S’approprier le concept d’atome est difficile pour les élèves de cycle 4. Cette séquence permet aux enseignants de collège d’introduire ce concept abstrait en proposant aux élèves de le manipuler concrètement en utilisant notamment de la pâte à modeler.

Objectif : S’approprier le concept d’atome en le manipulant.
Organisation de transformation de la matière : Décrire l’organisation de la matière dans l’Univers
Notions et contenus : Notions de molécules, atomes, ions. Constituants de l’atome, structure interne d’un noyau atomique (nucléons : protons, neutrons), électrons.

• Séance 1 - Un modèle particulaire qui a des limites
• Séance 2 - Un nouveau modèle : l'atome
• Séance 3 - Un nouveau modèle : l'ion
• Séance 4 - Vers une interprétation de la conduction des solutions

 Séquence Atomes à modeler (lien externe)

Les grandes métropoles deviennent parfois très inconfortables en cas de fortes chaleurs. Certaines civilisations y résistent mieux car elles ont depuis longtemps adapté leur rythme de vie ou l’architecture de leurs bâtiments. Ainsi, les maisons et immeubles méditerranéens sont souvent tournés vers l’intérieur et organisés autour de patios ombragés et frais. Comment résister à une canicule dans une ville qui n’est pas conçue pour cela ? Il est bien sûr possible d’équiper davantage de bâtiments de système de climatisation, mais au prix d’un bilan carbone médiocre. Une solution plus durable pourrait résider dans la végétalisation de l’espace urbain.

Programme d’enseignement scientifique de la classe terminale générale : 1.2 La complexité du système climatique
Programme de spécialité physique-chimie de la classe terminale générale : L’énergie : conversions et transferts
Programme de sciences physiques, complément des sciences de l’ingénieur de terminale générale : L’énergie : conversions et transferts
Programme de physique-chimie et mathématiques de terminale STI2D : Énergie
Programme de sciences physiques et chimiques en laboratoire de terminale STL : Conversions et transferts des flux d’énergie

La maîtrise de la consommation d’énergie est au coeur des enjeux du xxie siècle, et devient une préoccupation majeure pour les citoyens d’une planète confrontée à des problématiques d’épuisement des ressources et de changement climatique. Dans un pays comme la France, le bâtiment est responsable de près de la moitié de la facture énergétique et constitue donc un levier important pour réduire la consommation globale d’énergie. Quelles pistes peuvent être explorées pour améliorer ses performances ? En particulier, comment peut-on rénover le bâti existant ?

Parties des programmes de physique-chimie associées :

• Programme de la spécialité physique-chimie de terminale générale (en vigueur à partir de la rentrée 2020) : Partie Énergie – conversion et transferts (transferts thermiques ; flux thermique, résistance thermique)
• Programme de sciences physiques, complément des sciences de l’ingénieur de terminale générale (en vigueur à partir de la rentrée 2020) : Partie Énergie – conversion et transferts (transferts thermiques ; flux thermique, résistance thermique)
• Programme maths-PC en STL (en vigueur à partir de la rentrée 2020) : Partie Énergie – conversion et transferts (bilan énergétique ; dissipation et transferts thermiques.)

Le verre est un matériau amorphe constitué essentiellement de silice, donc non cristallin, et correspond en quelque sorte à un liquide figé. Il est homogène à l’œil nu, mais des observations avec les spectroscopies UV-Visible et Raman, mais aussi par microscopie optique à balayage ou par spectroscopie de masse à plasma, montrent qu’il s’agit d’enchainements de tétraèdres silicates SiO4 reliés par des ponts Si-O-Si [1].

Les sources de silice sont le sable ou des galets de quartz des rivières.

La silice a un haut point de fusion (1720 °C) et est mélangée avec des fondants (pour travailler à des températures voisines de 1200 °C) soit de type minéral comme le natron [2] (carbonate de sodium hydraté : Na₂CO₃, 10 H₂O) ou l’oxyde de plomb (cristal), soit de type végétal avec des cendres de plantes. Au IX^e siècle, les difficultés d’approvisionnement en soude (NaOH) au Moyen-Orient conduisirent au remplacement du fondant sodique minéral (natron), verre dit romain, par des cendres sodiques ou potassiques d’origine littorale, telles que les salicornes et même les algues, ou d’origine forestière telles que les fougères, les chênes etc... Mais plus tard la production de soude par le procédé Leblanc au XVIII^e siècle permit à la production verrière à base de sodium de se développer à nouveau. Ainsi on peut analyser facilement les éléments constitutifs d’un vitrail, ce qui permet d’identifier les parties médiévales sans ambigüité, notamment par les signatures des spectres Raman simples qui sont facilement réalisés avec la miniaturisation des appareils devenus portables et utilisés sur site [3].

Dans les vitraux on ajoute des colorants qui sont des sels métalliques ou des oxydes d’éléments de transition dont la couleur dépend du métal mais aussi de son degré d’oxydation [4] : Cu²⁺ turquoise, Fe³⁺ jaunâtre, Fe²⁺ bleuâtre, Mn³⁺ aubergine, Co²⁺ bleu, mais aussi des nanoparticules de Cu (rouge), uranyle UO²⁺ (jaune-vert fluorescent), Ag (jaune), CdS (jaune), CdSe (rouge).

On utilise aussi des opacifiants comme des oxydes ou des sels d’étain, d’antimoine, de calcium, d’arsenic ou de cuivre.

À titre d’exemple la composition d’un vitrail de la cathédrale de Tours est :

La France possède la plus grande surface de vitraux dans le monde : 100.000 m² !

Au fil du temps, la transparence des vitraux peut être diminuée par des dépôts de sels de calcium (carbonate et sulfate principalement). Les premiers travaux de restauration des vitraux sont dus à Chevreul (années 1860) qui proposait des procédés mécaniques de lavage successifs à la soude, l’acide chlorhydrique et l’eau. Ainsi, par exemple sur les vitraux de la cathédrale Notre-Dame de Paris, qui présentaient des dépôts de sulfate de calcium provenant sans doute du plâtre des habitations et du gypse très présent dans le sous-sol de la région parisienne ! [5]

Au cours des dernières années, les études ont montré que la dégradation des vitraux était due à la lixiviation avec échange ionique entre les ions du verre et les agents atmosphériques ambiants. Par exemple, le brunissement observé sur des vitraux du Moyen Âge provient de l’oxydation des ions Mn²⁺ en Mn⁴⁺. L’origine du phénomène n’est pas encore totalement connue mais il est établi, par des analyses microbiologiques, que la présence de bactéries, plus particulièrement les ferrobactéries, permettent l’oxydation des cations Mn²⁺ par catalyse enzymatique [6].

La Cène - Vitrail de la cathédrale de Bourges. Photo : F. Brénon

Pour approfondir et illustrer ce sujet :

[1] Les verres mosaïqués : la palette de couleurs du verrier égyptien de Bernard Gratuze, site Mediachimie.org (vidéo/conférence), in Chimie et Alexandrie dans l’Antiquité, EDP Sciences (2020), pp. 165-196

[2] Comment faire des vitrages avec du sable ? La réaction de fusion du verre, Réaction en un clien d'oeil, site Mediachimie.org

[3] Le laboratoire mobile au chevet des œuvres d’art : quelques exemples de Philippe Colomban et Ludovic Bellot-Gurlet, L'Actualité Chimique n°418-419 (mai-Juin 2017) pp. 85-87

[4] L'art du verrier : des nanotechnologies depuis l'Antiquité ! » de Jean-Claude Lehmann, in La chimie et l’art, EDP Sciences (2010) pp. 207-220

[5] Deux interventions peu connues de Chevreul dans les Beaux-Arts de Josette Fournier, L'Actualité Chimique n°312-313 (octobre-novembre 2007) pp.112 -117

[6] Incidence bactérienne dans les phénomènes de brunissement des vitraux anciens de Geneviève Orial et coll., L'Actualité Chimique n°312-313 (octobre-novembre 2007) pp. 34-37

Sandrine Roussel est ingénieure brevets chez Solvay. Elle nous fait découvrir son parcours, son métier à double compétences et ses missions essentielles pour protéger les innovations de l’entreprise.

Lionel Augee est technicien de formulation chez Solvay. Il participe à la mise au point de solutions pour protéger les métaux contre la corrosion et faciliter l’adhérence des peintures. Il nous décrit ses diverses activités au sein du laboratoire, ses collaborations avec d’autres services de l’entreprise ainsi que son parcours.
 

Anne-Laure Pinault est responsable d’équipe de recherche chez Solvay. Elle nous fait découvrir son parcours, ses missions et ce qui contribue à leurs réussites et nous fait partager son enthousiasme.

En plus d’être renouvelable, un produit biosourcé diminue l’empreinte carbone grâce à la photosynthèse qui consomme du CO₂ pour la croissance de la plante.

La chimie du végétal utilise la biomasse d’origine terrestre ou marine, représentant un moyen efficace d’obtention de matières premières, aujourd’hui d’origine fossile (pétrole, gaz naturel, charbon). Le chimiste aura ainsi la capacité de reproduire toute la chimie du carbone.

Cette chimie durable qui fait déjà l’objet de nombreuses applications n’en est qu’à son commencement.

Avant de faire le quiz, ou en complément du quiz, vous pouvez lire la fiche Chimie et… en fiches : Chimique ou naturel ?