Documents de stage. Compétences fondamentales. en chimie pour. l'enseigner en STI2D. J1 mardi 21 juin J3 mercredi 14 décembre 2011

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1 Caen - Lycée Charles de Gaulle J1 mardi 21 juin 2011 J2 mercredi 21 septembre2011 J3 mercredi 14 décembre 2011 Documents de stage Réfrigérant à eau Ballon Mélange réactionnel Chauffeballon Documents de stage Compétences fondamentales en chimie pour l'enseigner en STI2D Philippe Gires Denis Blanchetière

2 Sommaire J2 1.Des techniques de séparation...3 a.démarche d'investigation : «comment séparer l éthanol d un jus fermenté?»...3 b.hydrodistillation : obtention d'une huile essentielle (HE de l'écorce d'orange) TP..7 Autre rédaction du TP Hydrodistillation et huiles essentielles...10 I Hydrodistillation d un végétal :...10 II Analyse de l huile essentielle :...10 c.séparation par chromatographie : la chromatographie sur couche mince (ccm) La quantité de matière...13 a.définition : la mole, unité de quantité de matière...13 b.la masse molaire e.tp : le liquide magique Conversion de quantités de matière en quantités mesurables au labo La transformation chimique...19 a.vocabulaire...19 b.l'avancement chimique...19 c.utilisation du logiciel réaction Ressources et compléments...19 p 2/19 Compétences fondamentales en chimie pour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires

3 1. Des techniques de séparation a. Démarche d'investigation : «comment séparer l éthanol d un jus fermenté?» Proposer un schéma du dispositif nécessaire puis le faire valider avant réalisation. Proposer une méthode pour vérifier la pureté et la nature du produit obtenu. (le goût est exclu!) Compétences fondamentales en chimiepour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires p 3/19

4 Distillation fractionnée du vin rédaction «classique» du TP 1. Principe Sous une pression donnée, les températures de changement d'état sont caractéristiques des corps purs, elles permettent de les identifier: plus la température d'ébullition d'un corps pur est basse, plus il est volatil, plus il se vaporise facilement. Sous pression atmosphérique normale, l'eau bout à 100 C, l'éthanol se vaporise à 78 C, l'acétone à 56 C La distillation est une technique permettant de séparer les différents constituants d'un mélange liquide en se basant sur leur différence de températures d'ébullition.sous l'effet de l'augmentation de température, la substance ayant la température d'ébullition la plus basse se vaporise en premier. La vapeur qu'elle forme est ensuite condensée et le distillat obtenu est recueilli. La distillation fractionnée, qui peut-être réalisée au laboratoire en utilisant une colonne de Vigreux, permet de mieux séparer les constituants: les vapeurs montent dans la colonne de séparation, se refroidissent et se condensent sur les aiguilles de la colonne de Vigreux; ce liquide s'évapore de nouveau, puis se recondense, etc. Les vapeurs ainsi formées sont de plus en plus concentrées en le composant le plus volatil. 2. Mise en œuvre au laboratoire On réalise la distillation du vin. On mesurera le volume et la masse du distillat. a. Légender le schéma. b. Installer le dispositif, sans le ballon, en prenant garde à la fragilité du matériel.les premières gouttes de distillat, avant que la température ne se stabilise, seront recueillies dans un erlenmeyer-poubelle. c. Prélever 50 ml de vin dans une éprouvette gradué, puis les placer dans le ballon avec des grains de pierre ponce. d. Ouvrir le robinet d'arrivée d'eau dans le réfrigérant (débit faible) e. Allumer le chauffe-ballon (th. 7-8). f. Peser l'éprouvette qui servira à recueillir le premier distillat. L'installer à la place de l'erlenmeyer-poubelle quand la température se stabilisera. g. Observer l'ébullition du mélange dans le ballon, les vapeurs qui se condensent dans la colonne, l'évolution de la température en haut de la colonne. h. Noter la température des vapeurs du premier distillat (fraction V 0 ) et vérifier que cette température reste constante pendant plusieurs minutes. Retirer l'éprouvette graduée dès que la température commence à augmenter. Replacer l'erlenmeyer-poubelle. i. Placer une autre éprouvette à la sortie du réfrigérant quand la température se stabilise de nouveau. Augmenter le chauffage si nécessaire. Noter la température des vapeurs j. Arrêter le chauffage quand il n'y a plus de distillat qui s'écoule. Descendre la chauffe-ballon sans arrêter tout de suite la circulation d'eau dans le réfrigérant. k. Peser la fraction V 0 et en déduire sa masse volumique. l. Avec précautions, tester l'inflammabilité la fraction V 0 dans une spatule ou une coupelle. 3. Exploitation a. Quel est le rôle du chauffage? b. Quel est le rôle de la pierre ponce? c. Comment varie la température quand on s'élève dans la colonne de distillation? d. A quoi sert le réfrigérant? e. Que mesure le thermomètre placé en haut de la colonne? f. Indiquer le sens de circulation de l'eau dans le réfrigérant. g. D'après la température d'apparition des premières gouttes de distillat ; quelle est la nature du distillat? h. D'après la température du deuxième palier ; quelle est la nature du deuxième distillat? i. Les tests réalisés précédemment confirment-ils la nature des distillats? j. La mesure de la quantité d'alcool recueilli permet de retrouver le degré alcoolique de ce vin. p 4/19 Compétences fondamentales en chimie pour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires

5 Distillation d un jus fermenté : Préparation d un antiseptique. Autre rédaction du TP But : Réaliser une distillation et en distinguer les différentes étapes. Une étape importante dans la préparation du parfum : Les huiles essentielles n étant pas solubles (ou très peu) dans l eau, on utilise un autre solvant, l alcool qui permet de les diluer. Par son caractère mixte polaire et non polaire, il joue le rôle d agent de transfert de phase et facilite ainsi la pénétration du parfum dans tous les milieux, c est à dire à la fois dans les graisses (couches superficielles de l épiderme) et dans l eau (salive, sueur ). Présentation de la distillation : La distillation est une méthode de séparation de produits en mélange en fonction de leur température d ébullition. On procède de cette façon pour séparer les différents hydrocarbures du pétrole, on applique ce même procédé à la séparation de l alcool et de l eau dans les jus fermentés. Les produits les plus légers (basse température d ébullition) s évaporent en premier. L opération est délicate car avec certains jus un alcool plus toxique que l éthanol, le méthanol, peut être présent. L énergie thermique du chauffage est utilisée : Dans un premier temps pour élever la température du mélange. Puis à la température d ébullition t éb de l éthanol pour évaporer l éthanol. On condense les vapeurs d éthanol en haut de la colonne de distillation au moyen du réfrigérant à eau. Le distillat est récupéré en sortie du réfrigérant. Le degré alcoolique est le pourcentage volumique d alcool (éthanol) dans le vin : Du vin à 12 contient 12 L d éthanol pour 100 L de vin. Données : Alcool : Ethanol t éb = C. Masse volumique : µ a = 0,8 g.cm -3. Eau : t éb = 100 C. Masse volumique : µ e = 1 g.cm -3. Pratique : 1. Faire un schéma annoté de l appareil à distiller (Chauffe ballon, ballon, colonne de Vigreux, réfrigérant, Thermomètre) et indiquer le rôle de chaque élément. 2. Distiller le vin afin d en extraire l éthanol. Mode opératoire : Dans le ballon placer 50 cm 3 de vin. Monter le chauffe-ballon au moyen du boy (support élévateur) T ( C) 30 t (s) 0 Faire circuler l eau dans le réfrigérant Régler le chauffage sur 5-6. Relever l évolution de la température en fonction du temps.(tous les 5 C environ) Noter la température pour la première goutte de distillat. Tracer T = f (t). 3. Noter sur la courbe la partie correspondant au chauffage du mélange en rouge et celle correspondant au changement d état liquide gaz en bleu. 4. Que se passe t il au niveau de la température lorsque tout l alcool est évaporé? Qu observez-vous alors lorsqu une première goutte d eau tombe dans l alcool? Justifier cette observation. (Changer alors de récipient pour récupérer le distillat) Mesurer le volume du premier distillat obtenu. En déduire le degré alcoolique du vin. 5. Continuer la distillation en augmentant le chauffage. Quelle est alors la nature du distillat récupéré? Compétences fondamentales en chimiepour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires p 5/19

6 Annexe : Distillation 1. Appareil à distiller : Distillation simple : Quelle différence avec la distillation fractionnée? Remarque : Les «bouilleurs de cru»peuvent «tirer» l alcool à 50, 60,70 ou 90. Ils font varier la hauteur de la colonne. Ils mesurent ensuite la densité du mélange pour en déduire son degré alcoolique. 2. Alambic pour la fabrication de l Armagnac : Pourquoi l Armagnac est-il différent du Cognac? 3. Densimètre à alcool : Comment ça marche? De quel coté peut-on lire 90 en alcool? 50? p 6/19 Compétences fondamentales en chimie pour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires

7 b. Hydrodistillation : obtention d'une huile essentielle (HE de l'écorce d'orange) TP En parfumerie, l hydrodistillation permet d obtenir des liquides parfumés à partir de végétaux, ce sont des huiles essentielles. Nous allons extraire l huile essentielle de l'écorce d'orange (ou la lavande). 1- Hydrodistillation de l'écorce d'orange. Le montage utilisé comprend : un ballon, un système de chauffage (chauffe-ballon), un réfrigérant (ou condenseur), un thermomètre, un support élévateur et un erlenmeyer. Placer le ballon sur un valet en liège. Y placer de l'écorce d'orange broyée, quelques grains de pierre ponce et recouvrir d eau. Mettre en place le montage avec soin et prudence. Mettre en route la circulation d eau dans le réfrigérant et porter le mélange à ébullition (thermostat sur position 9-10) jusqu à ce que toute l eau soit distillée (ce qui est obtenu est appelé distillat). Montage d hydrodistillation avec verrerie classique. 1-1 Annoter le schéma du montage. 1-2 Indiquer sur le schéma l arrivée et la sortie d eau du réfrigérant. Préciser le rôle du réfrigérant. (répondre aux questions à la suite) 1-3 Quel est l aspect du distillat obtenu? Est-il odorant? Est-ce un liquide pur? 1-4 Expliquer le principe de la technique employée. 2- Extraction de l huile essentielle d'orange Le distillat obtenu ne permet pas la récupération de l huile essentielle par simple décantation, il faut l extraire du distillat. 2-1 Ajouter environ 1 ml de solution saturée en chlorure de sodium ( eau salée ) au distillat et agiter. 2-2 Transvaser la solution obtenue dans une ampoule à décanter et y ajouter environ 2 ml de cyclohexane. 2-3 Agiter l ampoule à décanter en n oubliant pas de purger régulièrement. 2-4 Laisser reposer. 2-5 Recueillir dans un tube à essais la phase organique, marquer sur le tube la classe et vos initiales. L huile essentielle obtenue est conservée en vue de son analyse ultérieure.(venir l'apporter au bureau) 3- Données eau eau salée cyclohexane limonène densité 1 1,1 environ 0,78 0,84 solubilité dans l eau nulle faible solubilité dans l eau salée nulle très faible solubilité dans le cyclohexane nulle nulle très soluble Compétences fondamentales en chimiepour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires p 7/19

8 Questions relatives à l extraction. Lire attentivement le tableau. Le limonène est le constituant principal de l huile essentielle d'écorce d'orange. 3-1 Pourquoi ajoute-t-on de l eau salée au distillat? 3-2 Pourquoi ajoute-t-on du cyclohexane? 3-3 Représenter l ampoule et son contenu après décantation, préciser quelles sont les phases? 3-4 Quelle phase doit-on recueillir? Réponses : Annoter le schéma du montage. 1-2 Indiquer sur le schéma l arrivée et la sortie d eau du réfrigérant. Préciser le rôle du réfrigérant. (répondre aux questions à la suite) 1-3 Quel est l aspect du distillat obtenu? Est-il odorant? Est-ce un liquide pur? 1-4 Expliquer le principe de la technique employée. thermomètre ballon Vapeurs : eau + HE d'écorce d'orange Eau de refroidissement Réfrigérant à eau Eau de refroidissement chauffeballon Support élévateur Eau + écorce d'orange erlenmeyeur distillat Montage d hydrodistillation avec verrerie classique. 1-2 Le réfrigérant sert à liquéfier (condenser) les vapeurs 1-3 Le distillat obtenu est trouble et fortement odorant : il contient les molécules qui donnent l'odeur à la peau d'orange.ce n'est donc pas un liquide pur, il contient plusieurs molécules différentes. 1-4 Principe de l'hydrodistillation : L hydrodistillation consiste à porter à ébullition, un mélange de zestes d'agrume et d'eau. Sous l'action de la chaleur, les cellules des agrumes éclatent et libèrent des composés organiques odorants et volatils. La vapeur d'eau formée entraîne les composés organiques à l'état gazeux vers le réfrigérant. La condensation de ce mélange gazeux, provoque sa séparation en deux phases liquides : - une phase organique huileuse et très odorante, appelée "huile essentielle", contenant la majorité des composés odorants. - une phase aqueuse, odorante, appelée "eaux aromatiques ", qui n en contient que très peu. p 8/19 Compétences fondamentales en chimie pour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires

9 3-1 Pourquoi ajoute-t-on de l eau salée au distillat? 3-2 Pourquoi ajoute-t-on du cyclohexane? 3-3 Représenter l ampoule et son contenu après décantation, préciser quelles sont les phases? 3-4 Quelle phase doit-on recueillir? 3-1 L'huile essentielle (HE) étant moins soluble dans l'eau salée que dans l'eau, l'ajout salée permet de diminuer la quantité d'he dissoute dans l'eau (phase aqueuse). Cette opération s'appelle le relargage. 3-2 L'huile essentielle (HE) est très soluble dans le cyclohexane. L'ajout de cyclohexane permet de bien séparer l'he de la phase aqueuse (toute l'he est maintenant dans la phase organique, c'est-à-dire le cyclohexane. 3-3 L'ampoule à décanter : Phase organique : Huile essentielle + cyclohexane Phase aqueuse (eau) 3-4 La phase à recueillir est celle qui contient l'huile essentielle, c'est donc la phase supérieure. Il faut laisser couler la phase inférieure dans un bécher par exemple, puis recueillir la phase organique dans un tube à essai ou un erlermeyer. Matériel : Bureau : 2 Crayons indélébiles pour marquer les tubes à essais Support de tubes à essais Eau salée saturée ( 250 ml) + erlenmeyer de 250 ml Écorce d'orange broyée et placer dans de l'eau chaude dans 2 grands béchers (fleurs de lavande sèches dans 3 béchers bas de ml + 3 spatules + 3 entonnoirs) Élève : Montage hydrodistillation avec verrerie classique Support avec 2 pinces Ampoule à décanter + support Valet Erlenmeyer ( 250 ml) (pour recueillir le distillat) 1 tube à essais + bouchon (ou parafilm) (pour stocker l huile essentielle obtenue jusqu à la semaine prochaine) Éprouvette graduée de 10 ml (pour le cyclohexane) Pierre ponce Cyclohexane Compétences fondamentales en chimiepour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires p 9/19

10 Autre rédaction du TP Hydrodistillation et huiles essentielles. I Hydrodistillation d un végétal : Principe : On chauffe un mélange eau-végétal jusqu'à obtenir l ébullition de l eau. La vapeur d eau entraîne les molécules aromatiques du végétal dans l appareil à distiller. (Extraction). Le distillat se condense dans le tube central du réfrigérant et tombe dans le récipient récupérateur. Le distillat obtenu présente deux phases liquides à forte valeur ajoutée : L huile essentielle et l eau florale. Remarque : Lorsque la production d huile devient négligeable le végétal est dit «épuisé». Montage et manipulation: Placer le végétal aromatique finement divisé dans un ballon muni d une tète de distillation et d un réfrigérant. Recouvrir les débris d eau en agitant pour les immerger. Faire circuler dans le réfrigérant un petit courant d eau froide. L entrée de l eau froide se fait au point le plus bas de façon à chasser l air de la double cloison du réfrigérant. Placer un récipient (ballon, tube, bécher.) sous la sortie de l appareil à distiller. Allumer le chauffe-ballon (6-7). Surveiller le chauffage : le débris de végétaux et l eau bouillante (décoction ou «tisane») ne doivent pas être entraînés dans le montage par les bulles de vapeur d eau. Descendre le chauffe-ballon au moyen du support élévateur («boy») si votre hydrodistillation s emballe. Quand le végétal vous semble épuisé arrêter le chauffage. Recueillir l huile essentielle (et l eau florale) dans un tube à essais muni d un bouchon. Noter le nom du végétal sur le tube. Compte-rendu : Réaliser le schéma du montage et donner le nom des éléments qui le constitue. Indiquer le rôle du dispositif de chauffage, du réfrigérant. Repérer dans le récipient récupérateur la position de l huile essentielle et celle de l eau florale. Sachant que l eau florale à une densité sensiblement égale à 1, que peut-on dire de la densité de l huile essentielle? II Analyse de l huile essentielle : Objectif : Réaliser une chromatographie de l huile essentielle pour vérifier que l huile essentielle est composée d une seule espèce chimique (corps simple ) ou le cas échéant compter le nombre des espèces chimiques qui la constitue (corps composé). Préparation de la cuve à chromatographie : Placer l éluant (le dichlorométhane), dans une cuve à chromatographie que l on recouvre d une plaque de verre. La hauteur d éluant ne doit pas dépasser 0,5 cm (environ). Attention le dichlorométhane est nocif (Xn) et cancérogène catégorie 2, toutes les manipulations devront être effectuées sous la hotte et avec des gants. Attendre au minimum 10 minutes que la saturation se fasse. Sur une plaque de silice, tracer au crayon papier (sans endommager la silice), à environ 1cm du bas, un trait horizontal. Remarque : la plaque de chromatographie se manipule à l aide d une pince. (Les doigts déposent des substances qui migrent avec l éluant et rendent la lecture du chromatogramme difficile) Dilution de huile essentielle : Ajouter environ 1 ml de cyclohexane à l huile essentielle au moyen d une burette placée sous la hotte. Récupérer l huile essentielle diluée au moyen d une pipette pasteur munie d une poire et la placer dans un tube à essais sec. Chromatographie : ( Schéma ) A l aide d une micropipette, on dépose 1 microgouttes de la solution d huile essentielle diluée obtenue. Placer la plaque dans la cuve à chromatographie saturée de vapeurs d éluant. L éluant monte par p 10/19 Compétences fondamentales en chimie pour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires

11 capillarité dans la plaque, entraînant les produits dissous dans les gouttes déposées. Quand le front de l éluant arrive à 0,5cm du bord supérieur de la plaque, retirer la plaque de la cuve (avec les pinces), noter au crayon le front le l éluant et sécher au sèche cheveux. Placer la plaque dans une cuve de Pétri contenant du permanganate de potassium KMnO 4 pour «révéler» les taches. Reproduire à l échelle 1 la plaque et le dessin des taches sur le compte rendu. Conclure : L huile essentielle du végétal étudié est-elle un corps simple ou un corps composé. Compte-rendu pour la semaine prochaine Matériel : Bureau : Paillasses élèves : o Appareil à distiller en macrochimie sans Vigreux. (chauffe ballon et boy, récipient pour distillat ) o 2 tubes à essais. o 1 pipette pasteur avec sa poire. o Bécher 50 ml o Erlenmeyer 25 ml + parafilm. o Éprouvette 10 ml. o 1 pince pour chromatographie. Au bureau : o Végétaux et hachoir : oignon, échalotes, thym, lavande,.). o Sulfate de magnésium anhydre. o Plaques de silice o Micro pipettes. o Rétroprojecteur. Sous la hotte : o Cuves de chromato numérotées + plaque o Dichlorométhane (2 béchers de service). o Cyclohexane dans une burette pour distribution ( 1 béchers de service). Table du fond : o KMnO M o 2 boites de pétri. o 2 sèche -cheveux Compétences fondamentales en chimiepour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires p 11/19

12 c. Séparation par chromatographie : la chromatographie sur couche mince (ccm) La chromatographie a été découverte en 1903 par un botaniste russe Mickael Tswett. Cette technique permet de Principe de la chromatographie sur couche mince (CCM). La chromatographie fait intervenir deux phases : la phase.... et la phase.... Le mélange à séparer est d abord déposé sur la phase.... (papier,silice sur aluminium...) puis, il est entraîné par capillarité par un solvant approprié appelé.... (phase.... ). 2-Réalisation d une chromatographie : chromatographie de colorants alimentaires. Préparation de la cuve : dans un bécher, introduire l éluant (solvant préparé en mélangeant 1/6 d'éthanol et 5/6 d'une solution de chlorure de sodium à 40 g.l -1 ) sur une hauteur de 0,5 cm environ. ( Couvrir le bécher pour que l'intérieur du bécher se sature en vapeur de solvant) Préparation de la plaque : Sur un papier (ou une plaque) à chromatographie, tracer au crayon un trait léger à 1 cm du bas et repérer 3 points équidistants. Sur le premier point, déposer, à l'aide d un capillaire ou d'un pique apéritif, une petite goutte de colorant bleu, puis sur le deuxième point une petite goutte de colorant vert, et sur le troisième une petite goutte de colorant jaune. Elution : Placer le papier sur le fil (ou la plaque) dans le bécher (et couvrir à nouveau). Les dépôts sont situés au dessus du solvant. Quand le front du solvant arrive à 1 cm du haut de la plaque, retirer doucement la plaque et marquer la position du front du solvant. (sécher la plaque au séche-cheveux si l éluant n est pas très volatil) Compte rendu (au dos ou sur une autre feuille) 2-1 Faire le schéma du montage. 2-2 Faire le schéma de la plaque avant élution et après élution. 2-3 Où sont les colorants? Se sont-ils tous déplacés de la même hauteur? 2-4 Que dire du colorant vert? 2-5 Vérifier sur l étiquette la composition de chaque colorant. Est-elle en accord avec vos observations? 2-6 Pour chaque tâche calculer le rapport frontal ( R f ). Par définition le rapport frontal est le rapport entre la hauteur h de migration de la tache et la hauteur H de migration de l éluant. 3-Quels arômes dans une orange? Préparer la cuve avec l éluant constitué d un mélange de 75% de cyclohexane et de 25% d éther éthylique. Sur une plaque à chromatographie déposer une goutte d extrait de peau d orange (O), puis une goutte de préparation pour dessert à l orange (P) et une goutte de limonène (L). Aller vérifier la qualité des dépôts à l aide de la lampe à U. V.. Mettre la plaque dans la cuve. Après élution, sécher la plaque. 3-1 Les taches sont-elles visibles? 3-2 Placer la plaque sous la lampe à U.V.. Cercler les taches qui apparaissent. 3-3 Révélation : Placer la plaque dans une solution de permanganate de potassium jusqu'à ce que les tâches apparaissent nettement (on peut aussi placer la plaque dans un bocal contenant du sable fin et quelques cristaux de diiode et agiter jusqu'à révélation). Ensuite, bien rincer la plaque sous un courant d'eau. 3-4 Faire le schéma et interpréter le chromatogramme obtenu. Attention : les radiations de la lampe à U.V. sont dangereuses. O P L Consulter les fiches de données de sécurité des espèces chimiques manipulées et vérifier que les précautions de sécurité adoptées sont adéquates. p 12/19 Compétences fondamentales en chimie pour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires

13 Matériel : Bureau : Colorants alimentaires (bleu, vert, jaune et rouge ) Capillaires Limonène dans cyclohexane (dans 2 petits erlenmeyers) Extrait d écorce d orange dans cyclohexane (dans 2 petits erlenmeyers) Préparation pour dessert à l orange (Vahiné) dans cyclohexane (dans 2 petits erlenmeyers) Eluant pour colorants : 1/6 éthanol + 5/6 solution de chlorure de sodium à 40g/L Papiers filtre en bandes pour chromatographie Lampe à U. V. sur support Bocal à confiture contenant du sable et quelques paillettes de diiode (sous la hotte) Assiettes + solution de permanganate de potassium+pinces Plaques de chromatographie découpées (silice) Elève : Cuve à chromatographie avec couvercle et éluant ( 75% cyclohexane + 25% éther éthylique ) Bécher de 100 ml ( forme haute) avec fil de fer servant de cuve à chromatographie visite du laboratoire 2. La quantité de matière a. Définition : la mole, unité de quantité de matière. 2.a.1 Changement d échelle : Du microscopique au macroscopique. - L échelle de l infiniment petit, appelée échelle microscopique permet d étudier les atomes, les molécules et les ions. - Elle permet de considérer un atome de fer : masse d un atome : m Fe» 9,3 x g. - À l échelle humaine (notre échelle), c est-à-dire l échelle macroscopique, on considère un morceau de fer de quelques grammes. - Exemple : si l on veut réaliser la combustion du fer dans le dioxygène au laboratoire, on peut utiliser un morceau de fil de fer de quelques grammes. - On ne travaille pas à l échelle de l atome. On travaille à notre échelle, à l échelle humaine, l échelle macroscopique. - Question : quel est le nombre d atomes de fer contenus dans un échantillon de fer de masse m = 3,5 g? - Nombre d atomes de fer contenus dans l échantillon : Conclusion : cette valeur est considérable!!! N = m m Fe = 3,5 9,3 x ,8 x1022 atomes - Que représente ce nombre N? Ce nombre représente une quantité de matière. - En chimie, la quantité de matière représente un nombre d entités chimiques, c est-à-dire, un nombre d atomes, de molécules ou d ions. 2.a.2 La mole. - Pour compter un grand nombre d objets, on les regroupe en paquets. - Il existe beaucoup d exemples : les œufs par douzaines, les chaussettes par paires, les rames de papier par 500 feuilles, les bouteilles par six ou douze, - Les entités chimiques comme, les atomes, les molécules et les ions, se comptent aussi par paquet. - On appelle mole un paquet d entités chimiques. - La mole est la réunion d'un nombre déterminé d entités chimiques toutes identiques. Compétences fondamentales en chimiepour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires p 13/19

14 - Une quantité de référence a été choisie arbitrairement. - Elle est donnée par le Journal officiel du 23 décembre On note : N A le nombre d entités dans un paquet. Un tel paquet porte le nom de mole. - La mole est une unité de quantité de matière de symbole : mol. Définition : La mole est la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 12 g de carbone Si l'on prend une mole d'atomes de carbone 12, la masse correspondante est de 12 g. Le paquet comprend N A atomes de carbone La valeur de N A a pu être déterminée de façon de plus en plus précise. 2.a.3 La constante d Avogadro NA. - Le nombre N A est défini par la relation suivante : Masse d ' une mole d ' atomesde carbone 12 N A = Masse d ' un atomede carbone 12 - Par définition, on connaît la masse d une mole atomes de carbone Le nombre N A a été appelé constante d Avogadro, en hommage à Avogadro, célèbre chimiste et physicien italien ( ). - Le nombre N A représente le nombre d entités élémentaires par mol, on l exprime en mol Des mesures récentes indiquent qu il y a : 6, x atomes de carbone 12 dans 12,00 g de carbone On arrondit cette valeur. On écrit : N A = 6, x mol conséquence : une mole, est un paquet de 6,02 x entités chimiques identiques. - Exemples : - Une mole d atomes de fer contient 6,02 x atomes de fer. - Une mole de molécules d eau contient 6,02 x molécules d eau. - Une mole d électrons contient 6,02 x électrons - Une mole d ions chlorure contient 6,02 x ions chlorure. b. La masse molaire. 2.b.1 Définition générale. - La masse molaire d une espèce chimique est la masse d une mole de cette espèce chimique. - On symbolise la masse molaire par M. La masse molaire s exprime en g / mol (g.mol -1 ). 2.b.2 Masse molaire atomique. - La masse molaire atomique est la masse d'une mole d'atomes de l'espèce considérée. Dans la classification périodique, on donne les masses molaires atomiques des éléments chimiques en tenant compte des proportions naturelles de ses isotopes. - Masse molaire atomique de l'élément carbone : M(C) = 12,0 g / mol. - Masse molaire atomique de l'élément oxygène : M(O) = 16,0 g / mol. - Masse molaire atomique de l'élément cuivre : M(Cu) = 63,5 g / mol. - Masse molaire atomique de l'élément cuivre : M(Cl) = 35,5 g / mol. Dans la nature, il y a 75 % de l isotope 35 et 25 % de l isotope b.3 La masse molaire moléculaire. - La masse molaire moléculaire est la masse d'une mole de molécules de l'espèce considérée. p 14/19 Compétences fondamentales en chimie pour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires

15 - La masse molaire moléculaire s'obtient en faisant la somme des masses molaires atomiques des atomes qui constituent la molécule. Exemples : - déterminer la masse molaire moléculaire des espèces chimiques suivantes : H 2 O ; Cl 2 ; H 2 SO 4 et NH 3. Masse molaire de la molécule d'eau : M ( H 2 O) = 2 M (O) + M (H) M ( H 2 O) 2 x 16,0 + 1 x 1,0 M ( H 2 O) 18 g / mol - Masse molaire de l'acide sulfurique : M ( H 2 SO 4 ) = 2 M (H) + M (S) + 4 M (O) M ( H 2 SO 4 ) 2 x 1,0 + 1 x 32,1 + 4 x 16,0 M ( H 2 SO 4 ) 98 g / mol - Masse molaire du dichlore : M ( Cl 2 ) = 2 M (Cl) M ( Cl 2 ) 2 x 35,5 M ( Cl 2 ) 71,0 g / mol - Masse molaire de l'ammoniac : M ( NH 3 ) = M (N) + 3 M (H) M ( NH 3 ) 1 x 14,0 + 3 x 1,0 M ( NH 3 ) 17 g / mol 2.b.4 Masse molaire ionique. - La masse molaire ionique est la masse d'une mole d'ions de l'espèce considérée. - On peut négliger la masse des électrons devant la masse du noyau d'un atome. - La masse molaire d'un ion monoatomique est pratiquement égale à celle de l'atome correspondant. - Exemples : M (Na + ) M (Na) M (Cl - ) M (Cl) - Pour déterminer la masse molaire d'un ion polyatomique, on fait comme pour les molécules. Élément chimique : Nom Phosphore Oxygène Soufre Symbole P O S Masse molaire g / mol 31,0 16,0 32,1 - Masse molaire de l'ion phosphate : PO 3-4 : - Masse molaire de l'ion sulfate : SO 2-4 : M ( PO ) M (P) + 4 M (O) M ( PO ) 1 x 31,0 + 4 x 16,0 M ( PO ) 95,0 g / mol M ( SO ) M (S) + 4 M (O) M ( SO ) 1 x 32,1 + 4 x 16,0 M ( SO ) 96,1 g / mol c. Masse molaire et quantité de matière. 2.c.1 Application 1. Correction : Résolution : Calculer la quantité de matière contenue dans 28,0 g de fer métal. - le fer métal a une structure atomique, il faut utiliser la masse molaire atomique de l'élément fer. Dans les tables : M (Fe) 55,8 g / mol 56 g / mol. Compétences fondamentales en chimiepour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires p 15/19

16 À 1 mole de fer métal correspond environ 56 g de fer métal À 1/2 mole de fer métal correspond environ 28 g de fer métal. On va utiliser un formalisme mathématique pour pouvoir résoudre tous les exercices du même type : - Écriture symbolique : Quantité de matière de l'espèce chimique considérée A Masse molaire de l'espèce chimique considérée Masse de l'espèce chimique considérée n (A) en mol M(A) en g / mol m (A) en g On tire les relations : m A m A =n A.M A ou n A = M A Quantité de matière de fer : n Fe = m Fe M Fe = 28,0 =0,502 mol. 55,8 2.c.2 Application 2. Calculer la quantité de matière d'eau n 1 contenue dans un litre d'eau. On donne : la masse de un litre d'eau est m 1 = 1,00 kg. L'eau a une structure moléculaire de formule H 2 O. Correction : Masse molaire de la molécule d'eau M ( H 2 O) = 2 M (H) + M (O) 2 x 1,0 + 1 x 16,0 18 g / mol Quantité de matière contenue dans un litre d'eau n 1 =m 1 /M (H 2 O) = 1000/18 56 mol. d. Cas des gaz. 2.d.1 Loi d Avogadro Ampère. Énoncé : Des volumes égaux de gaz différents, pris dans les mêmes conditions de température et de pression, renferment le même nombre de molécules. Il découle de cette loi que des volumes égaux de gaz différents, pris dans les mêmes conditions de température et de pression, renferment le même nombre de moles. - Si l on prend 1 litre de dihydrogène, 1 litre de butane, 1 litre de méthane, on dénombre le même nombre de molécules (dans les mêmes conditions de température et de pression). - D autre part, une mole de dihydrogène, une mole de butane, une mole de méthane occupent le même volume dans les mêmes conditions de température et de pression. p 16/19 Compétences fondamentales en chimie pour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires

17 Ce volume est appelé, le volume molaire. C'est une conséquence de la Loi d Avogadro Ampère : Dans les mêmes conditions de température et de pression, tous les gaz ont le même volume molaire. Cette loi ne s applique pas aux liquides et aux solides (états condensés). Elle n est valable que pour les gaz (état dispersé). 2.d.2 Volume molaire d un gaz. - Le volume molaire d un gaz est indépendant de la nature du gaz. Il dépend de la température et de la pression. - On note V m le volume molaire d un gaz. L unité : L / mol. - Quelques valeurs du volume molaire : Température C Pression Pa Volume molaire L.mol -1 O 1,013 x ,4 C.N.T.P. 20 1,013 x , ,13 x ,4 - Comparaison des volumes occupés par une mole selon l état physique. Compétences fondamentales en chimiepour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires p 17/19

18 e. TP : le liquide magique Conversion de quantités de matière en quantités mesurables au labo. Ce Schtroumpf curieux fait appel à vous : pour préparer ce liquide magique lui réécrire une recette afin qu il puisse le préparer à son tour lui dessiner la verrerie (ustensiles) utilisée avec son prix! Attention : l'utilisation de la soude solide est interdite aux mineurs (risques de projections d'éclats dans l œil) (le texte qu'on trouve facilement par l'internet a été modifié pour éviter de manipuler la soude solide) p 18/19 Compétences fondamentales en chimie pour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires

19 Matériel : Bureau : Glucose en poudre + bécher de ml (100g) bleu de méthylène avec compte-gouttes T P schtroumpf 2 balances au cg 2 spatules Pipettes graduées et jaugées : 2 ml, 5 ml, 10 ml, 20 ml Éprouvette graduée de 10 ml Fioles jaugées : 20 ml, 100 ml, 2 L Bidon d eau distillée Catalogues pour les prix 3. La transformation chimique a. Vocabulaire Réactifs : Produits : Transformation chimique et équation : Élèves : Solution de soude à 0,7 mol.l -1 (2L) Erlenmeyer de 250 ml + bouchon Éprouvette graduée de 100 ml 2 béchers de 50 ou 100 ml Pissette d eau distillée Gants Lunettes b. L'avancement chimique Présentation en diaporama. Tableau d'avancement. Réactifs en excès et réactifs en défaut, stœchiométrie. c. Utilisation du logiciel réaction Présentation, utilisation, intérêt. Téléchargement et notice sur l'académie de Nantes : espace pédagogique > 2nd degré > sciences physiques > tice > logiciels ( ressourcepedagogique/) TP : Etudier la réaction entre le fer et le soufre : à partir de 2 situations initiales différentes prévoir la composition du mélange réactionnel dans l'état final et comparer avec la simulation proposée par le logiciel. 4. Ressources et compléments «pages professeurs» de Denis Blanchetière sur le site du lycée Charles de Gaulle (liens divers) retour vers le sommaire Compétences fondamentales en chimiepour l'enseigner en STI2D - 21 juin D.Blanchetière P. Gires p 19/19