graphique changement d'etat

[Aranel53]

Pour faire faire les deux manipulations en une seule heure en REP, c'est nécessaire que TOUT soit bien prêt et bien présenté auparavant à mon avis.

Les élèves doivent avoir revu l'utilisation du thermomètre, et les règles de classe sur le matériel, les déplacements dans la salle etc.

- deux béchers en plastique ou en verre par table.
- un mini-tubes à essais par table ( il faut des tubes dans lesquels les sondes des thermomètres arrivent jusqu'au fond, ce n'est pas le cas des tubes à essais classiques)
- un thermomètre numérique (la sonde est moins fragile et servira aussi un peu d'agitateur)
- une grande cuvette pour faire ton mélange réfrigérant paillasse prof( j'utilise deux plaques de glaçons d'habitude, il me semble quantité à adapter suivant ton nombre de groupes)
- du gros sel (1 ou 2kg )
- un chronomètre de salle sur l'ordi, j'utilise depuis plus 16 ans "chronos" vieux logiciel qui permet de faire des inter-bips mais ça devrait se trouver en plus moderne. Voir ici :
Chronos : chronomètre basique affichage plein écran et bips


Les températures sont à prendre toutes les 10 secondes si tu veux que les élèves soient ultra-concentrés (c'est dur !) ou toutes les 15 s ou 20 s si tu veux que ça soit plus souple, ce qui n'est pas forcément mieux. C'est à adapter avec ta quantité d'eau, la taille du tube et son épaisseur. Il faut l'avoir fait au moins deux fois tout seul avant avec ton matériel pour estimer le temps nécessaire à mon avis.

Est-ce que tu es à l'aise avec le mélange réfrigérant glace-sel ?

Si non, prendre des glaçons (deux plaques au moins) et rapidement les mettre dans une jambe découpée d'un vieux jean nouée d'un côté (bien plus efficace que dans un torchon), replier le côté ouvert pour que la glace ne puisse pas sortir et casser les glaçons au maillet ou marteau sur un sol dur an tapant plein de petits coups. Une fois la glace pilée, tarer la bassine ou la cuvette et verser la glace dedans, mesurer la masse obtenue puis rajouter rapidement un tiers de la valeur de la masse de glace obtenue en gros sel (3/4 glace pilée sèche, 1/4 gros sel en masse). Et prendre une grosse cuillère en bois ou un truc solide et malaxer l'ensemble afin que le sel touche toute la glace. On a alors une température qui s'effondre et va se stabiliser autour de -18°C -20°C pendant presque une heure donc à partir de là on est tranquille, plus besoin de se dépêcher.

On remplit à moitié ou aux trois quarts chaque bécher de ce mélange et on peut demander aux élèves de mesurer la température afin qu'il aient bien compris que c'est ça qui va servir de "congélateur" pour l'eau du tube par la suite.
Attention, certains élèves mélangent dans leur tête l'étude de solidification de l'eau dans le tube et ce qu'il y a dans le bécher... Donc je pense qu'il est utile de bien insister plusieurs fois sur le fait que le bécher ne sert que de "congélateur", et qu'on étudie seulement ce qui se passe pour l'eau dans le tube. (cette fois-ci)

Capture-solidification0.PNG

Le mini-tube pour l'instant est dans le deuxième bécher (qui sert de porte tube car le tube est trop petit pour les porte tubes classiques)
- Faire mettre de l'eau environ à un tiers ou la moitié du mini-tube (ça dépend de tes tubes et du temps que tu veux que ça prenne)
- Faire mesure la température initiale tranquillement.
- Faire reporter cette valeur pour t=0 s dans le tableau (qu'il vaut mieux leur avoir distribué à l'avance... avec le nombre de cases en fonction de la vraie durée de ta solidification).
- bien prévenir tout le monde que quand on lance le chronomètre de classe il faudra mettre le tube avec le thermomètre dans le bécher "congélateur", puis qu'à chaque bip il faudra écrire la valeur lue de la température dans la case d'après.
- leur dire de tourner la sonde du thermomètre dans le tube en la levant et la baissant un peu sans sortir la sonde de l'eau à chaque lecture (évite la surfusion et permet une observation sympa de la solidification totale : "m'sieur ça a pris le thermomètre !" car ils soulèveront alors tout le tube quand il n'y aura plus d'eau)
- et lancer le chrono en ayant les yeux partout !
ouf !
- "m'sieur c'est bizarre moi ça ne refroidit plus ça reste à zéro !

Puis quand tout le monde a son thermomètre pris dans la glace et la température vers -10°C -15°C, on peut faire remplir le deuxième bécher d'eau du robinet, prévenir tout le monde qu'on passe au deuxième tableau faire sortir le mini tube du bécher "congélateur" et le placer dans l'eau du bécher "réchauffage" et on fait l'inverse, réchauffement de la glace, palier à zéro et réchauffement de l'eau.

Capture-solidification.PNG

Rinçage du thermomètre, récupération du mélange glace sel pour évaporation future et recyclage du sel et c'est fini !

Mais tracer les courbes ce n'est à mon avis pas faisable en temps réel ni même dans la même séance, sauf peut être avec le truc des thermomètres dessinés.

[annel75]

Merci beaucoup pour ta réponse si détaillée !

C'est si difficile quand on veut traiter tous les obstacles des élèves de la meilleure façon possible avec le peu d'heures qu'on a...
Merci d'avoir bien décrit le mélange réfrigérant, en effet je ne l'ai jamais testé ! Ca va être sportif !

J'ai des cours de 2h alors je vais essayer de leur faire faire la manip + les courbes !

[Aranel53]

Ah c'est super si tu as un créneau de deux heures, tu pourras être moins speed avant le démarrage de la manip et souffler un peu après, pendant qu'ils tracent les courbes puis faire un rangement du matériel correct... et là, faire solidification et fusion dans la foulée ça se tente.

Car faire tout ça en seulement 50 min installation comprise, j'étais pessimiste !

Et j'insiste, entre midi et deux ou pendant un trou, essaye de faire l'intégralité de la manip comme si tu étais un élève, c'est vraiment instructif (par exemple, moi si on doit prendre la température toutes les 10s , je rate au moins deux points ! Ah oui prévenir les élèves que c'est pas grave de rater un point, il vaut mieux sauter une case du tableau que de d'écrire une température lue 5s plus tard...

Et certains ne vont pas arriver à lire la température et l'écrire assez vite au bon endroit, dans ce cas faire tester ça avant "pour rien" avec juste le thermomètre dans l'air puis dans l'eau par exemple (pour s'exercer à vide à suivre une température qui varie) et si certains ne se sentent pas, faire dire la température à haute voix à l'élève qui tient le thermomètre, pendant que l'autre élève l'écrit dans son tableau. Mais ça veut dire prendre un temps à la fin pour faire recopier le tableau de valeurs pour celui qui n'a pas écrit.

Le principal écueil est la présence ou non de mini-tubes à mon avis. Moi j'ai dû les acheter dans chaque bahut où je suis passé. Et ça marche quand même avec un tube à essais normal mais ça prend vraiment trop de temps à mon goût et la surfusion est quasi-systématique car on agite pas assez le bas du tube. (ou alors il faut bricoler un agitateur fait d'un mini-fil avec une boucle en bas mais ça devient compliqué)

Mais c'est de toutes façons à tester avec ce que tu as !

[annel75]

Merci pour tous ces conseils, notamment, tu as raison de m'y faire penser : bien leur dire que s'ils ratent un point il faut passer au suivant. Déjà que leurs courbes risquent d'être compliquées à tracer, si elles ne sont pas bonnes ...

J'en profite pour te reposer mon autre question : penses-tu que ça peut être intéressant d'étudier l'ébullition d'un liquide différent de l'eau ? Mes 5ème sont en grandes difficultés, je constate qu'il faut que j'essaie à tout prix de surmonter l'obstacle "liquides=eau". J'aimerais au maximum travailler sur d'autres substances.
Qu'en penses-tu d'un point de vue didactique ?
Après, découlent les autres problèmes : quel liquide utiliser pour une température d'ébullition raisonnable, niveau sécurité (je ne les laisserai pas manipuler) et qu'est ce que j'ai à disposition.

C'est aussi pour ça que j'aimerais faire la solidification puis la fusion de l'eau comme tu me l'as suggéré afin de leur montrer qu'il s'agit bien de la même matière, je pense que pour beaucoup la glace =/= eau. J'espère ainsi commencer à remédier à cette conception.

[physix]

ou alors il faut bricoler un agitateur fait d'un mini-fil avec une boucle en bas mais ça devient compliqué)

Seuls les grands maîtres font cela
https://youtu.be/DhaSj1bHLgA?t=82

Pour le mélange réfrigérant, j'utilise des fonds de bouteille remplis d'eau saturée en sel.
J'en ai 2 fois 12 pour pouvoir faire tourner sur une matinée avec 3 classes.
Je les sors du congélateur juste avant la manip.
J'essaye de le régler de telle façon que le mélange n'est pas solide.
Si la glace a prise, je donne un coup de perceuse.

Je précise aux élèves qu'en cas de casse, JE ramasse le verre cassé.

Pour ce qui est de Liquide=/=eau, tu peux leur montrer avec le sulfate de cuivre.

[Aranel53]

vidéo sympathique !

Et effectivement, un agitateur comme ça, c'est bien aussi !

Pour le mélange réfrigérant, j'utilise des fonds de bouteille remplis d'eau saturée en sel.

Suivant la quantité et le temps disponible, c'est tout à fait suffisant en effet, surtout si tu as un vrai congélateur au labo (ou pas bein loin). Et ça évite d'avoir à casser la glace. Nous, au collège on n'a que le freezer du frigo de la salle des profs... (des fois j'amène même des glaçons de chez moi)

Et le phénomène est différent aussi, l'eau salée froide va se réchauffer petit à petit au cours du temps, alors que le mélange réfrigérant va rester extrêmement froid tant qu'il reste de la glace et du sel solides, ce qui est facile à vérifier visuellement.
J'avais mis longtemps à comprendre pourquoi et maintenant c'est devenu une manip que j'utilise dans la partie énergie en 4e tellement elle est sympathique, les élèves arrivent bien à interpréter énergétiquement ce qui se passe et arrivent à comprendre que c'est l'augmentation d'énergie chimique qui permet la diminution d'énergie thermique.

[Aranel53]

Bon par contre, j'avais retenu qu'il valait mieux mettre beaucoup plus de sel que de glace pilée et c'est ce que je fais depuis pas mal d'années et j'ai des températures autour de -17°C -18°C.
Je viens de vérifier et la proportion idéale serait plutôt autour de 25% de sel et 75% de glace pilée... avec une température qui descendrait théoriquement à -21°C.

Je ne sais pas si c'est moi qui ai mal retenu et qui ai inversé les proportions ou bien s'il y a une raison à ma valeur de 1/3 Glace pour 2/3 sel... quand j'aurai un peu de temps je vais tester les différentes proportions glace/sel car ça me turlupine. Il me semble que c'est une histoire de consistance du mélange et que si on met trop de glace pilée, on se retrouve avec des blocs et non pas avec une sorte de pâte... mais je vais tirer ça au clair cette semaine, tiens !

[ppgaza]

Je viens de vérifier et la proportion idéale serait plutôt autour de 25% de sel et 75% de glace pilée... avec une température qui descendrait théoriquement à -21°C.

L'eutectique est à 23,3% de NaCl en masse. J'avais trouvé ce doc (en pj) je ne sais plus où, il me sert à faire des mélanges eau/sel que je congèle (pas trop longtemps pour ne pas que la glace soit trop dur). À la fin du TP, je récupère l'eau salée pour les autres groupes, puis avec un densimètre je peux savoir s'il me faut rajouter de l'eau ou du sel pour avoir de nouveau mon mélange eutectique.

[Kilama]

bonjour,
je ne sais plus qui est à l'origine de ce document mais merci à lui.
J'ai remis à jour ces documents ...