Histoire des sciences_molecule
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Activité 1 : Les quatre éléments. Texte sur l’histoire des sciences : La théorie des quatre éléments. Depuis toujours, les hommes se sont interrogés sur les phénomènes naturels, cherchant des explications en essayant de « comprendre » la matière. Par exemple, comment expliquer que l’eau des fleuves se renouvelle sans cesse ? Que peut-il se passer lorsqu’un morceau de bois brûle ? Comment une plante pousse-t-elle ? Quatre siècles avant J.-C., le philosophe grec Aristote (mais aussi Empédocle et Platon) avance la « théorie des quatre éléments » qui permet alors d’interpréter nombre de phénomènes observables : toute matière est composée d’un mélange de quatre « éléments » : l’eau, la terre, l’air et le feu. Le mot « élément » signifie alors Aristote « substance élémentaire que l’on ne peut décomposer en d’autres substances ». (384-322 avant J.-C.) Cette théorie élémentale sera enseignée jusqu’au début du 18e siècle et complétée par les alchimistes. Feu Chaud Sec Air Terre Humide Froid Eau Voici un exemple souvent utilisé pour expliquer la raison pour laquelle cette théorie a perduré pendant 22 siècles : Si de l’eau contenue dans un récipient est positionnée au-dessus d’une flamme (« feu »), n’y voit-on pas de la vapeur (« air ») s’élever ? Et après que toute l’eau s’est vaporisée, ne reste-t-il pas des dépôts solides des résidus (« terre ») qui y étaient dissous ? Ainsi, selon la théorie élémentale d’Aristote, l’eau des fleuves, rivière et mer est composée d’une certaine proportion des éléments « eau », « air » et « terre ». Questions : 1. Quels éléments prélève la plante dans le sol pour se nourrir ? 2. Grace à quel élément la respiration diurne (photosynthèse) de la plante peut-elle s’effectuer ? 3. Pour vivre, la plante utilise aussi un élément de plus, lequel ? 4. Conclure en précisant la composition élémentale des plantes d’après Aristote. Activité 2 : L’analyse de l’air par Lavoisier. Texte sur l’histoire des sciences : L’analyse de l’air par Lavoisier (1777). À la fin du 18e siècle, Antoine Laurent de Lavoisier, chimiste français, répéta les expériences d’un autre chimiste anglais de son époque, Joseph Priestley qui venait de découvrir un gaz indispensable à la combustion. Voici comment Lavoisier relate une expérience d’analyse de l’air qu’il réalise en 1774 (version adaptée) : Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) « J’ai pris une cornue (récipient) dont le col était très long. Je l’ai recourbé de manière qu’il pût être placé dans un fourneau tandis que l’extrémité de son col irait s’engager sous la cloche, placée dans un bain de liquide. J’ai introduit dans cette cornue du mercure très pur. J’ai allumé du feu dans le fourneau et je l’ai entretenu pendant 12 jours, de manière que le mercure fût échauffé presqu’au degré nécessaire pour le faire bouillir .... Le second jour, j’ai commencé à voir surnager de petites parcelles rouges, qui pendant quatre ou cinq jours ont augmenté en nombre. Au bout de douze jours, voyant que la calcination du mercure ne faisait plus aucun progrès, j’ai éteint le feu et j’ai laissé refroidir » Avant l’opération, le volume de l’air contenu dans la cornue et sous la cloche était de 50 pouces cubiques (unité de volume de l’époque). Lavoisier note qu’après l’opération, il ne reste plus que 41 à 42 pouces cubiques dans l’enceinte. Lavoisier soumet ensuite l’ « air » restant sous la cornue à plusieurs tests : l’eau de chaux ne se trouble pas en sa présence, une bougie allumée placée sous la cloche s’éteint et des animaux respirant l’air enfermé sous la cloche meurent. Il en conclut que le mercure en se calcinant « absorbe la partie respirable de l’air » et appelle « mofette » la partie de l’air restant. D’après : Les cahiers hors série de Sciences & Vie, « Lavoisier » Questions : Dispositif de l’expérience de Lavoisier : 1. Que fait chauffer Lavoisier ? Pendant combien de temps ? cornue 2. Que voit-il apparaître petit à petit dans la cornue ? 3. Que fait le niveau de liquide dans la cloche ? liquide mercure 4. Que se passe-t-il si un animal se trouve dans la partie de l’air restant sous la cloche à la fin de l’expérience ? 5. Calculer les proportions de « mofette » et « d’air respirable » constituant l’air initial d’après l’expérience décrite. 6. Comment cette expérience permet-elle à Lavoisier de contester la théorie des quatre éléments ? Activité 3 : Composition de l’atmosphère. La composition de l’atmosphère de la Terre. Le mélange des gaz présents dans l’air de l’actuelle atmosphère terrestre est le résultat d’une évolution de 4,5 milliards d’années environ. On suppose que l’atmosphère la plus ancienne était constituée uniquement d’émanations volcaniques. Or, les gaz dégagés par les actuelles éruptions volcaniques sont essentiellement un mélange de vapeur d’eau, de dioxyde de carbone, de dioxyde de soufre et de dioxyde d’azote ; la proportion de dioxygène y est infime. Lorsqu’elle s’est refroidie, une grande partie de la vapeur d’eau s’est liquéfiée pour former les premiers océans. Plus tard, lorsque les premières formes de vie recourant à la photosynthèse se sont développées dans les océans, de nouveaux organismes marins ont commencé à produire du dioxygène. La quasi-totalité du dioxygène présent dans l’air aujourd’hui est supposée avoir été formée par combinaison photosynthétique du dioxyde de carbone et de l’eau. Il y a 570 millions d’années environ, le volume de dioxygène contenu dans l’atmosphère et dans les océans a atteint un niveau suffisant pour permettre le développement d’organismes marins capables de respirer. Plus tard, environ 400 millions d’années avant notre ère, l’atmosphère renfermait suffisamment de dioxygène pour permettre l’évolution d’animaux terrestres aérobies. En 1947, des analyses très précises de la composition actuelle de l’air ont indiqué que l’air est constitué de 78,1 % de diazote, 20,9 % de dioxygène et d’autres gaz comme l’argon, la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, l'ozone, le méthane … Questions : 1. Quel nom avait donné initialement Lavoisier au diazote ? En 1789, Lavoisier a renommé ce gaz « azote » d’après le grec a : sans et zôe : vie. Expliquer pourquoi. 2. Comparer les proportions de dioxygène et de diazote trouvées par les analyses actuelles avec celles trouvées par Lavoisier. Donner une explication. 3. Citer quatre gaz présents en plus petite quantité dans l’air. 4. Comment se nomme le phénomène naturel et biologique qui permet de renouveler le dioxygène que les mammifères consomment ? 5. Compléter le tableau ci-dessous avec le nom des gaz présents dans l’air et leur pourcentage. Tracer ensuite le diagramme circulaire représentant la composition de l’air, en calculant l’angle correspondant à chaque gaz (proportionnalité). Gaz Pourcentage Angle correspondant (arrondir à un nombre entier) 100 360° Noms des deux gaz majoritaires Autres gaz Total Diagramme circulaire :
