Classe de 5ème (SVT et physique-chimie)

Thème de convergence (collège) : développement durable
Seconde : Enseignement d’exploration « Méthodes et Pratiques Scientifiques »
Eventuellement classes de 6ème et 3ème (SVT)


Du CO2 dans l’eau de mer

Suggestion d’activité autour de l’acidification des océans

(librement dirigée par l’enseignant)


D’après la mallette Biodiversité / les Passerelles MNHN - AFPD

adaptation réalisée par Julien Chamboredon, Sophie Mouge et Sophie Pons,
enseignants affectés au MNHN

Ce document propose aux enseignants un ensemble de ressources autour de l’acidification des océans et de ses conséquences sur les êtres vivants de ce milieu (pour en savoir plus, lire l’article de G. Boeuf).

Ces ressources pourront être intégrées dans une démarche que construira librement chaque enseignant, et ne sont en aucun cas des marches à suivre figées.

Plan :

Contexte éducatif et objectifs

Les ressources peuvent être librement utilisées par l’enseignant dans plusieurs cadres :

En 5ème pour une approche pluridisciplinaire dans la partie « fonctionnement de l’organisme » (SVT) et « l’eau dans notre environnement » (physique-chimie)
  • En SVT : « Des substances nocives, plus ou moins abondantes dans l'environnement, peuvent perturber le fonctionnement de l'appareil respiratoire. Capacités : Observer, recenser et organiser des informations afin de relier des perturbations du fonctionnement de l'appareil respiratoire à la présence de substances nocives. »
  • En Physique-chimie : « L’eau est un solvant de certains solides et de certains gaz (approche expérimentale). »
  • Prérequis ou notions complémentaires utiles : un rappel des acquis tirés des autres parties du programme de 5ème (archives géologiques ; les êtres vivants peuvent respirer dans l’eau ; formation des roches sédimentaires) peut être utile.
Grâce au thème de convergence (physique-chimie et SVT) intitulé « développement durable », en associant ici plus précisément deux disciplines, tels que précisé dans les instructions officielles.
« La physique-chimie introduit l’idée de conservation de la matière et permet de comprendre qu’une substance rejetée peut être diluée, transformée ou conservée. Les transformations chimiques issues des activités humaines peuvent être la source d’une pollution de l’environnement. Les sciences de la vie apportent la connaissance des êtres vivants et de leur diversité. L'analyse d'observations de terrain concernant la répartition des êtres vivants dans un milieu, sensibilise aux conséquences de la modification de facteurs physico-chimiques par l'activité humaine. »

En MPS (niveau Seconde)
« L’enseignement d’exploration « Méthodes et Pratiques Scientifiques » permet aux élèves de découvrir différents domaines des mathématiques, des sciences physiques et chimiques, des sciences de la vie et de la Terre et des sciences de l’ingénieur. C’est aussi l’occasion de montrer l’apport et la synergie de ces disciplines pour trouver des réponses aux questions scientifiques que soulève une société moderne, d’en faire percevoir différents grands enjeux, et de donner les moyens de les aborder de façon objective. »
« Science et prévention des risques d’origine humaine : montrer comment la science permet de connaître, de mesurer […] un risque d’origine humaine (risque anthropique). »
Entrée dans le thème par le biais de la protection de l’environnement (qualité de l’eau, pollution)

Eventuellement en 3ème (SVT) dans la partie « Responsabilité humaine en matière de santé et d’environnement »
Les objectifs qui nous intéressent ici sont : « relier les notions scientifiques et techniques à leurs incidences humaines en matière de santé et d’environnement ; développer l’autonomie de l’élève dans une démarche de projet ; permettre aux élèves d’argumenter à partir de bases scientifiques sur différents thèmes de société ». L’étude de la pollution de milieux comme l’air ou l’eau est un support possible, évoqué dans les textes. « Capacités : identifier les solutions envisagées actuellement pour limiter la pollution de l'eau ou de l’air ; comprendre l’évolution actuelle de la biodiversité, les intérêts de la biodiversité et les solutions envisagées actuellement pour la conserver »

Eventuellement en 6ème (SVT), pour les parties « caractéristiques de l’environnement » et « peuplement d’un milieu », mais cela semble ambitieux car l’élève n’a pas encore de réelles notions de Chimie
« Il existe des interactions entre les organismes vivants et les caractéristiques du milieu. Capacités : Formuler l’hypothèse d’une relation de cause à effet entre les conditions de milieu et la présence d’êtres vivants. Réaliser des mesures afin d’établir les caractéristiques d’un milieu. » et
« L’influence de l’Homme peut être : directe sur le peuplement (déboisement, ensemencement, chasse, utilisation de pesticides…) ; indirecte sur le peuplement (accumulation de déchets, aménagement du territoire, modifications topographiques). Capacités : Participer à la conception d’un protocole pour éprouver ces hypothèses et le mettre en œuvre dans le cadre d’une démarche expérimentale. Valider ou invalider les hypothèses formulées »

A travers les activités qui vous sont proposées ici, plusieurs compétences du socle commun peuvent être travaillées avec les élèves, dans l’esprit du palier 3 (collège) :

Compétences du socle
Pistes
Compétence 3
- Pratiquer une démarche scientifique et technologique, résoudre des problèmes

- Savoir utiliser des connaissances dans divers domaines scientifiques, ici en associant la physique-chimie et les sciences de la vie et de la Terre

- Mobiliser ses connaissances pour comprendre des questions liées à l'environnement et au développement durable
Les activités décrites ici reposent sur un problème posé (question) et suivent une démarche d’investigation scientifique.

On associe ici SVT et physique-chimie.

Les expériences sont à repositionner dans un contexte plus global : conséquences de l’acidification des océans sur les êtres vivants qui les peuplent.
Compétence 5
Avoir des outils pour comprendre l'unité et la complexité du monde en particulier les enjeux du développement durable
Cf ci-dessus
Compétence 1
Maitrise de la langue française
Les élèves peuvent être sollicités pour un travail écrit ou oral de restitution, d’explicitation...
Compétence 7
Autonomie et initiative
La réflexion sur la démarche à suivre pour répondre aux questions posées peut être menée de façon individuelle ou collective.


Piste de situation initiale

Voici plusieurs documents scientifiques (non exhaustifs) qui peuvent aider l’enseignant dans sa démarche pédagogique pour amener les élèves à un questionnement scientifique sur l’origine de certains coccolithophoridés.

Les premiers documents permettent de replacer les coccolithophoridés dans un contexte biologique et géologique.

Le dernier document de comparaison entre deux organismes de coccolithophoridés permet de mettre en place une problématique scientifique.

Falaises d'Etretat
Falaise calcaire composée de milliards de micro-organismes de Coccolithophoridés (Etretat, France) © S. Mouge


Calcaire coquillier
Calcaire coquillier avec des empreintes de mollusques (bivalves et gastropodes)
Charente maritime, France
© MNHN
Calcaire fossilifère
Calcaire fossilifère à invertébrés (bryozoaires, brachiopodes, trilobites)
Dudley, Grande-Bretagne
© MNHN
Observation de calcaires bioconstruits (microlithiques, coquilliers etc)


Coccolithophoridé observé au microscope électronique
Coccolithophoridé observé au microscope électronique à balayage contenue dans de la craie du Bassin de Paris et vieille de 75 millions d’années (Campanien) © D. Noël, MNHN
Schéma de la structure d’un coccolithophoridé
Schéma en coupe de la structure d’un coccolithophoridé © d'après A.Gallien (svt.ac-dijon.fr)
Coccolithophoridé prélevé dans les eaux du Pacifique
Coccolithophoridé (Emiliania huxleyi) prélevé dans les eaux du Pacifique Sud central (Sud Est au large de l’Ile de Pâques) et vu au MEB © L. Beaufort, CNRS-CEREGE
Coccolithophoridé prélevé dans les eaux de l’océan Antarctique
Coccolithophoridé (Emiliania huxleyi) prélevé dans les eaux de l’océan Antarctique (Sud du Cap Horn) et vu au MEB © L. Beaufort, CNRS-CEREGE
Les coccolithophoridés sont des micro-organismes planctoniques de 5 µm de diamètre dont l’enveloppe (appelée « test ») est composée de plaques calcaires : les coccolithes.

  Sud-Est au large de l’Ile de Pâques
Sud du Cap Horn
Coordonnées géographiques
52°52 S - 67°55 W 59°5 S - 63°0 E
NaCl
32.4 ‰
33.9 ‰

4.1 °C
3.2 °C
pH
8.12
8,06
Données scientifiques sur les eaux océaniques concernées

A l’aide de ces derniers documents (3ème document surtout), on peut relever l’altération des coccolithophoridés prélevés dans les eaux de l’océan Antarctique et se poser le problème suivant :

PROBLEME : Comment expliquer l’altération des micro-organismes marins observés ?

Les données scientifiques apportées dans le 4ème document permettent de formuler des hypothèses.


Hypothèses scientifiques pour un début de réponse

La réflexion d’élèves en classe pourrait aboutir à plusieurs hypothèses :
  • l’altération pourrait être due à la basse température
  • l’altération pourrait être due au plus fort taux de salinité de l’eau de mer
  • ...
Nous choisissons ici de nous intéresser à l’hypothèse suivante :

L’altération des organismes marins sur la photo de droite est peut-être due à une acidité trop forte (pH plus faible) de l’eau de mer.



Manipulation 1 : Une acidité trop importante de l’eau de mer altère-t-elle les organismes marins ?

Vérification de l’hypothèse par une manipulation :

Matériel :
  • 2 coquilles vides de mollusques (huitres, moules, bigorneaux...) à peu près de mêmes aspect et taille
  • 2 béchers
  • Solution d’eau salée (NaCl) à 35 ‰
  • Solution d’acide chlorhydrique (HCl) à 1 M
Protocole :
Remplir préalablement les 2 béchers de la façon suivante :
  • bécher 1 avec 250 mL d’eau salée 35 ‰
  • bécher 2 avec 250 mL d’eau salée 35 ‰ +150 mL de HCl 1 M
Faire introduire par les élèves les coquilles de bigorneaux ou de moules dans chaque bécher. Attendre 30 à 45 min. Observer.

Observations :
Après un temps d’attente (45 min maximum) des petites bulles se forment à la surface des coquilles dans le bécher 2 : il y a effervescence. De plus les coquilles ont changé de couleur et sont moins dures.
Rien à signaler dans le bécher 1 (témoin).
Si on laisse agir plusieurs heures, les coquilles du bécher 2 perdent leurs couleurs et ramollissent jusqu'à être entièrement dissoutes.

Remarque :
La manipulation fonctionne aussi avec du vinaigre blanc d’alcool (en remplacement de l’acide chlorhydrique). Toutefois le temps d’attente pour observer des effets nets sur les coquilles peut être un peu plus long que 45 min.

Interprétations :
L’acidité de l’eau altère les coquilles de certains organismes marins.

Conclusion de la manipulation 1 :
L’acidité du milieu océanique, dans certaines régions du Monde, fragilise et détruit certains organismes marins. Cela s’explique par le fait que la plupart des coquilles animales sont composées de carbonates de calcium ou de magnésium, substance altérée par la présence d’acide.

Limites expérimentales de la manipulation 1 :
Les variations d'acidité imposées au milieu sont très importantes : l’acidité mesurée à l’heure actuelle dans les océans fluctue entre 8 et 8.3. Cette amplitude est plus faible que celle mise en jeu dans l'expérience, afin d’augmenter l'effet du facteur testé, et accélérer la réaction chimique. Ainsi la vitesse de réaction expérimentale est beaucoup plus rapide que dans les conditions naturelles. En effet, afin d’obtenir une réponse rapide dans le cadre d’un cours, et ne pas être bloqué par l'attente des résultats à observer, l’expérience se déroule en quelques heures, se substituant aux durées annuelles ou pluriannuelles qui correspondent aux variations d'acidité mesurées dans l'eau de mer.


Poursuite de l’investigation

Un nouveau problème se pose :
Puisqu'une acidité trop importante de l’eau de mer altère effectivement les organismes marins, comment expliquer cette diminution de pH ?

Document :
Voici un reportage diffusé par TF1 et utile pour prolonger l’investigation. En raison des informations apportées dans cette vidéo, cette approche est plutôt conseillée avec des élèves de 3ème ou de 2nde.

 

Le reportage apporte une réponse à notre problème : la diminution de pH de l’eau de mer serait due à une augmentation du CO2 atmosphérique. Comment vérifier expérimentalement cette assertion ?


Manipulation 2 : Comment vérifier que l’acidité de l’eau de mer provient du CO2 atmosphérique ?

Pour vérifier qu’une eau est acide, il faut d’abord disposer d’un outil qui permet de vérifier le pH.

Etape 1 : Réaliser un indicateur coloré de pH pour savoir si une eau de mer est acide

Un indicateur coloré est une substance changeant de couleur selon l’acidité du milieu.


Matériel :
  • chou rouge
  • casserole ou bouilloire
  • 1 litre d'eau salée à 35 ‰
  • acide chlorhydrique à 1M
  • soude (NaOH) à 0.1M ou lessive en poudre
  • eau distillée
Protocole :
Dans une casserole d'eau bouillante ou une bouilloire, infuser des feuilles de chou rouge (1 feuille en moyenne pour 500 mL d'eau, pendant 5 min). Récupérer le jus (bleu foncé) et le diluer (1 volume de jus pour 7 volumes d'eau) dans l'eau salée pour obtenir une coloration bleu clair. Votre indicateur coloré est prêt.

Afin de mettre en évidence les propriétés de l'indicateur coloré « jus de chou rouge », verser 100 mL de jus de chou rouge dilué dans 3 récipients :
  • Dans le verre 1, ajouter 4 mL d’acide chlorhydrique 1M pour acidifier le milieu
  • Dans le verre 2, ajouter 4 mL d’eau distillée.
  • Dans le verre 3, déposer 4 mL de soude (ou une cuillère à café de lessive en poudre) pour rendre le milieu basique
Observations :

observations

  • L’indicateur coloré vire du bleu-violet au rose en présence d’acide chlorhydrique
  • On n’observe pas de changement de couleur dans le verre 2 (témoin)
  • L’indicateur coloré vire du bleu-violet au vert lorsqu'il est en présence de soude ou de lessive.
Interprétations :
Nous avons réalisé un indicateur coloré qui devient :
  • rose en milieu acide
  • vert en milieu basique
  • reste bleu en milieu neutre (témoin).
Remarque pédagogique :
Selon le niveau scolaire ciblé, on pourra éviter d’employer les mots « neutre » et « basique » en se limitant à « acide » et « non acide ».


Remarque scientifique :
L'eau du robinet, suite aux traitements d'eau potable, est légèrement basique dans la majorité des cas. Le jus de chou rouge infusé dans de l'eau bouillante du robinet est alors bleu foncé. Cependant, il existe des lieux où l'eau potable est moins traitée, et son pH plus neutre. Le jus de chou rouge infusé est alors violet foncé. (C'est par exemple le cas si l’expérience est réalisée avec de l'eau distillée à la place de l'eau du robinet). Mais ceci ne change rien aux propriétés du jus de chou rouge, qui sera alors rose en milieu acide, violet foncé en milieu neutre, et bleu puis vert en milieu basique. Comme la basicité de l'eau dépend des traitements réalisés par les communes (et peut varier légèrement d’un établissement à l'autre), il peut être intéressant de mesurer le pH de l'eau du robinet avant de commencer l’expérience (avec du papier pH), et de le comparer celui de l'eau distillée.

Transition :
Nous avons fabriqué un indicateur nous permettant de savoir si un milieu est acide ou non.
Nous pouvons maintenant fabriquer du CO2 gazeux (étape 2), afin de l’introduire dans l’eau de mer et observer si elle s’acidifie (étape 3).


Etape 2 : Fabriquer du CO2

Matériel :
  • bouteille A en plastique et bouteille B en verre avec des couvercles de même taille
  • bicarbonate de soude en poudre
  • une feuille essuie-tout
  • solution d’acide chlorhydrique à 1M
  • une bouteille avec un bouchon (plastique), percé et relié par un fin tuyau (de type aquarium) d’une trentaine de cm de longueur et de 1 cm de diamètre
  • 3 mL d’eau de chaux
  • une cuillère à café
Protocole :
Prendre la bouteille A et déposer au fond l’eau de chaux.
Percer les bouchons des bouteilles et y passer le tuyau (N.B. : une manière efficace de passer le tuyau à aquarium dans le bouchon est de faire un trou dans le bouchon à l'aide d'une vrille de taille légèrement inférieure à celle du tuyau).

Figure 2a
© Florent d’Heilly / Je formule
Figure 2b
© Florent d’Heilly / Je formule

Ecraser la bouteille A pour chasser le maximum d’air puis visser son bouchon. Dans B, verser 4 cl d’acide chlorhydrique. Déposer 4 cuillerées à café de bicarbonate au centre de la feuille, la plier et la rouler pour conserver son contenu, puis la lâcher dans l’acide (N.B. : la feuille essuie-tout sert de retardateur et permet d’éviter que la réaction chimique ne commence avant qu'on ait eu le temps de refermer la bouteille, donc de perdre du gaz). Il suffit ensuite de remuer doucement et la réaction commence.

Observations :
Le bicarbonate de soude se dissout dans l’acide chlorhydrique dilué en faisant de grosses bulles. Il y a effervescence : un gaz est produit qui sort du tuyau et fait gonfler la bouteille A. A son contact, l’eau de chaux se trouble.

Interprétations :
Le gaz émis est récupéré dans la bouteille A est du CO2.

Etape 3 : Vérifier les conséquences d’un apport en CO2 dans l’eau de mer

Matériel :
  • indicateur coloré fabriqué précédemment (jus de chou rouge dilué)
  • 2 bouteilles en verre (C et D) avec des couvercles identiques
  • eau salée à 35 ‰
Protocole :
  • Dans les bouteilles C et D, mélanger jusqu'à mi-hauteur et en même quantité de l'eau salée et de l'indicateur coloré pour obtenir un liquide bleu clair. Refermer la bouteille D.

Figure 1

© Florent d’Heilly / Je formule


  • Obturer le tuyau entre les bouchons des bouteilles A et B, en le pinçant fortement.
  • Dévisser le bouchon de la bouteille B et le placer sur la bouteille C (sans le visser), en maintenant la bouteille en plastique en hauteur. Lâcher le tuyau, écraser la bouteille plastique pour chasser le gaz vers la bouteille C, puis la reboucher avec son bouchon non percé. Secouer les bouteilles C et D contenant l'indicateur coloré.
Figure 3a
© Florent d’Heilly / Je formule


Observations :
L’eau de la bouteille D (témoin) reste bleue, celle de la bouteille C se colore en rose.


Figure 3b
© Florent d’Heilly / Je formule

Interprétations :
Le changement de couleur dans la bouteille C nous indique que son contenu est devenu acide, par mise en présence du CO2 dans la bouteille C. Suite au mélange, le gaz, qui est du CO2 libéré dans l'air de la bouteille s'est dissous dans l'eau, ce qui a modifié ses propriétés physico-chimiques et l'a rendue acide.

Conclusion des 3 étapes de la manipulation 2 :
Nous avons vérifié qu’une augmentation de la teneur en CO2 atmosphérique, en se dissolvant dans l’eau de mer, peut acidifier les océans.

Limites expérimentales de la manipulation 2 :
  • Non contrôle rigoureux de tous les facteurs de l’expérience : la nécessité de réaliser un test rapide et assez simple amène à ne pas pouvoir contrôler précisément tous les autres facteurs qui pourraient aussi agir dans la réalité. Par exemple, on ne peut savoir si les changements d'acidité ne font pas varier la température ou la concentration d’espèces chimiques (NaCl, O2, etc), modifiant ainsi d'autres paramètres supposés stables dans l’expérience
  • Réduction trop simpliste d’un système complexe : L’expérimentation établit des sous-systèmes « étudiables » indépendamment les uns des autres. Dès lors, le risque est grand de ne plus prendre en compte les relations existant entre les sous-systèmes, et donc d'avoir des conclusions partielles et inapplicables au système entier. Le processus d’acidification concerne ici l'océan planétaire, énorme écosystème aux composantes biologiques et physico-chimiques aussi variées que nombreuses et interagissantes. Or il s’agit d’un ensemble dont les lois de fonctionnement ne se résument certainement pas à la somme des lois régissant ses sous-unités.


Conclusion générale

Le problème posé au début de cette activité était : « Comment expliquer l’altération des micro-organismes marins observés ? ».

A travers ces deux manipulations, nous avons montré qu’une augmentation du taux de CO2 dans l’atmosphère entraine une acidification des eaux qui est responsable de la fragilisation des coquilles calcaires de nombreux êtres vivants.
En effet, de très nombreuses espèces marines possèdent un squelette externe calcaire. C’est le cas des bivalves (comme les huitres ou les moules), des gastéropodes (comme les bigorneaux), mais aussi de nombreux organismes planctoniques (animaux et végétaux). Bien qu’ils soient invisibles à l’œil nu, ces derniers sont essentiels : il s’agit de jeunes organismes (larves d’huitres, de moules) qui grandiront et deviendront des adultes peuplant les fonds marins, et d’êtres vivants servant de matière primaire à de nombreuses espèces des chaînes trophiques océaniques.
Ainsi, une acidification des eaux, conséquence de l’augmentation atmosphérique en CO2, affecte la biodiversité des écosystèmes océaniques.


De la nécessité d’aborder les limites expérimentales d’une manipulation
Les conclusions faites à l’expérience proposée peuvent être l'occasion d'exercer l’esprit critique des élèves, pour éviter qu'ils n'aient une vision dogmatique ou absolue des sciences expérimentales, faute de connaître les conditions réelles de leur élaboration.

Faire des sciences, c'est essayer de comprendre le monde réel par l'observation et la validation d'explications vérifiables en se dotant d’un cadre expérimental dont tous les paramètres sont connus, sans quoi la vérification reste impossible.

La réalité des phénomènes observés est, très souvent, complexe car un grand nombre de variables interagissent entre elles ; dès lors, les expériences effectuées, en limitant les facteurs variants, ne sont pas une image juste de la réalité, mais une image partielle et déformée ; autrement dit un modèle. L'avantage est que l'on sait en quoi il est restreint et donc en quoi, inversement, il est fidèle à la réalité.

Il importe donc de toujours connaître les limites de son modèle expérimental, et de réfléchir a posteriori à celles que l'on aurait pu oublier.



Pour en savoir plus
  • Article « l’acidification des océans » par Gilles Boeuf, président du MNHN : à lire sur cette même plateforme
  • 2 programmes scientifiques internationaux majeurs :
    • Le projet européen EPOCA (European Project on OCean Acidification) a été lancé en juin 2008 avec l'objectif d'étudier les conséquences biologiques, écologiques, biogéochimiques et sociétales de l'acidification des océans. Le consortium d'EPOCA réunit plus de 160 chercheurs de 32 institutions et 10 pays européens (Allemagne, Belgique, France, Grande Bretagne, Islande, Italie, Norvège, Pays-Bas, Suède et Suisse).
    • The scientific mission of OCB is to study the evolving role of the ocean in the global carbon cycle, in the face of environmental variability and change through studies of marine biogeochemical cycles and associated ecosystems.
  • Un document écrit en 6 langues fait le point sur l’état actuel des connaissances concernant l’acidification des océans
  • un film : « Tipping Point » de Laurence Jourdan
  • un livre : « Ocean Acidification » de Jean-Pierre Gattuso et Lina Hansson : 326 pages, 75 illustrations (246×189 mm), September 2011
  • Pour élargir le sujet : un article qui traite de la biodiversité face au réchauffement climatique avec l’exemple des oiseaux
  • 2 références abordant des solutions techniques envisagées actuellement pour limiter l’acidification des eaux :

Modifié le: vendredi 17 avril 2015, 12:05