Fiche pédagogique enseignant CHIMIE

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1 Pays Cadre Niveaux Discipline Programme Thème du programme Sujet Roumanie Lycées à section bilingue francophone Classes de XIIe Chimie Curriculum spécifique aux sections bilingues L état d équilibre d un système chimique Approche méthodologique Mettre en place une démarche d investigation (ou une démarche expérimentale) Pré-requis L étude de l oxydoréduction (couples rédox et réaction d oxydoréduction) L étude des réactions acidobasiques La fém (force électromotrice) et la résistance interne d un générateur (physique) Disciplinaires OBJECTIFS Schématiser une pile Analyser la constitution d une pile simple (ion métallique/métal) ; étudier son fonctionnement et ses caractéristiques en circuit ouvert et en circuit fermé Interpréter le fonctionnement d une pile en disposant d une information parmi les suivantes : sens de circulation du courant électrique, f.é.m., réactions aux électrodes, polarité des électrodes ou mouvement des porteurs de charges Utiliser le critère d évolution spontanée pour prévoir le sens du courant dans une pile (si les équilibres chimiques ont été étudiés) Écrire les réactions aux électrodes et relier les quantités de matière des espèces formées ou consommées à l intensité du courant et à la durée de la transformation, dans une pile.

2 Linguistiques Maîtriser le lexique spécifique à l oxydoréduction et à l électrocinétique des générateurs Décrire, présenter les facteurs qui influencent un phénomène Décrire un processus, un phénomène, des transformations Identifier et utiliser les connecteurs logiques pour retracer un raisonnement logique (cause, conséquence) DOCUMENTS Document 1 Fiche professeur et fiche élève pour l activité 1 : une réaction d oxydoréduction simple TP n 10 «transfert d électrons direct» Document 2 Fiche professeur et fiche élève pour activité 2 : Que se passe-t-il si on sépare les 2 couples redox? On construit une pile. TP n 10 «transfert d électrons indirect» Document 3 Fiche professeur et fiche élève pour l activité 3 : Quels sont les facteurs qui influencent la fém d une pile? TP n 10 «facteurs influençant la fém d une pile» Lexique utile OUTILS LINGUISTIQUES spontané mettre en présence un dépôt (déposer) rougeâtre (rouge) une solution ionique

3 électrolyte gélifié une électrode une anode une cathode une demi-pile un pont salin Formes syntaxiques / discursives utiles Prépositions spatiales / sens de circulation : du.. vers. Interprétation d un phénomène La règle, la loi : tournures impersonnelles Les valeurs du présent de l indicatif (présent de vérité générale, verbes d état) Le pronom indéfini : «on» ( «si on change on obtient, on constate que») Les temps du passé (passé composé, imparfait) Les connecteurs logiques de cause, de conséquence SÉQUENCE PEDAGOGIQUE Durée de la séquence : 2h30 en TP-cours, sur 3 cours. Problème scientifique : On montre qu une transformation chimique spontanée impliquant un échange d électrons peut avoir lieu soit en mélangeant les espèces chimiques de deux couples oxydant/réducteur, soit en les séparant ; dans ce dernier cas, on montre que la transformation correspondante est utilisable pour récupérer de l énergie sous forme d énergie électrique à l aide d un dispositif : la pile. On réalise une première expérience en mélangeant les espèces chimiques de deux couples redox, pour conclure au sens spontané d évolution de la transformation chimique. On explique cette transformation à partir du sens du courant et des valeurs de Qr et K de la réaction. Dans une deuxième expérience, avec les mêmes couples, on met en évidence que le transfert d électrons est encore possible lorsque les couples oxydant/réducteur sont séparés. On étudie le fonctionnement et les caractéristiques d une pile présentée par l enseignant ou construite par les élèves (en circuit fermé, et en circuit ouvert) Dans une troisième expérience, on construit plusieurs piles et on étudie les facteurs qui influencent la valeur de la fém.

4 Situation déclenchante : Observation de l expérience de l activité 1 expérimentale : une réaction d oxydoréduction simple Activité des élèves : compléter la fiche élève Problème : Comment interpréter les phénomènes liés au contact d un réducteur avec un oxydant? Hypothèse : Ce sont les échanges d électrons qui expliquent les dépôts, les changements de couleur ou les dégagements gazeux. Séance 1 : Démarche Consigne Conclusion : Expérience : On met en présence une lame de zinc et une solution de sulfate de cuivre s est décolorée. Observations : un dépôt rougeâtre apparaît sur la lame de zinc et la solution de sulfate de cuivre s est décolorée. Explication : Il y a eu un transfert d électrons direct entre les atomes de zinc de la lame et les ions cuivre II de la solution selon la réaction suivante : Cu2+(aq) + Zn(s) = Zn2+(aq) + Cu(s) où les atomes de zinc ont donné 2 e- (Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e-) et les ions cuivre (II) ont capté ces 2 e- (Cu2+(aq) + 2 e- = Cu(s)) Modalités de travail Durée Travail de groupe avec observation des expériences et remplissage de la fiche élève de l activité 2 Mise en commun des résultats pour aboutir aux conclusions 30 min Objectifs Évaluation / Correction Séance 2 : Démarche et consignes Exercices d application Situation déclenchante : Observation de l expérience de l activité 2 expérimentale : Que se passe-t-il si on sépare les 2 couples redox? On construit une pile. Activité par élève : compléter la fiche élève de l activité 2

5 Problème : Comment interpréter les observations des phénomènes électriques avec les réactions d oxydoréduction qui se produisent aux électrodes? Hypothèse : Ce sont les échanges d électrons entre électrodes et solutions qui expliquent le courant produit. Conclusion : Schéma de la pile Daniell : NH4 + ; Cl - Constitution : - Chaque bécher contient l oxydant et le réducteur conjugués en contact : cet ensemble est une demi-pile. - Les 2 parties métalliques sont les électrodes de la pile. - Le pont salin en chlorure d ammonium conducteur permet de fermer le circuit électrique de la pile. Fonctionnement : - quand on relie les 2 électrodes par un conducteur, un courant circule de l électrode de cuivre (borne +, appelée cathode) vers l électrode de zinc (borne appelée anode) : la pile électrochimique est un générateur électrique. - il y a transformation de l énergie chimique d oxydoréduction en énergie (ou travail) électrique. - les réactions chimiques sont les mêmes que dans l expérience 1. - les électrons donnés par la cathode de zinc Zn se déplacent, dans le circuit, vers l anode de cuivre où ils sont captés par les ions Cu2+(aq) - quand le circuit est ouvert il existe une tension de 1V environ entre les électrodes : c est la fém de la pile Daniell.

6 Schématisation de la pile Daniell: Zn(s)/ Zn2+(aq) // Cu2+(aq)/Cu(s) Généralisation : Toutes les piles fonctionnent avec une réaction d oxydoréduction (transfert d électrons). C est l énergie de cette réaction qui est transformée en énergie électrique. - Chaque pile électrochimique est constituée de deux demi-piles. - La plupart des demi-piles sont constituées d une électrode (en métal : M) et d un électrolyte (solution d ions métalliques Mn+(aq)). - Elles font donc référence chacune à un couple oxydo-réducteur Mn+(aq)/M(s). - Un pont salin (solution ionique gélifiée) permet d assurer la fermeture du circuit électrique et la neutralité de chaque électrolyte. Il n intervient en rien dans l équation de la réaction qui fournit l énergie. - A la borne positive d une pile, on a toujours la réaction : Ox1 + n e- = Red1, c est une réduction. L électrode est alors appelée une cathode. - A la borne négative d une pile, on a toujours la réaction : Red2 = Ox2 + n e-, c est une oxydation. L électrode est alors appelée une anode. - La fém d une pile dépend des couples redox des 2 demi-piles Exemple d une pile usuelle : la pile saline : L électrode négative est à base de zinc, l électrode positive est à base de dioxyde de manganèse. Les couples redox de la pile saline sont Zn2+(aq)/Zn(s) et MnO2(s)/MnO(OH)(s). Ce qui donne une fém d environ 1,5V L équation de la réaction d oxydoréduction est : Zn2+(aq) + 2 MnO2(s)+ 2 H+(aq) Zn(s) + 2 MnO(OH)(s) La schématisation d une pile saline est : Zn(s) / ZnCl2(aq), NH4Cl(aq) // NH4Cl(aq), MnO2(aq) / C Remarque : Dans une pile alcaline l électrolyte est une solution gélifiée d hydroxyde de potassium (KOH) basique (basique = alcaline). Et elle est schématisée par :

7 Zn(s) / ZnO(s), KOH(aq) // KOH(aq), MnO2(aq) / Fe Modalités de travail Durée Travail de groupe avec observation des expériences et remplissage de la fiche élève de l activité 2 Mise en commun des résultats pour aboutir aux conclusions 1h Objectifs Schématiser une pile Interpréter le fonctionnement d une pile en disposant d une information parmi les suivantes : sens de circulation du courant électrique, f.é.m., réactions aux électrodes, polarité des électrodes ou mouvement des porteurs de charges Utiliser le critère d évolution spontanée pour déterminer le sens de déplacement des porteurs de charges dans une pile Écrire les réactions aux électrodes et relier les quantités de matière des espèces formées ou consommées à l intensité du courant et à la durée de la transformation, dans une pile. Évaluation / Correction Exercices de réinvestissement Situation déclenchante : Observation des expériences de l activité 3 expérimentale : Quels sont les facteurs qui influencent la fém d une pile? Activité des élèves : Si le temps le permet : réalisation des différentes solutions par dilution. Compléter la fiche élève de l activité 3 Séance 3 : Démarche et consignes Problème : Que doit-on changer pour modifier la valeur de la fém d une pile? Hypothèse : Si on change la nature des demi-piles la valeur de la fém est modifiée/ Pour une pile constituée des mêmes demi-piles, si on change les concentrations des éléctrolytes, la fém change. Conclusion : Les bornes + et d une pile peuvent être déterminées soit par le sens d évolution de la réaction globale soit par la connaissance du classement des couples rédox. La fém d une pile dépend de 2 facteurs : - la nature des couples redox utilisés pour la constituer - la concentration des solutions utilisées pour former les demi-piles.

8 Modalités de travail Durée Objectifs Évaluation / Correction Une pile s use parce que la concentration d un des électrolytes diminue au cours du temps. Travail de groupe avec observation des expériences et remplissage de la fiche élève de l activité 3 Mise en commun des résultats pour aboutir au contenu du cours. 1h - déterminer expérimentalement les facteurs qui influencent la fém d une pile - expliquer qu une «pile s use si l on s en sert» Exercices de réinvestissement CONSEILS POUR LES ENSEIGNANTS Ce chapitre devra, si possible, être traité après les équilibres chimiques (quotient de réaction Qr, constante d équilibre K et détermination du sens d évolution en comparant les 2 valeurs). Si ce n est pas le cas, le sens de circulation du courant dans une pile devra être interprété à partir de l aspect électrique : on compare les potentiels des couples, qui seront donnés par le professeur. L activité 3 peut être faite par les élèves à partir d un tableau donnant la valeur de la fém théorique, si la construction des 7 piles est irréalisable.

9 Activité 1 expérimentale Une réaction d oxydoréduction simple Fiche professeur Produits nécessaires - lame de zinc - solution de sulfate de cuivre(ii), Cu2+(aq) + SO24 (aq), 1, mol.l 1 Expérience Une lame de zinc plongée dans une solution de Cu2+(aq) + SO42-(aq) Observations - Expérience TP : la solution dans laquelle on a ajouté la poudre de cuivre et la poudre de zinc s est décolorée. - Expérience cours : un dépôt rougeâtre apparaît sur la lame de Zinc et on observe un précipité noir dans la solution. Conclusion Il y a eu un transfert d électrons direct entre les atomes de zinc de la lame et les ions cuivre II de la solution selon la réaction suivante : Cu2+(aq) + 2 e- = Cu(s) Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e- Cu2+(aq) + Zn(s) = Zn2+(aq) + Cu(s) Fiche élève (à compléter à partir des observations de l expérience) 1) faire le schéma de l expérience : 2) noter les observations : 3) expliquer les observations et écrire l équation chimique de la transformation observée :

10 Activité 2 expérimentale Matériel Que se passe-t-il si on sépare les 2 couples redox? On construit une pile. Fiche professeur - 2 béchers - lame de zinc - lame de cuivre - Solution de sulfate de cuivre(ii), Cu 2+ (aq) + SO 2 4 (aq), 1, mol.l 1 - Solution de sulfate de zinc(ii), Zn 2+ (aq) + SO 2 4 (aq), 1, mol.l - ponts salins qui peuvent être remplacés par une large bande de papier filtre imbibée de solution de nitrate de ammonium saturée, de dimensions : 8 cm de long, 4 cm de large, pliée en 4 dans le sens de la largeur. - Multimètre, résistance de 22 et fils de connexion (Compte tenu de la forte résistance interne de cette pile, on pourrait placer directement l ampèremètre aux bornes de la pile (mesure du courant de court-circuit) mais, pour des raisons pédagogiques, il est préférable de lui associer une résistance) Expérience Circuit fermé ZOOM Circuit ouvert

11 Schéma de l expérience ; NH4 + ; Cl - Observations : Lorsque l on approche les deux béchers, on n observe pas d évolution du système. Lorsque l on relie les deux lames par le montage proposé, le système n évolue pas, le multimètre placé en mode ampèremètre indique une intensité négligeable. Lorsque l on rajoute le pont salin, alors le système évolue, l ampèremètre indique une intensité non nulle : I = ma d un courant électrique qui circule du cuivre vers zinc. Si on utilise le multimètre en voltmètre, on mesure la tension délivrée par la pile : Le + est du côté du cuivre et le du côté du zinc. Explications 1) Les équations des réactions aux électrodes sont : Cu 2+ (aq) + 2 e - = Cu (s) Zn (s) = Zn 2+ (aq) + 2 e - L équation de la réaction associée à la transformation ayant lieu dans la pile est : Cu 2+ (aq) + Zn (s) = Zn 2+ (aq) + Cu (s) 2) Le pont salin maintient l électroneutralité des solutions d électrolytes en permettant les échanges ioniques entre le pont et les solutions dans lesquelles il plonge et la continuité du circuit électrique qui doit être fermé. 3) La pile est un système hors équilibre car, tant qu elle peut délivrer un courant, des électrons peuvent être échangés et le système peut évoluer car il n a pas encore atteint son état d équilibre. 4) Lorsque le multimètre est placé en mode voltmètre, on observe l'existence d'une tension aux bornes de la pile, appelée force électromotrice. Cela nous permet d avoir la polarité des électrodes, celle-ci étant prévue par le critère d'évolution est déterminée.

12 Utilisation du critère d évolution spontanée pour expliquer le sens de la réaction : L équation de la réaction mise en jeu s écrit : Cu 2+ (aq) + Zn (s) = Zn 2+ (aq) + Cu (s) (*) Pour l état initial de la pile constituée : 2 [ Zn ] i Le quotient de réaction dans l état initial vaut : Q r,i = = 1 2 [ Cu ] Pour l état d équilibre : Le quotient de réaction dans l état d équilibre s écrit : Q r,éq. = i 2+ [Zn ] éq. 2+ [Cu ] éq. ; or Q r,éq = K et K = Puisque Q r,i < K, l application du critère d évolution permet de conclure que le système évolue dans le sens direct de l équation (*) : Lorsque la pile débite, le système chimique est hors équilibre, la pile usée correspond à l état d équilibre. Des électrons sont cédés par l électrode de Zinc selon la demi-équation électronique : Zn (s) = Zn 2+ (aq) + 2 e - Les électrons sortent de cette électrode donc le courant entre dans cette électrode, il s agit de la borne de la pile. Des électrons sont captés, les ions cuivre II de la solution ionique, selon la demi-équation électronique : Cu 2+ (aq) + 2 e - = Cu (s) Les électrons arrivent sur l électrode de cuivre donc le courant sort de cette électrode, il s agit de la borne de la pile.

13 Fiche élève (à compléter à partir des observations de l expérience) 1) faire le schéma de l expérience avec une légende complète : ce schéma sera complété avec les observations. 2) noter les observations : 4) expliquer les observations en donnant : le sens de déplacement des électrons : les équations chimiques à chacune des électrodes : le rôle du pont salin : 4) Utiliser le critère d évolution spontanée pour expliquer le sens de la réaction observée dans la pile : On donne K = 1037

14 Activité 3 expérimentale Quels sont les facteurs qui influencent la fém d une pile? Fiche professeur Expérience : Réalisons plusieurs piles dont les caractéristiques sont données par le tableau ci-dessous : - Choix de l anode et de la cathode (des couples redox). - Concentration des solutions électrolytiques. Mesurons la fém de chacune de ces piles et complétons le tableau : N Schéma de la pile [M n+ Q 1 ] [M n+ 2 ] fém (V) fém (V) Pôle + Pôle - r,i (mol.l -1 ) (mol.l -1 ) théorique exp cathode anode 1 Fe (s) / Fe 2+ (aq) // Cu 2+ (aq) / Cu (s) 1 1.0* *10-1 0,78 Cu Fe 2 Fe (s) / Fe 2+ (aq) // Pb 2+ (aq) / Pb (s) 1 1.0* *10-1 0,31 Pb Fe 3 Zn (s) / Zn 2+ (aq) // Ag + (aq) / Ag (s) 1 1.0* *10-1 1,53 Ag Zn 4 Zn (s) / Zn 2+ (aq) // Pb 2+ (aq) / Pb (s) 1 1.0* *10-1 0,64 Pb Zn 5 Pb (s) / Pb 2+ (aq) // Cu 2+ (aq) / Cu (s) 1 1.0* *10-1 0,47 Cu Pb 6 Zn (s) / Zn 2+ (aq) // Cu 2+ (aq) / Cu (s) , *10-1 1,13 Cu Zn 7 Zn (s) / Zn 2+ (aq) // Cu 2+ (aq) / Cu (s) *10-1 1, ,95 Cu Zn Equations des réactions globales des piles : Cu 2+ (aq) + Fe (s) = Fe 2+ (aq) + Cu (s) Pb 2+ (aq) + Fe (s) = Fe 2+ (aq) + Pb (s) 2 Ag + (aq) + Zn (s) = Zn 2+ (aq) + 2 Ag (s) Pb 2+ (aq) + Zn (s) = Zn 2+ (aq) + Pb (s) Cu 2+ (aq) + Pb (s) = Pb 2+ (aq) + Cu (s) Cu 2+ (aq) + Zn (s) = Zn 2+ (aq) + Cu (s) Cu 2+ (aq) + Zn (s) = Zn 2+ (aq) + Cu (s) D après le critère d évolution spontanée, les transformations globales qui ont lieu dans ces piles évoluent dans le sens direct (gauche à droite). La fém d une pile dépend de la nature des couples redox utilisés pour la constituer. La fém dépend également de la concentration des solutions utilisées pour former les demi-piles. Une pile s use parce que la concentration d un des électrolytes diminue au cours du temps.

15 Fiche élève (à compléter à partir des observations de l expérience) Expérience On mesure la fém des piles dont les caractéristiques sont données par le tableau ci-dessous : N Schéma de la pile [M n+ Q 1 ] [M n+ 2 ] fém (V) r,i (mol.l -1 ) (mol.l -1 ) théorique 1 Fe (s) / Fe 2+ (aq) // Cu 2+ (aq) / Cu (s) 1 1.0* *10-1 0,78 2 Fe (s) / Fe 2+ (aq) // Pb 2+ (aq) / Pb (s) 1 1.0* *10-1 0,31 3 Zn (s) / Zn 2+ (aq) // Ag + (aq) / Ag (s) 1 1.0* *10-1 1,53 4 Zn (s) / Zn 2+ (aq) // Pb 2+ (aq) / Pb (s) 1 1.0* *10-1 0,64 5 Pb (s) / Pb 2+ (aq) // Cu 2+ (aq) / Cu (s) 1 1.0* *10-1 0,47 6 Zn (s) / Zn 2+ (aq) // Cu 2+ (aq) / Cu (s) , *10-1 1,13 7 Zn (s) / Zn 2+ (aq) // Cu 2+ (aq) / Cu (s) *10-1 1, ,95 fém (V) Exp Pôle + cathode Pôle - anode 1) Qu est-ce qui différencie les piles 1 à 5? 6 et 7? 2) Ecrire les équations des réactions globales des piles 1 à 6 : N Réaction globale de la pile Sens d évolution

16 3) D après le critère d évolution spontanée, donner le sens d évolution de la réaction de chacune des piles. En déduire les bornes + et de chacune d elles (compléter le tableau) 4) Donner les 2 facteurs qui influencent la valeur de la fém d une pile. Expliquer pourquoi l une s use au cours du temps.

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