9 idées de laboratoires sur les acides & les bases

Aujourd’hui je te propose un petit épisode sur les expériences qu’on peut faire avec nos élèves dans le cadre des réactions acido-basiques. Ces réactions peuvent être abordées à plusieurs moments de la scolarité, avec une première introduction en 3e secondaire par exemple, avec des petites expériences sur la notion de pH, puis en 4e secondaire où les élèves commencent à écrire les réactions entre un acide fort et une base forte, et on peut terminer avec des notions plus complexes en rhéto, où les élèves abordent les réactions avec échange de protons, les couples acide-base conjugués, les mélanges tampon et les courbes de titrage. Il y en aura donc pour tous les niveaux !

Les réactions acido-basiques, c’est un type de réaction qui se prête très bien aux laboratoires, car avec un indicateur coloré, on observe facilement des changements de couleurs, et les élèves sont toujours fans de ce genre de choses. Et comme on peut changer d’indicateur coloré, les couleurs vont varier aussi !

Tu peux retrouver toutes les expériences dont je vais te parler aujourd’hui sur ma boutique, dans un pack exclusif reprenant tous les protocoles détaillés.

Expérience n°1 : Toutes les couleurs du jus de chou rouge

La première expérience que je te propose est toute simple, mais fait son petit effet auprès des élèves plus jeunes, qui n’ont pas encore fait beaucoup de manipulations. Il s’agit de tester le pH de plein de produits quotidiens, en y ajoutant du jus de chou rouge. Tu peux réaliser le jus de chou rouge avec tes élèves, ou le préparer à l’avance chez toi : tu achètes un chou rouge, tu le mets dans de l’eau bouillante une vingtaine de minutes, tu récupères le chou rouge pour en faire ce que tu veux, et l’eau de cuisson devient un indicateur universel de pH. En général, je fais cette opération une fois par an, je mets le jus en bouteille et je les mets au congélateur toute l’année. Quand j’en ai besoin, je sors la bouteille du congélateur la veille, j’utilise ce dont j’ai besoin, puis je la remets au congélateur.

Pour faire le test du pH, j’aime bien demander à mes élèves d’apporter des liquides de chez eux : du produit vaisselle, du lait, du jus, du parfum, du savon liquide, des produits ménagers… j’y rajoute quelques produits présents dans le laboratoire pour avoir des produits qui ont un pH un peu plus extrême. Les élèves placent quelques millilitres de chaque produit dans un tube à essai, ils ajoutent un peu de jus de chou rouge et observent la couleur.

Si on veut obtenir un pH plus précis, on peut aussi utiliser du papier pH et comparer les couleurs obtenues grâce au jus de chou rouge avec les valeurs données par le papier pH, pour tracer une échelle de mesure du pH en fonction de la couleur de la solution.

C’est une première expérience facile à mettre en œuvre, et qui permet aux élèves de faire le lien entre changement de couleur et variation de pH ou d’acidité.

Expérience n°2 : Le volcan chimique

Une autre expérience fun à faire avec les enfants est de simuler un volcan en utilisant une réaction chimique simple entre le vinaigre et le bicarbonate de soude. Il s’agit donc bien d’une réaction acido-basique.

Cette expérience peut en plus être utilisée pour illustrer les deux types de volcans que l’on retrouve sur terre : les volcans effusifs et explosifs. L’idée ici est de réaliser un mélange avec de la farine, de l’eau et du vinaigre, qu’on peut colorer en rouge avec du colorant alimentaire pour un effet encore plus “volcan”. On mélange tout ça dans un récipient type bécher, puis on ajoute du bicarbonate de soude. On va alors pouvoir observer une réaction chimique qui produit du dioxyde de carbone, donc des bulles de gaz, ce qui va simuler la lave qui s’échappe du volcan.

Cette expérience est également un bon avant-goût des réactions acido-basiques, à utiliser plutôt avec les plus jeunes élèves et pas forcément en tant qu’illustration directe d’une réaction acide-base. Mais elle fait toujours son petit effet pour ceux qui ne l’ont jamais vue !

Expérience n°3 : L’ascenseur à raisins

Dans cette expérience, une réaction acido-basique permet de créer une petite « lampe à lave » qui peut durer jusqu’à deux heures (et donc toute la durée du cours). Cette expérience est plutôt à utiliser comme démonstration ou expérience ludique.

Pour la réaliser, il faut prendre un récipient transparent et recouvrir le fond avec du bicarbonate en poudre. Ensuite, on recouvre le bicarbonate avec une solution d’eau salée, le plus délicatement possible, pour ne pas disperser le bicarbonate. Il faut s’arranger pour qu’il reste une couche plus ou moins constante de bicarbonate dans le fond du récipient.

On ajoute ensuite une couche de vinaigre au-dessus de l’eau salée, lentement, pour minimiser au maximum le mélange entre l’eau salée et le vinaigre. Si on veut un effet coloré, on peut colorer le vinaigre avec du colorant alimentaire ou du jus de chou rouge.

Le récipient doit être déplacé le moins possible. On peut ensuite y mettre quelques raisins secs et observer ce qu’il se passe. On devrait voir que les raisins vont tomber dans le fond du récipient, où ils vont s’entourer de petites bulles de gaz, puis ils vont remonter à la surface où ils perdent leurs bulles, puis retomber, etc.

Ce qu’il se passe d’un point de vue chimique, c’est que les raisins s’entourent de vinaigre et tombent dans le fond du récipient. Là, le vinaigre et le bicarbonate réagissent pour donner du gaz carbonique qui colle aux raisins. Entourés de gaz, les raisins remontent jusqu’à la surface où le gaz est libéré. Le cycle recommence ensuite. Cela ressemble donc fortement aux lampes à lave, où des grosses “bulles” colorées montent et descendent à l’infini dans un récipient.

Expérience n°4 : Acidification des océans

Une chouette manipulation que l’on peut faire réaliser à des élèves d’âges variés et qu’on peut intégrer dans plusieurs chapitres, c’est de réfléchir au phénomène d’acidification des océans, en lien avec les changements climatiques. Si les élèves sont en âge de comprendre la notion de pH, on peut réaliser des mesures de pH avec un indicateur coloré, du papier pH ou un pH-mètre. Sinon, on peut simplement montrer une échelle de couleurs qui correspond à l’acidité de l’océan, en utilisant un indicateur coloré mais sans forcément expliquer en détails comment il fonctionne.

On peut commencer par faire le lien entre l’augmentation du taux de dioxyde de carbone et l’acidification des océans. En prenant de l’eau et en soufflant simplement dans l’eau avec une paille, cela va permettre d’injecter du CO2 qu’on expire dans l’eau. En mettant un indicateur coloré dans l’eau, on peut visualiser facilement le changement de pH. Pour cette expérience, j’utilise le bleu de bromothymol, ou BBT, car sa zone de virage, donc le pH où il va changer de couleur, est parfaitement située par rapport à la variation de pH que l’on va observer.

On peut réaliser l’expérience dans de l’eau à température ambiante, et dans de l’eau froide, ce qui nous permet de mettre en évidence que le changement de pH va être plus important dans l’eau froide. Cela signifie que les océans polaires, donc plus froids, vont être plus impactés par le phénomène d’acidification.

Une autre expérience simple à réaliser, et qui est un peu la suite de la précédente, c’est de constater l’effet de cette acidification sur les organismes marins. Pour cela, il suffit de prendre quelques coquilles d’œufs ou quelques coquillages, et de les plonger dans de l’eau ou dans du vinaigre. Le vinaigre représente le milieu acide. On observe rapidement une réaction entre le vinaigre et les coquilles. On peut comparer l’effet entre du vinaigre froid et chaud pour parler de vitesse de réaction et donc de cinétique, si on veut aller plus loin.

Ces expériences permettent de faire un lien concret entre chimie et changement du climat.

Expérience n°5 : Mon premier titrage

On va commencer à aborder des manipulations quantitatives et plus seulement qualitatives. Ces expériences sont donc plutôt destinées aux élèves plus âgés, qui sont en option scientifique. Et pour commencer, je vais évidemment te parler de faire des titrages. Pour moi, s’il y a une technique expérimentale que les élèves doivent maîtriser avant de se lancer dans des études scientifiques, c’est la technique du titrage.

Le premier titrage que je te conseille de réaliser avec tes élèves, c’est le classique titrage de HCl par NaOH (ou l’inverse). Pour leur premier titrage, il est important de donner aux élèves un mode opératoire rigoureux et détaillé, indiquant bien toutes les étapes à réaliser, les bons gestes et le matériel adéquat à utiliser pour faire un titrage.

Pour qu’ils comprennent aussi la possibilité de faire des erreurs de manipulations et d’obtenir des résultats peu précis, il est intéressant de leur faire recommencer plusieurs fois le même titrage et de comparer les résultats qu’ils obtiennent chacun pour une même expérience, mais aussi entre eux au sein de la classe, et de discuter d’où peuvent provenir les différences. C’est une chouette introduction aux erreurs expérimentales.

Expérience n°6 : Titrage de l’acide acétique dans le vinaigre

Ensuite, une fois que les élèves ont compris comment réaliser un titrage acido-basique simple, on peut leur proposer des titrages plus concrets, en utilisant des produits de la vie quotidienne, comme par exemple le vinaigre. Ils vont pouvoir déterminer la concentration en acide acétique dans une bouteille de vinaigre.

C’est un titrage très facile à réaliser s’ils ont déjà titré HCl par NaOH, puisque c’est le même indicateur coloré qui va être utilisé (la phénolphtaléine), et donc le virage à observer sera le même.

Mais cette fois-ci, on peut rajouter une partie supplémentaire si on le souhaite, puisque le vinaigre est trop concentré pour pouvoir être titré directement avec une solution de NaOH qui ne soit pas trop concentrée elle-même. Ce que je fais avec mes élèves, c’est que je leur demande d’abord de réaliser une dilution du vinaigre d’un facteur 10. Ça me permet donc d’aborder une autre technique importante en plus de la réalisation d’un titrage. Tu n’es pas obligée de faire réaliser la dilution à tes élèves si tu veux te concentrer sur le titrage ; tu peux préparer directement du vinaigre dilué à l’avance et simplement leur indiquer qu’il a été dilué.

L’autre chose intéressante avec ce titrage, c’est que ça permet aux élèves de faire des calculs un peu plus complexes puisqu’il faut tenir compte du facteur de dilution pour retrouver la concentration en acide acétique dans le vinaigre. Et enfin, puisqu’il s’agit d’un produit quotidien, les élèves peuvent réellement vérifier s’ils ont obtenu la bonne réponse en comparant leur valeur avec celle indiquée sur l’étiquette du vinaigre.

Expérience n°7 : Titrage de l’aspirine

Un autre titrage intéressant à réaliser est le titrage de l’aspirine, où les élèves vont déterminer la quantité d’acide acétylsalicylique dans un comprimé d’aspirine. Le titrage ne fonctionne pas avec tous les cachets d’aspirine donc il vaut mieux tester soi-même avant de lancer les élèves sur un titrage de n’importe quelle aspirine. Normalement, l’aspirine du Rhône fonctionne très bien.

Pour réaliser le titrage, il faut d’abord broyer le comprimé d’aspirine dans 500 (mL) d’eau, puis titrer une petite partie de cette solution. Il n’est donc pas nécessaire d’avoir un comprimé par élève, puisqu’avec un comprimé on peut réaliser 500 (mL) de solution. Le titrage se réalise simplement avec de l’hydroxyde de sodium 0,01 (mol/L) et avec du bleu de bromothymol comme indicateur coloré, ce qui change de la classique phénolphtaléine !

Expérience n°8 : Titrage du lait

Un dernier titrage sympa à réaliser avec les élèves, c’est le titrage de l’acide lactique contenu dans le lait, ce qui permet de déterminer la fraîcheur du lait. Comme le lait est blanc, c’est un peu plus délicat de voir clairement le virage, donc ce n’est peut-être pas le premier titrage à proposer aux élèves.

Encore une fois, on titre le lait dilué par de l’hydroxyde de sodium, en utilisant la phénolphtaléine comme indicateur coloré.

Si tu veux essayer une autre variante, il est aussi possible de titrer du fromage frais ou du yaourt nature !

Pour tous ces titrages, il est possible de rendre la manipulation un peu plus challengeante pour les élèves en leur demandant de déterminer eux-mêmes quel indicateur coloré ils peuvent utiliser. Pour ça, il faut que les élèves aient des notions plus avancées en termes de constante d’acidité et de calcul de pH, donc c’est à réserver pour les élèves de rhéto. On peut aussi demander aux élèves de tracer une courbe de titrage complète, en suivant l’évolution du pH tout au long d’un des titrages réalisés, à l’aide d’un pH-mètre. C’est intéressant pour visualiser l’évolution du pH, mais il faut savoir que cela prend beaucoup plus de temps puisqu’il faut prendre des mesures régulières du pH. Et pour obtenir une courbe complète, les élèves doivent continuer leur titrage après l’équivalence, ce qui rajoute encore du temps à la manipulation. De mon côté, je leur fais toujours tracer une courbe de titrage complète à un moment, mais je ne le fais que pour un seul titrage, au vu du temps que ça prend. Et je leur fais tracer la courbe théorique du pH en parallèle, pour qu’ils comparent leurs valeurs calculées avec les valeurs mesurées.

Expérience n°9 : Solutions tampons

La dernière manipulation que je vais te proposer est autour des solutions tampons et de leurs propriétés. L’idée est de faire fabriquer une solution tampon aux élèves, puis de tester comment celle-ci réagit lors de l’ajout d’un acide ou d’une base, et de comparer la variation de pH avec celle que subit de l’eau lorsqu’on y ajoute la même quantité d’acide ou de base.

Pour réaliser une solution tampon, il te faut un couple acide-base faible conjugué. Par exemple : de l’acide acétique et de l’acétate de sodium. Le plus simple est de préparer une solution d’acide acétique et une solution d’acétate de sodium de même concentration. Les élèves vont ensuite pouvoir fabriquer une solution tampon en mélangeant un volume équivalent d’acide acétique et d’acétate.

Pour réaliser l’expérience, pas besoin de grandes quantités ; toutes les réactions peuvent être réalisées dans des tubes à essai. Trois tubes vont être remplis à moitié d’eau, et trois tubes vont être remplis à moitié du mélange tampon. Un tube de chaque est conservé comme témoin. Ensuite, un peu d’acide fort (par exemple HCl) est ajouté dans un tube contenant de l’eau, et un tube contenant le mélange tampon. On fait la même chose avec de la base forte (par exemple NaOH), et on mesure le pH dans tous les tubes à essai (soit avec un pH-mètre, soit simplement avec du papier pH). On peut ainsi observer que l’ajout d’acide ou de base dans la solution tampon n’influence que très peu le pH, alors qu’il change énormément quand on ajoute de l’acide ou de la base dans de l’eau.

Tu cherches une 10e idée ? Alors je te redirige vers l’épisode 45 où je t’explique comment réaliser des savons avec tes élèves. Après tout, il s’agit aussi d’une réaction acide-base !

Si jamais tu cherches les protocoles détaillés pour chacune de ces expériences, tu peux cliquer ici.