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support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein. Teaching Innovative Practices in STEM (TIPS) 2015-1-ES01-KA219-015719_1 TIPS GUIDE Chimie C. Laugel Lycée Marguerite Yourcenar (Erstein), FRANCE 0. Introduction L’acronyme TIPS signifie « Teaching Innovative Practices in STEM », c’est-à-dire « Enseigner des pratiques innovantes en Sciences, Technologie, Ingénierie et Mathématiques ». TIPS est un projet Erasmus+ au cours duquel quatre écoles (Belgique, Espagne, France et Italie) ont travaillé ensemble pendant deux ans (2015-2017) pour partager leurs méthodes d’enseignement en STEM. Vous pouvez trouver des informations complémentaires (en anglais) sur ce projet à l’adresse suivante : http://bit.ly/2rRCpEI. 1. Résumé Comme de très nombreuses confiseries, les bonbons Schtroumph© contiennent des colorants, et en particulier du bleu patenté responsable de la coloration bleue [1]. L’Union Européenne fixe pour chaque colorant alimentaire la dose journalière admissible, c'est- à-dire la quantité maximale que peut ingérer un homme, par jour, sans aucun risque appréciable pour sa santé. Il s’agit ici de déterminer le nombre de bonbons Schtroumph© qu’une personne peut consommer en une journée sans dépasser cette dose maximale. Pour ce faire, il faut déterminer la masse de bleu patenté contenue dans un bonbon : on procède par étalonnage avec un spectrophotomètre. Le résultat final est de plusieurs centaines de bonbons par jour, normalement inatteignable. 2. Matériel et protocole expérimental [2] Par groupe d’élèves : Une paire de ciseaux Un bonbon Schtroumph© Un bécher en pyrex de 100 mL Une pissette d’eau distillée Un agitateur en verre Une plaque chauffante Une fiole jaugée de 50 mL et son bouchon Une pipette en plastique 1 bécher de 50 mL Un tube à essai et son bouchon Sur la paillasse du professeur : Une burette graduée contenant une solution mère de bleu patenté V (colorant E 131) de concentration c = 5,6 mg/L, appelée solution 1. Une burette graduée contenant de l’eau distillée Un spectrophotomètre (pour cet article : Biochrom Libra S 6) Des cuves transparentes et des pipettes en plastique Optionnel : 10 mL de solution de bleu patenté V de concentration c = 11,2 mg/L (solution 2) et 10 mL de solution de bleu patenté V de concentration c = 16,8 mg/L (solution 3) Préparation de la solution 1 : Si vous disposez de bleu patenté V sous forme de sel de sodium (M = 582 g/mol) : dissoudre 5,82 mg de sel pour un litre de solution. Si vous disposez de bleu patenté V sous forme de sel de calcium (M = 1160 g/mol) : dissoudre 11,6 mg de sel pour un litre de solution.
2.
The European Commission
support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein. Teaching Innovative Practices in STEM (TIPS) 2015-1-ES01-KA219-015719_1 Préparation de la solution Schtroumph© [3] À l’aide de ciseaux, couper le chapeau d’un Schtroumph© (Figure 1) pour ne conserver que la partie du corps colorée en bleu. Il faut veiller à ne pas enlever de partie bleue (pour ne pas sous-estimer la masse de colorant), ni laisser de bonnet coloré, en particulier lorsqu’il est rouge, ce qui risquerait de surestimer la concentration en colorant. En effet, les anthocyanes responsables de la coloration rouge ont un maximum d’absorption autour de 520 nm et absorbent encore autour de 640 nm qui est la longueur d’onde de réglage du spectrophotomètre (maximum d’absorption du bleu patenté). Le problème ne se pose pas avec le colorant jaune (lutéine), qui n’absorbe pas à cette longueur d’onde. Figure 1. Bonbons Schtroumph © (marque Haribo) Introduire le Schtroumph© ainsi préparé dans un bécher en pyrex de 100 mL. Ajouter un peu d’eau distillée (20 à 30 mL maximum). Chauffer le bécher sur plaque chauffante, en remuant avec un agitateur en verre, jusqu’à dissolution complète du bonbon Schtroumph© . Si nécessaire, laisser refroidir la solution jusqu’à ce qu’elle soit tiède. La transférer dans une fiole jaugée de 50 mL. Rincer le bécher avec une petite quantité d’eau distillée, et récupérer les eaux de rinçage dans la fiole jaugée. Il faut veiller à ne pas utiliser trop d’eau distillée pour ne pas dépasser le trait de jauge de la fiole. Compléter la fiole jaugée avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge à l’aide d’une pipette en plastique. Boucher et agiter pour homogénéiser la solution. Transférer la solution dans un bécher de 50 mL en vue de son analyse au spectrophotomètre. La solution ainsi obtenue, appelée solution Schtroumph© , est de couleur bleue et contient la quantité de bleu patenté d’UN bonbon Schtroumph© . Dans le cadre de la séance avec le groupe Erasmus+, chacun des 7 groupes d’élèves a préparé sa solution Schtroumph© . Préparation des solutions diluées de bleu patenté V Il s’agit de préparer des solutions diluées de bleu patenté V à partir de la solution 1. Pour cela, 2 burettes graduées sont mises à disposition des élèves sur la paillasse du professeur. L’une contient la solution 1, l’autre de l’eau distillée. Chaque groupe se voit attribuer un numéro correspondant à la solution diluée qu’il doit préparer. Selon le niveau des élèves et la durée de la séance, on peut : soit donner la concentration massique (ou le facteur de dilution) de la solution diluée à préparer, et demander aux élèves de calculer les volumes de solution 1 et d’eau distillée à prélever. soit donner le protocole complet de préparation de la solution diluée. Un volume de 10 mL de chaque solution diluée est suffisant pour la mesure au spectrophotomètre. Dans un tube à essai, chaque groupe verse le volume Vsolution 1 et le volume Veau distillée correspondants à son groupe. Le tube à essai est ensuite bouché et agité pour homogénéiser la solution. On notera que les prélèvements peuvent également s’effectuer à l’aide de pipettes graduées.
3.
The European Commission
support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein. Teaching Innovative Practices in STEM (TIPS) 2015-1-ES01-KA219-015719_1 Solution colorée absorbant la lumière Une proposition de dilutions, utilisées lors de la séance avec le groupe Erasmus+, est donnée dans le tableau 1. Tableau 1. Préparation des solutions diluées de bleu patenté V : concentrations massiques en bleu patenté V et volumes de solution mère de bleu patenté V (solution 1) et d’eau distillée à prélever Numéro de groupe 1 2 3 4 5 6 7 Concentration massique c en mg/L 5,04 4,48 3,92 3,36 2,80 2.24 1,68 Vsolution 1 en mL 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 Veau distillée en mL 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 Mesures d’absorbance Chaque groupe procède à la mesure de l’absorbance A de la solution diluée de bleu patenté V qu’il a préparée. Pour ce faire : régler la longueur d’onde du spectrophotomètre sur le maximum d’absorption du bleu patenté, soit 640 nm. Effectuer un blanc à l’aide d’une solution d’eau distillée. Mesurer l’absorbance de la solution diluée préparée (Figure 2). Figure 2. Cuve pour spectrophotomètre contenant la solution On mesure également l’absorbance de la solution 1, et le cas échéant celle des solutions 2 et 3. L’ensemble des mesures mises en commun permet de tracer la droite d’étalonnage (voir Résultats et évaluation) Chaque groupe mesure également l’absorbance AS de la solution Schtroumph© qu’il a préparée. 3. Résultats et évaluation Spectrophotométrie et droite d’étalonnage L’œil est un détecteur de couleurs très efficace, mais il n’est pas assez sensible pour repérer des variations faibles de couleurs, et surtout, il ne permet pas de faire de mesures. Un spectrophotomètre est un appareil qui mesure l’intensité d’un faisceau de lumière traversant une solution colorée : plus précisément, il mesure l’intensité de la lumière avant et après traversée de la solution colorée (Figure 3) et calcule ainsi une grandeur appelée absorbance A (sans unité). Figure 3. Faisceaux de lumière avant et après traversée de la cuve contenant la solution colorée à analyser L’absorbance dépend de plusieurs paramètres (espèce colorée présente dans la solution, concentration de cette espèce colorée, largeur de la cuve contenant la solution, longueur d’onde du faisceau de lumière qui traverse la solution). Dans le cadre de notre expérience (faibles concentrations), on peut utiliser la loi de Beer- Lambert, qui indique qu’absorbance et concentration sont proportionnelles : A = k c (k est une constante) Ainsi, le tracé de A en fonction de c donne une droite linéaire et permet d’établir le lien entre l’absorbance du bleu patenté V et sa concentration en solution. Cette droite est appelée droite d’étalonnage. Cette droite peut ensuite être utilisée pour déterminer la concentration de la solution Schtroumph© , par lecture directement sur le graphique ou en utilisant l’équation de la droite.
4.
The European Commission
support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein. Teaching Innovative Practices in STEM (TIPS) 2015-1-ES01-KA219-015719_1 Résultats Absorbances des solutions 1, 2 et 3 Solution 1 : A1 = 1,06 Solution 2 : A2 = 1,47 Solution 3 : A3 = 2,27 Absorbances des solutions diluées Les résultats du groupe Erasmus+ sont donnés dans le tableau 2. Tableau 2. Absorbance des solutions diluées en fonction de leur concentration massique en bleu patenté V Numéro de groupe 1 2 3 4 5 6 7 Concentration massique c en mg/L 5,04 4,48 3,92 3,36 2,80 2.24 1,68 Absorbance 0,73 0,67 0,59 0,52 0,42 0,27 0,32 Droite d’étalonnage Les 10 mesures ainsi obtenues permettent de tracer la courbe d’étalonnage A = f(c) (Figure 4). Détermination de la concentration en bleu patenté V de la solution Schtroumph© Chaque groupe d’élèves a mesuré l’absorbance AS de sa solution Schtroumph© et peut l’utiliser pour déterminer la concentration en bleu patenté V. On peut également mettre les mesures en commun et calculer la valeur moyenne. Pour le groupe Erasmus+, les résultats sont donnés dans le tableau 3. Tableau 3. Absorbance des solutions Schtroumph © pour les élèves du groupe Erasmus+ Numéro de groupe 1 2 3 4 5 6 7 Absorbance de la solution Schtroumph© 0,89 0,78 0,99 0,98 0,92 0,94 0,99 Valeur moyenne : AS = 0,93 Figure 4. Exemple de droite d’étalonnage du bleu patenté V pour le groupe Erasmus+ 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 AbsorbanceA Concentrationmassique c (mg/L) AS = 0,93 Equationde la droite A = 0,14 c cS = 6,6 mg/L
5.
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support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein. Teaching Innovative Practices in STEM (TIPS) 2015-1-ES01-KA219-015719_1 On peut alors déterminer la concentration cS en bleu patenté de la solution Schtroumph© : Par lecture graphique : On reporte la valeur de l’absorbance AS sur l’axe des ordonnées, on cherche le point de la droite qui a pour ordonnée AS et on lit l’abscisse cS de ce point (Figure 4). Groupe Erasmus+ (valeur moyenne), cS = 6,6 mg/L En utilisant l’équation de la droite : AS = k × cS soit cS = AS / k Groupe Erasmus+ : cS = 0,93 / 0,14 = 6,6 mg/L Détermination de la masse de bleu patenté V contenu dans un bonbon Pour trouver la masse mS de bleu patenté V dans un bonbon, on se rappelle que la solution Schtroumph© a été préparée en utilisant un seul bonbon : la masse de bleu patenté V dans les 50 mL de solution correspond donc à la masse de bleu patenté dans un bonbon : mS = cS × V = cS × 0,050 Groupe Erasmus+ : mS = 6,6 × 0,050 = 0,33 mg La masse de bleu patenté dans un bonbon valait 0,33 mg. Nombre de bonbons que l’on peut manger sans risque Pour connaître le nombre de bonbons qu’une personne peut manger, il faut tenir compte de la dose journalière admissible (DJA) du bleu patenté : elle est de 2,5 mg / jour / kg de masse corporelle. Ainsi, pour une personne de 60 kg, la DJA vaut : DJA = 2,5 × 60 = 150 mg. Une personne de 60 kg peut ingérer 150 mg de bleu patenté V par jour sans risque pour sa santé. Le nombre de bonbons qu’elle peut manger est : DJA / mS = 150 / mS Groupe Erasmus+ : 150 / mS = 150 / 0,33 = 450 bonbons. Un paquet de bonbons contient environ 40 bonbons, 450 bonbons correspondraient donc à environ 11 paquets. Les colorants alimentaires sont présents dans de nombreux aliments, en particulier en confiserie, et leur emploi fait souvent débat. Ce protocole permet de réaliser ce que représentent en pratique les doses limites imposées par l’Union Européenne via la dose journalière admissible. La méthode employée, la spectrophotométrie, fait partie des méthodes d’analyse utilisée par la répression des fraudes pour vérifier la conformité des aliments. 4. Remerciements L’auteur souhaite remercier le programme européen Erasmus+ qui a financé le projet TIPS (subvention 2015-1-ES01-KA219-015719_2). 5. Références (1) N. Coppens et al., Physique-chimie Terminale S spécifique, collection Sirius (Nathan, 2012) (2) Académie de Versailles, Le bleu des bonbons Schtroumphs© : http://www.phychim.ac- versailles.fr/IMG/pdf/schtroumpfs_profs.pdf ou http://www.phychim.ac- versailles.fr/spip.php?article755 (3) M. Meyniel, spectroscopie UV-visible : bonbons Schtroumph© http://sciences-physiques-vesinet.e- monsite.com/medias/files/tp-8-spectroscopie-uv- visble-schtroumpf-bis.pdf
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