L'eau dans notre Environnement

I- Quel rôle l'eau joue-t-elle dans notre environnement et notre alimentation ?

1. Aide Jojo le martien à identifier les produits qui contiennent de l'eau !

Ce matin tu as été réveillé par un drôle de bruit dans le jardin, c'est la soucoupe volante de Jojo le martien !

Il vient en vacances sur la Terre, mais n'a pas pris de provisions...

Il aimerait que tu l'aides à trouver à manger, mais attention :

Jojo le martien ne supporte pas l'eau !

Il va donc falloir trouver parmi les produits disponibles dans le laboratoire ce qu'il va pouvoir manger...

Au fait, Jojo nous a donné une poudre spéciale. Il reste à savoir comment elle fonctionne !

La poudre blanche que Jojo nous a donnée s'appelle le sulfate de cuivre anhydre.
Au contact de l'eau, il devient bleu.

Si un produit ne contient pas d'eau, le sulfate de cuivre anhydre ne change pas de couleur.

Sulfate de cuivre anhydre	Sulfate de cuivre hydraté

Ces produits contiennent-ils de l'eau ?

Produit	Contient de l'eau ?
Soda au cola	Oui
Vinaigre	Oui
Huile de tournesol	Non
Alcool à brûler	Non
Acétone	Non
Essence de Térébenthine	Non

Conclusion : Ce n'est pas parce qu'un produit est incolore qu'il contient de l'eau (Alcool à brûler et Acétone) !

2. L'eau dans notre environnement

L'eau est présente partout sur Terre, elle recouvre 70 % de la surface du globe. Si l'on rassemblait toute l'eau présente sur Terre en une seule boule, elle aurait un diamètre de 1385 km ! Cela représente 1,39 milliards de km³.

Ce chiffre est trop grand pour se le représenter ?
La Chine compte 1,35 milliards d'habitants. Et bien si chaque Chinois pouvait emporter un cube d'eau de 1 km de côté, cela ferait à peu près la totalité des eaux de la Terre !
L'ensemble des ressources en eau sur Terre est appelée hydrosphère.

Malheureusement, toute l'eau disponible n'est pas potable, loin de là :

97 % des eaux sont contenues dans les mers et les océans, or l'eau salée n'est pas potable.
Un peu plus de 2 % de l'eau douce (donc potentiellement potable) est emprisonnée dans les glaces des calottes polaires et dans les glaciers des montagnes.
Il reste aux populations humaines et animales une boule de 60km de diamètre...

Seulement, cette eau n'est pas équitablement répartie, certaines régions sont régulièrement inondées tandis que d'autres affrontent de terribles pénuries d'eau.

L'eau est un élément indispensable à la vie telle que nous la connaissons.
Les animaux contiennent environ 70 % d'eau (c'est le cas pour un homme), mais certains organismes sont constitués d'eau à 95 % (méduses).
Un homme qui perd 15 % de son poids en eau risque de mourir (3-4 jours sans boire).
Boire n'est pas la seule façon de s'hydrater. En effet les viandes contiennent environ 65 % d'eau et les laitages jusqu'à 90 %. Certains aliments, comme l'huile n'en contiennent cependant pas.

Pourquoi appelle-t-la Terre « la planète bleue » ?
Comment appelle-t-on l'ensemble des ressources en eau de la planète ?
Quel pourcentage de l'hydrosphère est facilement accessible aux hommes ?
Pourquoi est-il important de s'hydrater régulièrement ?

Réponse :

3. La verrerie du laboratoire

Légende :

1- Tube à essai

2- Ballon

3- Bécher

4- Fiole

5- Erlenmeyer

6- Eprouvette

7- Cristallisoir

4. Comment épurer l'eau boueuse ?

a) Activité

Jean a passé l’après midi avec son VTT, il rentre chez lui mais il est... comment dire... « légèrement » sale !
Il aimerait pouvoir le nettoyer avec l’eau boueuse de son jardin car son père lui a bien dit d'utiliser l’eau du robinet avec parcimonie.
Comment peut-il nettoyer l’eau boueuse de façon à ce qu’elle puisse servir à laver son vélo ?

Faites le schéma de l’expérience que vous comptez faire sur votre compte-rendu.
Si votre schéma est différent de l’expérience qu’on réalise, recopiez-en le schéma à la suite.
Quelles observations pouvez-vous faire par rapport à la propreté de l'eau que vous avez obtenue ? Peut-elle servir à nettoyer un vélo ? Est-elle potable ?

Cliquez ici pour voir le compte rendu d'un groupe répondant à ce qui était attendu.

Il est possible d'utiliser différentes méthodes pour y arriver, voici les trois principales :

b) Filtration

La filtration est une technique de séparation qui permet de séparer un constituant solide mélangé à un constituant liquide. La filtration n’est donc utile que pour les mélanges liquide/solide.

On peut utiliser la filtration dans deux cas :
- si l’on veut récupérer un solide et se débarrasser du liquide : ainsi, on utilise la filtration pour récupérer le riz et laisser filer à l’évier l’eau de cuisson !
- si au contraire, c’est le liquide que l’on veut débarrasser du solide : par exemple lors de la préparation du café, le filtre sert à éliminer le marc.

Où trouve-t-on des filtrations dans la vie courante ?
Les filtrations sont très présentes dans la vie de tous les jours :

pour préparer le café,
quand on utilise un sachet de thé,
pour nettoyer l’eau d’une piscine,
dans les voitures pour nettoyer le carburant avant que celui-ci ne pénètre dans le moteur,
dans une station d'épuration...

c) Décantation

La décantation est la méthode la plus simple : il suffit de laisser les différents constituants se séparer en fonction de leurs densités.
Dans notre cas, au bout d'une dizaine de minute les brindilles surnagent à la surface, de la boue s'est déposée au fond du récipient tandis que l'eau intermédiaire s'est déjà nettement éclaircie.

d) Distillation

On fait chauffer l'eau boueuse dans un montage particulier. En se transformant en vapeur, l'eau contenue dans la boue s'élève dans le ballon on laissant toutes les impuretés (boue et bactéries).
Elle traverse ensuite un long tube en verre autour duquel coule de l'eau. La vapeur se refroidit et redevient liquide, puis coule jusque dans le bécher.

Légende :

1- Boue	2- Chauffe-ballon
3- Elévateur	4- Tube réfrigérant
5- Sortie eau	6- Entrée eau
7- Distillat (eau distillée)

4. Le traitement de l'eau

Voici une émission "C'est pas sorcier !" ayant pour thème le traitement des eaux potables et des eaux usées :

Questions :

L'eau des nuages est « salie » par l'atmosphère. Comment est-elle naturellement nettoyée avant d'être stockée dans le sol ?
Les ressources en eau sont-elles équitablement réparties dans le monde ?
Pourquoi avoir l'eau au robinet permet-il de gagner du temps ?
Combien de personnes n'ont pas accès à l'eau potable dans le monde ?
A quoi sert le chlore ?
Comment appelle-t-on les ponts chargés d'acheminer l'eau dans les villes ?
Combien d'eau consomme-t-on lorsque l'on tire la chasse ?
Cette eau est-elle potable ?
Pour pouvoir consommer l'eau des rivières, que doit-on faire ?
A quoi sert l'ozone dans le traitement ?
A quoi sert un château d'eau ? Sert-il à stocker de l'eau ?
Quelles sont les deux méthodes déjà vues en cours pour purifier l'eau qui sont utilisées dans les stations d'épuration ?

II- Mélanges aqueux

1. Mélanges homogènes et hétérogènes

a) Introduction

Ci-dessous, huit photos d'un verre contenant des liquides divers. Comment pourrions-nous les classer en deux catégories par simple observation ?

1	2	3	4

5	6	7	8

b) Définition

On voit que certains verres contiennent manifestement des mélanges : les photos 2, 3, 4. Pour les autres images, si le verre contient un mélange, il n'est pas visible.

On peut donc créer deux catégories :

La catégorie des mélanges homogènes dont les constituants ne sont pas visibles à l'oeil nu
La catégorie des mélanges hétérogènes qui regroupe les mélanges dont plusieurs constituants sont visibles à l'oeil nu.

Remarque : certains mélanges peuvent sembler homogènes de loin et hétérogènes de près (comme par exemple le jus d'orange, dont la pulpe est visible de près).

2. Mélanges et corps purs

a) Définition

Un corps pur ne contient qu'une seule substance chimique.

Rappel : Toutes les substances sont chimiques !

Cas des eaux minérales

Les marques d'eaux minérales communiquent énormément sur la "pureté" de leur produit (exemples : Evian, Volvic).
Pour autant, est-ce que cela signifie que les eaux minérales sont des corps purs ?

Cliquez pour télécharger le fichier contenant les 4 étiquettes d'eaux étudiées.

Quels sont les principaux produits dissouts dans les eaux minérales ?

Les principaux produits dissouts dans les eaux minérales sont le bicarbonate, le potassium, le calcium et le sodium.

Remplir le tableau suivant :

Quantités en mg/L	Evian	Saint Yorre	Volvic	Rim
Calcium	80	90	11.5	33
Magnésium	26	11	8	16
Bicarbonates	360	4368	71	150
Potassium	1	132	6.2	0.3

L’eau de Saint Yorre contient également un produit non indiqué dans sa composition. Lequel ?

L'eau de Saint Yorre est une eau gazeuse : elle contient aussi du dioxyde de carbone.

Que reste-t-il lorsque l’on évapore totalement de l’eau minérale ?

Il reste une couche blanche sur le ballon, essentiellement du calcaire. On appelle cela le résidu sec.

On peut donc conclure que l'eau minérale n'est pas un corps pur.

3. Comment savoir si un liquide est pur ?

Un paquet de colorants

gâteau d'anniversaire pour ma fille

Les colorants alimentaires utilisés en pâtisserie permettent d'obtenir n'importe quelle couleur en les mélangeant dans différentes proportions, en suivant les règles généralement indiquées à l'arrière de la boite.

Est-il possible de savoir si un colorant est pur ou bien s'il a été obtenu par un mélange de deux colorants différents ?

Voyons en quoi la chromatographie peut nous aider à y répondre : Cliquez pour télécharger l'activité

Résultat obtenu par un groupe

Il existe différentes méthodes de chromatographies. Elles sont couramment utilisées en laboratoire pour identifier certains composés et le procédé donne des résultats de qualité.
Nous avons réalisé une chromatographie sur couche mince, certes très grossière, mais qui nous permet de conclure sur la nature des colorants testés.

En effet, on voit sur la photo du résultat obtenu ci-contre que les taches de colorants bleu, jaune et rouge se sont déplacés le long du papier à des vitesses différentes. Le rouge n'a quasiment pas bougé, alors que le bleu a totalement quitté a ligne de dépôt.

Ces trois colorants se sont estompés, mais sont restés unis. En revanche dans le cas du colorant vert, la tache s'est dissociée en une tache bleue montant au même niveau que le colorant bleu et une tache jaune montant au même niveau que le colorant jaune.
Cela nous permet donc d'affirmer que non seulement le colorant vert est un mélange, mais qu'il a été obtenu en utilisant le colorant bleu et le colorant jaune que nous avons testés.

4. La dissolution

La dissolution est le processus physico-chimique par lequel un soluté est dissout dans un solvant pour former un mélange homogène appelé solution.

Cliquez ici pour télécharger l'activité correspondante.
Cliquez ici pour télécharger le rendu d'un groupe d'élèves.

Exemple :
Gauthier se prépare une tasse de thé (200g) dans laquelle il dissout 15g de sucre :
- le thé est le solvant,
- le sucre est le soluté,
- le thé sucré est la solution.

Remarque : lors des réactions chimiques ou des transformations physiques, la masse ne change pas.

III- Grandeurs physiques

1. Quelle est la masse d'un litre d'eau ?

Deux gouttes se disputent pour savoir qui est la plus lourde.
Comment faire pour les départager sachant qu'on ne peut pas peser une goutte ?
Plus généralement, comment peut-on faire pour mesurer la masse d'un litre d'eau si l'on a à disposition qu'une éprouvette de 100 mL ?
Quels sont les pièges à éviter ?

Cliquez sur l'image pour télécharger le TP !

Voici les résultats proposés par deux groupes d'élèves.

Schéma de la mesure :

Si l'on tient compte de la précision des mesures (la balance est précise à un gramme près, mais surtout on n'a pas mis exactement la quantité d'eau prévue), on peut dire qu'un litre d'eau pèse environ 1 kg.

2. Retour sur les unités de volume

Grâce aux formules de géométries, il est possible de calculer le volume des objets.

Le volume de ce cube est donné par la formule :

Volume = côté x côté x côté
Volume = 1dm x 1dm x 1dm
Volume = 1dm³

Dans le Système International, les volumes sont exprimés en m³ (prononcer "mètres-cubes").
Combien y a-t-il de dm³ (prononcer "décimètres-cubes") dans un m³ ?

On sait que 1m = 10 dm.

On peut donc faire rentrer :
- 10 cubes de 1dm dans une largeur de 1m,
- 10 cubes de 1dm dans une hauteur de 1m,
- 10 cubes de 1dm dans une profondeur de 1m.

On peut donc rentrer 1000 cubes de 1dm de côté dans un cube de 1m de côté !

On peut donc affirmer que 1m³ = 1000dm³.

Le problème, c'est que dans la vie de tous les jours, on utilise plus souvent des litres, décilitres, centilitres et millilitres que des mètres-cubes...
Ca tombe bien : 1 dm³ = 1 L

On peut maintenant faire le tableau de conversion suivant :

Remarque :
µ est la lettre de l'alphabet grec "mû", elle correspond au "m" latin.
En sciences, elle est le symbole du sous-multiple "micro".
1 µL = 0,000 001 L (un microlitre).

m³	dm³			cm³			mm³
	hL	daL	L	dL	cL	mL			µL
						1
		15	0	0	0	0
						0,	1	5	0

Exemples de conversions :
1cm³ = 1mL	15L = 15000 cm³	150µL = 0,15 cm³

3. Changements d'état

a) Températures d'ébullition et de solidification de l'eau

On met de l'eau à bouillir dans un erlenmeyer sur le feu d'une gazinière.

A l'aide de la vidéo ci-contre, on relève régulièrement la température mesurée par le thermomètre.
Télécharger l'énoncé
Télécharger le corrigé

Cette expérience nous permet de de confirmer que dans des conditions normales l'eau bout à environ 100°C.

D'une manière similaire, il serait possible de montrer que dans des conditions normales l'eau gèle à environ 0°C.

b) Aparté sur l'histoire des unités de mesure

L'eau bout à 100°C, elle gèle à 0°C. 1L d'eau pèse 1kg.
1dm3 = 1L
Le périmètre de la Terre est d'environ 40 000 km.
Ne trouvez-vous pas ça « bizarre » que ces résultats soient « ronds » ?

Dans l’Antiquité, les hommes ont d’abord mesuré avec leur corps, en coudées, palmes, pas, pieds...

Au Moyen-Age, une unité de masse courante était la "livre". Cependant chaque région lui attribuait une valeur différente : entre 380g et 550g selon le lieu !
Imaginez les difficultés pour les personnes achetant des produits à divers endroits...

À la Révolution Française, le besoin d’un système d'unités universelles se fait sentir. On choisit de définir les différentes unités à partir de choses que "tout le monde" pourrait vérifier :
- le mètre est défini comme étant la valeur du périmètre de la Terre divisé par 40 000 000.
- le kilogramme est la masse d'un cube d'eau de 0,1 mètre de côté (soit 1 litre).
- Le degré Celsius est l'échelle de température valant 0°C lorsque l’eau se solidifie et 100°C à son ébullition.
- La seconde correspond à la durée d'un jour divisé par 86 400.

Depuis, avec l’augmentation de la précision des mesures, les unités sont définies par rapport à d’autres références universellement vérifiables.

Questions :
1) Quel est l’avantage des premières unités de mesure ?
2) Quel est leur inconvénient ?
3) Quel est l’avantage du nouveau Système ?
4) Quel est son inconvénient ?
5) Pourquoi les valeurs indiqués en introduction sont-elles « rondes » ?

c) Changements d'états

Cliquez ici pour télécharger la fiche d'exercices...
Cliquez ici pour télécharger le corrigé.

L'image de paysage utilisée dans le document est tirée d'une animation hébergée sur le site curiosphere.tv
Cette animation est complète et permet une révision ludique de ce cours. Vous pouvez vous entraîner en cliquant ici !

L'essentiel :
- L'eau sous forme de gaz (vapeur d'eau) est invisible
- Chaque changement d'état porte un nom différent qu'il faut connaître.

d) Changements d'état et volume

On voudrait étudier la solidification de deux liquides : l'eau et l'huile.
On remplit 2 récipients : un avec de l'eau et l'autre avec de l'huile. On trace ensuite un trait au niveau de la surface des deux liquide.
On dépose les deux récipients au congélateur et on attend le lendemain pour regarder le résultat :

Observations : Lors d’une solidification, le volume de l’eau augmente et le volume de l’huile diminue.

Conclusion :Lors d’un changement d’état, le volume varie.

Remarque :
Lors du cours plusieurs élèves se sont demandés si l'eau une fois fondue reprenait son volume initial. Il est possible de répondre à cette question en remarquant que la masse d'un litre d'eau liquide est toujours la même et que donc par conséquent l'eau devait reprendre son volume initial.
Il est également possible de s'en assurer en réalisant l'expérience. Voici les résultats des groupes qui ont essayé.
Fanny (509)

e) Changements d'état et masse

Maintenant que l'on sait que le volume varie lors d'un changement d'état, on aimerait savoir s'il en va de même pour la masse.
En effet, la glace qui remplit la bouteille prend plus de place que l'eau liquide qu'on avait versé dedans.

Observation : Lors de la solidification, la masse de l’eau reste la même.

Conclusion : Lors d’un changement d’état, la masse ne varie pas.

4. Le cycle de l'eau

Pour télécharger l'animation, cliquez ici

-Le Soleil chauffe l’eau liquide de surface qui s’évapore et monte en altitude.

- En altitude, il fait plus froid et l’eau se liquéfie pour former les nuages. Si la température est suffisamment basse, elle se solidifie.

- Lorsque les gouttes de pluie ou les flocons sont trop gros, il tombe : il pleut ou il neige.

- L’eau coule jusqu’aux rivières, pour la neige il faut attendre sa fonte.

- Les rivières rejoignent les fleuves puis la mer : le cycle recommence.

5. Fonte des icebergs et hausse du niveau de la mer

Par Serge Ouachée (Travail personnel) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Le réchauffement climatique aura plusieurs conséquences dans les dizaines d'années à venir. Parmi elles, la hausse du niveau des mers.
On peut imaginer que cette hausse sera en partie causée par la fonte des icebergs, ces énormes "glaçons" qui flottent dans les océans.

A l'aide du document suivant, il est possible d'apporter un début de réponse à la question

Cliquez ici pour télécharger le document
Cliquez ici pour télécharger le corrigé

Si on laisse fondre des glaçons dans un verre d'eau, le niveau monte-t-il ?
Voici ce qu'il se passe (vidéo en stop-motion, accélérée 25 fois.)
Si vous regardez la vidéo en plein écran, l'heure de la prise en vue est indiquée en bas à droite.

Des élèves ont essayé de réaliser cette expérience chez eux, voici leurs travaux :
Léonore (508)
Jade (508)
Mathilde et Clara (504)