o Ce TP permet de suivre l évolution d un système dans lequel sont utilisés les mêmes réactifs mais dans des proportions différentes.

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1 Document du professeur 1/11 Niveau 2 de THEME : LA SANTE Physique Chimie EVOLUTION D UN SYSTEME CHIMIQUE Programme : BO spécial n 4 du 29/04/2010 LA SANTÉ NOTIONS ET CONTENUS COMPETENCES ATTENDUES Les médicaments : un médicament générique et un médicament«princeps» contiennent le même principe actif mais se différencient par leur formation. Système chimique. Réaction chimique. Ecriture symbolique de la réaction chimique : équation de la réaction chimique. Décrire un système chimique et son évolution. Ecrire l équation de la réaction chimique avec les nombres stœchiométriques corrects. Etudier l évolution d un système chimique par la caractérisation expérimentale des espèces chimiques présentes à l état initial et à l état final. Pré requis o Réactifs, produits o Relation m = n.m o Relation n=c.v Mots-clé o Système chimique o Etat initial o Etat final o Nombre stoechiométrique o Equation d une réaction chimique Liste de matériel : Professeur o Acide chlorhydrique à 1mol.L -1 1L Réf o Hydrogénocarbonate de sodium 250g Réf o Bleu de bromothymol en solution à 0,04% 125mL Réf o Eau de chaux 1L Réf Poste Elève o Erlenmeyer col étroit 250mL Réf o Bouchon à 2 trous Réf o Cristallisoir à cordeline 2L Réf o Pipette jaugée 20mL à 2 traits Réf o Pipette jaugée 5mL à 2 traits Réf o Spatule double Réf o Verre de montre diam 80mm (lot de 10) Réf o Balance électronique à 0,1 g (portée 500g) Réf o Entonnoir pour poudre Réf o Eprouvette de 25mL Réf o Eprouvette de 500mL Réf PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 1)

2 Document du professeur 2/11 o Propipette universelle Réf o 3 béchers 50mL Réf o Entonnoir cylindrique à robinet de 50mL Réf o Têt à gaz en terre cuite Réf o Tube abducteur à 2 courbures et crochet Réf o Support statif Réf o Noix double giratoire diam 16mm Réf o Pince à 2 mâchoires en V sans noix de serrage Réf o Lunette de protection Réf o Gants latex taille L Réf o Papier Ph Réf Remarques, astuces : o Ce TP permet de suivre l évolution d un système dans lequel sont utilisés les mêmes réactifs mais dans des proportions différentes. o L élève redécouvre la technique de récupération d un gaz par déplacement d eau, technique utilisée pour extraire le gaz d une boisson gazeuse en 5 ème. L emploi du «BBT» comme indicateur de ph permettra d identifier très visuellement les deux réactifs, mais aussi le réactif en excès. C est aussi l occasion de redécouvrir le ph. o Le professeur veillera au fait que les élèves doivent proposer un protocole AVANT de le réaliser. Ceci est important car cela oblige l élève à argumenter. Ceci l aide à structurer ses connaissances (que la réponse soit juste ou fausse). o Les élèves ont parfois de la difficulté à comprendre l état initial : cela est bien compréhensible compte tenu du caractère «fictif» de l état initial. En effet, les élèves doivent comprendre qu à l état initial, les réactifs sont présents mais n ont pas encore réagi. o Pour prouver qu il y a une réaction chimique, il faut montrer soit qu une nouvelle espèce chimique se forme, soit qu une espèce chimique disparaît. Il faut donc amener les élèves à proposer des tests à réaliser sur le système avant et après réaction. o Trois remarques sont essentielles lors de l expérience proprement dite : - refermer immédiatement le robinet dès la dernière goutte d acide versée. - maintenir l éprouvette avec un système de fixation, le dégagement gazeux étant très rapide. - veiller au recouvrement complet de la poudre d hydrogénocarbonate de sodium par la solution acide. o Attention : Le volume de gaz récupéré dans l éprouvette correspond au volume de dioxyde de carbone produit lors de la réaction auquel s ajoute le volume d air qui s est déplacé lors de l ajout de la solution acide. o Quelques rappels: - Un système chimique est constitué par l'ensemble des espèces chimiques auxquelles on s'intéresse. PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 2)

3 Document du professeur 3/11 - L'état d'un système chimique est caractérisé par : Les grandeurs physiques P (pression du ou des gaz) et T (température), L'état physique, liquide (l), solide (s), gazeux (g) et aqueux (aq) des espèces présentes, Les quantités de matière des espèces présentes. - Une transformation chimique comporte plusieurs étapes : L état initial : les espèces chimiques sont mises en contact mais la réaction n a pas encore eu lieu. Le déroulement de la réaction : des réactifs disparaissent et des produits se forment. L état final : la réaction est terminée car au moins un des réactifs a complètement disparu. - Le réactif limitant (ou réactif en défaut) est le réactif totalement consommé par la réaction. Il n'en reste plus à la fin de la réaction. - L'équation d'une réaction est l'écriture symbolique d'une réaction chimique. Elle comporte : Une flèche qui indique le sens de la transformation, A gauche de la flèche, les symboles des réactifs séparés par des signes «+», A droite de la flèche, les symboles des produits de la transformation séparés par des signes +. Des nombres stœchiométriques, placés devant chaque symbole, choisis de telle façon que la loi de conservation des éléments soit satisfaite. On dit qu'on ajuste les nombres stœchiométriques ou qu on équilibre l équation chimique. Prolongements possibles : Histoire des sciences D où vient le bicarbonate de soude? Voilà 5000 ans, les Egyptiens utilisaient le dépôt salé qu ils trouvaient dans les lits des rivières asséchées pour fabriquer des verres et des ornements. Ils brûlaient également des algues et employaient leurs cendres, appelées cendres de soude, pour le nettoyage. Au premier siècle, les Romains utilisaient la cendre de soude dans la fabrication du pain, en verrerie et à des fins médicales. À mesure que l Europe se développait, on trouva de plus en plus d utilisations de la cendre de soude. Elle servait comme poudre à lever dans les préparations culinaires, elle était un ingrédient essentiel en verrerie et devint indispensable à la fabrication du papier et des textiles. Son utilisation se répandit à tel point que la combustion de la plante marine ne suffit bientôt plus à fournir suffisamment de cendre de soude. C est alors qu au 18 ème siècle, le médecin français Nicolas LEBLANC inventa un procédé chimique qui permit de fournir assez de cendre de soude pour répondre à tous les besoins. Le problème était le coût élevé des matières premières et les substances dangereuses qui en résultaient, telles que l acide chlorhydrique. PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 3)

4 Document du professeur 4/11 Ce n est qu après la découverte d un spécialiste en chimie industrielle du nom d Ernest SOLVAY qu un processus chimique quelque peu différent apparut et qu une production de cendre de soude viable et respectueuse de l environnement fut possible. Aujourd hui, le bicarbonate de soude dont le vrai nom chimique est «hydrogénocarbonate de sodium» a deux origines. La première est le processus de Solvay, prédominant dans le monde : il fournit en effet près des troisquarts de la production mondiale de bicarbonate de soude. Le procédé Solvay produit du carbonate de sodium (Na 2 CO 3 ) à partir de sel et de craie (calcaire). Ce carbonate de sodium donne ensuite de l hydrogénocarbonate de sodium. La deuxième source est issue des mines de Trona, principalement en Amérique du Nord, dans le Wyoming. Le minerai de Trona est le résultat de millions d années de dépôts minéraux tombés au fond d anciens lits de lacs qui se dessèchent. Par la suite, de nouveaux lacs se forment au-dessus du sédiment séché. C est un minerai rare et naturel, combinaison de carbonate de sodium, de d hydrogénocarbonate de sodium et d'eau, de formule chimique : Na 3 H(CO 3 ) 2,2H 2 O. Le minerai est nettoyé, chauffé et envoyé dans une solution saturée de dioxyde de carbone. Le carbonate de sodium donne de l hydrogénocarbonate de sodium selon la réaction suivante: Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 => 2 NaHCO 3 Le gisement a été découvert en 1938 lors d'un forage pour la recherche de pétrole et a commencé à être exploité en Le gisement couvre une surface d'environ 3400 km 2. La réserve est estimée à environ 60 milliards de tonnes exploitable. Environnement et santé Les vertus du «bicarbonate de soude» Le bicarbonate de soude ou hydrogénocarbonate de sodium ou carbonate monosodique ou carbonate acide de sodium (surtout dans les biscuits) est biodégradable et n'est toxique ni pour l'environnement, ni pour la santé. L hydrogénocarbonate de sodium ne se trouve pas naturellement dans l'alimentation, à l'exception des eaux dites bicarbonatées. Au niveau de la santé, le bicarbonate de soude est essentiellement un anti-acide, qui se révèle plus particulièrement utile face à un excès d'acide dans l'estomac ou à l'excès d'acide lactique produit par l'activité musculaire intense. Des études cliniques tendent à démontrer la triple action d une eau naturelle bicarbonatée chez des sportifs de haut-niveau: - diminution de l acidité de l organisme - amélioration de l hydratation - diminution de la fatigue musculaire Boire des eaux bicarbonatées contribue à vaincre l acidité dans l estomac et donc à faciliter la digestion. PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 4)

5 Document du professeur 5/11 Nom : Prénom : Classe : Date : Physique Chimie Thème : La Santé EVOLUTION D UN SYSTEME CHIMIQUE Objectifs : - Mettre en œuvre un protocole expérimental. - Savoir caractériser les réactifs et les produits formés. - Savoir décrire l état d un système. - Appréhender la notion de réactif limitant Le problème : On se propose d étudier la transformation chimique qui se produit entre l hydrogénocarbonate de sodium solide, NaHCO 3(s), et l acide chlorhydrique de formule (H + (aq)+ Cl - (aq)) selon les proportions initiales des réactifs. L équation chimique de la transformation s écrit : NaHCO 3(s) + (H + (aq)+ Cl - (aq) ) CO 2(g) + H 2 O + (Na + (aq)+ Cl - (aq) ) ACTIVITÉ 1 : Comment identifier les deux réactifs, l acide chlorhydrique et l hydrogénocarbonate de sodium? 1. Rappel de l échelle de ph Une solution dont le ph vaut 7 est neutre. Une solution dont le ph est inférieur à 7 est acide. Plus le ph est faible, plus la solution est acide. Une solution dont le ph est supérieur à 7 est basique. Plus le ph est élevé, plus la solution est basique. 2. Comment évaluer le ph? On peut utiliser : le papier ph : Une fois déposée une goutte du produit sur le papier ph, celui-ci change de couleur, et il suffit de comparer sa couleur à celles qui se trouvent sur la boite de papier ph et lire alors la valeur du ph correspondant. Un indicateur coloré : le Bleu de BromoThymol, noté couramment B.B.T. est un indicateur coloré jaune de ph 0 à 6, vert de 6 à 7,6 et bleu de 7,6 à 14. Quelques gouttes de cet indicateur coloré dans la solution donnent à la solution une coloration qui fixe ses plages de ph. PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 5)

6 Document du professeur 6/11 3. Réaliser les expériences On mesure avec le papier ph, le ph : - de l acide chlorhydrique contenu dans un bécher. - d une solution d hydrogénocarbonate de sodium obtenue par dissolution d 1g de ce solide dans l eau contenu dans un autre bécher. Compléter les niveaux dans les béchers et noter la valeur du ph pour les deux solutions ainsi que leur couleur après avoir ajouté quelques gouttes de BBT. ph( acide chlorhydrique) = 1 ph (solution d hydrogénocarbonate de sodium) = 9 Compléter la conclusion ci-dessous avec les termes: «jaune, ou verte ou bleue» Conclusion En présence d acide chlorhydrique, le bleu de bromothymol prend une teinte jaune : le milieu est acide. En présence d une solution d hydrogénocarbonate de sodium, le bleu de bromothymol prend une teinte bleue : le milieu est basique. ACTIVITÉ 2 : Evolution de la réaction entre l acide chlorhydrique et l hydrogénocarbonate de sodium solide selon les proportions initiales des réactifs. 1. Le dispositif expérimental a. D après l équation de la réaction chimique, quel gaz va se former au cours de la transformation chimique? Il va se former du dioxyde de carbone. b. À l aide de la liste de matériel ci-dessous : Erlenmeyer - Bouchon à 2 trous - Cristallisoir - Pipettes jaugées Eprouvette graduée de 500mL - tulipe cylindrique à robinet - tube à dégagement - potence - noix de serrage - Pince adaptée au diamètre de l erlenmeyer - Têt à gaz en terre cuite proposer un montage expérimental permettant de récupérer et de mesurer le volume de gaz formé lors de la réaction entre l acide chlorhydrique et l hydrogénocarbonate de sodium. Faire un schéma du montage expérimental dans le cadre ci-dessous. PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 6)

7 Document du professeur 7/11 2. Les expériences Réaliser successivement les deux mélanges du tableau suivant en respectant le protocole décrit sous ce tableau. Substance chimique Mélange 1 Mélange 2 Masse (en g) d hydrogénocarbonate 1,0 1,0 de sodium solide Volume (en ml) de solution d acide chlorhydrique 5,0 20,0 Peser précisément la masse de 1,0 g d hydrogénocarbonate de sodium solide. Introduire à l aide d un entonnoir la poudre dans l erlenmeyer. Mettre 15 ml d eau dans une éprouvette graduée de 25 ml. Ajouter à l aide d une pipette graduée 5,0 ml d acide chlorhydrique, additionné de quelques gouttes de bleu de bromothymol. Adapter la tulipe cylindrique, robinet fermé, sur l erlenmeyer à l aide du bouchon percé à 2 trous. Fixer l erlenmeyer à la potence en utilisant la pince et la noix de serrage. Effectuer le montage pour récupérer le gaz qui se dégage. Verser l acide dans la tulipe. Le montage est prêt!! Verser rapidement l acide à l aide de la tulipe dans l erlenmeyer ; refermer le robinet dès la dernière goutte tombée. Attendre l arrêt du dégagement gazeux. Noter la valeur du volume de gaz recueilli et la couleur de la solution dans l erlenmeyer à l état final dans le tableau ci-après. Recommencer l expérience avec le mélange 2. PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 7)

8 Quel réactif utilise-t-on pour identifier le dioxyde de carbone formé? On utilise l eau de chaux. Réaliser le test. Document du professeur 8/11 Transformation 1 Transformation 2 Volume V(en ml) de gaz recueilli Couleur de la solution à l état final bleue jaune 3. L exploitation des expériences a. Expliquer pourquoi on peut dire qu il y a eu une transformation chimique dans les deux expériences? Une transformation a eu lieu puisqu il y a formation d un produit. b. À quoi correspond l état initial de la transformation chimique? Il correspond à la mise en contact de l hydrogénocarbonate de sodium et l acide chlorhydrique. c. Quand l état final de la transformation chimique est-il atteint? L état final est atteint lorsque la transformation cesse, il n y a plus de dégagement gazeux. d. À partir des observations, compléter le tableau suivant : Transformation 1 Transformation 2 Couleur de la solution dans l état initial jaune jaune Couleur de la solution dans l état final bleue jaune Reste t-il du solide dans l état final? oui non Volume V(en ml) de gaz formé dans l état final e. Déterminer les quantités de matière en hydrogénocarbonate de sodium, de masse molaire M (NaHCO3) = 84 g.mol -1 et en acide chlorhydrique de concentration [acide] = 1,0 mol.l -1 intervenant dans chaque transformation. Les résultats seront donnés sous la forme «X.10-2 mol» Rappel : n (NaHCO3) = m (NaHCO3)/ M (NaHCO3) ; n acide = [acide].v acide Transformation1: n (NaHCO3) = 1,0/84 = 1, mol n acide = 1,0 5, = 0, mol Transformation2 : n (NaHCO3) = 1, mol n acide = 1,0 20, = 2, mol Transformation 1 Transformation 2 Quantité de matière en NaHCO 3 (en mol) 1, , Quantité de matière en acide (H + (aq)+ Cl - (aq)) (en mol) 0, , PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 8)

9 Document du professeur 9/11 f. On rappelle l équation chimique traduisant la réaction chimique : NaHCO 3(s) + (H + (aq)+ Cl - (aq)) CO 2(g) + H 2 O + (Na + (aq)+ Cl - (aq) ) au niveau macroscopique, elle s interprète ainsi: Une mole d hydrogénocarbonate de sodium NaHCO 3 réagit avec une mole d acide chlorhydrique (H + (aq)+ Cl - (aq)) pour former notamment une mole de dioxyde de carbone CO 2 (g). En raisonnant sur les quantités de réactifs introduits, déterminer pour chaque transformation, le réactif limitant (ou réactif en défaut), c est-à dire le réactif totalement consommé par la réaction et la quantité. En raisonnant sur les quantités de réactifs introduits, déterminer pour chaque transformation, le réactif en excès ; compléter alors le texte suivant : Transformation 1 : l acide chlorhydrique a totalement disparu, c est le réactif limitant. Il reste 0,07 mol d hydrogénocarbonate de sodium, c est le réactif en excès. Transformation 2 : l hydrogénocarbonate de sodium a totalement disparu, c est le réactif limitant. Il reste 0,008 mol d acide chlorhydrique, c est le réactif en excès. g. Est-ce en accord avec la couleur observée et la quantité de gaz formé dans l état final pour chaque transformation? Pour répondre, compléter le texte suivant : Transformation 1 : la solution dans l erlenmeyer à l état final est de couleur bleue, il reste donc de l hydrogénocarbonate de sodium et il est apparu dans l éprouvette 120mL de dioxyde de carbone. Transformation 2 : la solution dans l erlenmeyer à l état final est de couleur jaune, il reste donc de l acide chlorhydrique et il est apparu dans l éprouvette 285 ml de dioxyde de carbone. 4. La conclusion Compléter la conclusion ci-dessous avec les termes: «final, limitant, initial» Conclusion Lors d une transformation chimique, un système chimique évolue. La composition de l état final d un système chimique dépend de la composition à l état initial. Quand l un des réactifs, appelé réactif limitant, a complètement disparu, la transformation cesse. PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 9)

10 Document du professeur 10/11 EXERCICES D APPLICATION : Un désinfectant: l eau oxygénée L eau oxygénée utilisée pour désinfecter les plaies est une solution aqueuse de peroxyde d hydrogène de formule H 2 O 2. Son mode d action thérapeutique est le suivant : au contact du sang, le peroxyde d hydrogène se transforme en eau et en dioxygène gazeux qui désinfecte la plaie. 1. Pourquoi peut-on dire que l effet thérapeutique de l eau oxygénée est dû à une réaction chimique? 2. Quel est le nom et la formule chimique du réactif? 3. Quel est le nom et la formule chimique des produits formés? 4. Ecrire l équation chimique symbolisant cette réaction. 5. Quels tests permettraient d identifier chacun des produits formés? Réponses 1. Une réaction chimique s est produite puisqu une espèce chimique disparaît : le peroxyde d hydrogène. Par ailleurs, on forme deux espèces chimiques: l eau et le dioxygène. 2. Le réactif est le peroxyde d hydrogène H 2 O 2 3. Les produits sont l eau H 2 O et le dioxygène O H 2 O 2(aq) O 2(g) + 2 H 2 O (l) 5. Test au sulfate de cuivre anhydre : composé blanc qui devient bleu en présence d eau. Test à la flamme : une bûchette présentant un point en ignition se ravive au contact du dioxygène. PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 10)

11 Document du professeur 11/11 La combustion d une bougie On introduit une bougie allumée de masse m = 3,52 g dans un flacon rempli d air. L air contient en volume 20% de dioxygène O 2.Le dioxygène joue le rôle de comburant. On ferme le flacon et on constate que la bougie s éteint rapidement. La bougie est constituée de paraffine de formule brute C 25 H 52. Dans le flacon, il se forme exclusivement du dioxyde de carbone et de la vapeur d eau. 1. Qu est-ce qu un comburant? 2. Nommer les réactifs et les produits de la réaction. 3. La bougie s éteint. Quelle hypothèse peut-on faire? 4. Déterminer la quantité de matière de paraffine n paraffine dans l état initial sachant que la masse molaire M paraffine est égale à 352g.mol Voici l équation chimique traduisant la combustion de la bougie dans le flacon. C 25 H 52(s) + 38 O 2(g) 25 CO 2(g) + 26 H 2 O(g) D après l équation, pour réagir avec 38 mol de dioxygène, combien de moles de paraffine fautil? 6. On admet que le volume de dioxygène présent dans le flacon correspond à une quantité de matière en dioxygène n O2 = 3, mol. En raisonnant sur l équation, quelle quantité de matière en paraffine est susceptible de réagir avec 3, mol de dioxygène? 7. Disposait-on alors de suffisamment de paraffine? 8. En déduire le réactif limitant et le réactif en excès. 9. La réponse précédente est-elle en accord avec l expérience? Réponses 1. C est une substance capable d entretenir la combustion (action de brûler) d un combustible (corps qui peut brûler) 2. Les réactifs sont la paraffine et le dioxygène ; les produits de la réaction sont le dioxyde de carbone et l eau. 3. La bougie s éteint. On peut faire l hypothèse suivante : il n y a pas assez de dioxygène dans le flacon. 4. n paraffine = m paraffine / M paraffine d où n paraffine = 3,52/352= 1, mol. 5. D après l équation, il faut 1 mol de paraffine pour réagir avec 38 mol de dioxygène. 6. Exprimé en mole, il faut 38 fois moins de paraffine que de dioxygène. Donc, pour réagir avec 3, mol de dioxygène, il faut 3, /38 soit 1, mol de paraffine. 7. Oui on avait suffisamment de paraffine puisqu on disposait de 1, mol de paraffine. 8. Le réactif limitant est le dioxygène, le réactif en excès est la paraffine. 9. Le résultat est en accord avec l expérience, la bougie (réactif en excès) s éteint par manque de dioxygène (réactif limitant). PIERRON 2011 Evolution d un système chimique (page 11)