Préface
Le nouveau programme de chimie de la classe de Seconde, entré en vigueur en septembre 2000, a naturellement entraîné une refonte de l'ouvrage qu'il est maintenant de tradition que les professeurs du groupe « Méthodes en Pratique » de l'académie de Lille réalisent dans le cadre de cette collection pédagogique. Bien que les Sciences Chimiques, qui puisent leurs racines dans l'Antiquité, ont progressé à pas de géant ces dernières décennies, les bases de leur structuration telles la classification périodique des éléments et la notion de mole sont restées intangibles depuis le siècle dernier. De ce fait, le corps de ce nouveau programme reste bien sûr inchangé dans son esprit, mais son approche est nouvelle comme l'est, dans sa conception, l'introduction d'un thème libre. En conséquence, « mutatis mutandis », c'est-à-dire « en changeant ce qui doit être changé », ce nouveau document est bien plus qu'une simple remise à jour des séquences expérimentales et cognitives de l'ancienne version : il s'en distingue aussi bien dans le fond que dans la forme. Innovation, pragmatisme, présentation concrète des faits, recherche de l'efficacité tout en s'efforçant de rendre attrayants les concepts que les élèves doivent acquérir en cette première année au lycée, tels sont les atouts de cet ouvrage qui rompt avec la présentation officielle du programme lorsque cela est apparu nécessaire pour assurer la cohérence et l'harmonie d'un enseignement adapté au public des classes de Seconde. Le thème libre que nous avons développé, intitulé « La bière », est particulièrement riche en expériences qui se rattachent aux savoir-faire que les élèves doivent maîtriser. De plus, outre les connaissances qu'il permet d'aborder, lesquelles pourront être étalées sur l'année ou être proposées pour couronner le programme, ce thème sera aussi l'occasion de sensibiliser les élèves aux dangers présentés par les boissons alcoolisées. Gageons que cette nouvelle production du CRDP du Nord - Pas-de-Calais en liaison étroite avec l'Inspection Pédagogique Régionale des Sciences Physiques et Chimiques recueillera un succès égal à la passion qu'ont mis ses concepteurs à la réaliser. Marc LECŒUCHE IA-IPR des Sciences Physiques et Chimiques Académie de Lille
7
Sommaire
PRÉFACE de Marc LECOEUCHE
7
AVANT-PROPOS
13
Première partie : CHIMIQUE OU NATUREL ?
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PRÉSENTATION DU PROGRAMME
15
I PRODUITS DOMESTIQUES ET CHIMIE
17
1. Les cinq sens du chimiste en éveil
17
2. Activité - recherche par l'élève
17
3. TP : Mise en évidence de quelques espèces chimiques dans les produits présents dans la cuisine
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4. Informations pour les professeurs
22
II VOUS AVEZ DIT E... ? (COLORANTS ET ADDITIFS)
24
1. Synthétique ou naturel, à la recherche des additifs alimentaires
24
2. Activité - recherche par l'élève
24
3. Document pour le professeur : les colorants alimentaires
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4. TP : Miscibilité et solubilité
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5. Prolongement du TP ou évaluation
31
III J'AI DIT E 163... ET POURQUOI ?
32
1. À la recherche de E 163
32
2. Principe de la chromatographie
33
3. TP : À la recherche du E 163
35
4. Exercices
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5. L'indicateur coloré d'acido-basicité
38
6. TP : L'indicateur coloré d'acido-basicité
39
9
Sommaire
Deuxième partie : CONSTITUTION DE LA MATIÈRE PRÉSENTATION DU PROGRAMME 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.
41 41
Le modèle de l'atome Constitution de l'atome Le modèle du cortège électronique de l'atome L'élément chimique : approche expérimentale TP : « La traque du cuivre » ou le cuivre sous différentes facettes L'élément chimique Document : La notion d'élément au XVIIIe siècle Activité documentaire Chimie et étymologie Classification périodique des éléments Étude documentaire : 1 - La démarche de Mendeleïev Étude documentaire : 2 - L'aluminium TP n° 1 : Ébauche de classement des éléments chimiques TP n° 2 : Illustration des propriétés d'éléments chimiques appartenant à une même colonne de la classification périodique TP n° 3 : Prolongement possible du TP précédent Les règles du « duet » et de l'octet. Applications aux ions monoatomiques Les molécules : cours Les molécules - activité 1 : Notion d'isomérie Les molécules - activité 2 : Géométrie des molécules
Troisième partie : TRANSFORMATIONS DE LA MATIÈRE PRÉSENTATION DU PROGRAMME
44 50 55 63 64 67 70 71 72 75 81 82 84 92 96 101 105 110 112
115 115
1. Quantité de matière : La mole 2. TP n° 1 : Illustration de la notion mole
10
117 123
Sommaire
3. TP n° 2 : La mole et la masse molaire
126
4. Exercices sur les quantités de matière
128
5. L'écriture symbolique de la réaction chimique
129
6. TP : Étude de la stoechiométrie d'une réaction chimique
133
7. Exercices
136
8. La mole et le cas particulier de l'état gazeux
141
9. Exercices sur les volumes : corps gazeux
147
10. Activité documentaire : Lavoisier
152
11. TP n° 1 : Élaboration du protocole de réalisation d'une solution-dilution d'une solution
154
12. TP n° 2 : Détermination de la concentration d'une solution aqueuse de chlorure d'hydrogène ou d'ammoniac
158
13. Initiation à l'avancement-bilan de matière
162
Quatrième partie : UN THÈME : LA BIÈRE
169
PRÉSENTATION DU PROGRAMME
169
1. Pourquoi ce thème ?
169
2. Présentation du thème « La bière » auprès des élèves
173
3. Exemple de moyens de séparation de constituants d'un mélange élaboration d'un protocole expérimental
173
4. TP n° 1 : Séparation de constituants de la bière (dégazage et recherche du colorant)
175
5. Séparation de l'alcool de la bière - élaboration d'un protocole expérimental 177 6. TP n° 2 : Séparation de constituants de la bière par distillation
182
7. Mise au point de tests d'identification d'ions
186
8. TP n° 4 : Recherche d'ions dans la bière
191
9. Références utiles
193
11
Un thème : la bière
PRÉSENTATION DU PROGRAMME 1.
POURQUOI CE THÈME ? La bière est un produit régional important, source d'artisanat et d'industrie (1.2)* et se prétant à de nombreuses démarches pour notre enseignement. Elle est de consommation courante mais cette consommation n'est pas sans danger (Voir la documentation ministérielle : « L'alcool, parlons-en au lycée ») (3). Aussi, plutôt que d'écarter un produit alcoolisé pour le thème, il deviendra l'occasion d'aborder avec les élèves les effets de l'alcool sur l'organisme (en liaison avec le service médical, les S.V.T...) d'autant qu'ils peuvent se le procurer facilement. Ils connaîtront également, après étude, la signification des indications de l'étiquette et sa composition. Ignorer le danger n'empêche pas le danger. A. HISTORIQUE
Depuis des millénaires, des breuvages alcoolisés issus d'orge fermentée sont connus au Moyen-Orient et dans les pays nordiques. Ce type de breuvage introduit en Europe par les rois d'Égypte lors de leurs migrations pouvait se comparer, par sa composition, à une sorte de « pain buvable », mais riche en alcool (~13 % Vol.).
Brasseuse égyptienne (2500 avant J.C.) Brasseurs de France
*Les numéros renvoient à la liste de références en fin de partie.
169
Un thème : la bière
C'est en Gaule que cette boisson s'améliore grâce au maltage et qu'apparaît la cervoise, ainsi que l'invention du tonneau de bois pour résoudre les problèmes de stockage. Suite aux croisades, de nouvelles épices sont appréciées et certaines sont alors utilisées pour aromatiser la boisson. C'est au Moyen-Age que les moines introduisent le houblon dans la fabrication de cette boisson (ex. : Abbaye de St Vaast à Arras). Cette fabrication se généralise : dès 1380 de nombreuses brasseries se développent dans le Nord de la France et le nom de Bière apparaît vers 1435.
Sucellus Brasseurs de France
Sa production, sa qualité, son transport et son commerce sont soumis à des contrôles, des réglementations et aussi à des impositions. En 1694, Louis XIV crée des monopoles de fabrication ; les Hôteliers et les Cabaretiers n'en conservent que le débit (cf. Édit du Roy). Les découvertes scientifiques du XIXème siècle (ex. : travaux de Pasteur) permettent des progrès considérables au niveau de la fabrication (étude des levures et de la fermentation) et de la conservation (pasteurisation). C'est aussi à la fin de ce siècle qu'apparaît la bière « sans alcool » qui ne sera commercialisée qu'après 1960.
Le 23 juillet 1694 à Versailles, les pouvoirs publics se préoccupent du contrôle de la qualité, et de la défense des consommateurs.
170
Un thème : la bière
B. FABRICATION
◆ Matières premières - Orges (sélectionnées : spécial brasserie) et diverses céréales (maïs, riz, blé...). - Houblons (variétés diverses utilisées pour l'arôme, l'amertume...) - Eau de qualité. - Levures (souches pures différentes suivant le type de fabrication). ◆ Étapes de la fabrication Tableau schématique de la fabrication I. Matières premières Stade de fabrication
II. Maltage
=
Orge
+
Produit initial
Orge
Malt
Houblon Matériel
+
Eau
+
Fonctions et transformations
Trieurs et calibreurs
Nettoyage de grain et calibrage
Cuves à tremper
Humidification du grain = le trempage
Germoirs
Germination contrôlée et formation de diastases
Touraille
Séchage pour arrêter la germination = dessication lors du touraillage
Levure Produit final
Malt
Concasseurs
Concassage ou mouture du malt
Farine de malt
Cuves de brassage
Extraction et saccharification de l'amidon en sucre fermentescible = le brassage
Moût
Farine de malt + eau Cuves de filtration
Filtration et séparation de la drêche
Moût filtré
Moût + houblon
Chaudières d'ébullition
Cuisson du moût et extraction des principes amers du houblon = l'ébullition
Moût houblonné
Moût houblonné
Bac refroidisseur Réfrigérants à plaques
Clarification Refroidissement du moût
Moût refroidi
IV. Fermentation
Moût + levure
Cuves dans cave de fermentation
Fermentation primaire : la levure transforme le sucre en alcool + gaz carbonique
Bière fermentée
V. Garde
Bière fermentée
Tanks dans caves de garde
Fermentation secondaire : saturation de gaz carbonique et dépôt de levure ; mûrissement
Bière saturée et trouble
VI. Filtration
Bière saturée et trouble
Filtres à Kleselguhr Filtres à plaques, etc.
Séparation des levures de la bière Clarification
Bière limpide et brillante
Décaissage Mise en bouteilles ou embouteillage Encaissage
Bière en bouteilles
Bière filtrée, limpide et brillante
Laveuses et soutireuses - capsuleuses et étiqueteuses bouteilles Laveuses et soutireuses fûts
Mise en fûts
Bière en fûts
III. Brassage
VII. Soutirage
171
Un thème : la bière
C. DIFFÉRENTS TYPES DE BIÈRE
Outre leur couleur (pâle, ambrée, brune) due à la présence de caramel (E 150) formé naturellement lors du Touraillage (ou torréfaction) du malt, les bières se divisent en trois grandes familles suivant le type de fermentation qu'a subi le malt et l'espèce de levure utilisée : - Fermentation basse (6 < t°C < 10°C) pendant 7 à 10 jours → Lager, Pils, Bock... - Fermentation haute (15 < t° C < 20° C) pendant 3 à 7 jours → Bières « Spéciales » : Stout, Ale, Trappiste... - Fermentation spontanée (spécifiquement belge). Elle est assurée par des ferments prélevés naturellement dans l'air de la région de Bruxelles. Elle dure de 1,5 à 3 années → Gueuze, Kriek, Lambic...
D. EXPLOITATION DE CE THÈME
La bière est un produit à base d'ingrédients naturels, gazeux, alcoolisé, coloré, acide..., intéressant pour mettre en oeuvre, par exemple, des techniques de séparation et d'analyse figurant dans le programme. À la discrétion du professeur, les activités relatives à ce thème pourront constituer une partie distincte traitée au moment qu'il juge opportun. Ces activités pourraient aussi être utilisées au fur et à mesure de sa progression en l'imbriquant, par exemple : - dans I : « Chimique ou naturel ? » qu'elles illustrent tout à fait - et dans III : « Transformations de la matière ». Ce thème permettra des travaux en interdisciplinarité, par exemple : - germination, fermentation, levures... en liaison avec les S.V.T. - « les chiffres de la bière » (1) ou « la bière en chiffres » (4) avec les S.E.S. - agriculture de l'orge ou du houblon avec l'Histoire et la Géographie. Le professeur pourra envisager une visite d'usine : - Brasserie (2, 4), - Malterie (La France est le premier exportateur mondial de malt) (5), - Verrerie (6), aluminum, acierie (7) pour l'emballage. La conclusion du thème pourrait porter sur sa fabrication.
172
Un thème : la bière
2.
PRÉSENTATION DU THÈME « LA BIÈRE » AUPRÈS DES ÉLÈVES
Cette présentation peut se concevoir en classe entière, en faisant le lien avec les travaux de recherche et leur dépouillement qui ont été réalisés au tout début de l'année scolaire dans le cadre de la partie I du programme. A. RECHERCHE GUIDÉE ÉLÈVE
Chaque élève serait chargé de lire les étiquettes de deux sortes de bière au moins, afin d'y relever les indications données sur leurs compositions. Il peut aussi comparer les informations relevées sur ces étiquettes avec celles de bouteilles d'eau ou de cidre par exemple. Des compléments peuvent être apportés par l'interrogation d'Internet... B. EXPLOITATION DU PARAGRAPHE PRÉCÉDENT
Les réponses feront apparaître que nous avons affaire à des mélanges (homogènes), colorés ou non... Il sera donc possible d'introduire très concrètement les notions indispensables pour le thème : - Mélanges, corps purs simples et composés. - Mélange homogène (la bière en bouteille fermée). - Mélange hétérogène (la bière en bouteille ouverte). - Phases. - Miscibilité. - Solubilité. - Solution, solvant, soluté.
3.
EXEMPLE DE MOYENS DE SÉPARATION DE CONSTITUANTS D'UN MÉLANGE ÉLABORATION D'UN PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL
Le travail préalable à la séance de TP exposée dans ce qui suit pourra être mené classe entière en exploitant, par exemple, un questionnaire que le professeur bâtirait à partir d'observations basées sur la vie courante et conduisant les élèves à cerner la cause des phénomènes : en particulier, ici, pourquoi la bière produit-elle de la mousse lorsqu'on ouvre la bouteille (comme d'ailleurs le champagne, le cidre, la limonade, les vins mousseux...), pourquoi est-elle plus ou moins colorée, de la « blonde » à la « brune » ?...
173
Un thème : la bière
A. À QUELS PARAMÈTRES EST LIÉE L'EXISTENCE DE LA MOUSSE DE LA BIÈRE ?
• Bouteille fermée : pas de mousse (la bière est dite sous pression). • Bouteille ouverte : apparition de bulles qui montent à la surface de séparation du liquide et de l'air, éclatent et ainsi produisent la mousse. (La bière est alors sous la pression atmosphérique, inférieure à celle qui régnait avant : bouteille fermée). La formation de mousse est liée à la diminution de la pression exercée sur la bière lorsqu'on ouvre la bouteille. • Bière très fraîche : peu de mousse. • Bière à température ambiance : davantage de mousse. • Bière chaude : mousse abondante (« pchitt » incontrôlable). La formation de mousse est liée à la température de la bière : elle est d'autant plus abondante que la température est élevée. • Bière secouée : mousse abondante (« pchitt » incontrôlable). La formation de mousse est liée à l'agitation de la bière. Conclusion : la formation de mousse dépend de paramètres physiques : pression et température, ainsi que mécanique : agitation.
B. TRAME DU PROTOCOLE : DÉGAZAGE DE LA BIÈRE
Les élèves pourront ici réinvestir ce qu'ils ont appris au collège où ils pratiquent le dégazage de boissons gazeuses en n'oubliant pas, d'après ce qui précède, que le dégazage sera d'autant plus complet qu'on élèvera la température, diminuera la pression et agitera la bière. Le montage utilisant la trompe à eau, la plaque chauffante et, si possible l'agitateur magnétique, est ainsi envisagé puis mis en oeuvre en TP. L'opération de dégazage de la bière étant relativement facile à mettre en oeuvre et ne pouvant occuper toute une séance de travaux pratiques, elle pourra être associée à la décoloration de cette boisson et à la recherche de son colorant.
174