Leçon d'examen








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D
Année académique 2010-2011
evaux Sara

AESS Biologie

Leçon d'examen

Leçon d'examen
Les cycle de la matière : le carbone et l'azote
Informations administratives

Etablissement : INSTITUT Decroly

Classe : 4éme Nb d'élèves : 27

Type d'enseignement : Enseignement secondaire général

Maître de stage : Madame Anne LOMBART

Date : 24/05/2011

Matériel didactique

Moyens audio-visuels: tableau, transparents

Autres : petites expériences de dissolution du CO2 dans l'eau et de libération de CO2 à partir de craie.

Matériel nécessaire :

-trois verres transparents.

-de l'eau du robinet

-une paille

-du film alimentaire

- du papier pH

-un frigo

-du vinaigre blanc

-de la craie
Prérequis :

La photosynthèse, la respiration, la décomposition de la matière organique dans la litière.
Objectifs de la leçon :

Faire prendre conscience aux élèves que

1) La matière est constamment "recyclée" sur terre. Elle n'arrive pas "de novo".

2) En fonction de l'élément considérer, le recyclage de la matière est différent.

3) Sensibiliser les élèves aux problèmes environnementaux liés au recyclage de la matière (perturbation du cycle du carbone, eutrophisation)… Par manque de temps, et en accord avec ce qui a été convenu avec Anne Lombart, cette dernière partie ne sera cependant pas approfondie.

Compétences travaillées (voir développement)

Expliquer/interpréter un phénomène

Résoudre une application concrète

Ecrire sous une autre forme
2 questions d’interrogation ou d’examen
1) Une discussion avec des amis vous amène à parler du réchauffement planétaire. Certains d’entre eux, manifestement, ne changeront rien à leur mode de vie, attendant passivement que le « gouvernement » agisse. D’autres, dont toi, aimeraient lutter, à leur niveau, contre ce désastre probable. Kévin décide d’utiliser moins d’engins motorisés, en ajoutant qu’en plus la marche est bonne pour la santé. Céline pense qu’elle devrait planter des arbres dans son grand jardin pour remplacer son immense zone de gravier actuelle, et qu’en plus cela abriterait une faune plus riche. Tout le monde semble d’accord. Par contre, quand tu dis que tu vas manger végétarien trois jours par semaine, tes amis te lancent un regard interrogateur…
Explique brièvement les positions de Kévin et Céline, et puis défends ton point de vue.

Aide toi du document ci-joint.
2) Dessine le cycle de l'azote (représente aussi les éléments nécessaire à son bon déroulement).

La leçon

I. Plan de la leçon
O. Rappel du cours précédent : le cycle de la matière

Cycle de la matière, un cycle fermé…
I. Le cycle du carbone

I.I. L'intérêt du cycle du carbone

I.II. Le "recyclage du carbone"

a) le photosynthèse

b) la dissolution du CO2 dans l'eau

c) la sédimentation océanique:
I.III. La production "naturelle"de carbone (comment est-il rejeté dans l'atmosphère ?)

a) rejets biologiques (respiration + fermentation)

b) rejets physico-chimique

- rejets de l'océan

-érosion

-volcanisme
I.IV. L'effet humain
II.Le cycle de l'azote

II.I. Rôle de l'azote pour les êtres vivants

II.II Les sources d'azote

Hypothèses quant à l'assimilation de l'azote par les plantes et les autres êtres vivants

II.III. Le cycle de l'azote
II. Introduction/mise en situation
Je rappelle aux élèves que la matière est recyclée à partir de ce qu'ils ont observé de la litière.

Je leur demande ensuite 1) pour le cycle du carbone : où se retrouve le CO2 émis

2) pour le cycle de l'azote : comment se fait le passage entre l'azote atmosphérique et l'azote (sous forme de nitrate) présent dans la litière.

III. Développement


Chapitre

Compétences

visées

Objectifs didactiques

Méthodes utilisées

Temps

Consignes de travail et mise en situation




Rappeler ce qui a été fait la dernière fois.

Questions/

réponse

5'

Le CO2 et l'effet de serre

Analyser un graphique

Mettre en évidence les effets environnementaux liés à la dérégulation d'un cycle biologique. Accrocher les élèves

Questions

/réponses

5'

Le recyclage du carbone













La photosynthèse




Mettre en évidence que la biosphère est un puis de carbone

Questions réponses

5'

La dissolution du CO2 dans l'eau

Expliquer/interpréter un phénomène



expérience

5'

La sédimentation océanique

utiliser des ressources pour rendre compte et expliquer

Mettre en évidence que l'océan est un "puis de carbone"

Mini situation/problème

10'

La production de carbone





Rappeler les différentes sources d'émission de carbone.

Questions/réponses. transmissif

10'

Cycle de l'azote : introduction




1) Se poser la question de comment passer d'une forme d'azote à une autre

2) Mettre en évidence que le cycle du carbone et de l'azote ne fonctionne pas du tout de la même façon

Questions/réponses

5'

Le cycle de l'azote

Présenter un processus sous une autre forme

(ça ne sera pas finit)







10'









IV. Conclusion/synthèse

Voir plan du tableau et document 7 : le cycle de l'azote (complété)

Sources documentaires

Biologie, Campbell, sous la direction de Richard Mathieu, Ed de Boeck, 1995.

Commission des Outils d’Evaluation pour les Humanités générales et technologiques,

http://www.enseignement.be/index.php?page=0&navi=1747

Sources des documents : voir documents.
V. Contenu intégral de la leçon

Code couleur : en noir : le discours

En bleu : les questions posées

En vert : les réponses attendues
Le cycle de la matière

O. Rappel du cours précédent : le cycle de la matière

a) Cycle de la matière, un cycle fermé…

Qui peut me rappeler l'expérience de la dernière fois avec l'humus ?

Qu'est ce que cette expérience met en évidence ?

Que la décomposition de la matière organique nécessite la présence d'êtres vivants, que ça ne se fait pas "tout seul". Les détritivores, organismes le plus souvent fouisseurs, se nourrissant de matière organique.

Une grande partie de la matière végétale mangée par les détritivores n'est pas digérée et est rejetée avec les excréments. Ainsi réduite, cette matière se décomposera beaucoup plus facilement par la suite.

Et ensuite, qu'est ce qu'il se passe ?

Cette matière devient un constituant du sol, elle sert de nourriture pour les végétaux.

On voit donc que les échanges de matière sur notre planète se font en système fermé. Il n'y a pas de matière qui vient "de l'extérieur". Toute la matière est recyclée.

Le cycle de la matière est un cycle fermé. Toute la matière disponible est présente sur terre. Il n'y en a pas de nouvelle qui se crée. Le cycle de l'énergie, quant à lui, est un cycle ouvert (l'énergie provient du soleil).
Aujourd'hui, on va s'intéresser au "recyclage" de deux éléments différents. On parle de cycle.

Dans un premier temps, le cycle du carbone. Vous pouvez indiquer comme titre : "le cycle du carbone".
I. Le cycle du carbone

I.I. L'intérêt du cycle du carbone

C'est toujours intéressant en soi de comprendre un phénomène, mais dans ce cas-ci, cette compréhension revêt une importance particulière.

On parle beaucoup du cycle du carbone dans l'actualité, en relation avec le réchauffement climatique, pourquoi ?

Quel est l'élément, responsable du réchauffement climatique, qui contient du carbone ?

Le CO2

Observez le graphique (transparent). Que constatez-vous ? Qui peut me décrire ce graphique ?

C'est un graphique qui analyse quoi ?

L'évolution de la température sur la terre en fonction de la concentration en CO2

Et que constate-t-on ?

Qu'il y a une relation entre les deux (plus il y a de CO2, plus la température augmente).

Et ces dernières années, que remarque-t-on ?

Que la quantité de CO2 augmente très fort

A quoi est-ce dû ?

A la pollution d'origine humaine
En quoi le CO2 a-t-il un effet sur le réchauffement de la planète

A cause de l'effet de serre. L'effet de serre n'est pas dû que au carbone, il y a aussi d'autres gaz impliqués. On ne va pas trop s'attarder sur cet effet de serre ici, on va considérer que c'est une boite noire, et que plus le CO2 augmente, plus la température augmente. Par contre, on va essayer de voir ce qu'il advient de ce CO2 dans la nature. Cela vous donnera des bases pour comprendre les problèmes liés aux énergies et au réchauffement climatique.

I.II. Le "recyclage du carbone"

a) le photosynthèse

Donc, ce CO2, dans la "nature", comment est-il réutilisé ?

On écrit au tableau : "comment la "nature" absorbe-t-elle le carbone ?

Autrement dit, si je souffle (du CO2) que se passe-t-il ? Va-t-il rester indéfiniment dans l'air ?

Non, il va être utilisé par la photosynthèse.

6CO2 +6H2O C6H12O6 + 6O2

Autrement dit, on voit que le carbone sous forme de CO2 (inorganique) est transformé, grâce à l'énergie solaire, en carbone organique. Une molécule organique est une molécule qui constitue les êtres vivant et qui est constituée de chaîne de carbone, d'hydrogène, d'oxygène plus éventuellement d'autres éléments (comme le soufre, le phosphore, l'azote, le fer, …).

NB: la photosynthèse ne se réalise pas que sur terre.

Les végétaux "emprisonnent" le carbone. Il y en a donc emprisonné dans les arbres, mais aussi dans la litière. Ce carbone organique peut ensuite sédimenter et se transformer en charbon, pétrol ou gaz naturel.

Est-ce que la photosynthèse est la seule source d'absorption de carbone ? En connaissez-vous d'autres ?

Non

Je vous propose maintenant d'observer deux petites expériences. C'est en lien avec la question que je viens de poser, à savoir, comment la nature absorbe-t-elle le carbone. Essayer de me dire quel est le lien.
b) la dissolution du CO2 dans l'eau

Expérience 1: à l'aide d'une paille, on souffle dans un verre d'eau. Constatation, le pH diminue (l'acidité augmente). Pourquoi ?

Il y a un changement dû au CO2 insufflé dans le verre. Ce changement pourrait être dû à une absorption du CO2.

En effet, si on écrit la réaction chimique ça donne ceci. Vous ne le savez peut-être pas encore, mais la diminution du pH (augmentation de l'acidité) provient de l'augmentation de concentration d'ions H+.

Si on écrit la réaction ça donne :

CO2 + H2O HCO3- + H+
En présence d'eau, le CO2 se transforme en carbonate et libère des ions H+. Donc ça acidifie l'eau.

Ces échanges dépendent de la concentration de CO2 dans l'atmosphère, de la température de l'eau (le carbone se dissout plus facilement dans les eaux froides), de la surface d'échange (donc du vent, de la houle, …).
c) la sédimentation océanique:

Expérience : une craie dans du vinaigre

Que se passe-t-il ?

Dégagement d'un Gaz. Lequel ? CO2.
Quel est le lien avec la question posée ? (Comment la nature absorbe-t-elle le carbone ?)

Pour vous aider à répondre à cette question, lisez le document 2.

Quand vous avez une idée, écrivez votre réponse sur une feuille de brouillon et posez la devant-vous.

Qui a besoin d'un indice ?

Indice : Dans le CO2, il y a du carbone, donc, il y a du carbone qui se dégage de cette craie, donc il y a du carbone dans la craie. D'où il vient ce carbone ?

Réponse : La craie, c'est quoi ? Une roche calcaire. Du CaCO3 (carbonate de Calcium).

Les coquilles des crustacés, des mollusques ou des algues planctoniques se forment par précipitation du calcaire à partir des éléments dissous:

Ca2+ + 2(HCO3)- CaCO3+CO2+H2O

Ces coquilles tombent au fond de la mer et forment des roches qui contiennent du carbonate de calcium.
Synthèse : (notez (dessinez) sur une feuille à part, en grand)

quels sont les trois moyens dont dispose la "nature" pour stocker le carbone ?

- la photosynthèse et la matière végétale (le carbone est stocké dans les végétaux, mais aussi dans la litière, dans l'humus, ainsi que dans les couches plus profondes de la terre sous forme de pétrole ou de gaz naturel.

- La dissolution du carbone dans l'eau

- La fabrication de carbonate de calcium par les organismes marin et la fabrication de roches sédimentaires.

En même temps qu'on explique, on colle les différents éléments au tableau.

I.III. La production "naturelle"de carbone (comment est-il rejeté dans l'atmosphère ?)

Dans un premier temps, essayons de considérer les productions de carbone dans un système "naturel" (sans présence de l'homme).

a) rejets biologiques

Dans ce type de système, comment le carbone est-il rejeté ?

La respiration

qui est-ce qui respire ?

Les plantes, les animaux

C6H12O6 + O2 H2O + CO2

Et le carbone qui était contenu dans les plantes, quand les branches, les feuilles tombent, il reste emprisonné dans les végétaux ?

Qui est à l'origine de la décomposition de la litière ?

Et ces microorganismes, qu'est ce qu'ils font ?

Décomposition de la litière, ça rejette du CO2 par la respiration des microorganismes.

Connaissez-vous un autre mécanisme biologique qui rejette du CO2 ?

la fermentation

C6H12O6 2 C2H5OH + 2CO2+ 2ATP
b) rejets physico-chimiques

Reprenons le verre d'eau de tout à l'heure, observons le pH, on observe qu'il a ré augmenté. Pourquoi ?

Le CO2 qui s'était dissout s'est "évaporé", ou dissout dans l'air

Si le verre d'eau avait été plus froid, ou si on avait refroidit le verre d'eau après avoir soufflé dedans, on remarquerait qu'il serait un peu plus acide car l'eau froide absorbe mieux le carbone.

Le rejet de l'océan
Reprenons notre craie, comment le calcaire accumulé dans les roches pourrait-il être rejeté ?

d) le volcanisme

e) l'érosion, l'altération

Dans un écosystème naturel CO2 émis= CO2 absorbé.

= la terre avant l'industrialisation.
I.IV. L'effet humain

Aujourd'hui, que fait-on ?

On brûle le pétrole, le charbon le gaz naturel = rejet de CO2 important

Les rejets sont plus importants que les absorptions. On risque d'assister à une réaction en chaîne.

On ne va pas s'attarder aujourd'hui sur les effets de l'homme. Cependant, si cela t'intéresse, tu peux lire le document 3 et répondre aux questions qui y sont posées (mais pas maintenant).

A l'aide de tes connaissances, et des documents, répond aux questions du document 3.

Si le CO2 augmente de trop,

Que va-t-il se passer un niveau de la température globale de la terre?

L'effet de serre va s'accentuer et on va assister à un réchauffement global de la planète. Ceci peut avoir beaucoup de conséquences néfastes. De plus la fonte des glaces va diminuer la surface blanche sur la terre. Le réfléchissement pourrait alors diminuer et la température augmenter de plus belle.

Ceci va induire une augmentation de la température des eaux,

Explique quels effets une augmentation de la température des océans pourrait avoir sur le cycle du carbone

Si la température des océans augmente, le CO2 va se dissoudre moins facilement dans l'océan car le gaz se dissout plus facilement dans des liquides chauds que dans des liquides froids.

Si malgré tout une grande quantité de CO2 était absorbé par les océans, que pourrait-il se passer de néfaste concernant ce carbone ?

Le CO2 étant un acide, sa dissolution en quantités plus importantes entraîne une acidification de l’océan, qui ne sera pas sans conséquence sur la vie marine. Cette acidification entraînera par exemple la dissolution des roches calcaires, et donc l'émission de CO2.
II.Le cycle de l'azote

Revenons à notre litière. La matière organique est décomposée par les décomposeurs qui rejettent du CO2. Il n'y a donc pas de carbone assimilable dans cette litière. Pourtant, nous avons vu que l'humus ressemble à du compost, et que c'est nécessaire à la croissance des plantes. Pourquoi ?

Parce que ça permet de récupérer toute une série d'autres éléments dont les plantes ont besoin pour pousser (et donc pour emprisonner du carbone).

Humus = couche de sol formée du mélange de particules minérales et de la matière organique en cours de décomposition.
Qu'y a-t-il comme éléments par exemple ?

Le phosphore, le nitrate
II.I. Rôle de l'azote pour les êtres vivants

On va s'intéresser un peu plus au cycle de l'azote. Il y en a dans les nitrates. A quoi ça sert l'azote pour les êtres vivants? Quelqu'un a-t-il une idée ?

C'est un de composant essentiel des protéines et de l'ADN.
Les protéines, elles servent à quoi ?

A pleins de choses, il y en a qui sont enzymatiques (qui défont ou qui font d'autres molécules) d'autres qui sont structurelles (par exemple il y a des protéines dans les membranes des cellules, dans le squelette des cellules, dans vraiment beaucoup de constituants cellulaire).
II.II Les sources d'azote

Et l'azote, d'où vient-il ?

De l'atmosphère, dans les nitrates.

Hypothèses quant à l'assimilation de l'azote par les plantes et les autres êtres vivants

Donc on sait qu'il y a de l'azote dans l'air et dans la litière. Quelqu'un a une idée de comment il passe de l'un à l'autre.

Hypothèse 1 : Les plantes absorbent l'azote de l'atmosphère, puis il y en a dans les feuilles et ensuite ça se transforme en nitrate.

Hypothèse 2 : les plantes absorbent les nitrates, puis elles forment des protéines, et ensuite la décomposition des nitrates libère de l'azote atmosphérique.
On ne va pas faire l'expérience maintenant, mais je peux vous dire que si on met une plante dans un environnement qui ne contient que de l'azote atmosphérique (dans une terre très pauvre en nitrate par exemple), elle ne va pas pousser. C'est parceque les plantes ne peuvent pas absorber l'azote atmosphérique (ce n'est pas la même chose que pour le cycle du carbone).
Vous avez déjà vu ceci (on montre les nodules). C'est quoi ?

Des nodules. Ce sont des boursouflures de légumineuses qui contiennent des bactéries capables de fixer l'azote atmosphérique et de la transformer en nitrate (assimilable par les plantes.
II.III. Le cycle de l'azote

Je vous propose de lire le texte du document 5 et de remplir le schéma du document 6.

Les cadres vident doivent être remplis avec les différentes formes sous lesquelles se retrouvent l'azote (par exemple N2, NH3). Les cases où sont inscrit "bactéries" doivent être complétée avec le nom des bactéries adéquates. Les cases où il est indiqué processus doivent être remplies avec le processus chimique qui induit la transformation. Ces processus sont surlignés dans le texte. Vous avez 10 minutes.
Correction collective.





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