Questions to the experts
Matière et matériaux
Comment mettre en évidence les gaz dissous dans l'eau ?
Dans le cadre d'un projet sur les poissons je cherche une méthode simple pour mettre en évidence la présence d'oxygène (ou de gaz) dissous dans l'eau.
On m'a suggéré l'électrolyse (pas facile au primaire). Je me vois mal plonger un poisson dans l'eau gazeuse ou bouillie ! Dernière idée que l'on m'a donnée, la plante aquatique avec les bulles qui se forment à la surface des feuilles (oui mais dans l'eau sans plante on ne voit pas les bulles).
La méthode la plus simple pour mettre en évidence la présence de gaz dans l'eau est... de la chauffer !
A 80-90 °C, l'eau ne bout pas et pourtant... des bulles apparaissent sur les bords du récipient. Elles ne se reforment pas si on les "décolle" et si la température est maintenue constante.
Ces bulles sont constituées d'un mélange de tous les gaz qui sont dissous dans l'eau. Si l'on dispose de plus de temps, il suffit de laisser au soleil une bouteille d'eau minérale (non gazeuse) pour voir apparaître sur le côté éclairé, une multitude de petites bulles. Il suffit également de secouer une bouteille de Perrier pour constater que des gaz étaient dissous dans l'eau !
Ces expériences ne permettent toutefois pas de caractériser la nature des gaz en question.
Une autre expérience très démonstrative est celle de la bouteille bleue : lorsque l'on secoue un récipient contenant un liquide incolore (solution aqueuse de soude (10 g/L environ) et de glucose (100 g/L environ), l'air qui y pénètre fait virer au bleu une substance ("bleu de méthylène")que l'on y a ajouté. Preuve est alors faite que des gaz peuvent passer en solution. Montrer que c'est l'oxygène qui est responsable de ce changement de coloration est possible, mais plus difficile. Attention, je cite cette expérience à des fins démonstratives, pas pour la réaliser en classe ! Cependant, un enseignant un peu aguerri peut très bien la réaliser sans risque, s'il dispose d'objectifs adaptés.
Dans le même ordre d'idées, le simple fait d'ouvrir un vin avant de le boire pour "l'oxygéner" constitue en quelque sorte une preuve "empirique" de la possibilité de dissolution de l'oxygène dans l'eau. Idem en ce qui concerne le thé infusé qui noircit lorsqu'on le laisse une journée à l'air libre.
Pour compléter les deux réponses déjà diffusées, une proposition de manip.
Elle concerne le dioxyde de carbone car la solubilité de ce gaz dans l'eau est suffisamment élevée être facilement perceptible.
On peut verser de l'eau sur un mélange d'acide tartrique et de bicarbonate de sodium (aucun des réactifs n'est corrosif) et recueillir le gaz produit sur un flacon retourné sur une cuve à eau. On en perd, puisque le CO2 est soluble dans l'eau, mais ça n'est pas grave !
Quand le flacon est plein de CO2, on le bouche sur la cuve et on le retourne (le CO2 est plus dense que l'air) ; on peut alors le déboucher, y introduire de l'eau "pure", le boucher avec la paume de la main et secouer. Le CO2 se dissout dans l'eau et on perçoit alors une dépression sur la paume de la main.
On peut chauffer la solution obtenue et voir des bulles de CO2 se former, se détacher et crever en surface, bien avant la température d'ébullition de l'eau.
Je ne sais pas si la manip peut être tentée avec l'air dont la solubilité est faible. Si quelqu'un veut essayer :
Sur l'électrolyse : l'étymologie dit "séparation par l'électricité". Appliquée à l'eau, elle montre que le molécule est constituée d'oxygène et d'hydrogène dans la proportion 1 pour 2. Elle ne donne pas accès aux gaz dissous. Je laisse François Roby détailler la manip au bleu de méthylène...
remarque : L'acide tartrique et le bicarbonate ne sont pas dangereux, pas plus qu'un litre de CO2 (il y en a plus dans une boisson gazeuse). La principale difficulté de la manip vient sans doute du fait que les écoles n'ont pas le matériel pour travailler proprement (cuve à eau, par exemple).
En complément de la proposition utilisant les bulles on pourrait :
Ces comparaisons pourraient aider à mieux convaincre les observateurs.
Pour montrer la présence d'oxygène on peut se rattacher à un phénomène très familier d'oxydation : la formation de rouille. Si on met un morceau de fer doux, un clou ou une lame de couteau ancien, dans un récipient clos contenant de l'eau bouillie et dans le même récipient clos contenant de l'eau aérée, on verra la rouille se former seulement dans le second récipient (en fait, dans le premier également, mais plus lentement).
La difficulté de la manip va reposer sur le fait que la rouille apparaîtra aussi dans l'eau bouillie car nous savons bien qu'il est très difficile d'éviter l'introduction d'oxygène dans une solution. Moyennant quelques précautions on devrait observer au moins une grande différence entre les vitesses d'apparition de la rouille dans les deux conditions.
Si on introduit le clou dès la fin de l'ébullition prolongée pour le récipient "désoxygéné", il faudra le fermer de la façon la plus hermétique possible à cause de la dépression due au refroidissement. Je ne vois pas de meilleure façon d'opérer.
En ce qui concerne le fer il faudra choisir les clous les plus "ordinaires" possible. Il y a plusieurs dizaines d'années, de nombreux couteaux de cuisine avaient la propriété d'être très faciles à aiguiser et de se couvrir de rouille en quelques minutes après lavage, faute d'être essuyés immédiatement. Le type d'échantillon de fer est important pour le suivi de l'oxydation.
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L'air de rien, cette question est délicate et la façon dont elle est posée comporte déjà une confusion. L'enseignant parle de "mettre en évidence la présence d'oxygène (ou de gaz) dissous dans l'eau". C'est le "ou de gaz" qui pose problème : en effet l'oxygène n'est pas un gaz en soi, comme à peu près toutes les assemblées de molécules il se présente sous forme gazeuse, ou liquide, ou solide suivant les conditions de température et de pression. Et quand il est dissous dans l'eau, il n'est justement pas sous forme gazeuse puisqu'il est dissous ! Il s'agit alors de molécules individuelles d'oxygène dispersées dans une mer de molécules d'eau, et non de molécules d'oxygène dispersées dans du vide, pour prendre une définition possible du gaz oxygéne. Il s'agit donc bien ici de faire une expérience de chimie, puisqu'il faut prouver la présence d'un type particulier de molécule.
Si on admet qu'un poisson a besoin d'oxygène pour vivre, et si on observe qu'il ne vient pas à la surface pour repirer, le simple fait que le poisson continue à vivre peut être une preuve de la présence d'oxygène... mais il faut faire confiance à la biologie. Quant à l'expérience de la plante, je ne suis pas sûr du tout qu'elle prouve quoi que ce soit, bien au contraire, mais je ne suis pas biologiste et je risque donc de dire des bêtises. Je me risque quand même : tout d'abord, il est faux de dire que si on ne met pas de plantes on n'observe pas de bulles. Dans tout récipient où on laisse de l'eau (même non gazeuse évidemment !) assez longtemps, on observe la formation de petites bulles sur les parois, qui sont des bulles de gaz initialement dissous (oxygène ou autre) "poussant" sur des défauts de la surface favorisant leur croissance. On peut remarquer que les bulles de gaz se forment et croissent dans un liquide sur des "germes", tout comme des gouttes de liquide se condensent dans un gaz sur des germes (cf. méthodes pour faire pleuvoir ou canons anti-grêle).
Ensuite, si on observe des bulles sur les feuilles de la plante, il se peut fort bien qu'elles soient dues à la respiration de la plante (et soient éventuellement du dioxyde de carbone) ! Je ne parle pas des plantes en plastique évidemment...
Bref, je ne sais pas répondre... mais une chose est sûre : s'il s'agit de mettre en évidence l'oxygène, c'est une expérience de chimie. Et s'il s'agit seulement de mettre en évidence la présence de molécules dissoutes, il me paraît difficile de faire autre chose que constater leur "précipitation" sous forme de bulles gazeuses pour certaines, ou sous forme de cristaux solides pour d'autres (sucre, sel...). Elles ne sont alors plus dissoutes, mais si on admet qu'elles ne sont pas apparues miraculeusement on peut conclure qu'elles étaient là avant, sous une forme dispersée dans le liquide.
J'espère ne pas avoir été trop confus...