Preuve — Physique-Chimie — Combustions (3ᵉ)
3ᵉ · « Combustions et transformations chimiques ». Une fiche de séance complète, produite avec les instructions du Projet de ce site et le programme officiel du niveau.
1. La fiche de séance (les instructions du Projet)
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Fiche de séance — La combustion du carbone : une transformation chimique, et la conservation de la masse
Informations générales
| Rubrique | Détail |
|---|---|
| Discipline | Physique-Chimie |
| Niveau / cycle | 3e (cycle 4) |
| Thème du programme | Organisation et transformations de la matière — « Décrire et expliquer des transformations chimiques » |
| Séance | La combustion du carbone : combustible + dioxygène, mise en évidence du dioxyde de carbone et conservation de la masse |
| Durée | Créneau de 55 min (≈ 45 min effectives, accueil et rangement déduits) |
| Modalité | Travail en îlots / binômes, salle de sciences, sous la responsabilité du professeur (manipulation de flamme par le professeur en démonstration ; manipulation élève sans flamme) |
| Prérequis | Distinction transformation physique (changement d'état) / mélange (5e) ; composition de l'air (≈ 78 % diazote, 21 % dioxygène) ; notion d'atome et de molécule ; conservation de la masse lors d'une dissolution (cycle 4) |
| Matériel (démonstration prof) | Morceau de fusain (carbone), pince, bec ou bougie, flacon de dioxygène (ou air), eau de chaux, balance de précision, lunettes de protection, support adapté |
| Matériel par poste (élève) | Modèles moléculaires (boules-tiges) C, O ; étiquettes O₂, CO₂ ; fiche-activité ; eau de chaux et tube à essais pour le test (selon équipement) |
Note sur les outils et sources. Cette fiche s'appuie sur le programme officiel de cycle 4 (BOEN n° 31 du 30 juillet 2020), sur le document Éduscol « Repères pour l'enseignement de la physique-chimie au cycle 4 », sur le document Éduscol « Progressivité… » (exemple de progression sur « décrire et expliquer des transformations chimiques »), ainsi que, pour la méthode, sur Rosenshine (Principes d'enseignement, AIE), le document CSEN sur l'enseignement explicite et la conférence de consensus Cnesco sur la différenciation (2017). Pour préparer schémas et supports visuels, utiliser des liens de recherche (et non des URL inventées) : - Schéma de l'expérience « combustion du carbone dans le dioxygène + test à l'eau de chaux » : recherche Google Images - Triangle du feu : recherche Google Images - Animation / simulation de combustion (modèle particulaire) : recherche « animation combustion carbone modèle particulaire » - Simulateur PhET (états et réactivité de la matière) : recherche « PhET states of matter » et recherche « PhET reactants products and leftovers »
Note sur les sources (documents réellement consultés). Cette fiche s'appuie sur le programme de cycle 4 de physique-chimie (
cycle4-physique-chimie.pdf, d'après le BOEN n° 31 du 30 juillet 2020), thème « Organisation et transformations de la matière ». L'attendu de fin de cycle « Décrire et expliquer des transformations chimiques » y figure en PDF p. 4 (pagination Éduscol p. 99) : il fournit, mot pour mot, les compétences citées ci-dessous (identifier expérimentalement une transformation chimique ; distinguer transformation chimique, mélange et transformation physique ; interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes ; utiliser une équation de réaction fournie) ainsi que la connaissance « Conservation de la masse lors d'une transformation chimique ». La même rubrique précise que la partie « prendra appui sur des activités expérimentales mettant en œuvre différents types de transformations chimiques : combustions, réactions acide-base, réactions acides-métaux », ce qui ancre directement le choix de la combustion du carbone. Les items « Combustions dans l'air » et « Identifier les gaz à effet de serre produits lors de transformations chimiques » relèvent du sous-ensemble « Propriétés de quelques transformations chimiques » et se trouvent en PDF p. 5 (pagination Éduscol p. 100). — Le document « Aide à la construction d'une progression en physique-chimie au cycle 4 » (progression-pc-cycle4.pdf, Éduscol, juin 2016) est réellement sur le thème : il comporte un « Exemple de progression pour construire l'attendu de fin de cycle "décrire et expliquer des transformations chimiques" » (PDF p. 11) qui place explicitement les combustions en 4e–3e (« Les combustions, liées à la composition de l'air, restent une bonne approche pour construire cette notion »), introduit la redistribution des atomes par évolution du modèle particulaire, l'équation de réaction fournie (aucun ajustement formel exigé en fin de cycle) et la conservation de la masse ; il a servi à situer la séance dans la progression du cycle (prérequis 5e/4e, place en 3e) et à confirmer le statut « équation fournie, non ajustée ». — Le document « Repères pour l'enseignement de la physique-chimie au cycle 4 » (reperes-pc-cycle4.pdf, Éduscol, mars 2016) est en revanche générique et hors thème : ces 2 pages ne mentionnent ni combustion, ni transformation chimique, ni conservation de la masse. Il n'a apporté aucun contenu disciplinaire sur les combustions ; il n'a été mobilisé que pour des principes pédagogiques généraux déjà cohérents avec la fiche (accent sur la modélisation explicitée aux élèves, différenciation pédagogique, modulation de la taille des groupes lors de la pratique expérimentale — d'où le travail en îlots/binômes). Les principes d'enseignement explicite et de révision active évoqués dans le déroulé (Rosenshine, CSEN, Cnesco) relèvent de références méthodologiques générales et non de ces documents disciplinaires.
Attendus du programme (citation exacte)
« Décrire et expliquer des transformations chimiques » « Identifier expérimentalement une transformation chimique. » « Distinguer transformation chimique et mélange, transformation chimique et transformation physique. » « Interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes. » « Utiliser une équation de réaction chimique fournie pour décrire une transformation chimique observée. » « Conservation de la masse lors d'une transformation chimique. » « Identifier les gaz à effet de serre produits lors de transformations chimiques. » — « Combustions dans l'air. »
Source : programme de physique-chimie du cycle 4, thème « Organisation et transformations de la matière », rubrique « Décrire et expliquer des transformations chimiques ». Document PDF p. 4–5 (pagination Éduscol p. 99–100), d'après le BOEN n° 31 du 30 juillet 2020. La mention « Combustions dans l'air » et l'identification des gaz à effet de serre figurent dans la rubrique « Propriétés de quelques transformations chimiques » de la même page (PDF p. 5, Éduscol p. 99).
Reformulation. Une combustion est une transformation chimique : des espèces de départ (les réactifs) disparaissent et de nouvelles espèces apparaissent (les produits). Pour la combustion du carbone, le carbone (combustible) réagit avec le dioxygène O₂ de l'air (le comburant) et forme du dioxyde de carbone CO₂, mis en évidence par le trouble de l'eau de chaux. Au cours de la transformation, les atomes ne sont ni créés ni détruits : ils se réorganisent, ce qui explique la conservation de la masse. La séance distingue clairement cette transformation chimique d'une simple transformation physique (changement d'état) ou d'un mélange.
Compétences travaillées (programme cycle 4)
| Compétence | Mise en œuvre dans la séance |
|---|---|
| Pratiquer des démarches scientifiques (S'approprier, Analyser, Réaliser, Valider) | Émettre une hypothèse, observer une combustion, interpréter un test caractéristique |
| Concevoir, créer, réaliser | Construire la transformation avec des modèles moléculaires (réactifs → produits) |
| Utiliser des outils et méthodes | Réaliser le test à l'eau de chaux ; lire une masse sur la balance |
| Pratiquer des langages | Lire et utiliser une équation de réaction fournie ; rédiger une conclusion |
| Adopter un comportement éthique et responsable | Respecter les règles de sécurité ; relier combustions et gaz à effet de serre |
Connaissances visées
- Une combustion est une transformation chimique (réactifs → produits).
- Combustible + comburant (dioxygène O₂) ; rôle de l'énergie d'activation : le triangle du feu.
- Combustion du carbone : carbone + dioxygène → dioxyde de carbone (CO₂), révélé par le trouble de l'eau de chaux.
- Conservation de la masse : les atomes se conservent et se réorganisent (rien ne se perd).
- Distinguer transformation chimique (nouvelles espèces) et transformation physique (changement d'état, mêmes espèces).
- Le CO₂ est un gaz à effet de serre (lien santé/environnement).
Objectifs (formulés côté élève)
À la fin de la séance, je suis capable de : - expliquer qu'une combustion est une transformation chimique : des réactifs deviennent des produits ; - nommer le combustible et le comburant (O₂) et citer les 3 conditions du triangle du feu ; - identifier le CO₂ produit grâce au trouble de l'eau de chaux ; - énoncer et justifier la conservation de la masse par la conservation des atomes ; - distinguer une transformation chimique d'une transformation physique.
Conceptions et erreurs fréquentes
| Conception / erreur de l'élève | Réalité scientifique | Levier en classe |
|---|---|---|
| « Quand ça brûle, la matière disparaît / part en fumée » | La matière ne disparaît pas : il y a formation de nouvelles espèces (CO₂, gaz invisible). La masse se conserve | Test à l'eau de chaux qui rend le CO₂ « visible » ; bilan de masse |
| « La combustion, c'est juste le carbone qui fond / change d'état » | C'est une transformation chimique (nouvelles espèces), pas une transformation physique | Comparer fusion de la glace (physique) et combustion (chimique) |
| « Le feu se nourrit tout seul » / le rôle de l'air est ignoré | Il faut un comburant : le dioxygène O₂ de l'air | Étouffer une bougie sous un bécher ; triangle du feu |
| « La masse diminue puisque ça brûle » | Si l'on capte tous les produits gazeux, la masse totale est conservée | Raisonner « atomes avant = atomes après » ; balance |
| Confondre combustible et comburant | Le combustible brûle ; le comburant (O₂) permet la combustion | Tableau des rôles ; verbaliser chaque mot |
| « CO₂ et O₂, c'est pareil » | O₂ = dioxygène (réactif) ; CO₂ = dioxyde de carbone (produit), molécules différentes | Modèles moléculaires : compter les atomes C et O |
| Croire que les atomes « se transforment » en d'autres | Les atomes se conservent ; seuls leurs assemblages changent | Manipulation des boules-tiges : aucun atome ajouté ni retiré |
Déroulement détaillé et chronométré (total 55 min)
| Phase | Durée | Activité de l'élève | Rôle du professeur / consignes |
|---|---|---|---|
| 0. Accueil | 0–4 (4 min) | S'installer par binômes, sortir la fiche et les modèles moléculaires | Faire l'appel, annoncer l'objectif du jour, révision active (Rosenshine n°1) : « transformation physique ou chimique ? » sur 2 exemples |
| 1. Situation déclencheuse | 4–9 (5 min) | Observer (démonstration prof) un fusain qui rougeoie/brûle ; « où passe le carbone ? la matière disparaît-elle ? » Émettre une hypothèse écrite | Présenter la combustion par petites étapes (Rosenshine n°2) ; recueillir les hypothèses sans trancher |
| 2. Apports guidés — vocabulaire | 9–17 (8 min) | Noter : combustion = transformation chimique ; combustible + comburant (O₂) ; triangle du feu (combustible, comburant, énergie) | Modelage explicite (CSEN) au tableau ; poser des questions et vérifier la compréhension (Rosenshine n°3) |
| 🛑 Stop pédagogique SÉCURITÉ | 17–20 (3 min) | Lire et reformuler les consignes ; cheveux attachés, paillasse dégagée | Consignes : lunettes de protection ; la manipulation de la flamme est faite par le professeur ; ne jamais approcher de produit inflammable ; eau de chaux manipulée avec précaution (irritante) ; aucune flamme à l'élève sans autorisation |
| 3. Expérience — identifier le produit | 20–30 (10 min) | Observer la combustion du carbone dans le flacon ; réaliser/observer le test à l'eau de chaux (l'eau de chaux se trouble) | Démontrer le test ; faire verbaliser : « le trouble prouve la présence de CO₂ » ; guider la conclusion (Rosenshine n°5) |
| 4. Modélisation — redistribution des atomes | 30–40 (10 min) | Avec les modèles : associer C + O₂ → CO₂ ; compter les atomes avant et après | Distribuer la fiche-équation ; faire constater que les atomes se conservent ; étayer les binômes en difficulté |
| 🛑 Stop pédagogique — mise en commun / masse | 40–46 (6 min) | Comparer les modélisations ; conclure : nouvelles espèces formées ⇒ transformation chimique ; atomes conservés ⇒ masse conservée | Vérifier la réussite de la majorité (Rosenshine n°7) avant la trace écrite ; lever les conceptions ; relier au CO₂ gaz à effet de serre |
| 5. Trace écrite co-construite | 46–52 (6 min) | Compléter le tableau-mémo et la phrase-bilan avec le professeur | Faire formuler par les élèves ; corriger les formules (O₂, CO₂) |
| 6. Rangement | 52–55 (3 min) | Ranger les modèles, rincer/ranger le matériel du test, se laver les mains | Vérifier la mise en sécurité de la paillasse et le rangement |
Différenciation (3 niveaux)
| Niveau | Élèves concernés | Aménagement |
|---|---|---|
| Soutien | Élèves en difficulté de modélisation/abstraction | Modèles moléculaires pré-amorcés (C et O₂ déjà séparés) ; fiche avec étiquettes à coller ; phrases à trous ; tutorat par un pair ; étapes données une à une (Cnesco : étayage ciblé, sans abaisser l'exigence) |
| Standard | Majorité de la classe | Fiche-activité guidée à compléter ; équation C + O₂ → CO₂ fournie à interpréter ; tableau de comptage des atomes à remplir |
| Approfondissement | Élèves rapides / à l'aise | Justifier la conservation de la masse par un bilan d'atomes rédigé ; anticiper la combustion incomplète (formation possible de monoxyde de carbone CO, danger) ; chercher pourquoi la masse semble diminuer si le CO₂ s'échappe ; rédiger l'enjeu gaz à effet de serre |
Trace écrite co-construite (tableau-mémo)
| Élément | À retenir |
|---|---|
| Nature de la combustion | Une combustion est une transformation chimique : des réactifs → des produits (nouvelles espèces) |
| Combustible | Le carbone (ce qui brûle) |
| Comburant | Le dioxygène O₂ de l'air (ce qui permet de brûler) |
| Triangle du feu | Combustible + comburant + énergie (3 conditions nécessaires) |
| Réactifs → Produits | carbone + dioxygène → dioxyde de carbone |
| Équation (fournie) | C + O₂ → CO₂ |
| Test du produit | L'eau de chaux se trouble ⇒ présence de dioxyde de carbone CO₂ |
| Conservation | Les atomes se conservent et se réorganisent ⇒ la masse se conserve |
| Distinction | Transformation chimique = nouvelles espèces ; transformation physique = changement d'état, mêmes espèces |
| Enjeu | Le CO₂ est un gaz à effet de serre |
Phrase-bilan (à faire formuler par les élèves) : « La combustion du carbone est une transformation chimique : le carbone réagit avec le dioxygène de l'air et forme du dioxyde de carbone, qui trouble l'eau de chaux. Pendant la transformation, les atomes ne disparaissent pas : ils se réorganisent, donc la masse se conserve. »
Sécurité (à recopier) : « Une combustion nécessite un combustible, un comburant (le dioxygène) et de l'énergie : c'est le triangle du feu. Toute manipulation de flamme se fait avec des lunettes et sous la responsabilité du professeur. »
Auto-évaluation à indicateurs observables
| Je sais… | Indicateur observable | Acquis / En cours / À retravailler |
|---|---|---|
| reconnaître une transformation chimique | j'écris que la combustion forme de nouvelles espèces (réactifs → produits) | |
| nommer combustible et comburant | je désigne le carbone comme combustible et le dioxygène O₂ comme comburant | |
| citer le triangle du feu | je cite combustible + comburant + énergie | |
| identifier le produit | j'écris « l'eau de chaux se trouble donc il y a du CO₂ » | |
| justifier la conservation de la masse | j'explique que les atomes se conservent et se réorganisent | |
| distinguer chimique / physique | je donne un exemple de chaque et j'explique la différence | |
| respecter la sécurité | j'ai porté les lunettes et laissé la flamme au professeur |
Activités d'approfondissement
- Bilan de masse rédigé : montrer que la masse totale (carbone + dioxygène consommé = dioxyde de carbone formé) est conservée par comptage des atomes.
- Combustion incomplète : expliquer pourquoi un manque de dioxygène peut produire du monoxyde de carbone (CO), gaz toxique (lien sécurité domestique).
- Modélisation numérique : reproduire la transformation dans une animation particulaire (recherche « animation combustion carbone modèle particulaire ») ou PhET (recherche « PhET reactants products and leftovers »).
Prolongements
- Séance suivante : autres combustions (combustion du méthane CH₄, combustion du fer dans le dioxygène) et généralisation de la conservation des atomes.
- Vers l'équation de réaction et son équilibrage qualitatif (en cohérence avec le programme : aucun ajustement formel exigé en fin de cycle).
- Lien aspect énergétique : les combustions, première approche de l'énergie chimique (thème « énergie, transferts et conversions »).
- Éducation au développement durable / EMC : combustions des ressources fossiles, émission de CO₂, gaz à effet de serre, sobriété et énergies décarbonées.
- Lien histoire des sciences : Lavoisier et la conservation de la masse (« rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme »).
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