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Version du 27 avril 2023 à 14:56
Dans cette expérience, nous allons tester une eau d’aspect ordinaire à l’aide de produits du quotidien et réaliser des réactions chimiques pour mieux comprendre les phénomènes de pollutions invisibles dans nos cours d'eau.
Difficulté
Facile
Durée
20 minute(s)
Disciplines scientifiques
Chimie, Science de la vie
Introduction
Une eau transparente et sans odeur est-elle forcément une eau propre ?
Cette fiche expérience s’intègre dans le Parcours 2 : Problématiques. Elle est réalisée dans le cadre d'un partenariat avec l'agence de l'eau Loire - Bretagne.
- Matériel et outils
- Fichiers
Bocal en verre 
Généralement en verre, le bocal peut être selon l’usage et l’époque ; en faïence, en grès ou en céramique. Parmi les avantages du verre, on peut noter la transparence permettant de voir son contenu et la possibilité de facilement désinfecter en chauffant à haute température.
Le couvercle de bocaux servant aux conserves comporte un joint de caoutchouc (généralement orange, voir photo ci-dessous). Il est relié au pot par un dispositif mécanique qui permet de le plaquer fermement sur l'orifice pour assurer l’étanchéité de la fermeture.
Vinaigre blanc 
Le vinaigre d'alcool ou vinaigre blanc peut être obtenu à partir d'un alcool de betteraves.
Le vinaigre blanc est un mélange d'eau et d'acide acétique à hauteur de 6 à 8%. L'acide acétique est obtenu par fermentation d'alcool de betterave ou de maïs.
Bicarbonate 
Le bicarbonate de sodium est un produit qui sert à tout !
Désodoriser le frigo, se laver les dents, favoriser la digestion, laver les surface salles... Et surtout, c'est le chouchou des expériences de wikidébrouillard !
Il est parfois appelé bicarbonate de soude mais il ne faut surtout pas le confondre avec la soude qui est très corrosive et peut être très dangereuse. Bouilloire 
La bouilloire est un ustensile de cuisine utilisé pour porter un liquide à ébullition. Elle est généralement utilisée pour la préparation du thé. Il existe deux principaux types de bouilloires : les bouilloires en métal que l'on chauffe de façon externe et les bouilloires électriques, disposant d'un chauffage intégré.
Cuillère à café 
Cuillère à café
Encre effaçable 
Cartouche d'encre effaçable
Eau 
L'eau est une substance essentielle à la vie. Transparente, sans goût et sans odeur, on la consomme le plus souvent dans son état liquide.
Étape 1 - Réunir le matériel
Étape 2 - Préparer "l'eau mystère"
Faire chauffer de l’eau à l’aide de la bouilloire avant de la verser dans le bocal.
Percer la cartouche d'encre effaçable, la vider dans le bocal d'eau très chaude, puis remuer à l'aide de la petite cuillère.
Que se passe-t-il ?
Étape 3 - Réaliser l'expérience
Ajouter un peu de vinaigre dans le bocal. Que remarque-t-on ?
Que se passe-t-il si l’on ajoute à nouveau du bicarbonate et qu’on mélange le tout ?
Comment ça marche ?
Observations : que voit-on ?
- Sous l'effet de l'eau chaude, on obtient un liquide transparent, l'encre n'est plus visible ;
- Quand on ajoute du vinaigre au mélange, la couleur de l'encre réapparaît ;
- Si l'on ajoute du bicarbonate, la couleur disparaît à nouveau.
Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?
Il est très important d'utiliser de l'encre effaçable (cette propriété est indiquée sur l'emballage).
Explications
On appelle pigments les éléments qui donnent leurs couleurs à des produits comme l'encre. Dans cette expérience, en ajoutant de l'eau chaude, on a transformé le pigment bleu de l'encre, en le rendant incolore.
Ce pigment change de couleur selon l'acidité : quand on ajoute un produit acide comme le vinaigre, le mélange devient acide, et le pigment redevient bleu. En ajoutant du bicarbonate, qui est basique (le contraire d'acide en chimie), le mélange finit lui aussi par devenir basique et le pigment redevient donc incolore.
Plus d'explications
La molécule du pigment qui colore l'encre a été modifiée par l'eau chaude, le mélange est alors devenu incolore grâce à la forme basique de l’eau. L’eau est ampholyte, c’est à dire qu’elle se comporte en acide en présence de base, et en base en présence d’acide. Ici, le pigment est un acide, donc l’eau adopte un comportement basique et fait disparaître la couleur bleue en modifiant la molécule du pigment.
L’eau chaude accélère la réaction. Sans chaleur, la réaction serait beaucoup plus longue. Ici, la chaleur est donc un catalyseur.
Dans cette expérience, les molécules modifiées sont sensibles au pH (c'est à dire à l'acidité du milieu). Quand on ajoute le vinaigre, la solution devient acide, et les molécules subissent une nouvelle transformation : elles reprennent leur état d’origine et le mélange est à nouveau bleu.
Quand on ajoute un produit basique comme ici le bicarbonate de sodium, il réagit avec le mélange et fait disparaître la couleur de l’encre à nouveau, car on neutralise l’acidité du vinaigre. On obtient ainsi une solution basique, ce qui provoque la disparition de la couleur bleue.
Si on ajoute encore du vinaigre, il va se trouver en plus grande quantité que le bicarbonate de sodium (il n'y a plus assez de bicarbonate de sodium pour "occuper" tout le vinaigre). Le vinaigre va donc une fois de plus réagir avec la molécule modifiée, qui retrouvera son état d'origine et va encore colorer le mélange en bleu.
La composition des encres bleues effaçables est souvent secrète, et diffère selon les marques. Leur couleur bleue est obtenue avec des dérivés d'aniline, notamment le bleu d'aniline. Les effaceurs vendus dans le commerce contiennent du bisulfite de sodium, qui réagit avec le bleu d'aniline en formant un produit incolore. Il s'agit d'une réaction d'oxydo-réduction.
Cette expérience montre que tous les produits contenus dans l’eau ne sont pas forcément visibles. C’est notamment le cas de nombreux polluants, que l’on ne peut détecter qu’en réalisant des analyses. Certains produits, qu’on appelle des réactifs, révèlent la présence de polluants invisibles en provoquant une réaction chimique qui colore l'eau.
Applications : dans la vie de tous les jours
Chacun d'entre nous possède une multitude de produits pour des utilisations différentes. Avant de les utiliser ou de les mélanger, il est important de connaître leur composition et les réactions qu'ils peuvent créer.
Le vinaigre est un bon exemple, on peut l’utiliser de nombreuses manières : pour le ménage, en cuisine... Il peut servir à enlever des taches, mais doit être utilisé avec précautions, car il fait blanchir certaines surfaces comme le granit.
Un grand nombre d’éléments invisibles peuvent être présents dans nos cours d'eau, et certains sont très polluants. Pourtant, la plupart du temps, on pourrait croire que l'eau est « propre » lorsqu’on l’observe à l’oeil nu. Cependant, si l’on examine l’eau au microscope, ou qu'on réalise des analyses, on peut souvent s’apercevoir que l'eau n'est pas aussi propre qu’elle n'en a l’air.
La pollution de l'eau est présente sur toute la surface de la Terre et touche l’eau sous toutes ses formes (cours d'eau, océans, pluie, neige, glaces polaires...).
Une activité ou un produit de l’activité humaine qui libère des produits dangereux pour l’environnement ou la santé est appelé une source de pollution.
Les principales sources de pollution de l’eau
La pollution domestique
Elle provient des habitations et des bâtiments collectifs (écoles, commerces, hôpitaux...).
En moyenne sur la planète, un habitant consomme 137 litres d'eau par jour*, dont la quasi-totalité est rejetée. Ce sont des eaux usées issues de la cuisine, de la salle de bain mais également des toilettes. Elles contiennent de nombreux polluants : des graisses, savons, détergents, matières en suspension, matières organiques ou minérales dissoutes, et plusieurs milliards de bactéries.
* selon l'UNICEF en 2022
Les déchets ménagers font aussi partie de la pollution domestique. Un français jette environ 1 kilo de déchets par jour** (plastiques, métaux, piles, ampoules...). Leur rejet dans la nature pollue les rivières et les nappes souterraines. Par exemple, une bouteille plastique peut mettre jusqu'à 1000 ans à se dégrader, et pollue la nature pendant toute sa durée de vie.
** selon l'ADEME en 2022
La pollution agricole
Elle représente la première source de pollution des ressources en eau. Les pollutions agricoles regroupent les pollutions liées à la culture, mais également à l'élevage. Les principales sources de pollution sont les engrais, les lisiers et les purins d'élevage ainsi que les produits phytosanitaires.
Les engrais utilisés par l'agriculture contiennent de l'azote, et ses dérivés les nitrites et les nitrates. À l'échelle nationale, l'agriculture représente 33 à 66 % de la pollution en azote de l'eau.
La pollution industrielle
Les pollutions liées aux industries et les polluants qu’elles génèrent varient beaucoup en fonction du type d’activités. Les principales industries produisant des polluants sont les usines agroalimentaires (matières organiques, graisses), les usines de fabrication de papier, la chimie et l'industrie du cuir (divers produits chimiques), la métallurgie et les traitements des surfaces (métaux), le transport (hydrocarbures), les centrales nucléaires (déchets radioactifs et eaux chaudes utilisées dans les circuits de refroidissement).
Les principaux types de polluants
Les matières organiques ont durant très longtemps constitué les principaux polluants des milieux aquatiques. Elles proviennent des déchets domestiques (ordures ménagères, excréments), agricoles (lisiers) ou industriels (papeterie, tanneries, abattoirs, laiteries, …). Leur présence peut, en forte concentration, engendrer une asphyxie de la faune aquatique (manque d'oxygène), qui menace particulièrement les poissons.
Les hydrocarbures sont présents dans les rejets des usines, garages et stations-services, et dans l’eau qui ruisselle sur les routes. En trop grande quantité, ils peuvent s’avérer très toxiques pour la faune et la flore aquatiques. Les pollutions aux hydrocarbures ne sont malheureusement pas rares. Plusieurs fois par an, le milieu marin subit des marées noires dues aux accidents ou aux rejets (parfois volontaires) d’hydrocarbures par des navires pétroliers.
La pollution métallique est un problème très préoccupant, en raison de sa toxicité et de son accumulation dans la chaîne alimentaire : un humain qui consomme un poisson contaminé accumule non seulement les métaux contenus dans ce poisson mais également ceux contenus dans les proies que celui-ci avait mangées auparavant. Les métaux qui peuvent polluer l’eau, tels que l’aluminium, l’arsenic, le chrome, le cuivre, et les métaux lourds (mercure, plomb...), sont très dangereux pour la santé humaine. Ils proviennent des rejets d'usines, de l'épandage sur les sols agricoles, des boues de stations d'épuration, des eaux de ruissellement, et ne sont pas biodégradables.
La pollution chimique provient de l'insuffisance des stations d'épurations, de l'absence des réseaux d'assainissement, du lessivage des sols, des ruissellement de la pluie sur la route et les toits des industries. Depuis le début des années 1950, de nombreuses régions industrielles subissent des pluies acides dues à la pollution de l'air par des gaz et des particules. Ces pluies endommagent fortement les forêts, les sols, les lacs et les rivières.
La pollution thermique est de plus en plus présente. Elle est causée par les eaux de refroidissement de certaines industries. L'eau est pompée dans les cours d'eau ou dans le milieu marin, puis rejetée avec une température plus élevée de 4 à 5°C. Cela déséquilibre le milieu naturel et la vie des espèces aquatiques (reproduction perturbée, prolifération d'espèces nuisibles...).
La pollution radioactive est rare, mais des accidents nucléaires comme celui survenu dans la centrale de Tchernobyl en 1986 peuvent avoir des conséquences désastreuses sur la santé humaine et l’environnement.
Évaluer la qualité d’une eau
On note la qualité d'une eau à l'aide de tableaux de critères dont la qualité est représentée par 5 couleurs :
- Le bleu indique que l’eau est de très bonne qualité ;
- Le vert indique que l’eau est de bonne qualité ;
- Le jaune indique que l’eau est de qualité moyenne ;
- Le rose indique que l’eau est de mauvaise qualité ;
- Le rouge indique que l’eau est de très mauvaise qualité.
Les études de la qualité des eaux se composent de trois parties : l'échantillonnage (c’est le prélèvement de l'eau), l'analyse et l'interprétation des résultats.
Pour déterminer la pollution chimique et physique, on utilise la méthode du SEQ'eau, basée sur les paramètres chimiques (concentration en nitrites, nitrates, ammonium et phosphates), et physiques (température, pH, conductivité, salinité, taux d’oxygène...). On compare les résultats à un tableau de référence, où la qualité est représentée par une couleur.
Pour évaluer la qualité globale d'une eau, on considère le paramètre dont la qualité la plus mauvaise. En général, il s’agit de la concentration en nitrates.
Il existe également des méthodes d'analyses biologiques pour mesurer la pollution de l'eau. L'IBGN (Indice Biologique Global Normalisé) se base sur la diversité et les espèces de macro-invertébrés présents dans l'eau. L'IPR (Indice Poisson Rivière), l'Indice Biologique Diatomées, l'Indice macrophytes sont également des méthodes d'analyses biologiques de l'eau qui se basent sur la présence d’organismes vivants appelés « bioindicateurs ».
Les méthodes microbiologiques permettent de déterminer la concentration en microorganismes qui peuvent causer des maladies : virus, bactéries, ou champignons, nombreux dans les eaux de notre planète. Les bactéries susceptibles de provoquer des maladies, comme Pseudomonas, Escherichia coli ou Legionella figurent parmi les micro-organismes les plus recherchés.
Éléments pédagogiques
Objectifs pédagogiques
- Comprendre l'impact d'un produit sur les molécules et la notion de réaction chimique ;
- Illustrer les réactions acides-bases et montrer qu'elles sont réversibles ;
- Montrer qu’un produit peut être présent dans l’eau sans être visible, et faire le lien avec les différentes pollutions de l’eau.
Pistes pour animer l'expérience
L'animateur·trice peut présenter cette expérience en mode "Défi, trouver l'eau "propre"" :
Parmi 3 échantillons (une bouteille contenant de l'eau, une bouteille contenant un mélange d’eau et d’encre déjà invisible, une bouteille contenant un mélange d'eau et de vinaigre en grande quantité), le défi est de retrouver l'eau qui contient le moins d'éléments polluants, autrement dit la plus "propre" et la plus adaptée pour abriter des organismes aquatiques.
On mettra à disposition des participants des bocaux et différents produits pour observer les réactions du liquide à tester. Parmi ces produits, on peut proposer un ou plusieurs acides qui révéleront la présence de l'encre en faisant réapparaître la couleur bleue : le vinaigre, mais aussi du jus de citron par exemple. On peut également mettre à disposition quelques petits coquillages, qui provoqueront une formation de bulles au contact de l'eau vinaigrée (et finiront par se dissoudre, ce qui indique l'acidité de l'eau), cela permet de conclure que des organismes (ici des coquillages) ne pourraient sans doute pas vivre dans ce milieu.
Il est également intéressant de proposer aux participants des produits qui n'auront pas d'effet sur les trois eaux à tester (comme du sucre ou du sel), afin qu'ils identifient avec méthode quels sont les produits qui provoquent une réaction et permettent de révéler ou de soupçonner la présence d'éléments "polluants" contenus dans l'eau.
Mettre à disposition du bicarbonate de sodium permet d'observer que la réaction qui fait apparaître l'encre est réversible si l'on augmente le pH (autrement dit qu'on ajoute un produit basique) de l'eau. Cette réaction peut être complète si l'on ajoute de l'eau chaude ou que l'on chauffe l'eau testée, car, comme cela a été expliqué plus haut, la chaleur joue le rôle de catalyseur pour cette réaction.
Sources et ressources
Un article très détaillé sur les réactions et produits en jeu dans cette expérience est disponible ici : http://atchimiebiologie.free.fr/effaceur/effaceur.html
Vidéo de l'expérience "Couleurs qui changent" menée par les animateurs des petits débrouillards sur la chaine Youtube Jus de citron :
https://www.youtube.com/watch?v=cYDrdExxAoQ&index=1&list=PLh-wFno1NyFxivBpvZvyaSwoFYvksYP3n
Dernière modification 21/09/2023 par user:Geneviève.
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