Lamelles de cuivre rectangulaires ou carrées

Présentation de l’expérience par le professeur

Ma première idée était que le professeur réalise l’expérience complète de l’alchimiste en cours sans donner de détails et que les élèves travaillent sur cette expérience pour la comprendre pendant une séance de TP (2 périodes). Le professeur aurait pu conclure lors d’une dernière période de cours. Quatre périodes auraient donc dû être dédiées à cette même thématique, ce qui est probablement trop long pour les professeurs de gymnase. Les élèves auraient même dû finaliser le TP chez eux (tracé des courbes sur Excel) ce qui est loin d’être motivant pour eux, alors qu’un objectif de ce TP était d’être ludique. La proposition finale est d’aborder l’ensemble de la thématique sur une seule séance de TP de 2 périodes.

Introduction à l’alchimie (sur le protocole) :L’objectif de l’introduction est d’essayer de capter rapidement l’attention des élèves et de les faire « entrer dans le sujet ». Une proposition serait de laisser les élèves lire l’introduction du protocole en entrant dans la salle de TP . Si le professeur le souhaite, il peut aussi évoquer « Harry Potter à l’école des sorciers » (en anglais « Harry Potter and the Philosopher’s Stone ») où la pierre philosophale est au centre de l’histoire. La présentation sous forme d’enquête pour le roi ainsi que les symboles alchimiques (Capanema, 2013) devraient permettre d’apporter un côté ludique au TP et de susciter la curiosité des élèves.

Démonstration de l’expérience par le professeur (sauf pour les 3M)

Le professeur reproduit l’expérience de l’alchimiste et donne pour consignes aux élèves d’observer, de prendre des notes, de faire des schémas. Pour les classes de 3ème année, les élèves réaliseront eux-mêmes l’expérience pendant le TP.
Le professeur montre plusieurs objets cuivrés sans préciser leur composition. Il montre ensuite un bécher contenant une solution inconnue pour les élèves (NaOH 3 mol/L), y ajoute des granulés ou de la poudre (granulés ou poudre de zinc, la poudre étant préférable pour sa plus grande surface d’échange) et fait chauffer le tout.

Consignes de sécurité : ne pas faire bouillir excessivement la solution de NaOH (risque d’éclaboussures et de brûlures), un léger frémissement doit suffire.

Le professeur continue ensuite la démonstration en plongeant les pièces dans le bécher (attention aux risques de brûlure et d’ébullition) et agite légèrement tout en continuant de chauffer doucement. Selon les classes, il faut préparer au moins 4 objets pour chaque groupe (pour les 2M, 5 objets pour les 1M).

Rapidement, les objets changent de couleur et deviennent gris, argentés. Le professeur ne doit pas faire de commentaires mais laisser les élèves découvrir par eux-mêmes ce changement. Le but étant de laisser les élèves réfléchir et imaginer ce qui a pu se passer pour qu’ils émettent leurs propres hypothèses. Il faut attendre suffisamment longtemps (quelques minutes doivent suffire) pour que les objets soient complètement recouverts du film argenté.
Le cuivre ne devrait plus être visible : les élèves comprendraient trop rapidement qu’il s’agit uniquement d’un dépôt et non pas d’une transformation complète de l’objet. Le professeur rince ensuite les objets dans un bécher d’eau froide et les montre aux élèves pour une nouvelle observation.
Le professeur réalise enfin la seconde partie de l’expérience de l’alchimiste en chauffant, quelques secondes seulement, un objet argenté à la flamme du bec Bunsen.

L’objectif est de ne pas trop chauffer l’objet (ni trop fort, ni trop longtemps) juste assez pour observer le changement de couleur. Lorsque l’objet est doré, continuer encore 3 secondes. Pour une pièce, le professeur peut la tenir par la face : la température augmente même aux zones de contact et permet un changement de couleur uniforme. Le professeur rince ensuite l’objet en le plongeant dans un bécher d’eau froide, l’essuie puis le montre aux élèves. Les élèves devront suivre la même démarche pour transformer leurs objets argentés en objets dorés. Le professeur peut choisir de laisser les élèves faire l’expérience complète en TP, premier traitement inclus (dépôt de zinc). J’ai fait le choix de ne pas laisser cette première partie d’expérience aux élèves de 1ère et 2ème année car ils peuvent se concentrer sur la suite des expériences qui a pour objectif de les aider à comprendre ce qu’il s’est passé.

Aide à la réflexion des élèves

Le professeur peut orienter le raisonnement en posant quelques questions aux élèves, sans leur demander de réponses immédiates. Par exemple : Quelle semble être la composition de la pièce (couleur, poids, métal) : Initialement ? Après la 1ère phase ? Après la 2ème phase ?

Comment le prouver ? Comment analyser les pièces ? Que pensez-vous qu’il se soit passé ? Que savez-vous des métaux et de leurs propriétés ? Pour un même volume, est-ce que tous les métaux ont la même masse ?

Quelque soit le niveau des élèves, ils trouveront dans leur protocole un tableau indiquant les symboles chimiques et masses volumiques à 20 °C pour différents métaux (Données).
L’introduction du TP ne devrait pas durer plus de 15 minutes. D’une manière générale, ce TP répond à certains objectifs pour les trois disciplines scientifiques (biologie, chimie et physique) évoqués dans le plan d’études des écoles de maturité (Direction Générale de l’Enseignement Postobligatoire [DGEP], 2014), à savoir : Développer la curiosité et l’intérêt scientifiques. Acquérir les connaissances élémentaires d’une culture générale en sciences. Apprendre à structurer sa pensée et à conduire des raisonnements rigoureux et logiques. Apprendre à travailler en équipe. Ce TP fait aussi appel à quelques savoir-faire communs aux trois disciplines : A partir de l’observation d’un phénomène :

Apprendre à énoncer des hypothèses. Vérifier ou infirmer ces hypothèses à l’aide de nouvelles observations. Utiliser pour cela la méthode expérimentale. Savoir appliquer les mathématiques au traitement quantitatif de situations données.

Regroupement des élèves en fin de séance

Première étape : dépôt de zinc

En fin de séance, le professeur peut proposer aux élèves de se regrouper pour discuter de leurs résultats. Lors de la première étape de l’expérience de l’alchimiste, l’objet en cuivre n’est bien sûr pas transformé en argent. Pour les élèves de 1ère année, le professeur peut expliquer que le zinc présent en solution s’est déplacé sous sa forme ionique et est ensuite revenu à sa forme solide sur la pièce ou le clou cuivré, ce qui explique cette couleur argentée (couleur du zinc solide). Pour les 2ème et 3ème années, il est important de bien préciser que ce n’est pas le cuivre solide qui s’oxyde, mais le zinc solide (poudre ou granulé). Il y a donc un échange d’électrons entre le zinc solide et les ions zincate (Zn(OH)4) dans le cas de NaOH (ou les ions zinc Zn2+ dans le cas de ZnCl2) en solution. Le cuivre ne sert ici que de support. Pour plus d’explications.

Deuxième étape : formation de l’alliage

Le professeur peut expliquer la deuxième partie de l’expérience de l’alchimiste en abordant la notion d’alliage de métaux. Pour cela, le professeur peut faire un lien avec les états de la matière (solide, liquide) en donnant les températures de fusion de certains métaux (par exemple 419,6 °C pour le zinc et 1084 °C pour le cuivre). En chauffant les pièces ou clous au bec Bunsen, les atomes de zinc et de cuivre se réarrangent pour former l’alliage cuivre-zinc de couleur dorée. Le professeur peut expliquer qu’un alliage peut se former très rapidement si les phases sont plus liquides (fusion des métaux) mais qu’il peut aussi se former à plus basse température sur une longue durée (diffusion lente des atomes de zinc dans le réseau métallique du cuivre).

Choix des objets cuivrés

Pour l’adaptation du protocole du Chimiscope aux écoles de maturité, le point le plus délicat concerne le choix des objets cuivrés. Un atelier de l’Université de Genève fournit au Chimiscope de jolies pièces en cuivre estampillées « UNIGE », de diamètre et épaisseur précis. Les gymnases n’ayant généralement pas les mêmes ressources, les professeurs devront choisir parmi plusieurs propositions : créer des pièces à partir de tiges de cuivre de diamètre connu, créer des lamelles rectangulaires ou carrées à partir de plaques de cuivre, acheter du fil de cuivre de diamètre connu, acheter des clous cuivrés ou bien utiliser des pièces de centimes d’euros. Le choix de l’objet qui semble le plus approprié revient donc aux professeurs.

Pièces à partir de tiges de cuivre

Couper des pièces dans des tiges de cuivre de diamètre 20 mm est la technique la plus proche du Chimiscope. Une pièce de 20 mm de diamètre et 2 mm d’épaisseur correspondrait à un volume de 0,63 cm3 et une masse de 5,60 g. Ses caractéristiques seraient parfaites pour tous les protocoles (de 1M à 3M) : les dimensions sont appropriées au premier traitement (dans un bécher) et les pièces sont faciles à chauffer au bec Bunsen. Les calculs de volumes pour le protocole de 1ère année sont aussi facilement réalisables.

Mais les questions de la faisabilité et de la reproductibilité des dimensions se posent. Est-ce que les professeurs de gymnases souhaiteront prendre le temps de créer autant de pièces pour tous les TP? Est-ce que les 2 mm d’épaisseur seront faciles à reproduire pour toutes les pièces ? Des pièces plus épaisses seraient peut-être plus faciles à découper, mais le coût du TP serait forcément plus important.

Lamelles de cuivre rectangulaires ou carrées

Des lamelles rectangulaires ou carrées seraient plus faciles à couper dans des plaques de cuivre. Des dimensions correctes pourraient être 30 mm x 15 mm x 1 mm . Dans ce cas, le volume par lamelle serait de 0,45 cm3 et la masse de 4,01 g. De même que pour les pièces, les questions de la reproductibilité des dimensions et de la faisabilité se posent. De plus, le professeur doit vérifier que le bécher utilisé pour le dépôt de zinc soit approprié aux dimensions des lamelles. Il faut donc vérifier également le volume de solution et éventuellement placer les lamelles sur la tranche et agiter de façon continue.

Fil de cuivre

Le fil de cuivre est simple à acheter, facile à préparer et permet d’obtenir des objets de dimensions reproductibles (découpées à des longueurs précises). L’inconvénient principal est que le fil étant très fin (1 mm voire 0,8 mm de diamètre), il faudrait beaucoup de fil pour obtenir un volume de 0,5 cm3. Par exemple, pour un fil de 1 mm de diamètre, une longueur de 600 mm permettrait d’obtenir un volume de 0,47 cm3 soit une masse de 4,20 g. En l’enroulant, il serait tout de même peut-être possible de le placer dans un bécher.

Table des matières

INTRODUCTION
I-PRESENTATION DE L’EXPERIENCE PAR LE PROFESSEUR
1. INTRODUCTION A L’ALCHIMIE (SUR LE PROTOCOLE)
2. DEMONSTRATION DE L’EXPERIENCE PAR LE PROFESSEUR (SAUF POUR LES 3M)
3. AIDE A LA REFLEXION DES ELEVES
II-ANALYSE DE L’EXPERIENCE PAR LES ELEVES DE 1M
1. CONTEXTE ET OBJECTIFS
2. ANALYSE DES PIECES PAR MESURES DE MASSES ET DE VOLUMES
3. FORMATION DE L’ALLIAGE CUIVREMZINC ET CONCLUSION
III-ANALYSE DE L’EXPERIENCE PAR LES ELEVES DE 2M
1. CONTEXTE ET OBJECTIFS
2. ANALYSE DES OBJETS PAR MESURES DE MASSES ET DE VOLUMES
3. ANALYSE DES OBJETS PAR ATTAQUES D’ACIDES SUR METAUX (THEORIE ET PRATIQUE)
4. CONCLUSION POUR LES 2M
IV-ANALYSE DE L’EXPERIENCE PAR LES ELEVES DE 3M
1. CONTEXTE ET OBJECTIFS
2. EXPERIENCE COMPLETE DE L’ALCHIMISTE
3. ETUDE DE LA COMPOSITION DES PIECES GRACE AU GRAPHIQUE FOURNI
4. ATTAQUES D’ACIDES SUR METAUX (THEORIQUE ET PRATIQUE)
5. CONCLUSION SUR L’ADAPTATION AUX 3M
V-REGROUPEMENT DES ELEVES EN FIN DE SEANCE
1. PREMIERE ETAPE : DEPOT DE ZINC
2. DEUXIEME ETAPE : FORMATION DE L’ALLIAGE
3. TEST A LA PIERRE DE TOUCHE
VI-CHOIX DES OBJETS CUIVRES
1. PIECES A PARTIR DE TIGES DE CUIVRE
2. LAMELLES DE CUIVRE RECTANGULAIRES OU CARREES
3. FIL DE CUIVRE
4. CLOUS CUIVRES
5. PIECES DE CENTIMES D’EUROS
6. PROPOSITIONS
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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