Les élèves de la 4^eB du collège André Récipon à Orgères font une séance de Travaux Pratiques, avec leur enseignante de physique-chimie Mme Belchior. L’Espace des sciences, ainsi que Morien Nolot et Aurélien Georgeault-Loch (compagnie Bakélite) assistent à la séance. C’est la deuxième fois que les artistes viennent dans le collège dans la continuité du projet de la Science sur les planches sur la thématique du couple Lavoisier.

Travaux pratiques : la combustion du fer

Le début de la séance commence avec énergie par un quizz sur le couple Lavoisier. Tout le monde récupère un QR-code imprimé pour le brandir devant le smartphone de Mme Belchior. Il suffit de l’orienter dans un sens, en face de l’objectif de la caméra, pour choisir l’une des 4 réponses possibles. Les artistes participent aussi, sous le regard attentif des élèves. Les réponses sont plutôt bonnes, le projet avance sûrement. La dernière question permet d’enchaîner sur la démarche expérimentale de la séance.

Quel est le principe fondateur de la chimie moderne? Réponse : « Rien ne se perd, rien ne se créé et tout se transforme. »

Il s’agit du célèbre adage d’Antoine Lavoisier que les élèves connaissent par cœur. Cependant, Mme Belchior ne se contente pas d’une récitation. Elle demande comment prouver ce précepte. Les élèves suggèrent de comparer la masse de « quelque chose ». Ensuite de lui faire subir une transformation et de vérifier que la masse reste la même. Pour suivre les traces du scientifique, le mieux est d’essayer de reproduire une de ces expériences. L’une d’entre elles consiste à peser du fil de fer, le brûler et le peser de nouveau. Dans l’expérience d’aujourd’hui, la transformation sera donc une combustion et le « quelque chose » sera de la laine de fer. Avant de passer à un protocole plus précis, chacun note son hypothèse :

• Hypothèse 1 : Après la combustion, la masse de la laine de fer diminue.
• Hypothèse 2 : Après la combustion, la masse de la laine de fer ne change pas.
• Hypothèse 3 : Après la combustion, la masse de la laine de fer augmente

Par petit groupe, chacun pèse sa pelote de laine de fer et note la masse à « l’état initial ». Ensuite, les élèves la brûle sans la déplacer de la balance. Une fois la pelote partiellement brûlée, chaque groupe va noter la masse de « l’état final » sur un tableau commun.

Les résultats sont étonnants : après combustion la masse de la laine de faire ne diminue pas mais la masse augmente !!

Personne n’avait noté cette hypothèse. Pour essayer de comprendre ces résultats, Madame Belchior demande à tous de bien observer la laine de fer brûlée. Les élèves remarquent l’apparition de petites boules bleutées sur la laine de fer. Le changement d’aspect confirme qu’il y a bien eu une transformation. Il reste à comprendre pourquoi la masse augmente après la combustion.

Emilien a une proposition « C’est comme si l’air vient se coller sur le fer ».

En effet, l’air est constitué de matière. De plus, une combustion nécessite la présence d’un comburant qui est, le plus souvent, le dioxygène présent dans l’air. Le dioxygène s’est peut-être fixé sur le fer ?

Madame Belchior compare l’expérience du jour avec celle de Lavoisier. La grande différence entre les deux c’est que dans celle de Lavoisier, la combustion se produit dans un milieu clos rempli de dioxygène. Grace à ce dispositif, il constate que la masse du fer brûlé est exactement égale à la masse d’oxygène manquante dans le dispositif après la combustion.

Avec les connaissances actuelles sur la matière, madame Belchior modernise l’adage d’Antoine Lavoisier en y incorporant les formules chimiques des molécules présentes dans l’expérience. Cela ce traduit par l’équilibrage de la formule chimique de la réaction :

3 Fe + 2 O₂ => Fe₃O₄
(Fe = fer) (O₂ = dioxygène) (oxyde de fer)

Lors d’une réaction chimique, il y a autant de réactif que de produit. Il faut donc faire un peu de maths pour trouver l’équilibre. Après l’effort, le réconfort : c’est le moment de la pause. Au retour de la récréation, c’est aux artistes de prendre le relais. Ils ont bien écouté, ils ont pris des notes, ils sont prêts !

Lucie Wronka, Espace des sciences