Questions centrales

• Que se passe-t-il lorsque du dioxyde de carbone est insufflé dans de l'eau ?

Matériel requis

• 3 gobelets transparents (d'une contenance d'environ 100 ml) ou récipients similaires
• paille
• lunettes de sécurité
• 1 feuille de papier ou un film de plastic transparent
• serviettes en papier
• 1 indicateur de pH, comme de le jus de chou

Idées principales et notions de base

• Les élèves seront peut-être surpris d'apprendre qu'un gaz peut se dissoudre dans l'eau. Toutefois, ils en voient la manifestation chaque fois qu'ils observent des bulles de dioxyde de carbone dans une boisson gazeuse.
• Lorsque le dioxyde de carbone traverse l'eau, une certaine quantité de ce dernier se dissout. Une petite partie du CO2 dissous interagit avec l’eau pour se transformer en acide carbonique, H2CO3. Comme les autres acides, cet acide faible produit des ions d'hydrogène. Ces ions réagissent avec d'autres substances pour reproduire le comportement chimique caractéristique des acides.
• Dans cette expérience, l'idée principale est de rechercher le changement de pH qui devient acide. Ce changement s'opère lorsque de l'acide carbonique se crée dans l'eau. L'eau potable présente généralement un pH de 7,0 environ. Cette valeur peut varier selon les conditions locales. Quelle que soit la valeur du pH initial de l'eau potable, la génération d'acide carbonique en insufflant des bulles dans l'eau fait basculer le pH vers l'acidité.
• Les scientifiques ont découvert que les couches supérieures de nos océans deviennent plus acides en raison de l'absorption du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère. Ce phénomène modifie l'environnement de la vie marine.
• Parfois, les eaux de surface d'un lac ou d'un fleuve deviennent acides en absorbant une partie du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère. Cette eau peut alors dissoudre la roche contenant des carbonates comme le calcaire. C'est ainsi que les eaux souterraines ont formé des cavernes.
• Pour en savoir plus sur l'échelle des pH, reportez-vous à la rubrique Creusons un peu.
• L'expérience réalisée avec du carbonate de calcium produit une substance laiteuse car l'air exhalé contient seulement une faible proportion (environ 4 %) de dioxyde de carbone. Une réaction plus importante est obtenue en insufflant du dioxyde de carbone pur dans de l'eau de chaux.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Utilisez deux récipients pour l'eau. Les élèves peuvent insuffler des bulles dans l'eau d'un récipient et utiliser l'eau de l'autre récipient afin de procéder à une comparaison. Les récipients ne doivent pas obligatoirement être identiques, mais ils doivent être transparents de façon à ce que les élèves puissent comparer la couleur du jus de chou.
• Recouvrez le récipient d'une feuille de plastique transparente avant de souffler afin d'éviter les éclaboussures.
• Il est recommandé que les élèves placent l'extrémité de la paille le plus profondément possible dans l'eau et qu'ils soufflent doucement dans la paille. Ceci permet un contact maximum des bulles de dioxyde de carbone avec l'eau et augmente ainsi le taux de dissolution.
• Il est conseillé aux élèves de maintenir le récipient pendant qu’ils soufflent afin d’assurer une stabilité et précision maximales.
• L’acide carbonique est très faible. Il faut insuffler des bulles pendant plusieurs minutes pour que l’acidité de l’eau change de façon sensible. Selon l’indicateur utilisé par les élèves, ils ne détecteront peut-être pas immédiatement l’augmentation de l’acidité. Dans notre expérience, nous avons noté que la couleur du jus de chou a légèrement changé après environ 10 minutes d'insufflation de dioxyde de carbone).
• Si possible, mesurez l’acidité de l’eau dans laquelle vous avez soufflé avec un autre type d’indicateur, comme des pastilles de test de pH.

Discussion

1. Comment sait-on que le fait d’insuffler du dioxyde de carbone dans l’eau rend cette dernière plus acide ? (L’indicateur détecte un niveau de pH inférieur à la mesure de base, indiquant un changement qui s’opère dans le pH lorsqu’il devient acide. Si la mesure du pH de l’eau était de l’ordre de 7,0 (neutre), on peut s’attendre à ce que la valeur du pH après insufflation soit inférieure à 7,0, ce qui révèle une acidité. Si la mesure de base du pH de l’eau était 8,0 ou plus (alcaline), il est possible que la valeur du pH après insufflation ne révèle aucune acidité. Mais on peut s’attendre à ce que la valeur se soit rapprochée des valeurs indiquant une acidité. Si vous commencez avec une eau dont le pH est égal 8,0 et que vous obtenez une valeur de pH de 7,3 après insufflation, cette eau est toujours alcaline, mais la valeur de son pH s’est rapprochée des valeurs acides.) 

2. Comment le dioxyde de carbone rend-t-il l’eau acide ? (Lorsque du dioxyde de carbone est insufflé dans l'eau, une certaine quantité de ce dernier s'y dissout. Une faible proportion de ce CO2 dissous génère de l'acide carbonique, H2CO3. Les atomes d’hydrogène de l’acide carbonique se comportent comme des ions d’hydrogène et sont donc disponibles pour des interactions chimiques avec d’autres substances. Les ions d’hydrogène provoquent le comportement acide.)

Evaluation

Les élèves peuvent-ils expliquer ce qui se produit lorsque du dioxyde de carbone est insufflé dans l'eau ? (Une certaine quantité de dioxyde de carbone se dissout dans l’eau. Une petite proportion de ce CO2 dissous interagit avec l'eau et produit de l'acide carbonique.

Variantes et autres études

• Faites mesurer l’évolution du pH aux élèves à différents stades de l'insufflation.

• Répétez l'expérience avec de l’eau salée, puis de l’eau sucrée.

Applications industrielles

• Génie chimique

• Géologie

• Ingénierie de l’environnement

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Earth and Space Science: B1

Grades 9-12
Physical Science: B3
Earth and Space Science: D2

Glossaire/vocabulaire

acide
acide carbonique
pH

Liens

Eau carbonée, Wikipédia, l’encyclopédie libre

Notions de base sur l’eau carbonée.

Pluie, Wikipédia, l’encyclopédie libre

Description de la façon dont l’eau de pluie dissout le dioxyde de carbone de l’air.

Le cycle du carbone, Virtual Chembook de Elmhurst College

Informations concernant plusieurs cycles parmi lesquels celui du dioxyde de carbone de l'air.

Précipitation et redissolution du carbonate de calcium

Informations complémentaires concernant l’expérience du carbonate de calcium.

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