I) Expériences préliminaires

A- Analyse de l'eau test

Tout d'abord, pour nos expériences futures concernant notre sujet et amorce de problématique, nous avions besoin d'une eau non potable. Après différentes propositions, nous avons décidé de choisir l'eau de mare comme notre eau à filtrer car celle-ci est moins polluée qu'une eau de rivière mais est néanmoins non potable. Le collège Grange ayant une mare et étant l'ancien collège de Flavie et Neïla, nous décidons donc de demander à cet établissement l'autorisation de prélever de l'eau qui proviendrait de leur mare. Après avoir contacté le personnel du collège, celui-ci nous a donné une réponse positive et nous a autorisées l'accès à la mare.

Nous nous sommes donc rendues sur place le lundi 16 octobre 2017 de 11h à 12h et avons collecté deux litres d'eau pris à la surface de la mare. Dans cette mare se trouvait une eau non limpide et des roseaux ; des végétaux et des insectes comme des araignées d'eau qui flottaient à la surface .

Pour lire la légende et les sources des photos ci dessous, veuillez s'il vous plaît glisser la souris sur celles-ci.

Dans les bouteilles se trouve l'eau de mare qui est d'une couleur jaunâtre. Des particules de végétaux séchées flottent dans l'eau. De plus, il n'y a pas d'êtres vivants visibles à l'œil nu dans cette eau ni d'odeur particulière.

Bouteilles contenant l'eau de la mare. Source: photographie personnelle

La première expérience que nous avons faite après avoir récupéré notre eau test est une observation microscopique qui sert à faire apparaître tous types d'organismes ou végétaux non visibles à l'œil nu. Nous avons eu recours à l'analyse d'une eau potable dite témoin qui va nous servir comme objectif à atteindre au niveau de la composition de l'eau à la fin de nos TPE ; notre eau témoin est l'eau du robinet du lycée.

Puis, pour une analyse de l'eau plus optimisée nous avons utilisé deux colorants :

-Le rouge neutre qui est utilisé pour colorer les organes cellulaires en rouge, l'appareil de Golgi à l'intérieur de cellules nécessaires à la fabrication de protéines, la vacuole présente dans les cellules végétales, les parois cellulaires d'algues filamenteuses et les polysaccharides (amidon* et cellulose*).

-Le bleu de méthylène qui sert à exposer les cellules mortes qui deviennent bleues alors que les cellules vivantes restent incolores. Il colore également les bactéries et les levures en bleu.

Par ailleurs, pour faire une observation microscopique il nous faut un microscope, une lame, une lamelle, les colorants et le produit à tester. En outre, nous avons placé une goutte d'eau (de mare puis du robinet) sur une lame par la suite nous avons versé une goutte de colorant par dessus la goutte d'eau. Enfin, nous avons déposé la lamelle sur la lame puis installé la lame sur le microscope en réglant le grossissement et la netteté de celui-ci pour pouvoir observer nos eaux.

Voici nos observations microscopiques pour l'eau de la mare, les photos ont été prises avec une caméra placée sur le microscope :

Amibe = organisme unicellulaire (une seule cellule).

Micro algue = organisme végétal microscopique présent dans l'eau

Bacille = bactérie positive qui ne cause pas de maladie

Amas d'algue et d'autres végétaux microscopiques.

Colpidium colpoda = protozoaire cilié, c'est-à-dire un organisme unicellulaire qui se nourrit de bactéries à l'origine des maladies.

Cellule chlorophylienne = cellule produissant sz propre photosynthèse. Produit du dioxigène et de la matière organique.

Litonotus = protozoaire cilié, c'est-à-dire un organisme unicellulaire qui se nourrit de bactéries à l'origine des maladies.

Floc sous aéré = amas de particules impurs.

Nématode = vers parasite qui s'attaque aux plantes et les affaiblient

L'eau de mare abrite un écosystème microscopique composé essentiellement d'êtres vivants qui peuvent être pathogènes*.

Voici nos résultats pour l'eau potable du robinet, les photos ont été prises avec une caméra placée sur le microscope :

Amas de micro algues = organisme végétal microscopique présent dans l'eau

Floc aéré = amas de particules purs.

L'eau du robinet est plus propre que l'eau de mare car elle ne contient pas de bactéries ni d'agents pathogènes.

Notre seconde expérience consiste à connaître l'acidité de notre eau de mare: son pH.

Il faut tout d'abord vérifier la fiabilité du papier pH. En effet, nous déposons une goutte d'une solution de ph 7 sur un papier pH; la couleur sur celui ci indique un pH de 7 donc nos résultats seront fiables car le papier PH est valide.

Pour chaque eau, nous utilisons un papier pH mesurant l'acidité entre 1 et 14, puis nous en prenons un autre qui nous indiquera un chiffre au dixième près.

Voici nos résultats:

pH de notre eau temoin, notre eau test et de l'eau distillée. Source: Photographie personnelle

Une autre de nos expériences est un procédé permettant la détermination de la concentration d'ions chlorures dans l'eau. Cet ion permet de garder un équilibre hydrique dans l'organisme c'est-à-dire que le cl- est à l'origine d'un apport en eau régulier dans le corps. Cette méthode est appelée la méthode de Mohr.

Pour commencer, il faut déjà déterminer s'il y a des ions chlorures dans notre échantillon d'eau de mare. Pour cela, il faut déposer quelques gouttes de nitrate d'argent dans le produit à tester. Si un précipité blanc se forme alors des ions chlorures sont présents dans le liquide mais si aucun précipité blanc ne se forme, cela signifie qu'il n'y a pas ou très peu d'ions chlorures. Ici, nous allons faire ce test pour l'eau potable, l'eau distillée et l'eau de la mare. Nous pouvons apercevoir un précipité dans l'eau potable mais pas dans l'eau déminéralisée ni dans notre eau test.

La méthode de Mohr n'est exécutable seulement lorsqu'il y a des ions chlorures dans une eau.

Test de l'ion chlorure. Source: photographie personnelle

Après avoir fait le test du nitrate d'argent, il faut en premier lieu stériliser tout le matériel utilisé pour cette expérience avec de l'alcool médical. Ensuite, il faut prendre 10 mL d'eau avec un pipette et y verser dans un Erlenmeyer de 250 mL puis ajouter 50 ml d'eau distillée pour diluer et mieux observer ce qu'il y a dans la verrerie.

Prélèvement de 10 ml d'eau par la pipette. Source: photographie personnelle

De plus, nous versons trois gouttes de chromate de potassium puis nous mélangeons la solution avec un agitateur tout en étant sous la protection d'une hôte de laboratoire qui aspire les émanations dangereuses des produits utilisés.

Ajout des gouttes de chromate de potassium sous la hôte de laboratoire. Source: photographie personnelle

En outre, nous testons l'acidité de notre liquide avec un papier pH. Il faut déposer une goutte de la solution sur un bout de papier pH, la couleur sur ce papier va correspondre à un pH indiqué sur la boîte à pH.

Si le pH est inférieur à 6,3 alors il faut ajouter goutte à goutte une solution de carbonate de sodium pour augmenter le pH qui doit ensuite être entre 6,3 et 10,5.
Si le pH est supérieur à 10,5, nous déposons une solution d'acide acétique dans notre solution de départ et ajustons le pH pour être entre 6,3 et 10,5.

Le pH de l'eau potable suite à l'ajout de l'eau distillée et du chromate de potassium est de 9 donc nous n'avons pas besoin de modifier le pH. Cependant, l'acidité de l'eau distillée étant de 4,5 et l'eau de mare 5, nous ajoutons du carbonate de sodium pour augmenter leur pH.

pH de notre eau temoin et eau distillée. Source: photographie personnelle

pH de notre eau de mare. Source: photographie personnelle

Par ailleurs, nous remplissons une burette graduée de 25 mL de nitrate d'argent, plaçons l'erlenmeyer en dessous de la burette et ouvrons le robinet de la burette pour faire écouler le nitrate d'argent goutte à goutte dans l'erlenmeyer que l'on agite continuellement. Nous fermons le robinet lorsqu'un précipité rouge se forme dans l'erlenmeyer et notons le volume de nitrate d'argent versé dans la solution. Ce volume va nous permettre de calculer la concentration d'ions chlorures dans l'eau.

Solution de l'eau distillée contenant du nitrate d'argent. Source: photographie personnelle

Solution de l'eau distillée et de l'eau potable contenant du nitrate d'argent. Source: photographie personnelle

Suite à l'harmonisation des pH nous relevons le volume de nitrate d'argent utilisé pour chaque solution :

1,4 mL de nitrate d'argent utilisé sur 25 mL pour la solution d'eau potable et sa couleur est rouge car il contient des ions chlorures.

0,6 mL de nitrate d'argent utilisé sur 25 mL pour la solution d'eau distillée et est devenue orange car il ne contient pas ou très peu d'ions chlorure.
1 mL de nitrate d'argent utilisé sur 25 mL pour la solution d'eau de mare de couleur orange également car il ne contient pas ou très peu d'ions chlorure.

Pour finir, la fin de l'expérience consiste à calculer si la quantité de matière du nitrate d'argent versée est égale à la quantité d'ions chlorures initiale. Donc, le nitrate d'argent multiplié par le volume équivalent est égal au chlorure initiale multiplié par le volume initiale.

En conclusion, le chlorure est égal au nitrate d'argent multiplié par le volume équivalent le tout divisé par le volume initiale.

Calcul de la quantité d'ions chlorures dans l'eau du robinet. Source: photographie personnelle

Il y a dans dans un litre d'eau potable, 500 mg.L-1 d'ions chlorures . Cependant, l'eau distillée et l'eau de mare ne contenant pas ou très peu d'ions chlorures, nous ne pouvons pas calculer la concentration de chlore dans ces deux eaux.

B- Composition de l'eau minérale

Tout d'abord, nous avons effectué tout au long de nos TPE quelques recherches sur l'eau minérale.

Celle-ci est issue de nappes d'eaux souterraines plus ou moins profondes. Cette eau est, grâce à la filtration, purifiée, potable et non polluée car l'eau avant d'arriver dans ces nappes a dû passer par des couches de pierres, terre, sable... qui ont permises d'éliminer toutes les impuretés de l'eau.

Seuls quelques traitements sont nécessaires pour perfectionner l'eau minérale comme par exemple l'élimination de gaz carbonique et la séparation des composés instables (fer, manganèse...)....

Chaque marque d'eau minérale correspond à une source bien précise, ce qui rend leur composition stable et est très appréciée et recommandée pour les personnes nécessitant un régime alimentaire spécifique. De plus, certaines eaux minérales conviennent mieux pour la préparation des biberons que certaines autres. Il est également recommandé chez les consommateurs de varier leurs eaux minérales pour pouvoir bénéficier des différents minéraux bons pour la santé.

De nos jours, la consommation d'eau en bouteille par les êtres humains est en augmentation constante car les consommateurs trouvent que l'eau du robinet à mauvais goût. Cela est dû à l'ajout de chlore dans celle-ci, ce qui lui donne un goût particulier.

Comme nous pouvons l'observer sur les diagrammes ci-dessous, la consommation d'eau en bouteille en Europe a augmenté de 2014 à 2016. Par exemple, en 2016, 125 litres d'eau en bouteille on été consommés par un habitant de France contre 118 litres en 2014, soit une augmentation de 7 litres d'eau consommés en plus par habitants.

Diagramme de consommation d'eau en bouteille en Europe, en 2014. Source: https://eaumineralenaturelle.fr/chambre-syndicale/leau-minerale-en-chiffres

Diagramme de consommation d'eau en bouteille en Europe, en 2016. Source: https://eaumineralenaturelle.fr/chambre-syndicale/leau-minerale-en-chiffres

Comme on peut le voir, tous les pays sont touchés par cette augmentation. Les pays les plus consommateurs d'eau en bouteille sont l'Italie avec 188 litres d'eau consommés par habitant, puis l'Allemagne avec 175 litres et enfin la Belgique avec 130 litres d'eau.

Cependant, certains pays consomment peu d'eau en bouteille. C'est le cas de la Suède avec seulement 10 litres d'eau consommés par habitants, suivi de la Finlande avec 14 litres, ensuite du Danemark avec 21 litres et pour finir du Pays-Bas avec 25 litres d'eau.

Ensuite, nous avons trouvé, grâce à nos recherches personnelles, la composition de certaines eaux en bouteille, comme par exemple celle de Volvic ou encore une de Vittel...

étiquette de la bouteille d'eau Vittel. Source: photographie personnelle

Composition de la bouteille d'eau Volvic. Source: https://www.volvic.fr/creee_par_la_nature/composition_de_l_eau_minerale_volvic_une_mineralite_ unique.html

Composition de la bouteille d'eau Vittel. Source: photographie personnelle

Nous avons donc créé un tableau sur Microsoft Excel pour pouvoir rentrer toutes les compositions d'eau en bouteille que nous avions trouvées. Les rectangles rouges sur la photo ci-dessous correspondent aux composants non présents dans la bouteille. Par exemple, dans les bouteilles de Contrex et Cristaline, il n'y a pas de silice.

Nous avons également écrit le pH de chacune des eaux. Puis, fait une moyenne du pH de celles-ci ainsi que la moyenne de chaque composant présent dans ces bouteilles.

Tableau de la composition des eaux minérales. Source: tableau sur Microsoft Excel

Grâce à cela, nous avons donc pu constater que le sulfate est le composant le plus présent dans les eaux en bouteille car la moyenne de celui-ci est d'environ 310 mg/Litre. Cependant, le potassium est le composant le moins présent dans les eaux en bouteille avec seulement 3 mg/Litre environ suivi heureusement de très près par le nitrate qui ne compte que 4 mg/Litre. Le nitrate étant le principal responsable de la pollution des eaux cela est rassurant que ce composant soit l'un des moins présents.

Nous avons ensuite réalisé un diagramme avec chaque composant et chaque bouteille d'eau analysée pour rendre la compréhension du tableau ci-dessus plus parlant, plus clair et plus visuel.

Diagrammes des composants de chaque eaux minérales. Source: Microsoft Excel

A l'aide de ces diagrammes nous pouvons mieux observer les composants de chaque eau; la bouteille de Contrex est composée de beaucoup de sulfates, de magnésiums, de bicarbonates et de calciums. La Cristaline de son côté est composée de beaucoup de chlorures et de sodiums. Pour finir, nous pouvons observer que contrairement aux deux eaux citées un peu plus haut, l'eau de Volvic contient vraiment très peu de sulfates et de magnésiums alors qu'elle contient plus de silices et de chlorures.

Pour finir, nous dirions que chaque eau de bouteille est différente, ce qui en fait des eaux totalement uniques. Certaines personnes vont donc plus apprécier la Cristaline alors que d'autres la trouverons fade et préférerons l'eau Vittel.

C- Sondage auprès des lycéens

Tout d'abord, nous avons conçu un questionnaire concernant l'eau et ses différents aspects pour être informées des connaissances et opinions des élèves de notre lycée au sujet de l'eau. Voici le questionnaire faisant l'objet de notre sondage :

1) Que buvez-vous ?
                    a) de l'eau en bouteille    b) de l'eau du robinet
2) Pourquoi buvez-vous de l'eau en bouteille ?
                    a) je préfère                                 b) l'eau du robinet est trop mauvaise
                    c) elle a meilleur goût                 d) autre
3) Pensez-vous que l'eau potable est totalement propre ?
                    a) oui                                           b) non
4) Pensez-vous qu'il y a des micro-organismes (êtres vivants) dans l'eau potable ?
                    a) oui b) non
5) Combien de litres d'eau bois-tu par jour environ?
                    a) 0.50 L b) 1 L               c) 1.50 L d) 2 L
6) Pensez-vous que l'on peut rendre une eau potable grâce à un filtre naturel que
l'on fabriquerait ?
                    a) oui                                          b) non
7) Pourquoi y a-t-il du chlore dans l'eau ?
                    a) pour donner un meilleur goût à l'eau             b) pour tuer les bactéries
                    c) il est déjà naturellement présent dans l'eau      d) je ne sais pas

Ensuite, après avoir questionné 50 lycéens, nous décidons de calculer les intervalles de confiance qui nous permettront d'encadrer les différentes probabilités au risque d'erreur de 5%. Par ce biais, nous pourrons clairement percevoir le pourcentage général des lycéens d'Ella Fitzgerald concernés par le sujet de chaque question. Cependant, leur calcul doit obéir à des conditions. La taille "n" de l'échantillon doit être strictement supérieure à 25 et "f" la fréquence d'apparition du caractère doit se situer dans l'intervalle [0,2;0,8].

Après avoir effectué manuellement quelques calculs d'intervalles, nous décidons de calculer la suite à l'aide du logiciel « Excel ». Celui-ci nous a permis de les établir plus rapidement en rentrant la formule sur le haut d'une colonne et en la « tirant » vers le bas à l'aide du curseur pour soumettre l'ensemble des réponses de la colonne à la formule appartenant a chacune des bornes ( gauche et droite ) de l'intervalle de confiance.

N.B : La borne gauche de l'intervalle désigne le début de l'intervalle, quant à la borne droite elle indique sa fin.

Calculs des intervalles de confiance du questionnaire. Source: tableau sur Microsoft Excel

Afin de connaître les précisions du calcul, voici un exemple où l'on cherche l'intervalle de confiance pour les personnes qui boivent de l'eau en bouteille au sein de la population lycéenne ( réponse 1.a. ) : n désigne un échantillon de taille n et f désigne la fréquence d'apparition d'un caractère. On considère un échantillon de taille n ≥ 25 tel que 0,2 ≤ f ≤ 0,8 avec n = 50 et f = 18/50 p ∈ [ f - 1/√n ; f + 1/√n ]

          = [ 18/50 -1/√50 ; 18/50 + 1/√50 ]
          = [ 0,36 - 0,141 ; 0,36 + 0,141 ]
                          = [0,219 ; 0,501]
La proportion des élèves de notre lycée buvant de l'eau en bouteille se situe environ entre 22% et 50% au risque d'erreur de 5%.

Enfin, voici l'ensemble des interprétations des intervalles de confiance du questionnaire au sujet de l'eau majoritairement calculés par le logiciel Excel :

1. a) La proportion des élèves de notre lycée buvant de l'eau en bouteille se situe environ entre 22% et 50% au risque d'erreur de 5%. b) La proportion des élèves de notre lycée buvant de l'eau du robinet se situe environ entre 50% et 78% au risque d'erreur de 5%.

2.         a) La proportion des élèves de notre lycée buvant de l'eau en bouteille car ils la préfèrent se situe environ entre 0% et 46% au risque d'erreur de 5%.
          b) La proportion des élèves de notre lycée buvant de l'eau en bouteille car ils trouvent l'eau du robinet trop mauvaise se situe environ entre 0% et 46% au risque d'erreur de 5%.
          c) La proportion des élèves de notre lycée buvant de l'eau en bouteille car ils trouvent qu'elle a meilleur goût se situe environ entre 15% et 62% au risque d'erreur de 5%.
           d) La proportion des élèves de notre lycée buvant de l'eau en bouteille pour une autre raison se situe environ entre 0% et 40% au risque d'erreur de 5%.
3.          a) La proportion des élèves de notre lycée pensant que l'eau potable est totalement propre se situe environ entre 0% et 36% au risque d'erreur de 5%.
            b) La proportion des élèves de notre lycée pensant que l'eau potable n'est pas totalement propre se situe environ entre 64% et 92% au risque d'erreur de 5%.
4.        a) La proportion des élèves de notre lycée préconisant la présence de micro-organismes dans l'eau potable se situe environ entre 64% et 92% au risque d'erreur de 5%.
            b) La proportion des élèves de notre lycée ignorant la présence de micro-organismes dans l'eau potable se situe environ entre 0% et 36% au risque d'erreur de 5%.
5.            a) La proportion des élèves de notre lycée buvant 0.5L d'eau par jour se situe environ entre 12% et 40% au risque d'erreur de 5%.
             b) La proportion des élèves de notre lycée buvant 1L d'eau par jour se situe environ entre 30% et 58% au risque d'erreur de 5%.
            c) La proportion des élèves de notre lycée buvant 1.5L d'eau par jour se situe environ entre 0% et 34% au risque d'erreur de 5%.
                 d) La proportion des élèves de notre lycée buvant 2L d'eau par jour se situe environ entre 0% et 24% au risque d'erreur de 5%.
6.             a) La proportion des élèves de notre lycée pensant que nous pouvions rendre une eau potable grâce à un filtre naturel se situe environ entre 48% et 76% au risque d'erreur de 5%.
                 b) La proportion des élèves de notre lycée pensant que nous ne pouvions pas rendre une eau potable grâce à un filtre naturel se situe environ entre 24% et 52% au risque d'erreur de 5%.

7. a) La proportion des élèves de notre lycée pensant qu'il y a du chlore dans l'eau pour donner un meilleur goût à cette dernière se situe environ entre 0% 16% au risque d'erreur de 5%.

                 b) La proportion des élèves de notre lycée pensant qu'il y a du chlore dans l'eau pour y tuer les bactéries présentes se situe environ entre 70% 98% au risque d'erreur de 5%.
               c) La proportion des élèves de notre lycée pensant qu'il y a du chlore dans l'eau naturellement se situe environ entre 0% 20% au risque d'erreur de 5%.
           d) La proportion des élèves de notre lycée ne savant pas quoi répondre se situe environ entre 0% 22% au risque d'erreur de 5%.

Néanmoins, quelques anomalies sont parvenues et ont par ce biais influencé nos intervalles. Ces anomalies surviennent lorsque les conditions de calcul de l'intervalle de confiance ne sont pas respectées. Ces dernières peuvent survenir dès lors que n < 25 et/ou que f n'est plus situé dans l'intervalle [0,2;0,8]. Ainsi dans certaines cases du tableau Excel, lorsqu'un chiffre négatif apparaît on le porte à 0, on considère alors qu'il est nul ( cf tableau Excel 2)a. ) . De plus, on constate dans certains cas des fourchettes de sondage très vastes comme à la question numéro 2 où 18 personnes seulement n'ont pu répondre puisqu'il fallait au préalable affirmer que l'on buvait de l'eau en bouteille ( personnes ayant répondu a) à la question numéro 1 ). Ainsi, l'effectif est ici porté à 18, il n'obéit plus à la condition n ≥ 25 et implique une probabilité moins précise ( cf interprétations des intervalles de confiance 2. ).

Enfin, nous avons élaboré des diagrammes circulaires qui sont plus communément appelés "camemberts". Ils nous permettent de mieux visualiser les pourcentages et de cette manière rendent plus accessible au grand public la lecture des données. Les camemberts sont très lisibles puisqu'ils rassemblent tout les éléments et en font ainsi un ensemble cohérent.