Effet amplificateur du CO2
Cadre de l'activité proposée
L'approche expérimentale proposée s'inscrit après avoir fait émerger l'idée de mécanismes amplificateurs intervenant dans les variations climatiques passées.
Les élèves proposent l'intervention du CO2 dans les mécanismes amplificateurs. Il leur est demandé de schématiser le modèle du cycle du carbone (étudié en seconde), pour faire émerger ensuite les hypothèses qui pourront être testées expérimentalement.
Une phase de travail en commun permet de discuter des protocoles à mettre en oeuvre.
Voir la description détaillée de la démarche proposée.
Protocoles mis en oeuvre
Deux approches ont été testées : évaluer la solubilité du CO2 dans de l'eau à différentes températures par mesure du pH, et évaluer un volume de CO2 dégazé par une eau naturellement riche en CO2 (comme le Perrier* par exemple) placée à différentes températures.
Des essais préalables ont permis de mettre au point deux protocoles qui sont présentés ci-après.
Etude expérimentale de la solubilité du CO2 dans l'eau en fonction de la température par suivi du pH
Il est possible de montrer au préalable que le gaz qui s'échappe est bien du CO2, en faisant barboter celui-ci dans de l'eau de chaux.
Résultats obtenus lors des expériences préalables
1. Etude expérimentale de la solubilité du CO2 dans l'eau en fonction de la température par mesure du pH
Lors des expériences préalables, l'eau du robinet a été utilisée. Avec les élèves, on choisira une eau minérale dont le pH initial est indiqué par le fabricant.
L'expérimentateur a soufflé régulièrement dans l'eau pendant 5 minutes, mais dans tous les cas la valeur du pH s'est stabilisée en moins de 4 minutes.
| Température | 7 °C | 19 °C | 30 °C | 42 °C |
| pH final | 5,3 | 5,4 | 5,5 | 5,5 |
Il est à signaler que la sonde à pH utilisée dans ce cas était différente de celles qui seront utilisées ensuite par les élèves. Il s'agit ici d'une sonde à pH reliée à une console VTT* (JEULIN), qui peut mesurer dans la gamme de température 0-40 °C, d'où des mesures qui peuvent être discutables ici pour la température 42 °C.
Il sera donc fait appel à d'autres dispositifs de mesure pour les expériences qui seront conduites par les élèves.
2. Etude expérimentale du dégazage d'une eau riche en CO2 en fonction de la température par évaluation du volume dégazé
On choisit une eau minérale riche en CO2 : le Perrier. Sa composition figure sur l'étiquette de la bouteille. Le pH indiqué est de 5,5.
Les premiers essais effectués montrent un dégazage initial très rapide, de sorte que les tubes à essais qui servent à recueillir les gaz qui s'échappent se remplissent très rapidement, et il est très difficile dans ces conditions de faire une comparaison.
Différents essais successifs, en laissant le Perrier se dégazer plus ou moins longtemps avant de commencer à recueillir le CO2, montrent une cinétique exponentielle décroissante du dégazage. On choisit un délai de dégazage initial qui permet de faire les mesures dans un intervalle de temps où les comparaisons seront possibles.
Conditions fixées :
- temps de dégazage avant fermeture : 6 minutes
- températures testées : 5 °C, 23 °C, 30 °C, 44 °C
- rythme des mesures : toutes les minutes
- nombre de mesures : 6
Résultats :
Résultats des élèves
1. Etude expérimentale de la solubilité du CO2 dans l'eau en fonction de la température par suivi du pH
2. Etude expérimentale du dégazage d'une eau riche en CO2 en fonction de la température par suivi du volume dégazé
Commentaires
1. Etude expérimentale de la solubilité du CO2 dans l'eau en fonction de la température par suivi du pH
L'étude des résultats obtenus par les élèves montre que si le pH diminue, l'évolution de sa valeur montre des variations inattendues (à 10 °C pour le groupe 1) ou peu de variations (à 30 °C pour le groupe 2). Ces observations pourraient s'expliquer par des variations liées à l'expérimentateur.
On relève également que les valeurs initiales des pH diffèrent d'une condition de température à l'autre. L'eau minérale utilisée ici est de la Vittel*, pour laquelle le producteur annonce un pH de 7,3. Ces variations soulignent l'effet de la température et de l'étalonnage de la sonde sur le pH.
On retrouve sans doute cet effet de la teméprature dans l'évolution de l'essai à 10 °C pour le groupe 1 : en effet, le souffle de l'expérimentateur dans l'eau peut contribuer à réchauffer celle-ci au fur et à mesuer de l'expérience, et la différence de température par rapport aux conditions initiales sera d'autant plus marqués que la température de l'essai est au départ éloignée de 37 °C (teméprature de l'air expiré par l'expérimentateur).
Malgré ces remarques, on peut constater que les pH mesurés à l'issue des expériences sont différents : plus l'eau est chaude, plus le pH mesuré est élevé, ce qui peut être interprété comme une quantité moindre de CO2 dissout dans l'eau.
En conclusion, il apparaît judicieux de s'appuyer sur les valeurs finales du pH pour mettre en relation la température de l'eau et sa capacité à dissoudre du CO2.
2. Etude expérimentale du dégazage d'une eau riche en CO2 en fonction de la température par évaluation du volume dégazé
Les résultats des deux groupes d'élèves sont comparables, même si les écarts entre les différentes conditions de température ne sont pas toujours les mêmes.
On constate que plus le Perrier* est placé à température élevée, plus le volume de CO2 dégazé est important à l'issue de l'expérience.
Là encore, ce n'est pas tant la cinétique du dégazage qui importe, mais le volume dégazé.
Le volume étant estimé à partir de la hauteur d'eau dans le tube retourné, on fait l'approximation que la différence de hauteur d'eau entre le tube et le récipient qui le contient ne joue que faiblement sur les résultats.
On a pris la précaution de faire déboucher l'extrémité du tube de dégazage au fond du tube de recueillement, de sorte à limiter les incertitudes liées à une solubilisation du CO2 dans l'eau du dispositif de recueillement.
En conclusion, les valeurs finales du volume de CO2 dégazé peuvent être mises en relation avec la température pour montrer que lorsque celle-ci augmente, la solubilité du CO2 dans l'eau diminue.
Conclusion générale
Les deux protocoles peuvent être conduits simultanément dans la classe, en proposant ainsi deux approches complémentaires : l'une montrant la libération du CO2 par une eau initialement riche en CO2, l'autre montrant la capacité de l'eau à dissoudre le CO2 gazeux, en faisant dans les deux approches varier la température de l'eau.
Les difficultés liées aux mesures de pH peuvent être de plusieurs ordres :
- il est sans doute plus aisé pour l'élève d'observer directement un volume gazeux dégazé que d'interpréter une valeur de pH pour faire le lien avec la solubiltié du CO2 dans l'eau,
- les valeurs de pH mesurées sont influencées par la température, il faut prendre garde à l'étalonnage et utiliser un matériel qui autorise les mesures dans la gamme de températures utilisées.
Il est possible d'adapter ce protocole en utilisant des sondes à CO2, mais leur coût élevé explique que nombre d'établissements ne sont pas encore équipés de ce matériel.