Sciences de l'eau

Notes de l'enseignant

L'eau recouvre près de trois quarts (environ 379 millions de kilomètres carrés) de la surface totale de la terre. L'eau fait de la terre la planète bleue : l'eau qui couvre notre planète la rend visuellement unique par rapport à toutes les autres planètes dans le système solaire. Les plantes, les animaux et les personnes humaines ont tous besoin d'eau salubre pour mener une vie en santé.

Qu'est-ce que l'eau?

La science définit l'eau comme un composé pur, incolore, transparent, inodore et insipide d'oxygène et d'hydrogène. Son symbole chimique est H₂O. La molécule d'eau a deux atomes d'hydrogène (symbole H) et un atome d'oxygène (symbole O). La molécule d'eau est en forme de triangle et de V. Alors que les molécules d'eau sont neutres électriquement, l'atome d'oxygène a une petite charge négative et les deux atomes d'hydrogène ont une petite charge positive. Les scientifiques pensent que cet équilibre électrique inhabituel, appelé la polarité, donne à l'eau certaines de ses propriétés remarquables.

Les molécules d'eau s'attirent mutuellement, créant des liaisons hydrogènes. Ces liaisons fermes déterminent presque chaque propriété physique de l'eau et bon nombre de ses propriétés chimiques également.

L'eau, une substance chimique

Tout le monde connaît beaucoup de choses au sujet de l'eau – ses caractéristiques tactiles, son apparence, son abondance (ou sa rareté), et son importance pour la vie. Mais peu de gens pensent que c'est une substance chimique, une substance qui réagit avec d'autres substances, pour produire de nouveaux matériaux.

L'eau réagit avec de nombreuses substances :

• Lorsque certains métaux (comme du sodium) sont ajoutés à l'eau, la réaction crée différents produits dont un gaz d'hydrogène.
• Lorsque certains oxydes non métalliques réagissent avec l'eau, ils forment des acides (un ingrédient principal des pluies acides – acide carbonique – se forme lorsque le dioxyde de carbone réagit avec l'eau).
• Lorsque certains oxydes métalliques réagissent avec l'eau, des composés appelés des bases sont formés.
• Bon nombre de composés mélangés à l'état sec ne réagissent pas. Si une certaine quantité d'eau est ajoutée au mélange, souvent une réaction se déclenche toutefois. La levure artificielle (poudre à pâte) est un mélange de produits chimiques secs qui dégagent des bulles de gaz seulement après l'ajout d'eau.

Le solvant universel

Les scientifiques appellent souvent l'eau de solvant universel parce que l'eau peut dissoudre plus de substances que tout autre liquide. En fait, l'eau à l'état « pur » n'est pas présente dans la nature. Comme solvant universel, l'eau dissout presque toutes substances pour former des solutions. L'eau se combine facilement avec d'autres substances pour trois raisons :

1. Les molécules d'eau sont très petites et se déplacent facilement autour des autres atomes et molécules.
   
   
2. La charge négative sur l'atome de l'oxygène et les charges positives sur les atomes d'hydrogène permettent aux molécules d'eau d'interagir avec d'autres molécules.
   
   
3. L'eau est très stable – à 2000°C, environ 2 % seulement des molécules d'eau se désagrègent en parties. Ces parties sont des ions d'hydrogène avec une charge positive (H+) et des ions d'hydroxyde avec une charge négative (OH-).

Certaines substances se dissoudront plus facilement dans l'eau que d'autres. Le sel de table (chlorure de sodium) se dissout très facilement dans l'eau. Dans l'eau, la molécule de chlorure de sodium se désagrège. L'ion de sodium avec une charge positive (Na+) se lie à l'oxygène, alors que l'ion de chlorure avec une charge négative (CI-) s'attache à l'hydrogène. Cette réaction produit un molécule d'eau salée très stable. Pratiquement aucune substance connue n'a été identifiée dans la solution des eaux de la terre.

Sans la propriété de solvant de l'eau, il ne pourrait pas y avoir de vie, parce que l'eau transfert des nutriments essentiels à la vie aux animaux et aux plantes. Une goutte d'eau de pluie qui tombe à travers l'air dissout les gaz atmosphériques.

Lorsque la pluie atteint la terre, elle affecte la qualité de la terre, des lacs et des rivières en livrant ces gaz dissous.

L'eau est une substance mobile et dynamique qui subit constamment des transformations physiques et chimiques. Elle a été qualifiée de « magicienne de la nature », puisqu'elle paraît sous plusieurs formes et exécute certains trucs incroyables. L'eau est présente dans la nature sous trois états : solide, liquide et gazeux; un phénomène rare pour les autres substances naturelles.

Densité

La densité désigne la masse d'un objet par volume unitaire de l'objet. La densité est déterminée en calculant le ratio de la masse de l'objet et son volume. Par exemple, un centimètre cube a une masse d'un gramme à 4°C. La densité de l'eau est de 1,0 g/cm³.

La densité de l'eau est une constante physique importante. Elle est utilisée comme une norme de référence pour comparer les densités des autres substances.

Contrairement à la plupart des substances, qui sont plus denses à l'état solide, la glace (eau à l'état solide) est en réalité plus légère (moins dense) que l'eau liquide. C'est pourquoi la glace flotte sur l'eau. Les fortes liaisons d'hydrogène qui se forment lorsque l'eau gèle bloquent les molécules d'eau ensemble dans un mode de cristal fixe.¹ Lorsque la glace fond, la structure s'effonde et les molécules se rapprochent. L'eau liquide à 4°C est d'environ 9 % plus dense que la glace. Si la glace était plus dense que l'eau, les rivières, les lacs et les mers gèleraient à partir du fond allant vers la surface plutôt qu'à partir de la surface allant vers le fond, et ils ne dégèleraient jamais complètement en été. Cette propriété joue un rôle important dans les écosystèmes océaniques et les lacs. La glace flottante isole souvent et protège les animaux et les plantes qui vivent dans l'eau en dessous.

Flottabilité

La flottabilité est une propriété importante qui s'applique à tous les liquides, y compris l'eau. Si vous pesez un objet dans l'air et ensuite le pesez suspendu dans l'eau, vous constaterez que l'objet pèse moins lorsqu'il est suspendu dans l'eau Ce phénomène s'explique par la force vers le haut que l'eau exerce sur un objet submergé. Cette force vers le haut est la flottabilité.

Pour certaines personnes, il est plus facile d'apprendre à nager dans l'eau salée que dans l'eau douce parce que l'eau salée a une plus grande force de flottabilité que l'eau douce. Nos corps flottent mieux dans l'eau salée.

Densité relative

Densité relative désigne le poids d'une substance comparativement à un volume égal d'eau. L'eau est la norme pour calculer la densité relative des solides et des liquides. Si nous constatons qu'un pied cube de fer est 7,6 fois plus lourd qu'un pied cube d'eau, nous disons que la densité relative du fer est de 7,6.

La densité relative peut servir à identifier certains types de matière. Chaque type particulier de matière a ses propres valeurs caractéristiques pour la densité relative.

Ébullition et congélation

L'eau pure au niveau de la mer bout à 100°C et gèle à 0°C. À de plus hautes élévations (des pressions atmosphériques plus faibles), la température d'ébullition de l'eau diminue. C'est pourquoi un oeuf prend plus de temps à bouillir à de hautes altitudes. La température n'atteint pas un degré assez élevé pour cuire l'oeuf.

Lorsqu'une substance est dissoute dans l'eau, le point de congélation de l'eau baisse. Ainsi, lorsque du sel est saupoudré sur la glace, la glace a l'air de fondre. En fait le sel, une substance hydroscopique, se lie facilement aux molécules d'eau dans la glace. Cette liaison désagrège de façon efficace la structure de la glace, dégageant les molécules qui retournent à leur forme liquide. Le sel se dissout dans l'eau liquide, qui a maintenant un point de congélation plus bas (puisqu'il contient du sel dissous). Simple, n'est-ce pas?

Propriétés thermiques

Les scientifiques ont constaté qu'un gramme d'eau a besoin de 2 500 joules de chaleur pour se transformer en gaz à sa température d'ébullition (100°C). L'eau pure bout à 100°C, mais il faut plus d'énergie pour repousser les molécules d'eau dans l'air. Il s'agit de la chaleur latente – la chaleur exigée pour transformer l'eau d'une phase à l'autre. La chaleur spécifique de l'eau est la quantité de chaleur exigée pour hausser la température d'un gramme d'eau liquide d'un degré Celsius. Il faut 4,18 joules pour hausser la température d'un gramme d'eau de 1°C. C'est un ratio relativement élevé; en fait, l'eau absorbe ou dégage plus de chaleur que bien d'autres substances pour chaque degré de température de plus ou de moins. En raison de ce phénomène, l'eau est utilisée pour refroidir et pour transférer la chaleur dans les procédés thermiques et chimiques.

Puisqu'il faut beaucoup de chaleur pour hausser la température de l'eau, les grands cours d'eau ont un effet modérateur sur notre climat. Les grands cours d'eau comme l'océan Atlantique ou les Grands Lacs sont les plus grands réservoirs et échangeurs de chaleur au monde. Ils sont aussi la source d'une bonne partie de l'humidité qui tombe sous forme de pluie et de neige sur les masses de terre adjacentes.

Les journées chaudes, l'eau absorbe lentement la chaleur, ce qui a un effet de refroidissement sur l'air environnant. Lorsque l'air se refroidit à une température inférieure à celle de l'eau, l'effet est renversé, et l'eau dégage de la chaleur. Au Canada atlantique, l'océan affecte notre climat en empêchant les températures extrêmes l'été et l'hiver. Un autre exemple de cet effet se trouve à la plage : avez-vous déjà trouvé le sable chaud au point où il était brûlant, alors que la température de l'eau sur la rive est souvent tempérée ou même fraîche?

Lorsque l'eau est plus froide que l'air, la précipitation est empêchée, les vents sont réduits et des bancs de brouillard se forment. Le brouillard local se produit si un lac refroidit l'air environnant suffisamment pour causer la saturation (de petites gouttelettes d'eau sont suspendues dans l'air).

Il y a une perte d'énergie lorsque l'eau gèle. Les molécules d'eau dégagent 334 joules d'énergie pour chaque gramme lorsqu'elles passent de la phase d'eau liquide à haute énergie à la phase de glace à faible énergie. C'est pourquoi les soirs où la glace gèle, on a l'impression qu'il fait plus chaud que les soirs où la glace fond.

Tension superficielle

À première vue, l'eau ne paraît pas avoir de force – elle coule et dégoutte et se condense apparemment sans efforts. Toutefois, les molécules d'eau restent collées ensemble, créant une tension superficielle très puissante.

Les molécules d'eau sur le bord d'une goutte d'eau se tiennent très rapprochés, formant une couche très serrée. Vous pouvez voir cette tension superficielle en action lorsque vous regardez une gouttelette d'eau se former sur le bord d'une feuille. La goutte reste collée à la feuille et se gonfle. La surface de l'eau agit comme son propre sac, maintenant se cohésion, s'étirant et prenant de l'expansion lentement jusqu'à ce que le poids de la gouttelette devienne trop élevé pour la tension superficielle et que la gouttelette tombe. La tension superficielle permet aussi à l'eau de tenir des substances plus lourdes et plus denses qu'elle. Par exemple, une aiguille ou un trombone flottera sur la surface d'un verre d'eau plein, s'il est bien placée.

La tension superficielle permet à de nombreux insectes aquatiques comme des araignées d'eau de « marcher » à travers les rivières et cours d'eau. Après le mercure, l'eau a la tension superficielle la plus élevée de tous les liquides courants.

La tension superficielle est essentielle au transfert de l'énergie du vent à l'eau qui crée les vagues. Les vagues sont nécessaires pour la diffusion rapide de l'oxygène dans les lacs et les mers.

Adhésion et cohésion

Les molécules d'eau se lient non seulement à d'autres molécules d'eau, mais aussi à d'autres types de molécules. L'attraction entre deux substances différentes comme l'eau et le verre est appelée adhésion. L'adhésion de l'eau à la surface, est causée par l'action des forces d'attraction entre les deux différentes substances.

L'adhésion de l'eau aux particules de sol est un facteur important en agriculture. L'eau peut être attirée à la surface par les forces de l'adhésion où elle peut être utilisée par les plantes.

La cohésion est une force qui tient un solide ou un liquide, qui cause l'attraction entre les molécules. Alors que les forces d'adhésion attirent différents types de molécules, les forces de cohésion attirent les molécules à l'intérieur d'une substance. Les forces de cohésion diminuent lorsque la température augmente.

Action capillaire

L'action capillaire permet d'expliquer la capacité de l'eau de grimper. Les molécules de l'eau étendent une mince pellicule en sautant les unes par-dessus les autres et ensuite en collant à la surface de la substance sur laquelle elles se déplacent. En se déplaçant à travers les racines d'un arbre et dans son tronc, l'eau peut grimper jusqu'à 50 mètres au-dessus du niveau de la terre. L'eau se déplace encore sur de longues distances à travers le sol en étendant sa pellicule humide d'une particule à l'autre. Voilà comment l'eau mouille facilement bon nombre de matériaux. L'action capillaire permet l'utilisation d'un essuie-tout et d'éponge pour absorber l'eau déversée.

Un autre exemple de l'action capillaire peut être constaté lorsqu'on regarde l'eau dans un mince tube de verre (une éprouvette ou un verre d'eau haut). Les molécules au bord recherchent les molécules du verre juste au-dessus et s'y attachent. En même temps, ils traînent d'autres molécules d'eau. La surface de l'eau attire tout le cours d'eau à un nouveau niveau jusqu'à ce que la force vers le bas de la gravité soit trop élevée pour être surmontée.

Ménisque

Dans le cas décrit, la surface libre de l'eau fait une courbe de façon que l'eau augmente le long des côtés du cylindre légèrement. La surface courbée du liquide est le ménisque. La surface courbée de l'eau est unique : si un autre liquide comme du mercure est placé dans le cylindre, la surface courbée serait l'opposé à celle de l'eau. Cette différence est attribuable à la variation du degré d'attraction entre les molécules dans les liquides. Les forces d'attraction entre les molécules de mercure sont élevées (une bonne force de cohésion), mais le mercure n'a pas une grande force d'attraction avec les molécules du contenant en verre (force d'adhésion plus faible).

Saviez-vous que? Les gouttes de pluie ne sont pas en forme de larmes? Les scientifiques ont découvert avec l'aide de caméras très rapides, que les gouttes de pluie ressemblent en réalité à la forme d'un petit pain à hamburger. En moyenne, le corps humain contient environ 55 % d'eau. La vie sur terre a probablement commencé dans l'eau. Le corps humain a besoin de deux litres d'eau par jour dans notre climat; nous pouvons survivre quelques jours seulement sans eau. La majeure partie de notre nourriture est de l'eau : les tomates sont composées d'environ 95 % d'eau, les épinards d'environ 91 % d'eau, le lait d'environ 90 % d'eau, les pommes contiennent environ 85 % d'eau, les pommes de terre sont composées d'environ 80 % d'eau, le boeuf est d'environ 61 % d'eau et les hot dogs contiennent environ 56 % d'eau.

Activités

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Trucs d'eau – n^o 1

4^e, 5^e et 6^e années – Sciences

But

Les élèves identifieront la cohésion et en discuteront.

Les molécules d'eau sont attirées mutuellement en raison de leur structure. Cette structure est connue sous le nom de cohésion. La colle est un exemple connu d'un dispositif cohésif (les élèves suggèrent d'autres dispositifs cohésifs et cherchent la définition du mot « cohésion » dans un dictionnaire). Les molécules d'eau collent les unes aux autres à moins que leur force de cohésion soit affaiblie. L'ajout de savon à de l'eau est un moyen d'affaiblir la force entre les molécules d'eau.

Matériel

• Rouleau de papier ciré
• copies de le Labyrinthe pour la course de l'eau
• ruban
• compte-gouttes
• cure-dents
• montre avec une deuxième aiguille
• savon liquide
• règle

Procédé

Distribuez les cartes de pointage des trucs d'eau.

Posez la question « comment la goutte d'eau peut-elle être orientée dans le labyrinthe? ». Demandez à l'élève de formuler une hypothèse, c'est-à-dire de prédire comment la gouttelette se déplacera. Dès que les élèves ont déterminé une méthode pour déplacer la goutte (en la guidant à l'aide d'un cure-dents) demandez-leur de prédire combien de temps il faudra pour déplacer la goutte à travers le labyrinthe (Course d'eau).

Collez avec du ruban un morceau de papier ciré sur le dessus du labyrinthe pour le protéger. Mettez une goutte d'eau à l'intérieur du cercle sur le labyrinthe. Demandez aux élèves de déplacer la goutte d'eau à travers le labyrinthe avec un cure-dents. Si la goutte se sépare, dites-leur de retourner, de la ramasser et ensuite de continuer (vous pouvez dire aux élèves d'imaginer que la goutte est un chien, et que le cure-dents est une laisse). Chronométrez le temps qu'il faudra pour déplacer la goutte à travers le labyrinthe et inscrivez le temps réel. Calculez la différence.

Demandez aux élèves de prédire la longueur sur laquelle la goutte d'eau peut être étirée. Enregistrez les prévisions, et ensuite dans trois à cinq essais, étirez la goutte d'eau. Enregistrez la plus grande distance et calculez la différence entre la longueur prédite de l'étirement et la longueur réelle.

Montrez aux élèves les effets du savon sur la cohésion en trempant le cure-dents dans le savon avant de commencer le deuxième essai de l'activité du labyrinthe d'eau. La goutte d'eau se disperse et ne sera pas attirée par le cure-dents. N'oubliez pas de coller avec du ruban d'autre papier ciré sur le labyrinthe après y avoir introduit le savon. Utilisez un nouveau cure-dents et changez l'eau. Les résidus de savon (peu importe leur dilution) nuiront aux résultats de cette activité.

Extension

Demandez aux élèves d'imaginer les effets de cette activité sur leur vie de tous les jours.

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Trucs d'eau – n^o 2

4^e, 5^e et 6^e années – Sciences

But

Les élèves identifieront la tension superficielle et en discuteront.

L'aluminium devrait couler au fond lorsqu'on le place dans l'eau parce que sa densité est plus élevée que celle de l'eau. Toutefois, lorsqu'un morceau de papier d'aluminium est placé à plat à la surface de l'eau, il peut flotter. C'est parce que la tension superficielle de l'eau est assez forte pour soutenir le papier d'aluminium (comme un navire lourd flotte dans l'océan). La tension superficielle est causée par la cohésion des molécules d'eau. Les molécules sous la surface de l'eau sont attirées de façon égale dans toutes les directions. Mais les molécules à la surface sont attirées seulement vers les côtés et vers le bas. Ce phénomène fait contracter la surface de l'eau et la fait agir comme si elle était recouverte d'une pellicule. La tension superficielle de l'eau est assez forte pour soutenir certains objets plus denses que l'eau. C'est pourquoi les insectes comme les araignées d'eau peuvent marcher sur l'eau.

Matériel

• papier d'aluminium coupé en carrés de 5 po
• eau
• bols de plastique

Procédé

Demandez aux élèves de prédire si le papier d'aluminium flottera ou coulera au fond lorsqu'il sera placé sur l'eau. Montrez comment un carré de 5 po x 5  po flottera. Demandez aux élèves de prédire combien de fois ils peuvent plier le carré de 5 po x 5 po de papier d'aluminium avant qu'il ne coule. Demandez aux élèves d'enregistrer les réponses sur la carte de pointage des trucs d'eau.

Pliez vous-même ou demandez aux élèves de plier le carré d'aluminium en deux une fois, et essayez de la faire flotter. Continuez de plier le papier d'aluminium et de le placer attentivement (de façon parallèle) à la surface de l'eau jusqu'à ce qu'il coule au fond. Demandez aux élèves d'enregistrer le nombre réel de fois qu'ils ont réussi à plier le papier d'aluminium et de calculer et d'enregistrer la différence entre leurs prévisions et le résultat réel.

Extension

Cette activité peut être élargie pour inclure les fractions et les exposants. Chaque fois que le papier d'aluminium est plié en deux, les élèves réduisent sa superficie d'une puissance de deux. Après trois plis, vous aurez seulement 1/8 de la superficie originale; après quatre plis, 1/16.

Essayez de faire flotter d'autres matériaux – copeaux de bois, morceaux de plastique, etc.

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Trucs d'eau – n^o 3

4^e, 5^e et 6^e années – Sciences, français

But

Les élèves pourront définir le principe de l'adhésion et en discuter.

L'eau peut se déplacer à travers les espaces étroits entre les fibres du papier essuie-tout par l'action capillaire (une bonne partie de l'eau souterraine se déplace à travers une nappe aquifère). La force d'attraction qui existe entre les molécules d'eau et les fibres de papier est plus grande que la force de cohésion entre les molécules d'eau. L'attraction entre des molécules non semblables est l'adhésion.

Matériel

• trois types différents de papier essuie-tout (utilisez le papier essuie-tout que l'on trouve dans les salles de toilettes de l'école)
• règles
• crayons
• ruban
• bols ou tasses pour l'eau
• eau

Procédé

Vous voudrez peut-être y ajouter un volet du cours de français en demandant aux élèves de concevoir et de rédiger un film publicitaire en fonction des résultats de leurs expériences.

Demandez aux élèves de prédire quel essuie-tout absorbera l'eau le plus rapidement et pourquoi ils ont choisi cet essuie-tout particulier. Enregistrez les réponses sur la Carte de pointage des trucs d'eau.

Marquez chaque bande de papier essuie-tout à 18 cm. Les élèves fixent à l'aide du ruban les bandes à un crayon à des distances égales et trempent simultanément les trois bandes dans un bol ou dans une tasse d'eau. Les essuie-tout peuvent être trempés très rapidement, ou ils peuvent être tenus sous l'eau (de façon égale) pendant que les élèves regardent l'essuie-tout absorber l'eau. Dans quelle bande l'eau atteint-elle la marque de 18 cm d'abord?

Les élèves notent l'essuie-tout qui absorbe l'eau le plus rapidement. Ils calculent la différence entre leurs prévisions et le résultat réel.

Extension

Utilisez d'autres matériaux absorbants pour l'expérience et élaborez un graphique comparatif avec les résultats. Demandez aux élèves d'interpréter, à partir du graphique, les essuie-tout dont l'utilisation à la maison représenterait un choix plus convivial pour l'environnement (réduire, réutiliser et recycler).

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Eau dure et eau douce

4^e, 5^e et 6^e années – Sciences, Mathématiques

But

Les élèves observeront, classeront et mettront en ordre les échantillons d'eau selon leur degré de dureté ou de leur faiblesse de dureté. Après cette activité, les élèves devraient pouvoir décrire la différence entre l'eau douce et l'eau dure et déterminer quel type d'eau est préférable pour le nettoyage.

L'eau pure n'existe pas, sauf au laboratoire. Lorsque l'eau est considérée comme pure, elle est composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène – H₂0. Mais l'eau se mélange avec de nombreuses matières; comme une goutte de pluie, elle se mélange aux minéraux dans le sol et transporte ces minéraux à l'eau souterraine ou lorsqu'elle s'écoule vers un ruisseau ou une rivière. L'eau qui contient des quantités importantes de minéraux est de l'eau dure. L'eau qui a de faibles quantités de calcium et de magnésium est généralement de l'eau douce. L'eau distillée est de l'eau qui a été adoucie.

L'eau dure peut causer des problèmes pour la plomberie parce qu'elle dépose des minéraux dans les tuyaux, entraînant des accumulations. Vous pouvez confirmer que vous avez de l'eau dure chez vous s'il est difficile de produire de la mousse avec le shampooing ou si l'eau n'est pas beaucoup savonneuse lorsque vous lavez la vaisselle à la main. L'eau douce produit plus de mousse et est beaucoup mieux pour le nettoyage. De nombreuses personnes installent des adoucisseurs d'eau chez elles pour cette raison. Les adoucisseurs d'eau utilisent des sels pour enlever la plupart du calcium et du magnésium de l'eau du robinet.

Matériel

• eau distillée
• eau du robinet
• eau en bouteille
• eau salée
• colorant alimentaire
• savon liquide
• 4 pots de nourriture pour bébés avec couvercles pour chaque groupe
• un compte-gouttes par groupe
• papier, crayon/stylo

Procédé

Divisez les élèves en petits groupes. Mélangez une solution d'eau salée d'une cuillerée à table de sel par litre d'eau du robinet (ou utilisez de l'eau salée). Donnez à chaque groupe 60 ml de chaque catégorie d'eau, colorée avec un colorant alimentaire (rouge pour l'eau du robinet, bleu pour l'eau distillée, jaune pour l'eau salée, vert pour l'eau en bouteille).

Demandez aux élèves de prédire quels échantillons produiront le plus de mousse. Demandez leur de déterminer ce qui pourrait affecter la quantité de mousse. Expliquez les principes de l'eau dure et de l'eau douce, et indiquez que cette expérience déterminera la dureté ou la faiblesse de dureté de chaque échantillon d'eau.

Demandez à un élève par groupe d'enregistrer les résultats de l'expérience sur une feuille de papier, ainsi que les prévisions de chaque groupe.

Ajoutez deux gouttes de savon liquide à chaque échantillon d'eau et serrez le couvercle. Agitez tous les pots pour la même durée (une minute) ou pour le même nombre de secousses. Encouragez les élèves à utiliser une force égale pendant qu'ils agitent les échantillons. Regroupez les résultats pour en discuter davantage.

Extension

Vérifiez différents types d'eau – essayez l'eau de pluie, la neige fondue, l'eau d'un lac, d'un ruisseau ou d'un étang. Demandez aux élèves de deviner quelles matières sont présentes dans ces échantillons d'eau et d'imaginer comment elles ont pu y pénétrer. Demandez aux élèves d'apporter des échantillons d'eau de la maison.

Vérifiez les différents types d'eau et inscrivez sur un graphique les résultats (y inclus les résultats de l'expérience originale).

Laquelle est la moins chère, l'eau en bouteille ou l'eau adoucie? Faites un graphique pour représenter les coûts de chaque catégorie d'eau. Demandez aux élèves de faire un sondage auprès des utilisateurs de l'eau en bouteille.

Essayez d'utiliser des sels d'adoucissement d'eau pour adoucir un échantillon d'eau dure et noter les résultats.

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Mélanges

4^e, 5^e et 6^e années – Sciences

But

Les élèves examinent les propriétés physiques de l'eau et apprennent comment l'eau réagit une fois mélangée avec d'autres substances. Les élèves étudient les ressemblances et les différences entre l'eau, l'huile pour friture, le colorant alimentaire, le vinaigre et le sel. Ils observent le mélange de l'eau avec ses substances et utilisent leurs cinq sens pour classer le résultat de chaque expérience de mélange.

Pendant cette activité, les élèves examinent les propriétés physiques de l'eau, formulent une hypothèse concernant le résultat de chaque expérience et découvrent comment l'eau réagit différemment avec diverses substances.

Matériel

(pour chaque élève ou chaque groupe d'élèves) :

• 5 verres clairs
• eau
• 5 contenants clairs (les verres de plastique clair conviennent très bien)
• 3 cuillerées à table d'huile pour friture
• 3 cuillerées à table de vinaigre
• 2 cuillerées à table de colorant alimentaire
• 2 cuillerées à table de sel
• 2 cuillerées à table de bicarbonate de soude

Procédé

1. Remplissez chaque verre d'eau.
2. Présentez le vinaigre, l'huile, le colorant alimentaire, le sel et le bicarbonate de soude dans des récipients séparés.
3. Demandez aux élèves de remplir le Graphique 1 de l'activité.
4. Ajoutez 3 cuillerées à table de vinaigre au premier verre.
5. Ajoutez 3 cuillerées à table d'huile au deuxième verre.
6. Ajoutez 2 cuillerées à table de colorant alimentaire au troisième verre.
7. Ajoutez 2 cuillerées à table de sel au quatrième verre.
8. Ajoutez 2 cuillerées à table de bicarbonate de soude au cinquième verre.
9. Observez et comparez pour voir comment l'eau s'est mélangée avec chacune de ces substances.
10. Demandez aux élèves de remplir le Graphique 2 de l'activité..

Discussion

Notes de l'enseignant

Mélanges d'eau et de substances
Graphique 1 – Décrivez chacune de ces substances

Coleur	clair	clair jaune brun rouge (selon le type de vinaigre utilisé)	jaune	grains blancs	poudre blanche très petits grains blancs	rouge, vert, bleu, jaune, etc. (selon la couleur utilisée)
Odeur	aucune odeur	très forte odeur	aucune odeur ou très faible odeur	aucune odeur (certains élèves peuvent dire qu'ils « sentent » du sel)	aucune odeur	aucune odeur
Goût	aucun goût particulier	amer, fort, acide	épais, huileux	très salé	salé	aucun goût
Toucher	humide, non collant	humide, non collant, semblable à l'eau	huileux, peut-être collant, beaucoup plus épais que l'eau	sec, petits grains	sec, grains poudreux	liquide, plus épais que l'eau

Mélanges d'eau et de substances
Graphique 2 – Qu'est-ce qui est arrivé lorsque vous avez ajouté ______ à l'eau?

L'eau a dilué le vinaigre	L'huile flotte sur la surface - bulles jusqu'au dessus, cercles plats	L'eau semble fondre une partie du sel	L'eau a commencé à faire des bulles (vous pouvez l'entendre faire des bulles)	Le colorant alimentaire se disperse dans le verre d'eau - vague
Le vinaigre a changé la couleur de l'eau (vinaigre coloré a été utilisé)	L'huile et l'eau ne se sont pas vraiment mélangées - elles se sont séparées après une courte durée	Les grains de sel se déposent au fond du verre et se dissoudent lentement s'ils ne sont pas mélangés	La couleur de l'eau peut devenir trouble mais elle retourne à l'état clair	La couleur se déplace lentement à travers l'eau
L'eau a un goût amer après que le vinaigre est ajouté	Une pellicule huileuse repose sur la surface de l'eau	L'eau demeure la même couleur, mais elle a une odeur et un goût salés	L'eau a une odeur légèrement salée et a un goût salé	L'eau change de couleur - prend la même couleur ou presque la même couleur que le colorant alimentaire
L'eau a un goût de vinaigre		Le sel semble disparaître après le mélange	Le bicarbonate de soude se dépose au fond du verre et se dissout lentement. S'il est mélangé, le bicarbonate de soude se dissout plus rapidement et les bulles sont renouvelées	L'eau a le même goût

Extension

Les élèves peuvent établir des liens entre cette activité et leur vie quotidienne en déterminant où ils ont vu des réactions semblables dans différents environnements.

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Eau de bonne qualité

6^e année – Sciences, mathématiques

But

Les élèves mesureront le pH, les nitrates et les phosphates comme des indicateurs de la qualité de l'eau.

Les niveaux de nitrate et de phosphate augmentent lorsque des quantités excessives d'engrais ou d'eau usée entrent dans les cours d'eau. Les niveaux de nitrate qui dépassent une partie par million (ppm) indiquent la présence de contamination. Les niveaux de phosphate supérieurs à 0,1 ppm peuvent provoquer une croissance explosive d'algues. Lorsque ces masses d'algues meurent, le processus de décomposition prive l'eau de l'oxygène dissous et met en danger l'habitat aquatique.

En 1909, S.P. Sorensen a présenté l'échelle pH pour mesurer le potentiel de l'hydrogène. Le potentiel de l'hydrogène désigne la concentration des ions d'hydrogène (H+) sur une échelle de 1 à 14. Sur cette échelle, les valeurs de pH inférieurs à 7 indiquent la présence d'acide tandis que celles qui dépassent 7 indiquent une base (substance alcaline). L'eau pure est ni un acide ni une base – c'est un neutre avec un pH de 7. Le vinaigre a un pH de 3. L'eau de pluie est légèrement acidique avec un pH de 6,5. L'ammoniac a un pH de 11 ou 12. La plupart des poissons tolèrent un pH allant de 6 à 8.5.

Matériel

• chantillons d'eau de diverses sources (fontaine de l'école, maison, etc.)
• flacons de plastique avec dessus (bouteilles de comprimés vides et propres)
• papier de tournesol neutre (disponible chez Boreal : 1 800 387-9393; peut-être dans les pharmacies locales; l'école secondaire locale pourrait peut-être vous en fournir de petites quantités)
• trousse d'analyse du phosphate et du nitrate (Boreal; hôpital local ou pharmacie; téléphoner au ministère des Ressources naturelles pour emprunter cette trousse; au musée local; à l'école secondaire locale)

Procédé

1. Prélevez des échantillons d'eau de diverses sources. Étiquetez chaque échantillon, contenu dans un flacon de plastique propre, en indiquant le lieu, la date et l'heure de la journée du prélèvement de l'échantillon.
2. Analysez les échantillons avec du papier de tournesol en salle de classe. Estimez les valeurs du pH. Quels échantillons sont acides?
3. Analysez les échantillons à l'aide des trousses d'analyse pour le nitrate et le phosphate. Tous les échantillons d'eau sont-ils égaux?
4. Les élèves enregistrent leurs observations dans un rapport ou sur un tableau ou un diagramme à barres.

Extension

Vérifiez la météo. Prélevez des échantillons de nouveau après un orage ou une période sèche prolongée. Les valeurs du pH changent-elles? Les valeurs du phosphate ou du nitrate changent-elles? Les élèves peuvent-ils imaginer pourquoi les valeurs changent ou ne changent pas?

Rendez-vous à la bibliothèque de l'école ou à la bibliothèque locale pour faire des recherches sur les pluies acides. Quels types de composés causent des pluies acides? Quels types d'industries contribuent le plus à la production de pluies acides? Votre région a-t-elle été affectée par les pluies acides?

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Une goutte à la fois

4^e, 5^e et 6^e années – Sciences, mathématiques

But

Les élèves estimeront et mesureront la quantité d'eau utilisée pendant les activités quotidiennes.

Voir la section Faits sur l'eau pour obtenir les statistiques concernant la consommation nationale de l'eau.

Matériel

• contenant de jus ou de lait de 2 litres vide
• bouteille de plastique de 2 litres vide

Procédé

1. Discutez de l'utilisation de l'eau à la maison. Demandez aux élèves d'estimer le nombre de litres utilisés par certains appareils ménagers et la quantité qu'ils utiliseraient en prenant une douche ou en se brossant les dents. Écrivez ces estimations pour les élèves ou la classe afin de garder un relevé.
2. Discutez et étudiez les méthodes pour mesurer l'utilisation de l'eau à la maison. Proposez de chronométrer une activité et de répéter l'activité pendant qu'on fait couler l'eau dans une bouteille ou une cruche. Par exemple, les élèves pourraient enregistrer le temps qu'ils passent à se brosser les dents en laissant couler l'eau, et ensuite après que l'activité est terminée, le temps passé à faire couler l'eau du robinet pour la même période tout en utilisant un contenant pour recueillir l'eau du robinet. Les élèves mesureraient la quantité d'eau qu'ils utilisent réellement pendant chaque activité et feraient rapport à la classe.
3. Vérifiez auprès des fabricants ou des magasins de plomberie, d'appareils ou de mobiliers locaux pour savoir quelle est l'utilisation moyenne d'une laveuse, d'une toilette et d'un lave-vaisselle (ou consultez les autres activités contenues dans cette trousse).
4. Comparez les données reçues avec celles provenant des expériences faites par les élèves à la maison pour mesurer.
5. Discutez des façons de conserver l'eau à la maison.

Extension

Demandez à des groupes d'élèves de dresser un plan pour économiser 25 % de l'eau qu'ils utilisent actuellement à la maison. Leurs plans peuvent-ils être mis en oeuvre facilement? Si oui, les élèves peuvent préparer un contrat de conservation et s'engager par ce contrat à réduire effectivement leur consommation de l'eau. Demandez l'appui des parents pour ce projet.

(Langue anglaise, sciences humaines)
Communiquez avec votre service d'eau local pour obtenir une estimation de la moyenne totale des besoins d'eau de votre région. Les élèves peuvent-ils appliquer les principes de conservation pour préparer un programme de conservation de l'eau ou de gestion des ressources pour la région? Tenez un parlement fictif pour débattre du bien-fondé du programme, les élèves représentant les membres d'organismes environnementaux, le gouvernement, les citoyens et les représentants de l'industrie. Discutez des points de vue qui pourraient exister entre les diverses parties.

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Poids de l'eau

5^e et 6^e années – Sciences, mathématiques

But

Les élèves étudieront la pression de l'eau et compareront les résultats des différentes pressions sur le débit de l'eau.

Les scientifiques mesurent la pression dans les atmosphères. Une pression atmosphérique égale 1 kg/cm². Lorsque les plongeurs descendent dans l'eau, chaque 10 m ajoute une autre pression atmosphérique. Dans la mer profonde, les pressions varient de 300 à 500 atmosphères.

Les humains ont plongé à une profondeur atteignant 66,5 m (quelle est la pression de l'eau dans les atmosphères à cet endroit?). À ces pressions, notre sang absorbe des gaz (comme l'azote) à partir de l'air comprimé que nous respirons. Si nous retournons à la surface trop vite, le gaz prend de l'expansion dans le sang, causant des bulles douloureuses dans les tissus et autour des articulations.

Matériel

• copie du Tableau de poids d'eau
• 2 bouteilles de 2 litres
• entonnoir
• crayon gras (disponible à un magasin de papeterie ou de fournitures artistiques)
• transparent propre
• clou
• grande cuve ou évier

Procedure

1. En commençant au fond d'une bouteille, demandez à un groupe d'élèves de mesurer et de marquer en ligne droite les quatre points suivants : 4 cm, 8 cm, 12 cm, 16 cm.
2. Poussez le clou à travers ces marques pour faire quatre trous dans la bouteille. Assurez-vous que les trous sont alignés en une ligne verticale droite.
3. Mettez la bouteille dans un évier ou une cuve (l'eau débordera) sur le bord du transparent propre.
4. Marquez la position de la bouteille sur le transparent avec le crayon gras.
5. Utilisez l'autre bouteille et l'entonnoir pour verser l'eau dans la bouteille perforée.
6. Les débits d'eau sortiront des trous. À l'aide d'un crayon gras, marquez l'endroit où chaque débit d'eau arrive.

Quel débit d'eau se rend le plus loin? Pourquoi? Qu'est-ce qui se passe à mesure que le niveau d'eau baisse?

À quelle distance au-dessus du niveau d'eau le trou doit-il se trouver pour créer un débit d'eau sortant de la bouteille, plutôt que tout simplement créer un filet d'eau sur le côté de la bouteille?

Extension

(Français, sciences)
Rendez-vous à la bibliothèque pour faire des recherches sur la production d'hydroélectricité. Comment les barrages créent-ils un poids supplémentaire pour générer plus de pression (et de puissance) pour faire tourner les turbines?

4^e, 5^e et 6^e années
(Français, sciences humaines)
Faites de la recherche pour savoir comment la source de force motrice était utilisée traditionnellement pour alimenter les industries en Nouvelle-Écosse. Faites de la recherche sur les petites exploitations d'hydroélectricité en Nouvelle-Écosse. Visitez le musée de l'industrie de la Nouvelle-Écosse pour voir l'énergie hydraulique en action. Visitez le village de Sherbrooke ou le moulin à broyer le grain à Balmoral pour voir des exemples réels des moulins alimentés à l'eau.

4^e, 5^e et 6^e années
(Français, sciences)
Faites de la recherche pour savoir comment les scientifiques font face aux plongées sous-marines. Enquêtez et faites rapport sur les expéditions sous-marines reconnues (le Titanique, par exemple) et dites comment les scientifiques ont empêché les navires d'exploration de s'affaisser.

Faites de la recherche sur des espèces de poisson de grands fonds et présentez un rapport écrivant comment ces espèces se sont adaptées à l'environnement.

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Notes aquatiques

4^e, 5^e et 6^e années – Sciences

But

Les élèves exploreront les effets que la masse d'eau peut avoir sur les vibrations acoustiques.

Le son est une forme d'énergie (une vibration) qui se déplace dans l'air en ondes. Les vibrations acoustiques ont des fréquences différentes. Les scientifiques mesurent la fréquence en vibrations par seconde ou hertz (Hz). Notre sens de l'ouïe interprète les changements de fréquence comme un changement de ton. Un son grave a une faible fréquence. Un son aigu a une haute fréquence. Vous pouvez modifier la fréquence d'un objet en vibration en changeant sa structure. Un objet solidement fixé peut vibrer plus rapidement qu'un objet non fixé lorsqu'on le touche.

Un moyen facile de changer la structure d'une tasse consiste à y ajouter du poids – à la remplir d'eau. Comme le verre que j'ai rempli, elle devient plus stable et vibre moins rapidement au toucher. Le son voyage à 1 450 mètres la seconde dans l'eau de mer qui a une densité de 1 025 grammes par cm³ et 334 mètres par seconde dans l'air à 20°C qui a une densité de 0,001293 grammes par cm³.

Matériel

• verres à boire de différentes formes et grandeurs (du même matériau – le verre fonctionne mieux – et de la même épaisseur relative)
• crayon ou autre instrument qui servira à cogner sur les verres
• pot d'eau

Procédé

1. Répartissez les élèves en groupes et donnez à chaque groupe une forme de tasse. Remplissez les tasses d'eau à différents niveaux.
2. Les élèves cognent légèrement le bord de chaque tasse avec leur crayon. Ils devraient entendre différents tons : les tasses devraient vibrer à des fréquences différentes.
3. Après que les élèves auront frappé les bords plusieurs fois, demandez-leur de noter s'il y a une différence dans les sons et pourquoi. Nota : une plus grande quantité d'eau stabilise les bords des tasses et ralentit la vibration, ce qui donne un ton plus bas.
4. Les groupes d'élèves peuvent entendre différents tons pour les tasses de différentes formes remplies au même niveau. Les verres hauts et minces peuvent vibrer plus rapidement que les verres courts et larges.

Extension

6^e année –
Vérifiez le ton des tasses à l'aide d'un liquide moins dense que l'eau (comme l'alcool à friction qui a une densité de 0,791 grammes par cm³) ou d'un liquide plus dense (comme la glycérine à 1,26 grammes par cm³). Y a-t-il une différence dans le ton?

4^e, 5^e et 6^e années –
(Musique)
Les élèves peuvent comparer les notes musicales produites par les verres et comparer les sons avec des instruments musicaux connus comme un piano ou une guitare.

(Français)
Les élèves peuvent effectuer de la recherche et faire rapport sur la capacité de certains animaux marins (comme les dauphins et les baleines) de communiquer par le son.

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Solutions salées

6^e année – – Sciences, mathématiques

But

Les élèves se renseigneront sur les méthodes pour mesurer la teneur en sel dans l'eau et apprendront à utiliser une de ces méthodes.

L'eau en haute mer a une salinité uniforme d'environ 35 parties par millier ou 35 grammes de solides dissous par 1 000 grammes d'eau. Le chlore et le sodium représentent la majeure partie de ces solides dissous (plus de 85 %). Les autres solides qui se retrouvent régulièrement dans l'eau de la mer comprennent le sulfate, le magnésium, le calcium et le potassium. Les marais littoraux, les terres humides et les estuaires connaissent diverses valeurs de salinité, selon l'addition d'eau douce.

Matériel

• quatre bouteilles d'un litre en plastique dont le dessus a été coupé
• sel
• eau
• balance
• marqueurs à l'épreuve de l'eau ou crayons gras (disponibles au magasin de papeterie)
• hydromètre (on peut l'obtenir du catalogue de Boreal, ou on peut en emprunter un habituellement d'un laboratoire de sciences d'une école secondaire ou d'un musée local)

Procédé

1. Divisez les élèves en quatre groupes et donnez à chaque groupe une bouteille. Remplissez les bouteilles avec de l'eau (tiède). Une bouteille d'un litre tient environ 1 814 grammes d'eau – ajoutez de l'eau pour porter le poids de la bouteille à environ 1 800 grammes (vous devrez vérifier cette activité avant afin de déterminer environ jusqu'à quel niveau sur la bouteille les élèves ajouteront de l'eau.
2. Les élèves pèsent les bouteilles et enregistrent leurs données sur le tableau « Solutions salées » fourni .
3. Trois groupes ajoutent du sel à leur bouteille pour créer différentes salinités. Les élèves brassent la solution jusqu'à ce que le sel soit dissous.
   • à la bouteille d'un groupe, ajoutez 63,5 grammes de sel pour une salinité d'environ 35 ppt
   • tà la bouteille d'un autre groupe, ajoutez 31,75 grammes de sel pour une salinité d'environ 17 ppt
   • à la bouteille du troisième groupe, ajoutez 15,8 grammes de sel pour une salinité d'environ 8,7 ppt
   • Laissez la bouteille du quatrième groupe sans sel (0 ppt.) Marquez les niveaux d'eau sur les bouteilles avec des marqueurs à l'épreuve de l'eau ou des crayons gras.
4. Utilisez l'hydromètre afin de tracer les relevés pour les trois solutions et l'eau sans sel.
5. Mettez les quatre bouteilles sur une table dans la salle de classe près d'une fenêtre (où le soleil peut atteindre les bouteilles, mais loin des sources de chaleur). Tracez les changements des niveaux d'eau et de la salinité (à l'aide d'un hydromètre) sur une période de deux à trois jours. À mesure que l'eau se perd par l'évaporation, quels changements la salinité subit-elle?

Extension

Les tendances météorologiques ont-elle un effet sur la salinité? Demandez aux élèves de prédire si la météo affecte la salinité et inscrivez leur hypothèse. Ensuite, laissez les bouteilles dehors pendant une journée de pluie. Vérifiez auprès de la station de météo locale pour obtenir de l'information sur le total des précipitations prévues ou reçues et comparez ces chiffres aux précipitations recueillies dans les bouteilles des élèves. Vérifiez la salinité de l'eau dans les bouteilles après la pluie et enregistrez les changements. Essayez de laisser les bouteilles au soleil pour une période prolongée. Encore une fois, vérifiez et enregistrez la salinité des échantillons.

Demandez aux élèves d'imaginer les incidences de leurs conclusions. Demandez-leur de chercher de l'information sur la mer Morte. Peuvent-ils voir la corrélation entre leurs constatations et cette étendue d'eau?

Utilisez différents poids d'eau dans les bouteilles et différentes quantités de sel. Demandez aux élèves de calculer la salinité de l'eau en divisant le poids du sel par le poids de l'eau dans la bouteille. Le nombre qui en résulte, multiplié par 1 000, est égal à la salinité de l'eau en parties par milliers (ppm). Les élèves peuvent-ils expliquer mathématiquement quels effets les tendances météorologiques ont sur la salinité?

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Nota :

1. Le mode de cristal formé lorsque l'eau gèle est une structure ouverte de six côtés (hexagonal). Les molécules de l'eau gelée dans la glace sont plus éloignées que les molécules de l'eau liquide : il y a des espaces ouverts dans la structure de la masse gelée (glace) qui ne se retrouvent pas dans les masses d'eau liquides.

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