L’EAU DANS TOUS SES ETATS

r.b

Parler de l’eau à l’école élémentaire revient à étudier l’eau dans divers domaines ; en cela, on pourra parler de thème ou d’activité pluridisciplinaire ;cet article suit essentiellement les instructions officielles et prend appui dans les différents domaines à étudier.

L'eau et la science

Eléments de connaissances pour l’enseignant :

I. La composition de l'eau:

A la fin du XVIIIème siècle on découvrit la nature réelle de l'eau grâce au physicien anglais Henry Cavendish (1731-1810) qui en fit l'analyse, démontrant ainsi qu'il s'agissait d'un corps composé, formé d'hydrogène et d'oxygène. En 1783, le chimiste français Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) effectua la synthèse, c'est à dire qu'il parvint à reconstituer de l'eau à partir de ses deux éléments mais il faudra attendre 1800 et la découverte de la pile électrique par l'Italien Alessandro Volta (1745-1827), pour réaliser l'opération inverse: l'électrolyse. Dans une étude scientifique présentée en 1804, le chimiste français Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) et le naturaliste allemand Alexandre von Humboldt (1769-1859) démontrèrent conjointement que la molécule d'eau était constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène, comme l'exprime la formule actuelle H20. Enfin par la suite, on découvrit que la molécule d'eau était une molécule coudée et qu'elle formait un angle de 104,5°.

II. Les états naturels de l'eau:

L'eau possède trois états physiques: solide, liquide, gazeux. L eau qui est sur la terre change d état physique grâce surtout à l'énergie solaire. Les perpétuelles transformations que subit l'eau (surtout sous l'influence des variations de température) contribuent pour une large part à modifier l'aspect de la surface terrestre. Il ne faut pas oublier que les conditions climatiques de notre planète n'ont pas toujours été les mêmes que maintenant. Depuis que l'hydrosphère s'est formée (il y a des millions et des millions d'années) les époques de froid intense ont succédé à des périodes plus clémentes. Durant chaque règne du froid, d'immenses masses d'eau se transformaient en glace, faisant ainsi baisser le niveau des océans. Et lorsque la température se réchauffait, c'est le phénomène inverse qui se produisait, la fonte des neiges et des glaciers augmentant sensiblement le niveau des eaux fluviales et marines. Aujourd'hui, ce cycle s'observe annuellement dans bien des régions du monde mais de façon très atténuée: l'eau gèle en hiver, fond au printemps et s'évapore en été.

1 ) L'eau à l'état solide:

L'eau prend l'état solide lorsque la température est inférieure à O °C pour l'eau douce et -2 °C pour l'eau salée, c'est le cas de la glace. La glace est formée de cristaux hexagonaux.

L'eau, à l'état solide, possède plusieurs anomalies. En effet, contrairement à la plupart des autres liquides, la première anomalie de l'eau à l'état solide, c'est que la glace se forme d'abord à la surface. La deuxième anomalie c'est que la densité de la glace est inférieure à celle de l'eau liquide, ce qui explique pourquoi les glaçons flottent.

L'eau solide couvre seulement 4% de la surface du globe: On la trouve dans les glaciers et surtout

dans les calottes polaires

2) L'eau à l'état liquide:

L'eau est liquide lorsque la température est comprise entre 0 °C (température de congélation) et 100 °C (température de fission). Sur la Terre, la plupart de l'eau est présente sous cette forme: océans, mers, lacs, cours d'eau...

3) L'eau à l'état gazeux

L'eau prend l'état gazeux lorsque la température est supérieure à 100 °C, c'est le cas de la vapeur d'eau.

La vapeur d'eau est un gaz incolore et entre dans la composition de l'atmosphère terrestre sous forme de nuages.

En passant à l'état gazeux les molécules sont alors si agitées que les forces d'attraction ne jouent pratiquement plus.

III. La physique de l'eau:

1) Le principe d'Archimède:

Selon la légende, le roi de Syracuse, cité où vivait Archimède au IIIème siècle av. J-C, avait commandé une couronne d'or. Quand on la lui donna, il craignit d'avoir été volé et qu'on eût mélangé à l'or une certaine quantité d'argent. Il décida de consulter Archimède, qui commença à réfléchir au problème. Les Anciens avaient l'habitude d'aller aux bains publics pour méditer. A peine Archimède se fut-il mis dans l'eau qu'il eut une idée lumineuse... Il sortit tout nu dans la rue en criant: "Eurêka! Eurêka!". Qu'avait donc trouvé Archimède ? Tout simplement, la manière de mesurer le volume et la densité de la couronne et donc de n'importe quel corps solide insoluble.

Si un homme entre dans une baignoire emplie jusqu'au bord, il fera déborder un volume d'eau égal à celui de son propre corps. Il se passera la même chose si l'on plonge une couronne métallique dans de l'eau: elle déplacera son propre volume. Si l'on avait connu le volume et le poids de la couronne et la densité ou le poids de l'or pur, ainsi que ceux de l'argent (métal plus léger), il eût été possible de vérifier si la couronne était pure ou non. Selon la légende, la couronne du roi de Syracuse était fausse, et le joaillier le paya de sa vie.

La découverte d'Archimède peut s'exprimer de la façon suivante: “ Tout corps plongé dans un liquide subit une poussée vers le haut équivalente au poids du liquide qu'il déplace ”

2) L’acoustique, le son dans l'eau:

L'étude de la propagation du son dans l'eau est d'un grand intérêt, surtout en mer. Dans l'eau de

mer, la lumière pénètre très peu, les ondes radio ne vont pas au-delà de quelques dizaines de mètres, et le rayon laser atteint tout au plus quelques centaines de mètres. Les ondes sonores, elles, dépassent toutes les autres; dans des circonstances favorables, elles peuvent atteindre plusieurs kilomètres. D'autre part, le son va quatre fois et demie plus vite dans l'eau que dans l'air: il atteint un kilomètre et demi par seconde, tandis que dans l'air, il met une minute pour parcourir dix kilomètres.

Les expériences définitives à ce sujet furent faites par Colladon et Sturm, en 1827, sur le lac de Genève.

Le son était produit par une cloche qu'un marteau frappait sous l'eau au moyen d'un levier coudé ~ le marteau, en s'abaissant, entraînait une torche qui allumait de la poudre . Dans une barque placée à une certaine distance, l'autre observateur voyait la lumière et percevait le son au moyen d'un grand cornet acoustique, immergé dans le lac... La vitesse trouvée fut de 1435 mètres par seconde, à la température de 8,1°C.

IV. La chimie de l'eau:

1) Solutions aqueuses:

En raison du rôle essentiel qu'elles jouent dans notre vie quotidienne et dans de nombreuses disciplines scientifiques, les solutions doivent être étudiées avec un soin tout particulier.

Voyons d'abord une solution de sel ordinaire dans de l'eau. Nous pouvons prendre un litre d'eau et y ajouter du sel; en remuant un peu avec une cuiller, nous constaterons que le liquide devient de plus en plus salé. Puis il arrive un moment où il est inutile d'ajouter du sel: celui-ci reste au fond de l'eau et ne se dissout plus. Cela se produit quand nous avons mis approximativement trente-six grammes de sel dans le liquide. En langage scientifique, on dit que la solution est devenue de plus en plus concentrée, qu'elle a fini par se saturer. Mais les substances solubles dans l'eau ne se comportent pas toutes comme le sel. Par exemple, le sucre se dissout jusqu'à un maximum de cinq cents grammes dans de l'eau bouillante, mais si celle-ci se refroidit ou s'évapore, il se forme un sirop plus ou moins épais.

2) Réactions de l'eau:

L'eau réagit avec d'autres substances et forme ainsi de nouveaux composés. Par exemple, si nous prenons un peu de chaux vive et si nous ajoutons de l'eau, il se produit une certaine effervescence et un dégagement de chaleur. Ceci indique qu'il se passe quelque chose dans le mélange des deux substances: une réaction chimique. Ce qui reste après cette réaction, c'est de la chaux éteinte. On dit que la chaux vive (ou l'oxyde de calcium de formule CaO) et l'eau ont réagi pour former de la chaux éteinte (ou hydroxyde de calcium de formule Ca (HO) ). L’équation bilan de cette réaction est:

Ca0 + H20 '~ Ca (HO)2

V. Eaux minérales et eaux de source:

Attention aux étiquettes ! Les eaux mises en bouteille ne relèvent pas toutes de la même appellation et se répartissent en plusieurs catégories.

1 ) Les eaux minérales:

Ce sont des eaux qui contiennent des minéraux et présentent des propriétés thérapeutiques normalement reconnues par l'Académie de la médecine, bien que ce ne soient pas des médicaments. Leur exploitation est autorisée et contrôlée par le ministère de la Santé. La minéralisation est variable: faible pour Evian, Volvic et Perrier; moyenne pour Badoit, Vittel et Contrexéville; importante pour Vichy Célestins et Vichy Saint-Yorre.

2) Les eaux de source:

Les eaux de source viennent de nappes souterraines; potable à l'état naturel, elles ne subissent pas de traitement. Leur minéralisation est limitée à 2 grammes par litre et leur consommation est autorisée par le préfet du département tandis que leur contrôle est effectué par le laboratoire départemental agréé. Elles représentent le cinquième du marché français.

EXPERIENCES EN CLASSE : SITUATION PROBLEME

Quels sont les corps solides qui se dissolvent le plus dans l’eau ?

Matériel :

A partir de la situation initiale concernant la dissolution des solides, choisir quelques corps simples : sucre, sel fin, gros sel, poudre à laver, colle en poudre.

Tubes à essai

balance (si possible)

Agitateur ou paille

Méthodologie :

a) comment dissoudre le plus rapidement possible une quantité de produit solide ( la quantité doit être assez faible) ?

des propositions vont émaner du genre : agiter le tube, remuer la solution, souffler avec une paille....

b)remettre à chaque groupe une série de tubes à essai et des quantités mesurées de produit soluble (ou leur faire peser des quantités égales de produits)

Préciser la consigne :

Dans le premier tube, on ajoute à 100g d’eau

5g de sucre, on agite fortement, on observe

puis encore 5 g, on agite et on observe

Dans 100g d’eau, on peut dissoudre jusqu’à ....................................... de sucre puis encore 5 g, on agite et on observe

dans 100 g d’eau on peut dissoudre jusqu’à ..............................de sel fin puis encore 5 g, on agite et on observe

dans 100 g d’eau on peut dissoudre jusqu’à ..............................de poudre à laver puis encore 5 g, on agite et on observe

dans 100g d’eau on peut dissoudre jusqu’à ...............................de colle puis encore 5 g, on agite et on observe

eau plus

sel sucre poudre colle

c) refaire les mêmes expériences avec de l’eau très chaude (prévoir si possible un thermoplongeur ou une résistance chauffante)

d) expérience effectuée par l’enseignant qui peut se faire aider des élèves pour les manipulations ou les lectures :

d) Observation d’une solution saturée

L’enseignant crée une solution saturée de sucre dans de l’eau et une autre de sel dans l’eau ( à 100°)

Que se passe-t-il lorsque le mélange refroidit ?

Que se passe-t-il lorsque l’on réchauffe le mélange ?

Autres prolongements :

Les marais salants.

un excellent site: http://www.marais-salant.com/html/marais.html

HISTOIRE: le sel dans la Rome antique (voir fichier joint bas de page)

GEOGRAPHIE : les routes du sel

Etude de la composition des eaux minérales et des eaux de source à partir des étiquettes : que contiennent ces eaux ?

nota : cette expérience est intéressante à plusieurs titres :

L’eau se transforme en glace (solidification)

La masse est invariante mais le volume augmente dons la densité (Rapport masse/volume) diminue

La température du mélange peut descendre jusqu'à -21,6°

( d’autres solutions réfrigérantes peuvent être mises en œuvre

glace (50%) et Chlorure de calcium (50%) -à -55°

glace pilée (8/13) et acide chlorhydrique (5/13) --à -32°

Le rapprochement est à faire avec le salage des routes en hiver où la glace fond sous l’action du sel ( le point de solidification de l’eau étant abaissé par l’action du sel).

Concours : comment faire fondre la glace le plus rapidement ?

expérience préalable :

Donner aux élèves des glaçons sur une soucoupe et leur demander de quel côté la glace fond le plus vite.

Dans un deuxième temps, leur proposer de faire fondre le plus rapidement possible le glaçon qui aura été distribué. Laisser chercher des réponses.

Nota : pour l’enseignant, se rappeler que la fusion est dépendante de la surface des échanges thermiques entre la glace et les éléments (soucoupe et air). La solution qui est la plus rapide consiste à écraser les glaçons ou à en faire de la glace pilée.

L’eau en biologie

L’eau n’est pas un liquide comme les autres, sans elle la vie ne pourrait exister ni pour les animaux et l’homme ni pour les plantes dont la teneur en eau représente environ 70% de la masse

L’absorption par les plantes peut faire l’objet de deux expériences :

Comment l’eau est elle absorbée par la plante ?

Texte historique : expérience de PRIESTLEY 1771

Les besoins en eau lors de la germination.

fiche de jardinons à l'école http://www.jardinons-alecole.org/

Objectifs pédagogiques

Note préliminaire

La fiche élève contient les résultats de 4 séries d’expérimentations. Vous pouvez l’exploiter en l’état en demandant aux élèves d’analyser les résultats ou vous pouvez faire réaliser les expériences par les élèves dans le cadre d’une démarche expérimentale (un facteur testé par groupe d’élèves).

Déroulement

• Organiser une discussion collective autour de la question « De quoi les graines ont-elles besoin pour germer ? » ; écrire au tableau les propositions des élèves.

• Distribuer la fiche et demander à chacun de noter sa ou ses hypothèses.

• Présenter le tableau de résultats qui va permettre de valider ou non les hypothèses, et expliquer son contenu : 4 séries d’expériences, une condition de germination étudiée et une expérience témoin pour chaque série.

• Interroger les élèves sur l’utilité de l’expérience témoin : c’est sur la base de ses résultats que l’on établit les comparaisons et que l’on peut dire si telle ou telle condition est indispensable à la germination des graines.

• Laisser un temps individuel d’analyse pour le premier facteur, la lumière, dont l’influence est étudiée expérimentalement, puis faire collectivement l’analyse et l’interprétation des résultats.

Questions à poser aux élèves pour chaque facteur

• Commente les résultats obtenus en les comparant à ceux de l’expérience témoin : Que penses-tu du rôle de la lumière ? (de l'eau, de la température, du support de culture)

• On arrivera à la déduction que la lumière n’est pas indispensable à la germination (la germination est aussi bonne dans l’obscurité qu’à la lumière), mais que lorsque la plante se développe, la lumière devient indispensable sinon la plante « cherche la lumière », s’allonge, ne verdit pas et finit par mourir.

• Laisser ensuite les élèves réaliser individuellement l’analyse et l’interprétation des trois autres facteurs, puis corriger et valider collectivement.

Réponses attendues

• La lumière n’est pas nécessaire à la germination mais elle est indispensable au bon développement de la plante après la germination.

• L’eau est indispensable en quantité suffisante mais pas excessive à la germination et au développement des plantes.

• Une température suffisante est nécessaire à une bonne germination et à un développement harmonieux des plantes.

• Le terreau constitue le meilleur support de culture pour la germination et le développement des plantes, mais les graines peuvent germer sur d’autres supports.

Conclusions

• Pour germer, les graines ont besoin d’eau et d’une température favorable.

• Pour bien se développer, les plantes ont besoin de lumière, d’eau, d’une température favorable et d’un support tel que le terreau.

• Attirer la vigilance des élèves sur le fait que certaines différences de résultats ne sont pas représentatives, donc non interprétables. Par exemple, 9 graines germées dans une expérience et 10 dans une autre ne donnent pas en soi une information scientifiquement exploitable ; en revanche, cela montre l’intérêt de semer suffisamment de graines pour pouvoir interpréter les résultats. Les résultats obtenus avec la lumière faible, normale ou forte, ne suffisent pas à identifier la quantité de lumière la plus favorable au développement des plantes.

• Insister enfin sur le fait que chaque espèce végétale possède ses propres exigences (le blé d’hiver peut germer à 5 °C alors que le haricot nécessite 15 °C).

L’eau en hydrogéologie, eau et environnement.

L’eau sur Terre

L’eau est apparue sur Terre il y aurait environ 5 milliards d’années, la quantité d’eau évaluée à 1400 millions de kilomètres cubes n’a que très peu varié au cours des temps. C’est toujours le même volume d’eau qui ne cesse de se transformer passant par différents états :

Etat liquide : eaux douces : 0,8% de l’eau totale du globe

Eaux salées : 97,2% de la masse totale de l’eau liquide

Etat solide : sous forme de glaciers elle représente environ 2% de l’eau sur Terre

Etat gazeux sous forme principalement de nuages 440 kilomètres cubes tombent chaque année sur le sol de la Terre.

Les eaux souterraines

Les eaux souterraines coulent en grande partie dans des espaces interstitiels entre sables et graviers, dans des fissures de roches. Des nappes peuvent se constituer dans des sols meubles au-dessus de couches imperméables (marnes ou argiles). Dans des terrains calcaires les eaux souterraines ont tendance à s’accumuler dans des cavernes ou des grottes.

Les nappes aquifères sont alimentées par la pluie et les eaux de ruissellement qui s’infiltrent dans le sol. Le rythme de recharge des nappes dépend de nombreuses variables parmi lesquelles la géologie de la région, son hydroclimatologie, la végétation de sa surface.

Par exemple : l’eau peut rester captive durant 8000 ans dans un glacier, ruisseler durant 15 jours sous forme d’un cours d’eau et de là pénétrer dans le sol. En moyenne, une goutte d’eau qui est prise au piège d’une nappe souterraine reste captive environ 1400 ans mais, au Sahara, elle mettra 70000 ans pour se renouveler. Retournée à l’Océan, elle patientera 3000 ans avant de s’évaporer alors que si elle se retrouve dans un lac, elle repartira au bout de 17 ans dans l’atmosphère avant d’aller en 8 jours grossir un nuage.

Les menaces :

Plusieurs menaces conduisent l’homme à surveiller les eaux de ruissellement et les eaux souterraines :

La pollution provenant des épandages d’engrais et des déjections animales, les rejets non contrôlés des usines ou des particuliers ou même des centres urbanisés.

L’accroissement massif des pompages qui ne permet pas aux nappes souterraines de se renouveler et qui, dans le cas d’îles ou de nappes proches de côtes marines aura pour conséquence une salinisation des nappes

La saturation du sol qui se produit dans les zones urbaines, sur les terres arables ou en zones rurales déforestées ; cette saturation du sol abaisse la qualité du filtrage de l’eau par le sol.