Epineuse enquête - Recherche 4

Recherche 4

 

1ère séance

Résumé

On cherche à identifier la poudre présente sur la victime

Discipline(s)

Chimie

Notions disciplinaires

pH d’une solution aqueuse, solution acide, basique, neutre,  Influence de la dilution sur le pH

Capacités, Attitudes travaillées

Concevoir et réaliser un protocole expérimental

Production

Tableau résumant les tests réalisés et les observations

Matériel nécessaire/utile

Mélange de solutions aqueuses issues de poudres blanches et poudres blanches*, papier pH, coupelles, pipettes, tubes à essais, lunettes, gants.

Durée, modalités

1 séance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*poudres possibles : sel, sucre, farine, nitrate d’argent, carbonate de calcium, carbonate de magnésium, bicarbonate de sodium, silicate de magnésium, aspirine, paracétamol…

 

L’objectif de cette première séance est d’introduire la notion de pH mais aussi de réfléchir aux méthodes et pratiques scientifiques. La valeur du pH est en effet dépendante de la dilution avec laquelle est préparée la solution. Les élèves vont être amenés à réaliser des mesures de pH à partir de poudres qu’ils vont devoir mettre en solution. Sans une préalable entente entre les groupes sur le protocole de dilution, les mesures de pH seront différentes entre les groupes, ce qui sera l’occasion d’un éclairage sur la méthode expérimentale.

Après avoir présenté la notion de pH, les élèves réalisent donc la mise en solution de la poudre et la mesure associée du pH. Des modalités d’organisation peuvent permettre aux élèves de ne pas avoir toutes les mesures à faire. Un tableau des résultats est présenté au tableau ou vidéo projeté. Les élèves sont invités à le compléter au fur et à mesure de leur manipulation. Une fois le tableau rempli, une phase de discussion de groupe est menée pour comparer les résultats obtenus par l'ensemble des élèves.

On propose de donner aux élèves les poudres dans de petits flacons. Le professeur pourra par exemple avoir pesé une masse de 0,1 g pour chaque poudre. Les élèves auront à disposition un bécher de 200 mL (ou une grande fiole jaugée). Sans indication supplémentaire, les élèves pourront penser à homogénéiser leur protocole ou complèteront avec une quantité d’eau indifférente.

Si les différents groupes ne se sont pas mis d’accord pour réaliser les mesures dans des conditions de manipulation identiques, ils obtiendront des variations pour certaines des solutions. Par exemple, lors de notre préparation, nous avons mesuré une valeur de pH de 8-9 pour une solution de bicarbonate de sodium dilué dans 50 mL et de 7-8 dans une solution de 100 mL. Cela n’aura aucun impact sur les solutions neutres. Après avoir constaté les variations dans les mesures des différents groupes, différentes hypothèses pourront être avancées pour expliquer ces écarts :

  • problème d’incertitude liée à l’appareil de mesure : l’enseignant peut introduire alors les notions de gammes d’incertitude et également proposer d’utiliser un autre moyen de mesure plus précis, le pH-mètre. Le pH-mètre permet effectivement d’augmenter la précision de la mesure (diminuer la gamme d’incertitude) mais, si les élèves ont correctement manipulé, il ne devrait pas empêcher de constater des différences entre les groupes ;
  • problème lié au protocole de mesure. Le professeur demande aux élèves de revenir sur leur manipulation. Qu’auraient-ils pu faire de différent ? Le volume d’eau utilisé pour réaliser la dilution a été différent, rendant impossible toute comparaison. En science, la mise en place d’un protocole doit être assez précise pour que d’autres scientifiques puissent l’utiliser et vérifier s’ils obtiennent les mêmes résultats. Les élèves se mettent alors d’accord pour standardiser le protocole de mesure du pH.

 

Quelques données

Concernant le nitrate d’Argent, il est moins cher déjà en solution. A 1g/100mL, la solution avait un pH de 4 (mesure au papier pH) tandis qu’à 0,2g/100mL, le pH était de 6.

Concernant le sulfate de fer II, le pH a été mesuré à 6 à 0,1g/100mL et à 7 quand il était dilué à 0,1g/500mL.

 

Proposition d'activité

Situation de départ

L’enquête minutieuse du corps de la victime a révélé un autre indice qui n’avait pas échappé à l’œil exercé de M. Holmes : une petite poussière ou poudre blanche sur une manche de sa veste. « Qu’elle ait ou non un rapport direct avec le meurtre, elle nous donnera peut-être une information capitale. A vous de jouer Watson » , déclare Holmes.

Absorbé dans vos réflexions, vous l'entendez soudain s'exclamer :

- Holmes : Vous pensez à du sucre, n'est-ce pas ? Vous allez bien vite en besogne et je vous déconseille d’y goûter pour confirmer cette hypothèse. Sucre, aspirine, nitrate d’argent, bicarbonate de soude, sulfate de fer… J’arrête là cher ami, la liste est déjà longue et je ne me risquerais pas à toutes les ingérer.

- Watson : Comment alors allons-nous procéder ?

- Holmes : Je n’ai pas amené tous mes échantillons mais voilà déjà du papier pH, de la soude et du NaCl. Cela suffira certainement à confirmer mes soupçons… ».

 

 

  • Défi : Déterminez le pH des différentes solutions !

 

Connaissances : le pH d’une solution aqueuse est une grandeur caractéristique de la solution dont la valeur est comprise entre 0 et 14. Pour un solide, la mesure du pH nécessite de le diluer d’abord dans l’eau.

Le pH mesure l’acidité ou la basicité de la solution : la solution est acide si son pH est inférieur à 7, neutre si son pH est égal à 7 et basique si son pH est supérieur à 7. La mesure de la valeur du pH peut se faire avec un papier pH. Pour cela, il faut placer une bande de papier pH dans une coupelle sèche puis déposer dessus une ou deux gouttes de la solution à tester. Enfin, il faut comparer la couleur de la bande à celles du nuancier du papier pH pour estimer la valeur du pH de la solution.

Avertissement : Certaines substances utilisées sont corrosives, c’est-à-dire qu’elles réagissent avec différents matériaux (et notamment les tissus organiques) qu’elles dégradent.
PRÉCAUTIONS : Ne pas respirer les vapeurs de ce produit, et éviter tout contact avec les yeux, la peau et les vêtements.

Matériel à disposition : papier pH, pipettes, coupelles, extrait de la poudre retrouvée sur la scène + extraits de poudres suspectes* + eau distillée. Lunettes et gants.

Production attendue : tableau des valeurs par groupe.

 

 

 

2ème séance optionnelle

Résumé

On cherche à identifier la poudre présente sur la victime

Discipline(s)

Chimie

Notions disciplinaires

pH d’une solution aqueuse, solution acide, basique, neutre,  influence de la dilution sur le pH

Capacités, Attitudes travaillées

Concevoir et réaliser un protocole expérimental

Production

Tableau résumant les tests réalisés et les observations

Matériel nécessaire/utile

Mélange de solutions aqueuses issues de poudres blanches et poudres blanches*, papier pH, coupelles, pipettes, tubes à essais, lunettes, gants.

Durée, modalités

1 séance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A la séance précédente, les élèves ont réalisé que toutes les solutions devaient être diluées de la même façon pour pouvoir comparer leur pH. Les variations de pH ont été observées pour les solutions à pH non neutre, à savoir éventuellement : le nitrate d’argent, le sulfate de fer, le bicarbonate de sodium, l’aspirine. L’objectif est donc de remesurer correctement le pH de ces solutions. Dans un premier temps les élèves doivent déterminer la dilution à réaliser. Comme le nitrate d’argent a probablement été donné en solution, il convient de se référer à sa dilution pour fabriquer les nouvelles solutions en vérifiant de bien être à la même concentration.

 

Les élèves réfléchissent par deux au protocole à réaliser. Le matériel leur est indiqué : poudres, spatules, balance, éprouvette graduée, pissette contenant de l’eau distillée, verre de montre.

Après mise en commun du protocole, on établit que chaque groupe travaille sur une des solutions.

 

En fin de séance, un nouveau tableau est réalisé de façon commune pour résumer les résultats obtenus par tous les groupes. On peut à nouveau obtenir des différences entre groupes, mais cette fois plus mineures. On peut proposer des explications à ces nouvelles différences : conditions de réalisation pas en tout point identiques, subjectivité des mesures ou, si cela n’a pas été évoqué, limite liée à l’instrument de mesures (on peut alors, si cela est possible, proposer des mesures à l’aide d’un pH-mètre). Dans le cas contraire, on peut réfléchir à l’utilisation d’outils mathématiques pour prendre en compte la variation observée dans les mesures du pH d’une même solution, la moyenne par exemple. Celle-ci est calculée à partir de l’ensemble des valeurs qui appartiennent au même ordre de grandeur et enlever les valeurs aberrantes (ou recommencer de nouvelles mesures pour les remplacer). Elle permet de diminuer l’incertitude liée à la mesure.

 

Du point de vue des connaissances de chimie, on pourra donc rappeler le vocabulaire (pH, solution acide, basique, neutre) et présenter d’une part les instruments de mesure du pH et d’autre par l’influence de la dilution (la dilution n’a aucune conséquence sur le pH d’une solution neutre mais elle rend moins acides les solutions initialement acides et moins basiques les solutions initialement basiques). On pourra prolonger cette séance en associant le caractère acide ou basique à la présence d’ions H+ et OH-.

 

Les élèves sont amenés à expliquer que ces mesures tendent à écarter : le bicarbonate et éventuellement les solutions neutres mais un doute persiste du fait du caractère faiblement acide du nitrate d’argent. Ces conclusions nécessitent donc un autre test pour être confirmées.

 

 

 

 

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte