Projet Tuteuré

Quelles activités proposer pour intéresser les cinquièmes sur leur

programme de chimie ? BENARD Marie Années LE BASTARD Dorilys 2014 ­ 2016 MAROLLEAU Pauline RONDEL Marius RIVET Thomas

Remerciements Nous adressons nos remerciements aux personnes qui nous ont aidé dans la

réalisation de notre mémoire de projet tuteuré. Nous remercions tout particulièrement Madame Virginie LANGLOIS, professeur à

l’IUT de la Roche sur Yon et responsable de notre projet, pour son aide, son soutien et ses conseils.

Nous remercions également Madame Jessica PELISSIER pour nous avoir transmis des documents permettant de mieux appréhender le programme de chimie des cinquièmes.

Enfin, nous adressons nos remerciements à Madame Gwenaelle LEMOINE et à Madame Florence GEFFROY, professeurs de physique chimie au collège Edouard HERRIOT de La Roche sur Yon qui nous ont permis de réaliser nos activités devant leurs élèves et nous ont apporté des conseils.

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Introduction 1. L'eau dans l'environnement

1.1. Cycle de l’eau 1.2. Le traitement de l'eau

1.2.1. Tout à l'égout, station d'épuration 1.2.2. Fosse septique 1.2.3. Eau de pluie, phytoépuration

2. État des lieux 2.1. Les activités réalisées dans le programme de cinquième

2.1.1. Le sulfate de cuivre anhydre 2.1.2. Les états de l’eau 2.1.3. Les activités réalisées au collège Herriot

2.2. Les activités que nous souhaitions réaliser 2.2.1. Filtration et gamme étalon 2.2.2. Floculation 2.2.3. Évaporation et condensation 2.2.4. Panneaux explicatifs 2.2.5. Autres idées d’activités

3. Les activités réalisées 3.1. Les fiches pédagogiques 3.2. Réalisation des activités 3.3. Avis sur l'activité

3.3.1. Du point de vue du professeur 3.3.2. Du point de vue des élèves 3.3.3. De notre point de vue 3.3.4. Les améliorations à apporter

Conclusion Annexes Bibliographie Webographie

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Introduction

Actuellement, on constate que la planète se dégrade en partie à cause des actions de l'Homme. Notre environnement étant constitué majoritairement d'eau, les nouvelles générations doivent donc être davantage sensibilisées à sa sauvegarde, élément essentiel à notre survie. Cette sensibilisation commence par l'éducation prodiguée par les parents et s'approfondit grâce à l'école. La chimie débutant en cinquième traite dans son programme de l'eau dans l'environnement. C'est pourquoi nous avons choisi de traiter ce sujet dans notre projet tuteuré.

Le thème de notre projet s'intitule « Réalisation d'animations scolaires pour les cinquièmes en lien avec leur programme sur l'eau dans l'environnement ». Ces animations auront pour but d'aider les professeurs et les élèves dans l'apprentissage d'une matière qui semble parfois difficile, peu concrète et très théorique. Ainsi, ces activités davantage tournées vers la pratique viendront compléter leur programme de chimie. Notre démarche devra être à la fois ludique pour les intéresser mais aussi scientifique afin de poursuivre leur apprentissage des sciences.

Pour répondre à notre thème, nous allons proposer des activités afin d'intéresser les cinquièmes à ce programme de l'eau dans l'environnement. Nous allons donc traiter notre problématique en trois parties distinctes. Dans un premier temps, nous allons aborder l'eau dans l'environnement de façon théorique. Dans un second temps, nous expliquerons les activités déjà réalisées au niveau de l'éducation nationale ainsi que les animations que nous pourrions proposer. Dans un troisième temps nous présenterons nos activités réalisées auprès des cinquièmes, les fiches pédagogiques pour les professeurs, et enfin, nous finirons par les critiques des personnes concernées.

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1. L'eau dans l'environnement Dans le contexte de notre projet tuteuré, nous devons réaliser des animations. Dans

le but de nous aider, nous avons fait des recherches sur la présence de l'eau dans l'environnement, en nous basant sur le programme de cinquième. L'eau étant présente dans tous les domaines, il est alors intéressant d'étudier la présence de l'eau dans l'environnement en se rapportant au programme de cinquième. Pour cela, nous allons comprendre certains mécanismes fondamentaux comme le cycle de l’eau ou encore le traitement de l’eau très important de nos jours.

1.1. Cycle de l’eau Depuis que l’eau existe sur Terre, sa quantité n’a pas diminué ou augmenté mais

elle a simplement subi des transformations (changements d’états). C’est ce qu’on appelle le cycle de l’eau car il n’y a pas de perte et ces opérations se reproduisent à l'identique éternellement. (www.cieau.com)

Tout d’abord, dans les régions froides la vapeur d’eau qui est obtenue par exemple par l’évapotranspiration des plantes se condense et forme les nuages. L’eau retombe sur Terre sous forme de précipitations (par exemple de la pluie ou de la neige). Lorsque l’eau arrive sur Terre, soit elle ruisselle à la surface soit elle s’infiltre dans le sol (ce qui forme les nappes phréatiques qui sont d’importantes ressources en eau pour l’Homme tant qu’elles ne sont pas polluées). L’eau retourne ensuite dans les mers ou dans les océans. Cependant, le cycle subit l’action des hommes qui accélèrent l’évaporation en irriguant ou construisant des barrages, ils prélèvent, utilisent et rejettent l’eau selon leurs besoins. (www.cieau.com)

L’eau est présente sous trois états différents sur Terre : liquide, solide ou gazeux. Le passage de l’état liquide à l’état gazeux s’appelle la vaporisation, de l’état gazeux à l’état solide est la condensation, de l’état liquide à l’état solide est la solidification alors que celui de l’état solide à l’état liquide est la fusion. Enfin, le passage de l’état solide à l’état gazeux est la sublimation et celui de l’état liquide à l’état gazeux est la liquéfaction.

Un solide peut être saisi à la main, il possède une forme et un volume défini alors qu'un liquide ne peut pas être saisi car il ne possède pas de forme propre. En effet, il prend la forme du récipient dans lequel on le verse, sa surface est plane et horizontale. Enfin, un gaz occupe tout l’espace qui lui est offert en changeant de forme et de volume, on ne peut pas le saisir. (Cours­leau­dans­lenvironnement.pdf)

Figure 1 : Résumé sous forme de schéma des différents états de l’eau (assistancescolaire.com)

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Figure 2 : Le cycle de l’eau (ecomet.fr)

1.2. Le traitement de l'eau Pour continuer en approfondissant, nous allons étudier le traitement de l'eau.

Actuellement les eaux usées des habitations sont envoyées dans le tout­à­l’égout pour ensuite être traitées par une station d’épuration. En revanche les habitations qui ne sont pas reliées utilisent un système individuel comme la fosse septique ou la phytoépuration par exemple. Les eaux de l’industrie sont dépolluées en interne puis envoyées dans le tout­à­l’égout, les installations agricoles, quant à elles, ne sont pas reliées au tout­à­l'égout.

1.2.1. Tout à l'égout, station d'épuration Tout d'abord le tout­à­l’égout est le réseau communal d’assainissement. Il collecte

toutes les eaux usées et établit le lien entre l’habitation et la station d’épuration de la ville. D’après l’article L1331­1 du Code de la santé publique, “le tout­à­l’égout est obligatoire dans un délai de deux ans, à partir de la mise en service du réseau public de collecte, si le réseau d’égout est établi sous la voie publique et si l’habitation concernée a accès à cette voie publique, soit directement soit par l’intermédiaire de voies privées ou des servitudes de passage.” (http://www.legifrance.gouv.fr)

Ensuite, une fois que les eaux usées sont passées par le tout­à­l’égout, elles vont se déverser dans la station d’épuration. La station d’épuration va ensuite traiter les eaux usées pour qu’elles deviennent propres. Pour cela il existe un enchaînement de procédés qui vont purifier l’eau petit à petit. Deux principales opérations sont effectuées pour le traitement de l’eau. La première opération est le passage de l’eau par le pré­traitement et le traitement primaire. Ce traitement est séparé en quatre étapes. Pour commencer, il y a le dégrillage où les gros déchets sont arrêtés (papiers, plastiques…) par un dégrilleur et sont envoyés en décharge. Ensuite, le dessablage permet de retenir le sable et la terre qui auraient pu par la suite endommager la pompe ou se déposer dans les autres bassins. Ils peuvent être enlevés parce qu’ils se déposent dans le fond de ce bassin (principe de décantation). La boue enlevée ici va être traitée par la suite. Puis le dégraissage permet d’enlever les graisses et les huiles. Elles peuvent être enlevées car elles remontent à la surface grâce à des bulles d’air envoyées. Un raclage en surface est alors réalisé pour les supprimer. Pour finir, la décantation primaire a lieu. Les matières en suspension se déposent au fond du bassin sous

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forme de boues, ces boues sont récupérées par simple pompage du fond du bassin. Une étape de coagulation­floculation est ajouté au processus pour que la matière non décantable soit décantable. Après ajout de floculant et de coagulant, des flocs se forment et deviennent décantable. (http://www.eaurmc.fr et http://www.capcalaisis.fr)

Figure 3 : Schéma du pré­traitement d'une station d'épuration (http://www.capcalaisis.fr)

La deuxième opération est le traitement secondaire. Cette opération consiste à

éliminer principalement le carbone, l’azote et le phosphore présents dans l’eau. Pour réaliser cette opération, il existe deux types de traitements : le traitement biologique et le traitement physico­chimique. Le traitement biologique est utilisé pour transformer les matières organiques (biodégradables): l’eau arrive dans un bassin d’aération où des micro­organismes se développent. Ils utilisent la matière organique et le dioxygène de l’air apporté pour se développer et dégrader la partie carbonée. Après cette étape, l’eau passe dans un bassin de dénitrification (bactéries anaérobie) et de nitrification (bactéries aérobie). Ici, l’azote est dégradé. La dernière étape du traitement biologique est la déphosphatation. Les bactéries présentes dans ce bassin vont subir des cycles d’aérobiose et d’anaérobiose. L'alternance de ces deux phases permet de faire stocker le phosphore dans les bactéries et donc de l’éliminer. La décantation secondaire ou clarification commence à ce moment. Les matières polluantes issues de la dégradation des micro­organismes sont recueillies sous forme de boue. A la fin de la clarification, des traitements physico­chimiques peuvent avoir lieu. (http://ecoledeleau.eau­artois­picardie.fr)

Ces traitements permettent de transformer voire supprimer les polluants non biodégradables et les éléments toxiques. Il existe plusieurs méthodes pour transformer les matières non organiques. Comme dit précédemment, la floculation est utilisée pour accélérer et compléter la décantation des matières en suspension. L'oxydation et la réduction chimique peuvent également être utilisées. Elles transforment certains polluants en substances non toxiques. La dernière technique la plus courante pour les traitements physico­chimiques est l'osmose inverse. C'est une filtration qui concentre les matières polluantes. Tous les éléments qui sont récupérés lors de ces traitements forment des boues. Maintenant l'eau a perdu de 80 à 90% de ses impuretés. Elle est ensuite soumise à des analyses et des contrôles pour pouvoir être rejetée dans la rivière. Si cette eau est propre, elle n'est cependant pas potable. Le peu de pollution restant dans l'eau est réabsorbé grâce à l'épuration naturelle. (http://ecoledeleau.eau­artois­picardie.fr)

Enfin, les boues produites lors de l'épuration de l'eau sont traitées. En moyenne, deux litres de boues par habitant et par jour sont produits par la station. Ces boues

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proviennent de la décantation (boues dites primaires), du traitement biologique et de la clarification. Il existe quatre types de boues. D'abord, les boues dites primaires proviennent de la décantation des matières en suspension lors du traitement primaire. Ensuite, les boues secondaires proviennent du dessablage et du dégraissage. Puis, les boues appelées « mixtes » rassemblent les boues primaires et secondaires. Elles reçoivent un traitement de stabilisation biologique. Pour finir, comme indique leur nom, les boues physico­chimiques proviennent des traitements physico­chimiques. La plupart du temps, ces boues sont utilisées comme engrais. Comme l'eau, les boues sont contrôlées pour observer l'efficacité du traitement et pour pouvoir être valorisées. (http://www.eaurmc.fr et http://www.capcalaisis.fr)

Figure 4 : Schéma du fonctionnement d'une station d'épuration (http://www.capcalaisis.fr)

1.2.2. Fosse septique

La fosse septique sert essentiellement à un pré­traitement des eaux usées avant que celles­ci soient traitées puis rejetées dans la nature. La fosse septique est un élément destiné à recevoir les eaux usées (eaux ménagères et eaux vannes). Elle fait partie d’une installation d’assainissement individuelle. La fosse septique est accompagnée d'un système de traitement. Il est cependant nécessaire de distinguer la fosse septique « eaux vannes » de la fosse septique « toutes eaux ». La fosse septique « eaux vannes » récupère uniquement les eaux provenant des sanitaires. La fosse septique « toutes eaux » récupère l’ensemble des eaux usées (les eaux vannes et les eaux ménagères). Certains systèmes présentent en plus un bac à graisse où seules les eaux ménagères peuvent circuler. (ComprendreChoisir.com/ Futura Sciences.com)

La fosse septique en elle­même est composée d’une cuve souvent en béton. Les eaux usées arrivent par un tuyau dans la cuve et ressortent à l’autre bout afin d’être envoyées pour un traitement plus poussé. Il existe différentes variantes de la fosse septique, en effet, certaines contiennent plusieurs compartiments dans la cuve, d’autres sont plus volumineuses ou bien certaines possèdent un système de ventilation. Tous ces paramètres dépendent de la quantité de déchets produits par jour, du prix de la fosse, de sa capacité, etc... (ComprendreChoisir.com)

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Figure 5 : Schéma d'une fosse septique

(Bougepourtaplanète.fr)

Les eaux provenant de la maison subissent différents processus afin de les traiter. Pour expliquer le fonctionnement de la fosse septique, nous choisissons de prendre l’exemple d’une fosse « toutes eaux » à deux compartiments, possédant un système de ventilation. Tout d'abord, dans le premier compartiment les eaux usées arrivent via un tuyau. Les matières solides tombent au fond de la cuve et subissent une fermentation basique ce qui produit des gaz (gaz carbonique, d’hydrogène et sulfureux, gaz de méthane). A la surface de la cuve, des bulles emmènent les particules de graisse qui aboutissent à la formation d’une croûte nommée « chapeau ». Afin d’éviter un surplus de matières solides dans la cuve, celle­ci doit être vidangée régulièrement. (ComprendreChoisir.com)

Ensuite, une fois cela terminé, le deuxième compartiment reçoit l’eau plus propre, qui ne contient que quelques résidus de graisse et de matières décantables. Ces eaux partent alors dans un tuyau de la fosse. La fosse septique ne permet de réaliser qu’un pré­traitement et ne peut en aucun cas éliminer la pollution, les mauvaises bactéries, etc. (ComprendreChoisir.com)

Enfin, après l’évacuation de la fosse, les eaux sont dirigées vers un système de traitement (tranchée de drainage, filtres bactériens, lits filtrants …) afin qu’ait lieu un traitement plus poussé. Ces systèmes annexes sont généralement obligatoires. (ComprendreChoisir.com)

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Figure 6 : Schémas du principe de la fosse septique, suivi d’un système de traitement par tranchée

de drainage (oiseau.fr)

1.2.3. Eau de pluie, phytoépuration Eau de pluie Tout d'abord l'eau de pluie provient du ruissellement des toitures, des terrasses, des

routes, etc. Le plus souvent, l'eau de pluie est rejetée directement dans la nature sans aucun traitement. Cette eau n'est pas propre comme nous pouvons le penser. Elle a de nombreux résidus, source de pollution comme les rejets des véhicules, les déchets jetés, les produits provenant des lavages des véhicules, les produits phytosanitaires et les engrais provenant du lessivage des parcelles agricoles. Les eaux pluviales sont contrôlées par les communes. Le rejet pluvial en milieu urbain est contrôlé sur le plan quantitatif et qualitatif. Tout rejet d'eau polluée est sanctionné par le Code de l'environnement. La gestion des eaux pluviales permet la protection de l'environnement et la sécurité afin d’éviter les inondations. (ADDRN, 2008)

Ensuite, la récupération d'eau de pluie a plusieurs objectifs. Cette récupération a pour but d'économiser et de sécuriser l'alimentation en eau potable. Elle a également pour objectif de satisfaire l'usage de l'eau de manière raisonnée et de sensibiliser les personnes sur les économies d'eau. Le principe de récupération d'eau de pluie est simple. Lorsqu'il pleut, l'eau tombe sur la toiture et va ensuite tomber dans la gouttière. La gouttière va ensuite transporter l'eau dans une citerne (n°1 sur le schéma ci­dessous). Puis, l'eau est filtrée grâce à un filtre situé avant le collecteur. Le développement de la vase et les débris vont donc être éliminés (n°2). Lorsque la citerne est pleine, l'eau va être envoyée vers le réseau d'eaux pluviales (n°3). Enfin, une pompe appelée groupe hydrophore va pomper l'eau et l'envoyer dans les conduits d'eau de la maison (exemple : les sanitaires) (n°4). Cependant, il est possible d'utiliser ce principe seulement si une déclaration a été faite à la DDASS (Direction Départementale des Affaires Sanitaires et Sociales). L'eau doit être potable et doit donc être envoyée régulièrement au laboratoire départemental. (CABRIT­LECLERC Sandrine, 2005) Un crédit d'impôt de 25% est mis en place pour les personnes ayant installé un récupérateur d'eau de pluie (loi du 30 décembre 2006).(ADDRN, 2008)

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Figure 7 : Schéma du fonctionnement de récupération d'eau de pluie (CABRIT­LECLERC Sandrine, 2005)

Phytoépuration Si une habitation n'est pas reliée au tout­à­l’égout, la phytoépuration est une

solution pour traiter les eaux usées. C'est une technique d'épuration d'eau. Elle est utilisée comme assainissement autonome individuel. C'est­à­dire qu'un système d'épuration est utilisable par une seule habitation, contrairement à la station d'épuration. Sa mise en place n’est possible seulement qu’après dérogation La phytoépuration reproduit les mécanismes des écosystèmes naturels grâce à des zones humides artificielles. Ce système utilise les bactéries présentes dans les racines des plantes pour épurer l'eau. Les bactéries vont décomposer les matières organiques polluantes en matières minérales assimilables par les plantes. Les plantes vont fournir de l'oxygène aux bactéries grâce à leurs racines. Il existe différents systèmes de phytoépuration. Le système pour les habitations utilisant les toilettes sèches possèdent un seul filtre avec un écoulement vertical. Le système double filtre vertical possède deux filtres verticaux. Ce système est utilisé pour de grandes installations. Le système pour les toilettes avec eau est composé de deux bassins. Le premier bassin comporte un filtre « vertical » alors que le deuxième bassin comporte un filtre « horizontal ». (http://www.hydrorestore.fr)

Dans un premier temps, le filtre « vertical » est constitué d'une superposition de couches successives de granulats. Les gros granulats sont déposés au fond puis plus nous montons à la surface, plus les granulats sont fins. Un drain est également déposé au fond de ce bassin pour que l'écoulement vertical ait lieu. Le filtre « vertical » permet la filtration des matières au travers des graviers et des racines. Il permet le stockage d'une partie des matières solides en suspension dans les eaux usées. C'est le pré­traitement ou traitement physique. Il permet également la dégradation biologique d'une partie des matières dissoutes en éléments simples solubles dans l'eau. Les plantes (principalement des roseaux) se

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nourrissent de ces éléments. C'est le traitement biologique. Cette dégradation est effectuée par les bactéries présentes dans ce bassin. Enfin, il contient des roseaux pour favoriser le développement des bactéries qui se fixent aux racines. Les tiges et les racines permettent de percer la couche de dépôt. Cela évite le colmatage et créé des « ouvertures » pour le maintien de conditions aérobies. Le vent qui agite les tiges va fissurer la couche superficielle donc les matières organiques restées coincées en surface vont se décomposer. (http://www.hydrorestore.fr)

Dans un deuxième temps le deuxième bassin comporte un filtre « horizontal ». À la sortie de ce filtre un gabion (un casier rempli de pierre) avec des gros graviers est placé. Un tuyau s'élève à la vertical pour permettre l'écoulement horizontal et pour régler la hauteur d'eau dans le filtre. Ce tuyau est également placé à la sortie. Le reste du bassin est composé de gravier de taille moyenne. Le traitement biologique commence dans le premier bassin et se termine dans ce bassin. Ce filtre permet également la réduction du nitrate en azote gazeux, moins toxique grâce aux bactéries. Ce filtre est aéré uniquement par l'action des racines et par la diffusion gazeuse dans la partie superficielle non saturée. Donc l'oxygène est inégalement réparti et est présent en faible quantité. Cela entraîne la formation de zones anaérobies, aérobies et aéro­anaérobies. Ceci favorise les mécanismes biochimiques de dégradation de la matière organique et azotée. La faible quantité d'oxygène limite la croissance des bactéries et donc limite la dégradation du carbone et de l'oxydation des matières azotées. Cependant, les mécanismes aéro­anaérobies et anaérobies contribuent à la transformation des formes réduites de l'azote. Contrairement au premier bassin, les plantes peuvent être plus variées. Les racines de ces plantes servent à aérer le bassin et les plantes ont un rôle esthétique. (http://www.hydrorestore.fr)

Figure 8 : Schéma explicatif du fonctionnement du système pour les toilettes avec eau (aggraconcept.com)

Pour finir, l'eau ressortie de ces différents systèmes possède une qualité d'eau de

baignade. La phytoépuration est économe en énergie et en entretien. Le système ne nécessite pas de machine électrique (sauf si le terrain est en pente). Son entretien est très simple : enlever la couche en surface une fois tout les 10 ans, couper les parties aériennes

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des plantes une fois par an. Les roseaux permettent une épuration toute l'année. Il faut une surface entre 2 et 3 m² par personne. (CABRIT­LECLERC Sandrine, 2005)

2. État des lieux Après avoir étudié le programme des cinquièmes sur le thème de l’eau dans

l’environnement avec une ouverture sur le traitement de l’eau, nous nous sommes concentrés sur les activités réalisées dans le cadre de leur programme. C’est pourquoi, nous proposons d’autres activités pour leur permettre d’aborder certaines notions avec un angle différent. Dans cette partie, nous présentons tout d’abord les activités réalisées dans le cadre du programme ainsi que les activités réalisées spécifiquement au collège Herriot. En seconde partie seront présentées toutes les activités que nous souhaitions et que nous avons réalisées durant nos interventions.

2.1. Les activités réalisées dans le programme de cinquième Certaines activités sont déjà réalisées en classe dans le programme de cinquième,

notamment l’expérience avec le sulfate de cuivre anhydre qui est très pratiquée. D’autres expériences peuvent être faites dans le cadre du cycle de l’eau, comme des activités documentaires. Programme de physique Chimie de Cinquième sur l’eau dans l’environnement (Cf Annexe 4)

2.1.1. Le sulfate de cuivre anhydre Le sulfate de cuivre anhydre est une expérience permettant aux élèves de cinquième

de reconnaître la présence d’eau dans certains composés. Le sulfate de cuivre anhydre est une poudre blanche qui, comme son nom l’indique, est sans aucune molécule d’eau. C’est donc lorsqu’elle est en contact avec des molécules d’eau qu’elle s’hydrate et devient bleue grâce à la présence des ions cuivres (Cu2+). Cette expérience peut faire réfléchir en amont à la présence d’eau dans certains composés et de montrer aux élèves l’importance de la présence d’eau ou non (exemple : l’huile) dans ce que nous consommons au quotidien. L’expérience peut se faire avec des éléments liquides comme l’eau (qui servira de témoin) l’huile ou encore le liquide vaisselle. Elle peut également montrer la présence de l’eau dans tout ce qui est élément solide comme les pommes de terre ou les pommes.

Pour réaliser cette expérience en classe, il faut prendre des précautions. En effet, le sulfate de cuivre est nocif, irritant et dangereux pour l’environnement. C’est pour cela qu’il faut le manipuler avec des gants ainsi que des lunettes pour éviter tout contact avec la peau. De plus, de petites quantités sont nécessaires pour montrer la présence d’eau dans les aliments par le fort changement de couleur de la poudre, il ne faut donc pas en prendre beaucoup pour ne pas en gâcher et ne pas polluer l’environnement.

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Figure 9 : Le matériel nécessaire à l’expérience

Figure 10 : Expérience avec du liquide vaisselle

(http://www.clg­leparc­st­ouen.ac­versailles.fr/spip.php?article593)

Figure 11 : Expérience avec une pomme de terre

(http://www.clg­leparc­st­ouen.ac­versailles.fr/spip.php?article593)

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2.1.2. Les états de l’eau

Plusieurs activités sont réalisées sur les différents états de l’eau. Tout d’abord il peut y avoir des activités sous forme de questions ­ réponses à partir d’un document. Par exemple, pour une approche sur la répartition de l’eau sur terre, il est préférable de faire une étude documentaire plutôt qu’une activité manuelle qui serait compliquée à réaliser. Ces questions seraient portées sur la répartition de l’eau douce ou de l’eau salée. Elles seraient appuyées de quelques définitions comme par exemple celle de l’hydrosphère.

Nous pouvons aborder les différents états de l’eau par des panneaux ou par des documents visuels. Par exemple, pour le cycle de l’eau (cf image ci dessous) les élèves peuvent placer différents mots tels que : évaporation, solidification, liquéfaction directement sur le schéma. Cette méthode permet de mieux visualiser où et comment se passent ces différentes transformations sur Terre.

Figure 12 : Le cycle de l’eau (cieau.com, 2013)

D’autres activités sont proposées aux cinquièmes sur les différents états de l’eau.

Ces activités sont des activités manuelles. Généralement elles sont portées sur les états physiques de l’eau. En effet, une des activités est de prendre un élément solide (glaçon) dans deux récipients différents. L’élève remarque que l’objet a toujours la même forme quel que soit le récipient qu’il utilise. Dans ces mêmes récipients, il introduit de l’eau liquide et l’élève remarque donc l’inverse : l’élément liquide prend la forme du récipient qui le contient.

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Figure 13 : Expérience avec l’eau liquide (ilephysique.net) Maintenant, pour percevoir la forme d’un gaz, une activité consiste à faire bouillir

de l’eau dans un récipient et fermer le récipient avec un gant ou un ballon de baudruche. Grâce à la vapeur d’eau le ballon ou le gant vont se gonfler. L’élève peut alors se rendre compte que la vapeur d’eau (le gaz) se déplace pour aller dans le gant/ballon. Ce gaz est donc invisible et il occupe tout l’espace qui lui est offert.

2.1.3. Les activités réalisées au collège Herriot Durant l’année scolaire, les élèves de cinquièmes ont réalisés quelques expériences

sur le thème de l’eau dans l’environnement avec leur professeur de physique­chimie : Expérience n°1 : “Toutes les boissons contiennent­elles de l'eau ?”. Il s’agit du test avec le sulfate de cuivre anhydre dont nous avons parler ci­dessus. Lors de cette expérience, les élèves devront tester le sulfate de cuivre sur différents liquides comme de l’huile ou des sodas. Expérience n°2 : “Étude des changements d'état de l'eau, évolution de la température au cours des changements d'état”. Cette expérience permet aux élèves d’aborder les notions d’états de l’eau à travers une expérience sur la solidification et une autre sur l’ébullition. Le graphique illustrant les différents états de l’eau accompagne le cours pour comprendre les changements physiques. Expérience n°3 : “Masse et volume”. L’objectif de cette expérience est de déterminer quelle masse fait un litre d’eau. Expérience n°4 : “Méthodes de séparation des constituants d'un mélange hétérogène”. Cette expérience permet d’illustrer les notions de décantation et filtration. Elle est étroitement liée avec celle que nous allons proposer et permettra d’aborder en amont les notions de filtration dont nous parlerons lors de l’intervention. Lors de cette expérience, les élèves fabriquent de l’eau de chaux. Expérience n°5 : “Méthodes de séparation des constituants d'un mélange homogène”. Cette expérience permet d’illustrer les notions de distillation et de chromatographie. Pour cela, les élèves effectuent une chromatographie de colorants alimentaires avec des smarties. A travers cette expérience, les élèves comprennent qu’un mélange qui semble homogène (ex : une couleur verte d’un smarties) est en réalité composé de plusieurs composés (ex : la couleur verte du smarties provient du jaune et du bleu qui sont deux composés différents). Expérience n°6 : “Dégazage d'une eau pétillante et identification du CO2 avec l'eau de chaux”. Lors de cette expérience, les élèves font dégazer une bouteille de boisson gazeuse,

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ils récupèrent le gaz (pour cela ils utilisent différents moyens). Ils versent ensuite de l’eau de chaux dans le gaz récupéré. Si jamais le gaz contient du CO2, l’eau de chaux forme de fines particules blanches : elle devient trouble.

2.2. Les activités que nous souhaitions réaliser Lors du troisième semestre, nous avons chercher différentes activités a réaliser pour

les cinquièmes afin de les aider dans la compréhension du programme. Nous en avons trouvés trois, une expérience sur la filtration, une sur la floculation (celle­ci est davantage une expérience complémentaire), et une sur le principe d’évaporation­condensation. Pour aider à la compréhension de ces différentes activités, nous avons aussi eu l’idée de réaliser des panneaux explicatifs.

2.2.1. Filtration et gamme étalon Principe : La filtration sert à séparer un mélange hétérogène entre un liquide et un

solide. Le principe de la séparation repose sur la porosité du ou des filtres et sur la grosseur des particules. La porosité est le pourcentage du volume de vide par rapport au volume total. Les vides sont appelés pores. Plus les pores sont grands, plus les éléments peuvent passer. À l’inverse, plus les pores sont petits, plus les particules vont être retenues. La porosité est choisie suivant la taille des particules que nous souhaitons séparer de la solution. Lorsque nous voulons mettre plusieurs filtres à la suite pour pouvoir séparer des particules de tailles différentes, il faut que l’eau passe d’abord dans un matériau composé de pores de grandes tailles sinon le filtre sera colmaté. Le dernier filtre qui sera traversé par l’eau aura donc des pores plus petits que le premier. Les grosses particules (exemple : les débris végétaux) vont être éliminées en premier. Si le filtre a des pores plus petits que la taille des plus petites particules alors l’eau sera filtrée et sera homogène (sans particules). La solution qui a été filtrée est appelée le filtrat. Les particules retenues sont appelées résidus.

Figure 14 : Schéma de la porosité

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Figure 15 : Schéma de la filtration http://physique.buil.pagesperso­orange.fr

Expérience: Il faut commencer par faire une eau sale en y mettant de la terre, du

sable, des débris végétaux et des cailloux. Ensuite, un filtre global est réalisé. Ce filtre est composé d’un filtre à café, du sable de Fontainebleau (très fin), du coton et du gravier. L’eau préparée est filtrée. Les débris végétaux et les cailloux vont être arrêtés par le premier filtre qui est du gravier. En effet, ce filtre a des pores de grande taille donc la terre et le sable ne vont pas être arrêtés. Les autres filtres présents dans le filtre global vont permettre une meilleure filtration. A la sortie du filtre global, l’eau va être plus claire. L’eau est filtrée une deuxième fois pour améliorer la qualité. Ensuite, plusieurs filtres seront testés séparément. Il y a un filtre de sable de Fontainebleau, un filtre en coton, un filtre à café et un filtre à micropores. Suivant le filtre utilisé, l’eau sera donc plus ou moins limpide. L’eau provenant du filtre à micropores sera la mieux filtrée et sera la plus claire. On peut donc penser que l’eau est “propre”. Pour démontrer le contraire, l’expérience suivante peut être réalisée.

Figure 16 : Photo des différents filtres utilisés et résultats

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Gamme étalon La gamme étalon sert pour déterminer la concentration massique de fer présente

dans l’eau à analyser. Les concentrations en fer des solutions (gamme étalon et eau à analyser) doivent être comprises entre 0.01 et 5 mg/l. Pour les concentrations plus élevées, il est nécessaire d’effectuer une dilution. De plus, l’eau à analyser doit être limpide pour ne pas fausser la coloration. Si l’eau est colorée, une filtration sur Büchner sera nécessaire afin de la rendre limpide.

Pour réaliser cette gamme étalon, il faut mélanger plusieurs réactifs. Il faut commencer par mettre un volume variable (mais connu) d’une solution de fer (sel de Mohr) a une concentration connue dans différents tubes à essais. Les tubes sont ensuite complétés avec de l’eau distillée pour avoir un volume total de 10 ml. Puis la concentration massique en fer est calculée pour chaque tube à essai. Ensuite, il est nécessaire de rajouter une solution de chlorure d’hydroxylamine. Cette solution permet de réduire le fer III présent notamment dans l’eau filtrée en fer II. L’ajout d’une solution tampon va imposer un certain pH. Ce pH va permettre à la réaction entre la phénanthroline et le fer d’avoir lieu. Pour finir, une solution de phénanthroline doit être introduite. Elle forme un complexe rouge orangé avec le fer II. Plus le fer II est en grande quantité, plus le complexe va être important donc plus l’intensité de la coloration va être importante. La gamme de solution obtenue va avoir une coloration de plus en plus élevée. La même chose est réalisée pour l’eau la plus limpide (celle filtrée avec le filtre à micropores). La coloration de cette eau peut être comparée avec la gamme étalon pour avoir une idée de sa concentration en fer en mg/l. Pour une concentration plus précise en fer, il faut déterminer l’absorbance de chaque tube à essai (même celui de l’eau à analyser), puis tracer la droite étalon. Il suffit juste ensuite de reporter l’absorbance de l’eau à analyser sur la droite étalon pour trouver sa concentration en fer en mg/l.

Figure 17 : Gamme étalon de fer http://www.col­ill­illfurth.ac­strasbourg.fr

Il est donc maintenant possible de se rendre compte qu’une eau limpide peut être polluée et donc qu’elle n’est pas forcément potable.

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2.2.2. Floculation

La floculation est un processus chimique durant lequel des particules en suspension s’agglomèrent. Cela permet de former des particules plus grosses nommées “flocs”. Ces flocs, grâce à l’augmentation de leur densité sédimentent plus vite que les premières particules et sont plus facilement visibles à l’oeil nu. C’est d’ailleurs pour cette raison que nous avons décidé de montrer aux élèves de cinquième cette expérience. En effet, ils vont pouvoir comprendre que des particules invisibles peuvent être extraites d’une eau par ce système, en les agglomérant pour pouvoir les retirer par la suite. Par exemple, dans une station d’épuration, les particules pourront être séparées de l’eau par dépôt au fond des bassins. Sinon, elles resteront bloquées dans un tamis et pourront aussi être séparées de l’eau. Il existe deux types de floculation:

­ la floculation cationique Des particules chargées positivement se fixent à des particules chargées

négativement (la plupart du temps de l’argile). L’idéal, c’est lorsque un cation a plusieurs charges car cela lui permet de se lier à plusieurs particules négatives et ainsi former de plus gros complexes.

Figure 18 : Schémas explicatifs de la floculation

­ la floculation sur polymère

C’est une méthode qui fonctionne avec un floculant chimique. Celui­ci va capter les particules pour ensuite s’enrouler sur lui­même et créer un floc.

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Figure 19 : Schéma explicatif de la floculation sur polymère

Nous sommes conscient que ce processus peut être difficile à comprendre pour des

cinquièmes. C’est pour cela que nous allons réaliser des panneaux pour faciliter leur compréhension (cf partie 2.2.4). Nous leur expliquerons aussi que seulement le type de floculation cationique est présent dans la nature. En ce qui concerne l’expérience, nous allons dans un premier temps leur montrer une eau d’apparence trouble (à cause de l’argile présente). Ensuite, une solution de floculant sera ajouté dans cet échantillon (donc dans le cas de la floculation sur polymère). Ainsi, des petits flocs d’argile vont se former pour ensuite s’agglomérer et sédimenter au fond. Les élèves pourront alors observer que la couleur de l’eau provenait des particules d’argile jusque alors invisibles. Nous ferons alors le rapprochement avec les polluants présents dans l’eau en leur expliquant qu’ils peuvent ainsi être traités séparément.

2.2.3. Évaporation et condensation Nous souhaiterions réaliser une expérience liée aux différents états physiques de

l'eau : solide, liquide, gazeux. Cette animation pourra intégrer les notions de cycle de l'eau, d'ions, de solubilité et illustrer les différents passages d'un état vers un autre que nous avons expliqué dans la partie I de notre projet tuteuré. Après différentes recherches, nous avons essayer de réaliser une activité sur l'évaporation et la condensation de l'eau. Mise en place de l'expérience : on prend deux récipients de taille différente. On installe le grand récipient sur une plaque chauffante. Dans le grand récipient, on met du sucre et du sel en quantité suffisante de façon à ce qu'une couche se forme sur le fond, on verse dessus de l'eau (le sel et le sucre doivent être dissous en totalité de façon à être invisible). On dispose au centre un petit récipient dans le grand. Cependant, il doit être suffisamment lourd pour ne pas flotter avec l'eau. On étale au dessus du grand récipient, un papier cellophane, avec une pierre posée au dessus du petit récipient pour former une pente. Principe : l'eau salée et sucrée contenue dans le grand récipient va s'évaporer grâce à la chaleur procurée par la plaque chauffante, cependant, les ions ne s'évaporent pas. L'eau

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arrive sur le papier cellophane et se condense. Avec la pente procurée par la pierre, l'eau va doucement couler le long du cellophane et tomber au goutte à goutte dans le petit récipient situé au centre du grand. Après un certain temps d'attente, toute l'eau se sera évaporée et sera retombée. Résultats : Dans le grand récipient, l'eau est partie mais pas les ions, on doit retrouver la couche de sel et de sucre au fond. Dans le petit récipient, l'eau issue de l'évaporation et de la condensation ne doit plus être ni salée, ni sucrée. Après expérimentation, nous n'allons pas réaliser cette animation. En effet, l'évaporation de la totalité de l'eau prend beaucoup trop de temps alors que nous avons seulement une heure pour tout faire.

Figure 20 : Principe de l’expérience évaporation ­ condensation

2.2.4. Panneaux explicatifs Afin d’expliquer aux élèves de cinquièmes les différentes notions liées aux activités

proposées, nous avons réalisé des panneaux explicatifs sur la filtration et la floculation. Ces panneaux seront interactifs et les élèves pourront venir les compléter au tableau afin de mieux les assimiler (avant de réaliser l’expérience). Pour l’activité sur la floculation, plusieurs panneaux sont fabriqués (ils sont présentés dans la partie 2.2.2. Floculation) Pour l’activité sur la filtration, deux panneaux sont fabriqués :

­ Panneau explicatif du principe de porosité

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Figure 21 : Schéma explicatif du principe de porosité

­ Panneau explicatif d’un filtre :

Figure 22 : Schéma explicatif d’un filtre

2.2.5. Autres idées d’activités En lien avec la première partie, des activités diverses et variées ont été imaginées

en plus de celles présentées précédemment. Elles permettront de compléter l’intervention ou bien de remplacer les activités qui n’auront pas été appréciées. Ces activités comprennent aussi celles qui ont été abandonnées, principalement pour cause de moyens.

Le charbon actif : Ce projet repose sur la capacité qu’a le charbon actif à adsorber les molécules

organoleptiques (les odeurs notamment) : les élèves sentiront une eau contenant du parfum de fleur d'oranger, ensuite ils vont la filtrer grâce au charbon actif, ils constateront que l’odeur aura disparu. Ce projet n’a pas pu aboutir, car le charbon actif est trop cher pour la quantité nécessaire.

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La maquette d’une station d’épuration : Lors de la journée de l’environnement de 2015 à la Faute sur Mer (sur la plage des

chardons), un professionnel de Vendée Eau a présenté une maquette d’une station d’épuration (allant de la maison jusqu’à la rivière, en passant par la station) à des écoles primaires. Grâce à une pompe, il montrait par où l’eau passe, tout en expliquant chaque étape de son traitement. Cette activité nous a émis l’idée de réaliser une maquette pour expliquer de façon simple aux élèves le chemin effectué par l’eau. Cependant, après réflexion, cela paraissait trop long (et peut­être trop compliqué) à réaliser mais aussi à présenter aux élèves dans le temps qui nous était attribué. Après quelques recherches, ils s’est avéré que la maquette pouvait être empruntée à Vendée eau après réservation.

Figure 23 : Photo de la maquette d’une station d’épuration Cette maquette aurai pu servir d’introduction à l’intervention, permettant aux enfants de visualiser concrètement le trajet de l’eau jusqu’à son traitement mais comme expliqué auparavant, nous ne disposions pas d’assez de temps.

3. Les activités réalisées Après avoir réalisé nos interventions au collège Herriot, nous allons expliquer les

séances réalisées auprès des cinquièmes. Grâce aux enquêtes, cela nous a permis de connaître le ressenti des professeurs ainsi que celui des élèves qui nous permettent d’améliorer certains points pouvant être négatifs. De plus, nous avons réalisé des fiches pédagogiques pour permettre aux professeurs de recommencer nos activités avec leurs élèves.

3.1. Les fiches pédagogiques Nous avons réalisé une fiche pédagogique pour chaque activité que nous avons

proposée aux élèves : la première sur la filtration et la gamme étalon “eau propre, eau sale” et la deuxième sur la floculation. Ces fiches pédagogiques sont destinées aux professeurs

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de cinquième afin qu’ils puissent refaire les activités par eux­mêmes. (cf Annexe 1 et Annexe 2)

3.2. Réalisation des activités Nos trois interventions auprès de trois classes d’élèves de cinquième se sont

déroulées au collège Herriot et ont eu lieu : le lundi 11 janvier à 8 h 30 en présence de Madame Gwenaelle LEMOINE,

professeur de Physique Chimie le lundi 18 janvier à 10 h 30 en présence de Madame Gwenaelle LEMOINE le lundi 18 janvier à 15 h en présence de Madame Florence GEFFROY, professeur

de Physique Chimie La durée de l’intervention était d’environ 1 h 30 avec 30 minutes de préparation au préalable des paillasses et du matériel. Chaque classe (environ 30 élèves) était découpée en huit groupes de trois ou quatre élèves. Déroulement de l’intervention : Les élèves, encadrés par leur professeur se sont installés par petit groupe autour des paillasses. Nous avons présenté les membres du groupe, notre formation. Nous avons ensuite posé quelques questions aux élèves : “Savez vous sur Terre, quel est le pourcentage de l’eau douce par rapport à l’eau salée ?” puis, “savez vous si on peut boire cette eau douce ?”. Cette dernière question à permis d’ouvrir la séance sur la nécessité de traiter l’eau et donc de la filtrer afin de pouvoir la boire. Activité n° 1 : Filtration et gamme étalon “Eau sale, eau propre” En premier lieu, nous avons démarré la première expérience sur la filtration. Nous avons expliqué aux élèves qu’ils allaient devoir réaliser un filtre composé de sable, de graviers, de coton et de filtres à café afin de filtrer l’eau sale déposée sur leur paillasse. Mais avant cela, nous devions faire le schéma de la filtration ensemble afin d’avoir une base pour fabriquer le filtre. Grâce au panneau explicatif sur la filtration, les élèves sont venus déposés les étiquettes (sable, graviers, coton, filtres à café) sur le schéma du filtre disposé sur le tableau. Une fois toutes les étiquettes mises, nous avons demandé si quelqu’un voulait effectuer des changement (inverser deux étiquettes, changer complètement l’ordre, etc). Les élèves pouvaient alors revenir au tableau pour faire les modifications. A ce moment ci, nous avons alors expliqué le principe de porosité grâce au panneau explicatif afin de comparer les différences de porosité entre les différents matériaux utilisés. Juste après, nous leur avons montrer la correction du filtre à réaliser et donner les consignes pour la réalisation de leur propre filtre. En deuxième lieu, les élèves ont donc réaliser leur filtre par petit groupe dans des bouteilles en plastique en guise de support. Il ont mis ainsi, de haut en bas, le filtre à café, le sable, le coton puis le graviers. Une fois cela terminé, ils ont versé leur eau sale doucement dans le filtre. L’eau récupérée après filtration est ensuite filtrée une deuxième fois par les élèves. En attendant que les deux filtrations se fassent (car cela est long), nous leur avons donné un quizz avec des textes à trous sur le principe de filtration, ils ont pu compléter alors le premier paragraphe. Une fois le quizz terminé, nous avons fait la correction, un élève lisait ce qu’il avait écrit pour voir si c’était juste, et pour que tout le monde puisse prendre en note les réponses exactes.

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En troisième lieu, une fois la filtration globale terminée, nous avons expliqué aux élèves que chaque petit groupe allait devoir tester un filtre différent avec l’eau récupérée de la première filtration. Deux groupes ont testés le filtre à café seul, deux autres le coton seul, deux autres le sable puis les deux derniers groupes ont testés un filtre à 0,2 µm adapté sur une seringue. La filtration avec des filtres différents allait leur permettre de comparer leurs eaux et de savoir laquelle est la plus propre. Une fois cela terminé, nous avons expliqué à toute la classe comment fonctionnait le filtre de 0,2 µm. Les explications terminées, ils ont récupéré leur eau filtrée et ils l’ont mis dans un bécher pour le déposer sur la paillasse du professeur en fonction du type de filtre utilisé. Les élèves sont ensuite venu pour comparer les différentes eaux, et voir laquelle est la plus “propre”. A chaque intervention l’eau la plus propre était celle obtenue avec le filtre de 0,2 µm de pores (appelé seringue par les élèves).

Figure 24 : Comparaison des eaux obtenues par les élèves

En quatrième lieu, nous avons demandé aux élèves s’ils pensaient qu’on pouvait boire l’eau issue du filtre à micropores et pourquoi. Nous avons alors transféré cette eau dans un tube à essai en leur expliquant que avec l’ajout de réactifs, s’il y a présence de polluants alors l’eau sera colorée (les réactifs colorent les polluants). En effet, si l’eau revenait colorée rouge alors elle était polluée, sinon elle ne l’était pas. Un de nous a donc pris le tube a essai et est parti dans la réserve pour mettre les réactifs. En attendant, le reste du groupe a expliqué le principe de la gamme étalon, avec les différentes concentrations de polluants. La personne de notre groupe qui est allée mettre les réactifs est donc revenue avec une eau à moitié colorée et les élèves ont pu conclure que l’eau était polluée et donc non buvable. Nous leur avons expliqué que l’eau devait subir de nombreux traitements plus complexes par rapport à la simple filtration qu’ils avaient réalisée afin qu’elle arrive propre à notre robinet et qu’elle puisse être rejeté dans l’environnement. Suite à cela, les élèves ont pu compléter la dernière partie du quizz à trous qui portait davantage sur la gamme étalon. Après quelques minutes, nous avons fait la correction.

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Figure 25 : Comparaison de la pollution de l’eau issue du filtre à micropores avec différentes concentrations de polluants

Activité n°2 : Floculation Cette activité à été introduite par une question simple “Connaissez­vous une autre méthode pour enlever les particules d’une eau ?”. Les enfants ayant répondu la décantation, nous leur avons poser une nouvelle question “Est­il possible d’accélérer le processus de décantation?”. Suite à cela, nous avons abordé la floculation. Nous avons réalisé l’expérience sur la floculation en prenant deux béchers contenant de l’argile dont un avec du floculant. En attendant que les produits agissent, nous avons expliqué le principe de cette méthode grâce au panneau explicatif. Ensuite, nous avons pu leur montrer le résultat de l’ajout du floculant avec l’argile dans le bêcher. Ils ont pu observer que les particules avaient décanté dans le bécher contenant le floculant et non dans l’autre. Une fois l’explication terminée, nous leur avons donné un nouveau quizz sur la filtration pour voir ce qu’ils avaient retenu des expériences. Nous avons procédé à la correction de la même manière que pour le précédent quizz. Ils leur serviront de trace écrite sur leur classeur de cours. Pour terminer l’intervention nous avons fait passer une petite enquête aux élèves pour voir s’ils avaient compris les expériences, le vocabulaire, s’ils avaient aimé, etc. Ces enquêtes vont nous permettre d’avoir l’avis des élèves et des professeurs sur les activités.

3.3. Avis sur l'activité

3.3.1. Du point de vue du professeur Suite aux interventions, un questionnaire a été envoyé aux deux professeurs de

cinquième, pour avoir leur avis sur les interventions. Une seule réponse est revenue, celle de Gwénaëlle LEMOINE. (Enquète du professeur : Cf Annexe 3)

3.3.2. Du point de vue des élèves Avis des cinquièmes :

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Comment avez­vous trouvé les expériences ?

Très intéressantes Intéressantes Moyennement

intéressantes Pas du tout intéressantes

Classes ayant fait de la chimie (51) 22 28 1 0

Classe n'ayant pas fait de la chimie (26)

8 17 0 0

Exemples de commentaires :

Classe ayant fait de la chimie « Très bien avec un petit peu de comique et de sérieux » « Elles étaient bien, nous avons fait pleins de choses » « C'était cool, les intervenants étaient sympas » « Elles étaient très bien et très instructives » « Très bien, j'ai appris beaucoup de choses, c'était très bien expliqué et bien animé » « Je les ai trouvées bien car nous avons pas tous la même chose à faire, ça m'a beaucoup plu, j'aimerais bien le refaire » « Moi j'ai bien aimé, j'ai trouvé ça drôle et amusant et aussi très instructif » « Je trouve que les expériences étaient très instructives et divertissantes. J'ai beaucoup aimé » « J'ai trouvé ça ludique » « J'ai bien aimé faire les expériences. Cela change des cours » « J'ai trouvé que c'était bien expliqué » « J'ai trouvé les expériences intéressantes et intriguantes, je voulais toujours savoir la suite » Classe n'ayant pas fait de chimie « c'était bien car ça nous a fait faire des manipulations et donc un cours où on apprend les mêmes choses mais plus ludiquement » « Je les ai trouvé bien mais j’étais déçu de ne pas avoir eu la seringue pour filtrer car je trouvais ça plus rigolo » « Oui car on a pu apprendre des choses intéressantes, dont faire d'une eau sale une eau propre. C'était génial » « C'était bien, on apprend des choses qui pourront nous être utile dans le futur, on a fait beaucoup de pratique c'était minutieux et très intéressant » « Je les ai trouvées très bien et en plus ça donne envie d'écouter car c'est plus facile d'apprendre que ses leçons »

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Avez­vous compris les expériences et le vocabulaire ?

Oui Moyen Non

Classe ayant fait de la chimie (51) 43 8 0

Classe n'ayant pas fait de la chimie (26) 23 3 0

Classe ayant eu de la chimie « J'ai compris les expériences, mais j'ai moins compris le vocabulaire » « Oui j'ai compris car c'était bien. Car ils nous ont beaucoup expliqué. Et maintenant je comprend mieux mon cours » « J'ai bien compris les expériences mais je n'ai pas trop compris le mot porosité » « oui je les ai compris grâce à vos explications » Classe n'ayant pas fait de chimie « Oui ça peut aller, sauf quelques mots mais vous les avez expliqués après donc au final j'ai réussi à comprendre » « Oui c'était bien expliqué. Et le fait de réaliser les expériences permet de mieux comprendre » « Oui j'ai compris les expériences mais pas le vocabulaire, je n'ai pas trop compris » « Oui j'ai tout compris, c'était très clair et facile à comprendre » « Oui car les personnes ont bien expliqué tout en gardant un peu d'humour. C'était génial » Avez­vous appris de nouvelles choses ?

Oui Moyen Non

Classe ayant fait de la chimie (51) 46 4 1

Classe n'ayant pas fait de la chimie (26) 24 1 1

Classe ayant fait de la chimie « Oui j'ai appris de nouvelle choses, j'ai mieux compris ce que je savais déjà » « Oui j'ai appris du vocabulaire, j'ai appris à filtrer avec des éléments : sable, cailloux, coton » « Oui comme l'eau qui n'est potable même quand elle est filtré plusieurs fois » « Oui j'ai appris ce que c'était un pore, et l'ordre de l'emplacement des pores » « Oui toutes les expériences qu'on a fait je ne les connaissait pas » « bien sûr (porosité, floculation...) beaucoup de choses très intéressantes » Classe n'ayant pas de chimie « Oui j'ai appris plein de choses qui j’espère me servirons plus tard. Je trouve cette démarche très bien et je le souhaite à d'autres classes » « J'ai appris de nouvelles choses que j'ai trouvées très utiles. J'ai appris à me servir de filtres de seringue. Ça me servira dans le métier que je veux faire plus tard. » « Oui beaucoup de choses, mais je ne sais pas si je m'en rappellerais longtemps » « Oui je pensais qu'il fallait mettre le coton avant le sable »

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« Oui comme ça je ferai plus attention à l'eau » « Oui les noms scientifiques des procédés pour purifier l'eau et la définition de la porosité » « Oui nous avons appris à filtrer de différentes façons » Autres commentaires Classe ayant eu de la chimie : « Bonne continuation aux étudiants, travaillez bien » « Les étudiants étaient gentils. Il expliquaient bien » « C'était bien expliqué » « Les étudiants étaient très aimables, j'ai bien aimé cette séance. Je pense qu'ils pourraient en faire leur métier dans le futur, je dis BRAVO ! Et merci beaucoup ! Pour cette magnifique séance passée avec vous » « J'ai bien aimé le quizz mais le temps était un peu long » « La séance était bien, bien expliquée. J'ai trouvé ça bien et vous remercie d'être venu nous apprendre des nouvelles choses. » « Étudiants très avenants et bien dans leur futur métier, merci à vous, bonne continuation. Vous êtes également très cool » « Vous pouvez revenir » Classe n'ayant pas eu de chimie « On a fait beaucoup de pratique et j'ai adoré. Se servir de seringue de filtre, de bouteille d'eau à été vraiment bien. Les présentations étaient bien faites. J'ai adoré » « Rien à dire, c'était génial, j'espère qu'ils reviendrons m'apprendre d'autres choses » « Les intervenants étaient très sympathiques et nous ont aidé dès qu'on en avait besoin »

Grâce à ces enquêtes nous avons pu constater que les cinquièmes ont apprécié en majorité notre intervention. Les deux classes qui avaient fait de la chimie ont pu approfondir leurs notions de chimie déjà acquises et ainsi, aller plus loin dans la compréhension des notions de traitements des eaux. La classe n'ayant pas fait de chimie auparavant a parfaitement compris les expériences que nous leurs avons proposées. Cette intervention à donc été une bonne introduction à leur programme de chimie. Grâce à ces enquêtes ainsi qu'à leurs deux professeurs, nous avons constaté que les cinquièmes ont plus facilement apprécié cette matière notamment par la pratique des expériences. De plus, cela a permis de les sensibiliser à l'environnement. En effet, les élèves savent maintenant qu'il faut faire attention à l'eau, et que celle­ci a subit de nombreux traitements avant d'arriver potable au robinet. (Quelques enquètes des élèves : Cf Annexe 5)

3.3.3. De notre point de vue Tous d'abord, l'intervention nous a permis de mettre en application nos expériences

devant des cinquièmes et de savoir si toutes nos expériences pouvaient être réalisées dans le temps qui nous était donné. Nous avons constaté que les expériences proposées étaient adaptées à leur niveau. En effet, même les cinquièmes n'ayant jamais fait de la chimie auparavant se sont intéressés à l'activité. Cependant, afin que tout le monde puisse comprendre, nous avons pris le temps de tout expliquer avant la réalisation des expériences.

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Nous nous sommes rendus compte qu'il est difficile de réaliser des expériences scientifiques compliquées d’une manière simple. D'une part, parce qu'une partie des élèves n'avait pas fait de chimie, d'autre part car nous avions seulement une heure et demie pour leur faire faire les expériences et enfin, tous les élèves n’ont pas le même niveau. Nous avons choisi de commencer par l'expérience la plus simple qui était la filtration puis nous avons fini par la floculation qui était plus difficile à assimiler. Pour facilité la compréhension des phénomènes scientifiques, ils ont réalisé les expériences et nous nous sommes aidé d'affiches pour les explications. Afin que tous les élèves puissent manipuler, nous avons souhaité les répartir en groupe de trois ou quatre. Ceci a permis d'impliquer tout le monde dans l'activité et donc d'éviter tout désintéressement.

Nous pensons que nos expériences leur ont plu puisque tout les élèves ont participé avec enthousiasme. Ils posaient des questions lors des manipulations sur ce qu'ils n'avaient pas compris et pour avoir des informations supplémentaires. De plus, les enquêtes confirment notre pensée. Aussi, le filtre à micropores a captivé les élèves car il s’agit d’un outil jamais utilisé durant leur cursus. Pour qu'il n'y ait pas de temps d'attente, ils nous a semblé utile de leur donner un quizz. Cela leur permettra également d'avoir une trace dans leur cahier et de pouvoir retenir les informations plus complexes à comprendre.

En ce qui concerne l'oral, il n'a pas été difficile de parler devant les cinquièmes, nous avons été à l'aise. Nous n’avons pas eu de mal à les faire participer puisqu'ils ont interagi dès le début. Ensuite, la mise en place de nos expériences devant des élèves de cinquième a été intéressante et enrichissante pour notre projet puisque l'intervention nous a permis de voir les améliorations à effectuer (confère partie 3.3.4. “Les améliorations à apporter”). Nous retenons de cette intervention que la nouveauté et la simplicité conduit à la bonne compréhension et permet d'intéresser tous les élèves.

3.3.4. Les améliorations à apporter Lors de l'intervention, différents problèmes se sont posés. Le premier problème a eu

lieu le deuxième jour durant l'expérience de la filtration. Après la première filtration, l'eau sale n'avait pas beaucoup changé de couleur. Autrement dit, les particules de terre présentes dans l'eau ont été peu retenues. La différence entre l'eau filtrée et celle non filtrée n'était pas très flagrante. Il est pourtant préférable d'avoir une bonne filtration pour que les cinquièmes puissent se rendre compte de l'efficacité de la filtration. L'eau utilisée avait été créée juste avant l'intervention. Cependant, la terre prise pour salir l'eau avait une faible granulométrie. Les particules n'ont donc pas été retenues par le filtre global. Pour les autres classes, nous avons utilisé de la terre avec une plus grande granulométrie et la filtration a été plus efficace. Il est donc important de prendre une terre ayant des grains assez gros pour réaliser l'expérience.

Le deuxième problème posé est le floculant utilisé pour la floculation des particules d'argile. Ce floculant avait été préparé à l'IUT quelques jours auparavant. Lorsqu'il a été introduit dans le bécher contenant de l'eau et de l'argile, les flocs d'argile ont mis plus de temps que lors de nos essais. De plus, le nombre de floc formés était faible. Il a été décidé de refaire une solution de floculant juste avant la réalisation de l'activité devant la seconde classe de cinquième. Le résultat a été plus concluant que celui du premier jour. Il a également été remarqué que l'efficacité du floculant sur les particules d'argile n'est pas plus important lorsque la concentration en floculant est élevé. Au contraire en diminuant la concentration de floculant, la floculation est plus efficace. Donc, il est nécessaire de réaliser le floculant juste avant l'expérience et à faible concentration.

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Conclusion Depuis janvier 2015, nous travaillons sur le projet ayant pour problématique

“quelles activités proposer pour intéresser les cinquièmes sur leur programme de chimie ?”. À partir de là, nous avons commencé par faire des recherches sur le programme de cinquième de chimie qui s’intitule “l’eau dans l’environnement”. Ayant remarqué que le traitement de l’eau n’était pas abordé, c’est sur cette approche que nous avons décidé de nous centrer. En effet, nous trouvions intéressant de proposer une ouverture à leur programme tout en leur apportant une notion concrète pour une matière qui l’est parfois peu. De plus, cette thématique permettait une sensibilisation à la protection de l’environnement à travers la notion de “l’eau”.

Après avoir réalisé plusieurs expériences d’expérimentation, nous avons pu en retenir deux, une traitant de la filtration et l’autre de la floculation. En effet, les autres étaient soit trop compliquées, soit trop longues ou nécessitaient l’utilisation d’un matériel trop onéreux (ex : charbon actif).

Ainsi, ce projet a permis aux élèves de découvrir les bases du traitement de l’eau par une approche ludique que leur professeur n’aurait pas pu se permettre de réaliser avec une classe d’une trentaine d’élèves. D’après les enquêtes que nous avons récupérées, les retours sont pour la plupart positifs. En effet, les élèves ont appris de nouvelles notions et cela a permis d’approfondir leur culture générale, de les sensibiliser à la protection de la planète et de leur faire comprendre que tout un processus de potabilisation de l’eau est mis en place avant que l’eau ne sorte du robinet. De plus, certains élèves recommandent cette intervention pour d’autres classes.

En ce qui nous concerne, ce projet tuteuré nous a permis de nous rendre compte de la difficulté de mettre en place des activités compréhensibles pour des élèves de douze­treize ans n’ayant quasiment pas de vocabulaire de chimie et donc d’aborder un sujet parfois compliqué de manière simple. De plus, il nous a incité à nous affirmer devant une classe de trente personnes mais aussi de mieux savoir travailler en groupe, de nous partager les tâches, de nous mettre d’accord ou tout simplement de réfléchir ensemble.

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Annexes Annexe 1 : Fiche pédagogique “Eau sale, eau propre” Fiche pédagogique n°1 ­ Eau sale, eau propre Objectif général Aborder une méthode d’épuration de l’eau Compétences visées

Aborder une démarche d’investigation Comprendre des questions de traitement des eaux Maîtriser des connaissances dans les domaines de la propreté de l’eau

Préparation préalable à faire par l’enseignant Préparer des groupes de 4 élèves

Déroulement Matériels utilisés

Organisation du groupe

Accueil Présentation des différentes activités réalisés pendant l’heure de TP

Classe entière

Création d’une eau sale Pour chaque sous groupe (3­4 élèves): ­ mettre de l’eau dans un grand bécher avec de la terre, du sable et des débris végétaux ­ l’eau obtenue doit être trouble

Bécher ou récipient, débris végétaux, sable, terre

Professeur

Nettoyer une eau sale 1ère partie : ­ Préparation d’un filtre global par les élèves dans une bouteille d’eau coupée en deux. ­ Ordre de bas en haut : filtre à café ­ sable ­ coton ­ gravier. ­ La deuxième partie de la bouteille → récupération du filtrat. ­ Filtrer deux fois

Bouteilles en plastique, filtre : coton, sable, filtre à café, gravier

Groupe de 3­4 élèves

Création de filtres individuels (un par sous groupe) ­ Chaque groupe d’élève → filtration de leur eau grâce à un filtre individuel (sable, coton, filtre à café

3 Bouteilles en plastique Une seringue avec un filtre de micro­

Professeur

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blanc ou seringue avec filtre à micro porosité). Chaque groupe un type de filtre ­ Dans une demi bouteille (cf au dessus), faire le filtre, utiliser un bécher pour récupérer l’eau. ­ ! Mettre un collant pour retenir le sable

porosité , du sable de fontainebleau, un collant, du coton,

2ème partie de la filtration ­ Comparer le filtrat des différents groupes, déterminer le meilleur filtre

Bécher Même groupe que pour l’expérience 1

Vocabulaire à acquérir Eau propre, eau potable, eau limpide, filtration, porosité, pollution dans l’eau, solubilité Notions scientifiques abordées lors de l’animation Cet atelier a pour but de faire comprendre aux élèves de cinquième qu’une eau peut sembler être propre sans pour autant l’être. C’est­à­dire qu’une eau limpide peut contenir différents types de saletés ou de polluants non visibles à l’oeil nu, cette eau d’apparence limpide n’est alors pas pour autant potable. Grâce à la filtration, ils pourront comprendre la notion de porosité en observant que les différentes particules ne peuvent pas toutes passer par le même filtre. Gamme étalon Cette méthode est applicable pour des concentrations comprise entre 0.01 et 5mg/l. les concentrations plus élevées peuvent être déterminées après dilution appropriée de l’échantillon. La gamme étalon doit être réalisé en avance au préalable par le professeur. Matériels nécessaire à la gamme étalon

Béchers 6 tubes à essai Micro pipette Pipette gradué

Principe La phénanthroline­1.10 forme un complexe rouge orangé avec le fer ferreux, fer(II). L’intensité de la coloration est proportionnelle à la quantité de fer(II) présent dans l’échantillon. Pour le dosage du fer total, du chlorhydrate d’hydroxylamine est ajouté à la prise d’essai pour réduire le fer(III) en fer(II) La relation entre la concentration et l’absorbance est linéaire jusqu’à des concentrations de 5mg de fer par litre. Le maximum d’absorbance se situe à environ 510 nm. Réactifs Chlorydrate d’hydroxylamine à 10% Dissoudre 20g de chlorydrate d’hydroxylamine pour analyse (à manipuler avec des gants) dans 200 ml d’eau distillé, exempte de fer. Solution tampon : Dissoudre 3.4g d’acétate de sodium anhydre pour analyse dans de l’eau distillé exempte de fer. Ajouter 1.45ml d’acide acétique pour analyse (d:1.044) et compléter à 25ml

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Solution de phénanthroline­1.10 Dissoudre 0.5g de phénanthroline­1.10 monohydratée dans le mélange de 50ml d’alcool éthylique à 95% et de 50 ml d’eau distillée exempte de fer. Solution étalon de fer Dissoudre 0.7022g de sulfate ferreux ammoniacal FeSO4(NH4)2SO4, 6H2O dans 500ml d’eau distillée exempte de fer, contenant 10ml de H2SO4 RP concentré. Amener cette solution à 1l avec de l’eau distillée exempte de fer. Calcul de la solution étalon de fer On sait que n fer = n sulfate ferreux Ainsi : m fer = m sf M fer = M sf D’où : m fer = m sfx M fer = 0.7022 X 56 = 0.1g

M sf 392 On sait que Cm = m On à donc un solution mère à Cm = 0.1g/L

V Gamme étalon

­ Diluer 10 fois la solution mère. Ici la concentration de la solution fille est de 1.0x10­2 après cette dilution.

­ Prélever dans des tubes 0.5 / 1 / 1.5 / 2.5 / et 4 ml de cette solution fille. Compléter avec de l’eau à 10 ml avec une pipette.

­ Traiter chacune de ces solutions étalons (10ml) suivant le mode opératoire suivant : Ajouter 0.1 ml de la solution de chlorhydrate d’hydroxylamine et agiter ( cette

addition ne doit pas être effectuée si l’on désire doser que le fer ferreux). Ajouter 0.25 ml de solution tampon et agiter. Ajouter 0.1 ml de phénanthroline puis agiter. Attendre 15 minutes le développement de la coloration.

Essai Prendre l’échantillon le plus incolore après la deuxième filtration. Soit la solution qui à été filtré avec la seringue à micro pore. Rajouter dans cette solution 3 ml de solution étalon de fer puis suivre le même mode opératoire que la gamme étalon. Résultats Par les différentes concentrations dans les tubes à essai nous avons constitué la gamme étalon. La plus colorée correspondra à la plus polluée. En mettant 3 ml de solution étalon dans l’eau filtre, la couleur de ce tube sera très coloré et sera proche du tube “le plus pollué”. Par la gamme étalon, les élèves comprendrons que ce n’est parce que une eau est limpide qu’elle est propre.

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Annexe 2 : Fiche pédagogique “Floculation” Fiche pédagogique n°2 ­ Floculation Objectif général Aborder la notion de floculation : leur montrer que des particules invisibles peuvent se fixer entre elle afin de former de gros complexes visibles qui peuvent décanter et ensuite être retirés par filtration. Compétences visées

Maîtriser des connaissances sur la coagulation, la sédimentation. Pratiquer une démarche d’investigation par l’intermédiaire de panneaux explicatifs

Pour les élèves, pré­requis nécessaires

notion de décantation, filtration Déroulement de l’animation

Déroulement Matériel utilisé

Accueil ­ Présentation du déroulement de l’activité

Expérience sur la floculation Comment peut on filtrer des particules invisibles ? Expérience : ajout d’argile et de solution de ZETAG. Floculation des particules d’argile invisibles (qui colorent tout de même l’eau en rouge) pour former une grosse particule visible

­ Argile ­ Solution de ZETAG 7653 à 0.1g/mol ­ Fiole jaugée de 100mL ­ 2 béchers

Explication du principe de la floculation Comment fonctionne la floculation ? ­ A l’aide de scratch, les élèves essaient d’assembler les cations avec les particules d’argile sur un panneaux ­ Explication des charges électriques des particules. (voire les principes de cations et d’anions).

Panneaux explicatifs sur la floculation (voir le panneau ci dessous)

Conclusion Vérification des différentes notions abordées durant l’expérience → quizz possible

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Figure 35 : Panneau explicatif de la floculation à découper

Vocabulaire à acquérir → floculation, polluants, argile Notions scientifiques abordées lors de l’animation Cette animation abordera des notions de coagulation, de décantation et permettra aux élèves de comprendre qu’il est possible de faire coaguler des particules invisibles afin d’appliquer par la suite une filtration pour les enlever. Ils pourront aborder aussi différents noms de verrerie (ex : bêcher, fiole jaugée)

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Annexe 3 : Enquète de Mme LEMOINE, professeur de physique chimie du collège Herriot “ 1 ­ Avez­vous apprécié les activités proposées (assez dynamique, trop compliqué pour le niveau cinquième ?) Les activités proposées étaient bien construites, variées (expériences, mise en commun au tableau, QCM …) et adaptées au niveau cinquième. Les élèves étaient beaucoup sollicités à l'oral et ont pu échanger et s'exprimer. Le vocabulaire difficile a été bien expliqué et l'idée des « maquettes » (celle pour la filtration et celle pour la floculation avec les charges électriques) avec le système de scratch était particulièrement réussi et pédagogique. 2 ­ Auriez­vous souhaité que l’on aborde d’autres sujets, ou les mêmes sujets d’une manière différente ? Le thème abordé a l'avantage de s'inscrire dans le programme de cinquième. Les élèves ont ainsi pu réinvestir les connaissances sur l'eau et les techniques de séparation dans un autre contexte. 3 ­ Si d’autres étudiants proposent d'intervenir dans vos classes, seriez­vous intéressée ? Tout à fait partante ! Je trouve cela enrichissant pour les élèves et le professeur qui n'aborde pas forcément les notions sous le même angle. 4 ­ Si oui, l'intervention devrait être plus longue ? plus courte ? Je trouve qu'une intervention sur une séance d'1H30 est correcte dans la mesure où l'on doit faire notre programme ! Une deuxième séance dans l'année sur un autre thème peut tout de même être envisagé. 5 ­ Autres commentaires ? /

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Annexe 4 : Programme de Physique ­ Chimie de cinquième sur l’eau dans l’environnement (www.education.gouv.fr)

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Annexe 5 : Quelques enquêtes des élèves

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Annexe 6 : Photos de notre intervention (reconstitution)

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Bibliographie ADDRN (agence pour le développement durable de la région nazairienne). Le cycle de l'eau : L'assainissement des eaux pluviales. 2008. 27 P. CABRIT­LECLERC Sandrine. L'eau à la maison : mode d'emploi écologique. Terre vivante. Mens : Terre vivante, 2005. 155 P. Bibliographie des cours de l’IUT Génie Biologique, option environnement, La Roche Sur Yon FRADIN Catherine, Cours de physiologie végétale. 2015 [consulté le 25 octobre 2015] GRIPON Nicolas, Cours de pédologie. 2015 [consulté le 11 octobre 2015] JOUANNEAU Sullivan, Travaux pratique de Traitement de l’eau. 2015 [consulté le 15 octobre 2015] LANGLOIS Virginie, Travaux pratique et cours de chimie de l’environnement. 2015 [consulté 10 novembre 2015]

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