eau froide. Je ne suis pas certaine que cette expérimentation soit scientifiquement suffisante pour expliquer le phénomène de "place" prise par l'eau chaude. Qu'en pensez-vous?

02/02/2000 Réponse de Richard Emmanuel Eastes
Il me semble que cette expérience est "scientifique valable" ; cependant, je ne suis pas certain que la différence de volume soit mesurable. Je ne connais en tout cas pas de protocole permettant de la mettre en évidence.
Notez encore, car j'ai omis de le préciser, que l'eau froide est plus dense que l'eau chaude uniquement dans la gamme 4°C - 100°C. A delà de 0°C en effet, des agrégats d'une soixantaine de molécules d'eau existent au sein du liquide (ce sont en quelque sorte des glaçons microscopiques) ; or la densité de la glace (et donc celle de ces microglaçons) est beaucoup plus faible que celle de l'eau, on le sait bien (les icebergs flottent sur l'eau).
Dans la mesure où lorsque la température de l'eau s'élève au dessus de 0°C, ces agrégats se disloquent (fondent) progressivement, cela produit un effet de contraction de l'eau. Or entre 0°C et 4°C, il subsiste suffisamment de ces agrégats pour compenser et inverser l'effet de dilatation thermique responsable de l'évolution de la densité de l'eau entre 4°C et 100°C...
L'eau possède donc une densité maximale à 4°C, et non à 0°C, comme la première partie de ma réponse il y a quelques jours pouvait le laisser supposer en première approximation. Notons encore que ce phénomène permet à la vie de subsister l'hiver dans les lacs, car si l'eau à 0°C était l'eau la plus dense, les lacs gèleraient en totalité beaucoup plus facilement. Au contraire, grâce à l'effet décrit ci-dessus, l'eau à 0°C "protège" les couches d'eau à 4°C en les isolant du froid de l'atmosphère, ce qui leur permet de rester liquide plus longtemps, et généralement jusqu'au printemps suivant...

03/02/2000 Réponse de Gérard Torchet :
Pour compléter la réponse de R. E. Eastes sur l'eau chaude et l'eau froide, une expérience simple permet d'observer la dilatation de l'eau. Elle consiste à construire un thermomètre à eau. On place un chalumeau (une "paille") dans le goulot d'une bouteille, en le laissant dépasser d'environ 10 cm, et l'on réalise l'étanchéité avec de la pâte à modeler. J'ai fait l'expérience en utilisant le matériel dont je disposais, à savoir une bouteille en verre, un bouchon de liège percé pour faire passer la paille et de la "patafix" pour assurer l'étanchéité. Une bouteille plastique ferait l'affaire et serait chauffée ou refroidie plus facilement... On remplit la bouteille d'eau avant de placer le bouchon et la paille en évitant qu'il reste de l'air dans le goulot. On place la bouteille dans un récipient rempli d'eau chaude et l'eau de la bouteille, se dilatant, monte dans la paille. Le niveau de l'eau est plus visible si l'eau est colorée....
Ordre de grandeur avec une bouteille de 75 cl, une paille de 5 mm de diamètre et une variation de température d'environ (non mesurée...) 30 degrés, le niveau d'eau varie d'environ 5 cm. Si la variation de température est effectivement de 30 degrés, le calcul donne 6 cm. Avec une bouteille de 1,5 l, on devrait obtenir une variation de niveau double.

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La masse de l'eau à l'état liquide est elle la même qu'à l'état solide?
02/02/2000 Question d’un enseignant de cycle 3 de Champigny (89) kigric.kigric@libertysurf.fr
La masse de l'eau à l'état liquide est elle la même qu'à l'état solide?
Nous avons pesé de la glace que nous avons laissée fondre puis la balance a basculé renversant le contenu du récipient.
Persuadé de l'équivalence de masse entre glace et eau, je remets en cause la validité de notre expérience.
Pouvez-vous m'apporter des renseignements? par avance merci.

02/02/2000 Réponse de Martin Shanahan
Je pense que le problème réside dans la confusion concernant le terme "masse".
En effet, un bloc de glace, une fois fondu, aura exactement la même masse dans son état liquide ( abstraction faite d'une éventuelle évaporation ).On ne détruit pas la matière!
La quantité qu'il faut considérer est la masse volumique, représentant la masse par unité de volume. Cette valeur change avec la fusion; d'ailleurs de façon générale avec la température. La plupart des matériaux diminuent en volume, pour la même masse, lorsque l'on diminue la température. Cette diminution est encore plus rapide lors de la solidification. Donc la masse volumique augmente, en général, avec le refroidissement. Or, l'eau est bizarre: c'est un des rares liquides (le seule a ma connaissance ) qui commence a augmenter en volume en-dessous de 4 degrés Celsius. Donc, un glaçon est moins dense ( plus léger pour le même volume ) que l'eau a ( à peu près ) la même température de 0 degrés.
Donc, il flotte (icebergs, glaçons dans les boissons...)!Un autre liquide, en formant les "glaçons", les verrait couler dans son milieu.
Ceci, d'ailleurs, a sûrement une grande importance dans la vie. A part d'autres considérations, les poissons herbivores auraient du mal à se nourrir au fond pendant les périodes froides, avec les étangs, etc. qui commenceraient a geler en bas!
Voir également ci-dessus la réponse ( à une autre question )de Richard Emmanuel Eastes, du 31 janvier et celle de Jean Matricon du 19/05/2000

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Le mélange eau-sirop se dilate-t-il plus que le mélange eau-colorant ?   
09/02/2000 Question de  Christian Daligand, IEN de Belley (01)  ce.0010063n@ac-lyon.fr 
Pourquoi le mélange sirop -eau se dilate moins que le mélange colorant alimentaire-eau?
Lors de la fabrication d'un thermomètre notamment?

09/02/2000 Réponse de Jean Matricon
Ce résultat me paraît a priori assez surprenant, et j'aimerais connaître les conditions dans lesquelles a été faite l'expérience. En effet, on sait que l'eau pure se contracte de 0°C à +4°C, et ne se dilate qu'a delà. Cela signifie qu'entre 0 et 7-8 degrés, l'eau pure (même avec un peu de colorant alimentaire) semble ne pas changer de volume. Elle ne se dilate "normalement" qu'au dessus. Cet effet est dû aux liaisons hydrogène qui contrôlent la structure de la glace et de l'eau liquide, et qui, entre 0° et +4° forcent les molécules dans une configuration voisine de celle de la glace, moins dense que l'eau. Cette contrainte disparaît lorsqu'on chauffe au delà de +4°.
Dans les solutions, en particulier de molécules hérissées de groupements OH susceptibles d'établir eux aussi des liaisons hydrogène, ce qui est le cas des sucres, ces liaisons entrent en compétition avec celles des molécules d'eau entre elles, et l'effet de contraction entre 0° et +4° n'existe plus. Si la mesure de dilatation a été faite à basse température, l'effet observé s'explique, en revanche, des concentrations pas trop élevées en sucre ne modifient pas sensiblement le coefficient de dilatation de l'eau à des températures plus élevées, et je ne vois alors aucune explication de l'effet observé.
Il serait intéressant d'étudier la variation du coefficient de dilatation de l'eau en fonction de la concentration en sirop.

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Quelle sera la température d'un cube de glace plongé, quelques heures, dans un liquide d'une température inférieure à -40°C.
16/02/2000 Question de Valérie Hivernel famille.hivernel@wanadoo.fr enseignante de cycle 3 à l'école  Matougues (51) 
Quelle sera la température d'un cube de glace plongé, quelques heures, dans un liquide d'une température inférieure à -40°C.
hypothèse des enfants : la glace sera encore a 0°C.

25/02/2000 Réponse d'Eric Walles
La température du glaçon va diminuer, pour qu'un équilibre thermique se fasse : il sera à la même température que la liquide.

La température du glaçon est effectivement constante et égale à 0 °C lorsqu'il y a changement de phase : c'est le cas lorsque le glaçon fond dans une assiette à température ambiante. Un glaçon plongé dans un liquide à - 40 °C ne rentre pas dans ce cadre : il reste à l'état solide et sa température peut donc diminuer.

Pour s'en rendre compte, il faudrait plonger le réservoir d'un thermomètre dans l'eau du glaçon avant de la congeler de manière à le prendre dans la glace. L'intérieur du glaçon sera à une température inférieure à 0 °C (-18 °C est la température classique d'un congélateur). quand le glaçon va fondre, le thermomètre indiquera une température voisine de 0°C quand la partie du cube qui fond touchera le réservoir du thermomètre, car la matière change d'état. Une fois le glaçon totalement fondu : la température de l'eau (qu'indiquera le thermomètre) dépassera 0°C car le changement d'état sera terminé.

Le phénomène serait plus simple à visualiser en faisant bouillir l'eau dans une casserole avec un thermomètre : l'eau chauffe lentement et quand elle se met à bouillir, la température ne dépasse pas 100 °C, car il y a changement d'état.

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La pression de l'eau du robinet 
08/03/2000 Question d’Hélène Duperray, enseignante de cycle 3 à l’école Renée Peillon à la Grand'Croix ( 42) , ce.0420947b@ac-lyon.fr 
J'enseigne dans une classe de CM1. J'ai fait un stage " La main à la pâte " cette année. Notre projet d'étude s'intitule " L'eau du robinet ". Pour mieux comprendre la distribution de l'eau, nous avons fait des expériences sur le principe des vases communicants et du siphon. Nous avons constaté des variations de pression en fonction de la position du tuyau d'écoulement par rapport au niveau de l'eau dans le récipient.
Peut-on en déduire que la pression de l'eau au robinet varie avec la dénivellation par rapport au château d'eau ? Y a t-il d'autres éléments à prendre en compte et si oui, comment les mettre en évidence ? 
Comment faire comprendre la différence entre le débit et la pression ?
Je précise que je ne dispose hélas que de moyens très rudimentaires pour faire des expériences ( bouteilles plastiques, tuyaux et autres objets de récupération ... )

08/03/2000 Réponse de Richard-Emmanuel Eastes
Si l'on considère l'eau comme un fluide parfait (de viscosité nulle), et que l'on modélise l'ensemble des canalisations qui relient le château d'eau au robinet par un tuyau, alors en effet, le seul paramètre auquel est relié la pression de l'eau à la sortie du robinet est la différence d'altitude entre la surface de l'eau dans le château d'eau et le robinet.
En réalité, l'eau n'est pas un fluide parfait ; il "frotte" le long des canalisations lorsqu'il s'y déplace, ce qui fait baisser sa pression, d'autant plus que les tuyaux sont plus étroits. En outre, la présence de divers dispositifs le long des canalisations peut influer sur la pression de l'eau dans le robinet : présence de filtres (qui font inévitablement baisser la pression), ou de pompes (utilisées pour augmenter la pression).
Pour mettre cela en évidence, il est suffit d'utiliser des tuyaux de divers diamètres dans l'expérience du siphon ; et à la limite, si le tuyau est suffisamment fin, l'eau ne coule même pas car elle est retenue par capillarité à l'intérieur...

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Pourquoi la bougie récemment éteinte s'enflamme-t-elle de nouveau à l' approche d'une flamme ?
16/03/2000
Question de Géraldine Thomas, accompagnatrice scientifique en Seine-St-Denis à l’école de la Varenne, gerathomas@aol.com
Pouvez vous m'expliquer le pourquoi de cette expérience faite par les élèves:
On allume une bougie avec une allumette, on l'éteint et on approche l'allumette de la fumée de bougie, alors la flamme reprend.

16/03/2000 Réponse de Richard-Emmanuel Eastes
C'est très simple. Après avoir éteint la bougie, la mèche en est encore très chaude. A ce moment là, comme lorsque la bougie est encore allumée, la cire fondue monte par capillarité dans la mèche, et s'y évapore. Elle se recondense alors juste au dessus, ce qui lui procure un aspect  blanchâtre : cette cire recondensée constitue en effet une partie de la "fumée" que vous avez observée.
Lorsque vous approchez une flamme de cette fumée, la cire évaporée s'enflamme à nouveau ; la flamme se propage jusqu'à la mèche, ce qui rallume la bougie.
Vous pouvez effectuer une expérience complémentaire (bien qu'un peu délicate) en plaçant l'extrémité d'un tube de verre dans le cœur de la flamme de la bougie, et en approchant une allumette enflammée de l'autre extrémité du tube de verre : les divers produits recueillis (dihydrogène, sous produits de combustion et cire évaporée) s'enflamment : la flamme est dédoublée, et sans l'aide d'une deuxième mèche !
Il est en outre intéressant de rappeler sur quel mécanisme repose le fonctionnement de la bougie, dont la complexité étonne toujours les  élèves. En l’absence de mèche en effet, il est impossible d’allumer une bougie. Celle-ci est indispensable pour assurer un contact entre la cire fondue et l’air oxygéné qui monte vers elle, aspiré par l’élévation des gaz de combustions chauds, moins denses que l’air ambiant. Ce n’est en effet pas la mèche qui brûle, mais bien la cire : désolidarisée de la  cire, la mèche se consume en quelques instants, en émettant une fumée  noire. Mais d’où vient la cire fondue, et comment parvient-elle à monter dans la mèche ? Elle est en fait produite par la chaleur dégagée par la combustion de la cire qui se trouve déjà dans la mèche ; en d’autres  termes, la bougie entretient sa propre combustion. Ce comportement suicidaire est très différent du principe de la lampe à pétrole. Mais comme dans la lampe à pétrole, le combustible liquide, ici la cire fondue, monte dans la mèche par un phénomène complexe que l’on nomme capillarité.
Lorsque l’on observe la flamme, par ailleurs, on remarque la présence de plusieurs couleurs, et notamment la présence d’un cône sombre juste au dessus de la mèche. La couleur jaune de la flamme provient de la présence de fines particules de carbone encore non oxydées qui, chauffées, s’ionisent et forment un plasma, dont les étapes de recombinaison produisent de la lumière visible. Quant à l’intérieur du cône, il constitue la partie la plus froide de la flamme. 
L’interprétation en est simple mais intéressante. On comprend facilement pourquoi à  l’extérieur de la flamme, la température est faible : les enfants expliquent qu’à trop grande distance de la mèche il n’y a rien à brûler ; en d’autres termes, la concentration en combustible (ici les molécules de cire volatilisées, ou les produits d’oxydation incomplète de celles-ci) est trop faible pour que la combustion soit possible. Mais si l’intérieur de la flamme est plus froid que son enveloppe, c’est parce que c’est cette fois le comburant (ici, le dioxygène) qui fait défaut, étant consommé avant de pouvoir parvenir dans le cône central ! 
Ainsi, la partie la plus chaude de la flamme est approximativement la région de l’espace où le produit des concentrations en combustible et en comburant est maximal, c'est-à-dire le sommet du cône sombre et son enveloppe, et non simplement la région de l’espace où la concentration en combustible est maximale...

16/03/2000 Réponse de Gérard Torchet :
On "allume" une bougie froide en lui apportant de l'énergie thermique.
Pratiquement, on touche la mèche avec une allumette enflammée. Quand on éteint la bougie, la mèche reste chaude (la fumée monte). Pour produire alors une flamme, l'énergie thermique nécessaire est moins importante : il suffit d'approcher  l'allumette enflammée (qui rayonne de l'énergie) sans toucher la mèche. Inversement, si l'on peut dire, on peut allumer une allumette en la plaçant au dessus de la flamme d'une bougie, sans toucher celle-ci.

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D'où vient l'eau produite par la combustion de la bougie ?
05/04/2000 Question de l’école de Villefort, cycle 3, ep.villefort@wanadoo.fr
Question posée par les élèves du CM1-CM2 à partir du travail effectué en classe :
- Étude des gaz, liquides, solides
- Étude de la constitution de l'air (découvert : oxygène, vapeur d'eau / donné : azote, hydrogène, argon...)
- Étude de la constitution de la matière : atome, molécule, interaction et assemblage
En faisant brûler une bougie dans une bouteille fermée, vide et sèche, on a eu l'impression que les parois s'humidifiaient.
- sachant que l'air contient de l'oxygène et de l'hydrogène
- sachant que l'eau est formée d'oxygène et d'hydrogène
Est-il possible que nous ayons fabriqué de l'eau. Sinon comment fabriquer de l'eau à partir d'oxygène et d'hydrogène ?

11/04/2000 Réponse de Michel Boyer :
Non l'air ne contient pas d'hydrogène
Par contre, la bougie est constituée de substances (comme la paraffine) qui sont constituées d'atomes de carbone et d'atomes d'hydrogène. 
Dans la combustion, l'air apporte l'oxygène nécessaire à la combustion qui transforme les atomes de carbone en molécule de gaz carbonique ( CO2) et les atomes d'hydrogène en molécules d'eau (H2O). Donc la bougie qui brûle dans la bouteille fermée fabrique bien de l'eau qui se dépose sur les parois de la bouteille.
Pour fabriquer de l'eau à partir d'oxygène et d'hydrogène, on peut faire brûler l'hydrogène dans l'oxygène (dans un chalumeau par exemple; on obtient une température très élevée et de l'eau qu'on ne voit généralement pas car elle s'échappe sous forme de gaz).
Dans les cabines spatiales, on fabrique également de l'eau à partir d'hydrogène et d'oxygène dans ce qu'on appelle des piles à combustibles; elles transforment les deux gaz oxygène et hydrogène en courant électrique d'une part ( comme une pile ordinaire), et en eau qui est récupérée.

11/04/2000 Réponse de Jean Matricon :
L'air contient de l'oxygène, mais absolument pas d'hydrogène. En revanche, la bougie en contient, sous forme de composés de carbone et d'hydrogène qui, lors de la combustion, se combinent à l'oxygène de l'air pour donner respectivement du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau. C'est celle-ci qui a été observée sur les parois de la bouteille.
La fabrication directe d'eau à partir d'hydrogène qu'on fait brûler dans l'air ne pose aucun problème si ce n'est celui de la sécurité, car la réaction est violente et peut devenir explosive. Formellement déconseillée dans une classe.

11/04/2000 Réponse d’Eric Walles :
Vous avez bien formé de l'eau au cours de la combustion de la  bougie. En revanche, cette eau ne provient pas du tout de la  réaction entre l'oxygène et l'hydrogène de l'air (la quantité  d'hydrogène est beaucoup trop faible).
La bougie que vous avez brûlée est constituée d'un  hydrocarbure solide. Cela signifie que sa combustion dégage du  gaz carbonique et de la vapeur d'eau. Cette vapeur d'eau s'est condensée sur les parois de la bouteille, car elle est froide  (c'est comme la formation de buée sur les vitres en hiver :  l'humidité de l'air se condense sur les vitres refroidies par  la température extérieure).
Pour former de l'eau à partir d'hydrogène et d'oxygène, il faut que le mélange de gaz soit stoechiometrique, c'est à dire qu'il faut mélanger un volume d'oxygène avec deux volumes d'hydrogène (H2O). Il faudra en plus apporter une flamme pour provoquer la réaction. Je vous déconseille de réaliser cette expérience si vous n'êtes pas habitué(e), car elle peut-être dangereuse : il s'agit d'une "explosion", qui peut être  violente si les quantités sont importantes.

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Mélange zinc et acide chlorhydrique 
07/04/2000 Question de Sonia Prod'hommme , enseignante de cycle 3 à l’école Jean Moulin (56) prod'hommes@ voila.fr 

Quand on mélange du zinc avec de l'acide chlorhydrique doit- on parler  de dissolution ou de réaction chimique ?

11/04/2000 Réponse de Michel Boyer :
C'est une véritable réaction chimique: il y a une réelle transformation des liaisons entre les atomes puisque les atomes de zinc du zinc métallique, initialement liés par ce qu'on appelle la liaison métallique , deviennent des ions Zn++, donc des atomes qui ont perdu deux électrons, alors que les ions H+ de la solution acide sont devenus des atomes de d'hydrogène liés deux par deux pour donner les molécules de dihydrogène gazeux qui s'échappent du milieu réactionnel.
S'il s'agissait d'une simple dissolution, comme celle du sel ou du sucre dans l'eau, par évaporation de l'eau on récupérerait le produit de départ (le sel ou le sucre solide ) Il n'en ait rien avec le zinc et l'acide : après réaction, si on évapore, on ne récupère plus le zinc métallique, mais un sel de zinc (sulfate ou chlorure suivant la nature de l'acide) qui apparaît comme un solide blanc. Il y a bien donc eu transformation chimique, donc réaction.

11/04/2000 Réponse de Jean Matricon :
Pour répondre à la question sur le zinc et l'acide chlorhydrique, il s'agit absolument d'une réaction chimique, avec transformation du métal zinc en ion Zn++. Dans une dissolution ,l'élimination du solvant redonne le produit initial, alors qu'ici, l'élimination de la phase aqueuse laissera du chlorure de zinc, poudre blanche qui n'a plus rien de commun avec le métal de départ.

 11/04/2000 Réponse d’Eric Walles :
Il faut plutôt parler de réaction chimique, car il y a effectivement réaction entre le zinc et les ions H+ contenus  dans la solution d'acide chlorhydrique. Une dissolution ne modifie pas l'état d'oxydation du soluté  (le produit que vous voulez dissoudre), c'est à dire que le  soluté n'échange pas d'électron au cours de la transformation.
Dans le cas du zinc dans de l'acide chlorhydrique, le zinc  métallique (Zn) que vous introduisez au départ réagit pour former un cation (Zn2+) : l'atome de zinc a perdu des électrons et devient soluble, alors que le zinc métallique ne l'était pas.
Prenons maintenant le cas de l'ammoniaque : NH3 est un gaz très soluble dans l'eau. Au cours de la dissolution, le gaz passe dans le liquide et chaque molécule d'ammoniaque est entourée par des molécules de solvants : l'eau. En revanche, la molécule n'échange pas d'électrons et reste la même : NH3.  Il s'agit dans ce cas d'une dissolution.

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La feuille de papier "collée" au verre retourné  
11/04/2000 Question Arnaud Beltran, enseignant-stagiaire de cycle 3 à l’école Marie Soboul ( 30)a_beltran@voila.fr
Je suis en PE1, et dans un stage je travaille sur la pression atmosphérique.
On donc réalisé l' expérience suivante sur laquelle les enfants de CM1 se sont interrogé: on remplit un verre d'eau, on le couvre d'une feuille de papier, puis on retourne le tout en maintenant la feuille contre l'ouverture du verre.
Il me reste une séance pour expliquer de manière scientifique pourquoi la feuille reste collée au verre, mais après réflexion, je dois admettre que la pression atmosphérique ne suffit pas à expliquer le phénomène. Je crois que l'eau colle à la feuille, mais je ne me l'explique pas. Pouvez-vous m'aider ?

21/04/2000 Réponse de Jean Matricon :
Pour comprendre ce curieux phénomène, il suffit de faire le bilan des pressions qui s'exercent sur la feuille de papier. D'un côté, celle d'une colonne d'eau de quelques centimètres de hauteur (la hauteur du verre), soit environ une dizaine d'hpa, de l'autre la pression atmosphérique, soit 1000 hpa. La feuille de papier n'a pas le choix, elle se "colle" contre l'eau et la maintient dans le verre.

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La forme du ménisque 
24/04/2000 Question de Juliette Guillemont, accompagnatrice dans les classes parisiennes, miette11@caramail.com
 Avant de réaliser des expériences sur les liquides avec une classe de CE2 dans laquelle j'interviens en tant qu'accompagnatrice scientifique, je les ai testées chez moi : j'ai mis dans un tube à essais du sirop, du liquide vaisselle, de l'eau, de l'huile et de l'alcool à 70° (c'est l'ordre des couches, et non celui dans lequel j'ai versé les liquides), et j'ai observé plusieurs phénomènes.
D'une part, entre l'eau et l'huile, il se forme une petite couche de la couleur du liquide vaisselle (que j'ai mis en avant dernier, juste avant l'alcool) : je pense que cela vient du fait que le liquide vaisselle, comme tout détergent, permet de "dissoudre" partiellement les graisses dans l'eau, mais j'aimerais en être sûre.
D'autre part, j'ai remarqué qu'à l'interface alcool-huile, le ménisque est bombé, et non creux comme on a l'habitude de voir. Y-a-t'il une explication simple à ce phénomène ? 

25/04/2000 : Réponse de Jean Michel Launay, I.U.T. de Laval Département Génie Biologique
Avant d’évoquer les interfaces entre deux liquides non miscibles, considérons d’abord une interface liquide-air. Tout d’abord, noter cette propriété d’un liquide : celui-ci tend
toujours à l’équilibre à adopter une forme telle que sa surface soit minimale.
Cette propriété, résumant le phénomène appelé « tension superficielle » est due au fait qu’une molécule située à la surface du liquide ne subit d’attraction que de la part de ses voisines de surface ( 4 pour simplifier) et de la plus proche dans le liquide (soit 5 au total). Au contraire, une molécule située à l’intérieur du liquide subit une force d’attraction supplémentaire.
Cette situation confère aux molécules de surface une propriété particulière tendant­ d’une part à réduire leur nombre au strict minimum­ d’autre part à créer une surpression ( du côté intérieur à la concavité) si l’interface liquide-air est bombé.
Exemple : une gouttelette d’eau est sphérique et présente une surpression en son sein. Idem pour une bulle d’eau savonneuse.
Finalement, dans une goutte d’eau, les molécules de surface se comportent un peu comme le caoutchouc d’un ballon de baudruche gonflé (l’analogie ne peut guère être poussée plus loin).
Remarque: c'est tout à fait similaire pour une interface entre deux liquides non miscibles ( cas d'une gouttelette d'huile dans l'eau).
Concernant l’interface ( appelé ménisque) entre un liquide et l’air, le tout placé dans un tube (plus le tube est fin, plus le phénomène se remarque) vertical.
Tout dépend alors si l’interaction entre le liquide et la paroi est de nature attractive ( ex : eau - verre propre) ou répulsive (ex : eau ­verre gras, mercure ­ verre, huile - eau).
Dans le 1er cas (contact mouillant), on observe un ménisque creux et simultanément la montée du liquide dans le tube ( = ascension capillaire).
Dans le 2e cas (on parle de contact non  mouillant), on observe un ménisque bombé et non seulement le liquide ne monte pas dans le tube mais le sommet du ménisque va se situer au dessous du  niveau du liquide extérieur au tube ! (il descend !). Finalement le liquide  ''a du mal" à rentrer dans le tube.
Concernant  votre interface huile - alcool à 70°, le  ménisque présente sa concavité du côté du liquide qui présente la force d’attraction la moins élevée avec la paroi, en l’occurrence l’huile.
Pour terminer, votre hypothèse concernant la dissolution des graisses dans le détergent me semble tout à fait justifiée.
Les phénomènes de tension superficielle et de capillarité sont présents dans une multitude de situation ( bulles de savon, araignées d’eau, éponges et buvards, humidité dans les murs, montée de la  sève…) et présentent des applications ( vêtement micro-poreux…). Si  cela vous intéresse, je pourrais vous indiquer quelques expériences  simples et captivantes (avec de l’eau savonneuse) illustrant les  caractères et propriétés citées précédemment. Peut être les trouve t-on  sur le Net, je vais tenter une recherche un de ces jours !…
J’espère que ces explications ont éclairé votre lanterne. Quelques schémas seraient peut-être utiles…Je suis prêt à essayer de  répondre aux nouvelles questions engendrées par mes commentaires !"

27/04/2000 Réponse de Jean Matricon :
Je ne comprends pas quel était le but de l'expérience. S'agissait-il de prouver que des liquides de densités différentes se superposaient sans (trop) se mélanger? Ou bien voulait-on montrer qu'il existe des liquides miscibles (couple eau-sirop, eau-alcool) et des couples non miscibles
(eau-huile, huile-alcool)? Ou bien voulait-on montrer que des couples non miscibles comme eau-huile pouvaient donner une apparence de miscibilité par ajout d'un détergent et formation d'une émulsion?
Pour ce qui est de la convexité du ménisque huile alcool, elle est due au fait que l'huile ne "mouille" pas le verre, surtout s'il vient d'être nettoyé par l'alcool. Comme tout liquide qui ne mouille pas son récipient (exemple le mercure), l'huile donne un ménisque bombé et une ascension capillaire négative. Cet effet est renforcé par la présence d'alcool, qui, lui, mouille très bien le verre. L'alcool a alors tendance à s'insinuer sur le verre dans la place que ne mouille pas l'huile, ce qui accentue la convexité du ménisque. La même expérience faite dans un tube en plastique transparent (genre polyacrylate) donne un ménisque sensiblement plat, ce
qui montre que ce plastique est mouillé de la même façon par l'huile et l'alcool.

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Densité, couleur et solubilité du mercure
27/04/2000
 Question de Frédéric Plasse, enseignant de cycle 3 à l’école Saline A à l’Ile de la Réunion (974), pcantet@guetali.fr
Cette question est apparue lors du travail sur la densité des liquides. Je possède du mercure argenté (en quantité )dont les enfants ont pu apprécier particulièrement la lourdeur. tellement que leur question a été : Qu'est ce qui fait sa lourdeur. A cela j'ai pu répondre. Comme on était dans les mélanges certains ont fait des remarques comme quoi le mélange devait être plus lourd encore. Ce qui est faux; eau +mercure est moins dense que mercure pur. C'est vrai qu'ils ne sont pas miscibles. Mais le mercure absorbe l'or. Qu'en est il alors? Dans un mélange de corps purs, la densité du mélange peut elle dépasser la densité du composant le plus dense? Puisque nous parlions du mercure, un des enfants me dit qu'à Madagascar (avec qui l'île de La Réunion a de fréquents échanges puisque c'est le deuxième pays le plus proche) le mercure est rouge et que dans un village c'est un sorcier qui l'a dit. 
Cette réflexion vient appuyer un article de VSD écrit il y a quelques années sur le prix des matériaux. 
Quid du mercure rouge? Info ou intox? Qu'a t il de différent par rapport au mercure argenté? "

28/04/2000 Réponse de Jean Matricon :
La solubilité de deux corps l'un dans l'autre n'a lieu que si les molécules des deux constituants ont des affinités, ce qui signifie qu'elles sont susceptibles d'établir des liaisons faibles les unes avec les autres. Ces liaisons attractives maintiennent les molécules des deux types proches l'une de l'autre, et le mélange occupe, de ce fait, un volume inférieur à la somme des volumes des constituants. C'est ainsi qu'un sirop de sucre est beaucoup plus dense que de l'eau. L'or étant un métal très dense (19,3 g/cc), l'amalgame qu'il donne avec le mercure est certainement plus dense que le mercure pur (13,6 g/cc).
Pour ce qui est du mercure rouge, tout ce que je peux dire est que ce ne peut pas être du mercure à l'état pur, car celui-ci a l'éclat métallique et la coloration de l'argent. Cependant, il existe un oxyde de mercure qui se forme assez facilement par chauffage, et qui est rouge vif. Est-ce l'explication?

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Filtrer le savon de l'eau
09/05/2000 Question de Marie Duputel,enseignante de cycle 1 à l'école maternelle de la Grande Fontaine,  ZEP du Tour des roches,Ile de la Réunion, pcantet@guetali.fr 
Nous avons un projet de création de bateau. Durant ce projet nous sommes confrontés aux liquides. Miscibilité, densité etc... sont les notions abordées. En marge de cela une question s'est posée de la couleur de l'eau, algues, etc..
Nous avons fait des essais à l'ombre, au soleil avec et sans air, nous avons introduit du sable, de la terre et constaté le dépôt et l'éclaircissement de l'eau. Cependant avec le savon l'eau reste blanche et trouble. Existe t il un produit simple pour filtrer le savon de l'eau ?

Dissolution du thé et du café dans de l'eau 
21/05/2000 Question d' Hervé Cornaud , enseignant de cycle 2 à l'école Four à chaux à la Martinique,  herve.cornaud@wanadoo.fr 
"On étudie la dissolution de l'eau sur certains corps. L'eau dissout le sel, le sucre.
Mais pour le thé, ou pour le café, comment s'appelle le phénomène ? l'eau change de couleur mais il reste des particules de thé ou de café (contrairement au sucre qui a disparu).
J'ai pensé a "infusion" mais je ne suis pas vraiment satisfait."

23/05/2000 Réponse de Jean Matricon 
La première question posée, ainsi d'ailleurs que la suivante, se rapportent à la capacité de l'eau de dissoudre un nombre très élevé de substances, les mécanismes de la mise en solution étant multiples et dépendants de la nature du corps dissous. Le cas le plus simple est celui de molécules neutres présentant une affinité pour l'eau. Le sucre est l'exemple type, la molécule de glucose comme celle de fructose (les deux constituants de la molécule de saccharose) étant hérissée de groupements -OH susceptibles de se lier à la molécule d'eau. Il existe dans la matière d'origine biologique un nombre immense de telles substances, généralement incolores, mais parfois colorées, ce qui arrive souvent lorsqu'elles ont subi un traitement thermique un peu vigoureux. Exemple, le caramel, mais aussi des substances issues de la torréfaction du café. Il existe aussi des substances colorées naturelles solubles, comme les anthocyanes qu'on trouve dans le choux rouge
et la betterave, ainsi que des tanins, qu'on trouve dans le thé noir. Dans tous ces cas, il s'agit d'une véritable mise en solution, les molécules étant complètement dispersées dans le liquide et inaccessibles par une filtration ordinaire.
L'eau peut également mettre des corps en solution en altérant leur structure moléculaire : c'est le cas des substances ioniques comme le sel de cuisine, chlorure de sodium, qui, dans l'eau se sépare en ions sodium, chargé positivement, et chlore, chargé négativement. C'est également le cas des savons, qui se dissolvent en donnant un ion sodium, libre de se déplacer, et un ion acide carboxylique comprenant un longue queue hydrophobe qui n'a aucune envie de se mettre en solution. Le résultat est que ces ions carboxylate s'organisent en structures complexes plus ou moins ordonnées appelées "cristaux liquides", qui forment des sortes de réseaux dans l'eau, lesquels diffusent fortement la lumière, d'où l'aspect blanchâtre d'une eau savonneuse. Ces structures sont très déformables, et elles peuvent donc traverser les filtres ordinaires. Pour se débarrasser du savon, il faut, soit procéder à une ultrafiltration, soit à une adsorption, par exemple sur du charbon actif, soit à une précipitation chimique. L'ion divalent calcium, présent dans les eaux "dures", précipite au moins partiellement les savons.
Le dernier type de solution dans l'eau est l'émulsion, dont un exemple est le lait, où des molécules insolubles (corps gras), sont encapsulées dans des molécules ayant de l'affinité pour elles d'un côté et pour l'eau de l'autre. Ces "colloïdes" sont très stables, mais on peut les déstabiliser chimiquement, par exemple par acidification.
Quelle que soit la substance en solution, les méthodes d'ultrafiltration qu'on commence à utiliser pour l'assainissement des eaux permet de s'en débarrasser, y compris le chlorure de sodium : de nouvelles usines de dessalement de l'eau de mer fonctionnent sur ce principe
.

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Chimie et gâteaux
22/05/2000 Question de Géraldine Thomas, accompagnatrice à l’école Anatole France (93), gerathomas@aol.com
Les CE2 de l'école Anatole France ont fait beaucoup de cuisine. Voici les questions qui leur sont venues naturellement :
Pourquoi la pâte change de couleur quand elle cuit ?
Comment la pâte liquide peut devenir gâteau solide ?
Pourquoi, à la cuisson, on sent des odeurs différentes ?

25/05/2000 Réponse de Jean Matricon
 Le changement de couleur de la pâte au cours de la cuisson est principalement dû aux réactions de Maillard, ensemble complexe de réactions chimiques qui se produisent entre les protéines (gluten) et les sucres (amidon) dès qu'on commence à chauffer. Ce sont ces mêmes réactions qui sont responsables de la coloration des viandes à la cuisson. Ces réactions produisent un grand nombre de molécules cycliques et polycycliques très aromatisées, qui ajoutent toutes sortes de parfums nouveaux au plat en train de cuire. Ceci répond aussi à la question 3.
2- Le durcissement des pâtes à base de farine est dû à la pénétration de l'eau ajoutée dans la pâte dans les grains d'amidon, ce qui libère les molécules d'amidon, lesquelles, très avides d'eau, s'approprient toute celle qui est disponible. La pâte, privée d'eau, devient donc dure.
Tu pourras dire au conseiller que toutes ces explications figurent dans le livre d'Hervé This "Les secrets de la casserole" chez belin.

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