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 La classification des réactions chimiques Approche méthodologique Pré-requis Mettre en place une démarche d investigation (ou une démarche expérimentale) Les 3 niveaux de description d un phénomène chimique : transformation chimique, réaction chimique et équation chimique (ou équation bilan) Calcul des masses molaires M et des volumes molaires pour les gaz Détermination d une quantité de matière (mol) à partir des masses ou des volumes des échantillons (utilisation de la densité et de la masse volumique) Utilisation de la relation C = n/v ou Cm = m/v où C est la concentration molaire et Cm la concentration massique Utilisation de la relation p V = n. R. T pour les gaz parfaits Connaissance des ions les plus courants : ions métalliques, ions halogénures, O2-, SO42- Tests de reconnaissance des ions métalliques tels Ag+, Cu2+, Fe2+, Zn2+, etc., des ions chlorures OBJECTIFS Disciplinaires Définir un oxydant et un réducteur Reconnaître l oxydant et le réducteur de quelques couples

2 Etablir et équilibrer l équation d une réaction d oxydoréduction Décrire un système chimique (par sa composition qualitative et quantitative). Écrire l'équation chimique d'une réaction avec les nombres stœchiométriques corrects. Analyser des résultats expérimentaux. Linguistiques Maîtriser le lexique spécifique à l oxydoréduction Décrire un phénomène, des faits Exprimer la condition et l hypothèse Maîtriser le raisonnement par implication Identifier et utiliser les connecteurs logiques pour retracer un raisonnement logique (cause, conséquence) DOCUMENTS Fiche professeur et fiche élève pour l activité 1 : Étude expérimentale du passage réciproque de l'oxydant au réducteur Document 1 Tiré du CDRom du ministère français de l Éducation nationale (MEN) «documents d accompagnement des programmes de 1ère S 2001» sur la mesure en chimie Comment mesurer des quantités de matière TP6a : Passage réciproque de l'acide à la base, de l'oxydant au réducteur Document 2 Fiche professeur activité 2 : 1) Présentation de quelques oxydants et réducteurs usuels 2) Recherche documentaire et éventuellement approche expérimentale qualitative sur certaines des réactions liées à des phénomènes courants. Tiré du CDRom du MEN «documents d accompagnement des programmes de 1ère S 2001» sur la mesure en chimie Comment mesurer des quantités de matière TP6c Importance des réactions d oxydoréduction et applications pratiques Document 3 Fiche professeur activité 3 : Quelques couples d oxydoréduction vus en biologie. Tiré du CDRom du MEN «documents d accompagnement des programmes de 1ère S 2001» sur la mesure en chimie Comment mesurer des quantités de matière

3 TP6c Importance des réactions d oxydoréduction et applications pratiques OUTILS LINGUISTIQUES Lexique utile une transformation chimique une réaction chimique une équation chimique mole, molaire, équimolaire une quantité de matière (mol) une concentration une évolution d un système un avancement un ion, cation, anion capter céder une espèce chimique une oxydoréduction un oxydant un réducteur un transfert Formes syntaxiques / discursives utiles - tournures impersonnelles - présent de vérité générale, verbes d état, de transformation - le pronom indéfini : «on» - la nominalisation - la tournure passive - le présent de description (formulation d un constat) : «Je constate le fait scientifique A que je cherche à expliquer.» - la forme interrogative (formulation d un problème scientifique) : «Comment expliquer le fait scientifique A?» - La condition et l hypothèse : Si + indicatif Si + présent ou passé composé Si + présent dans la principale Quand Lorsque Dès que

4 - La condition nécessaire : l implication («On dit qu une force travaille si son point d application se déplace») A implique B B dépend de A Si A alors B Pour que A il faut que B On dit que si - La règle, la loi : tours impersonnels, présent de vérité générale, verbes d état - Le pronom indéfini : «on» - Les connecteurs de cause, de conséquence - Les valeurs du présent de l indicatif - une phase de description - Je vois que.. J observe que. - une phase d interprétation Or je sais que.. J en déduis que - une phase de synthèse - Je conclus que utilisant les connecteurs de cause et conséquence SÉQUENCE PEDAGOGIQUE Durée de la séquence : 3h avec une séance de TP cours. Problème scientifique : Qu est-ce qu un oxydant, un réducteur, un couple redox et une équation d oxydoréduction? La première séance est un TP-cours qui permet aux élèves de définir un oxydant, un réducteur, un couple redox et une équation d oxydoréduction à partir d expériences simples (avec des cations métalliques uniquement) où le passage de l observation à l écriture de l équation chimique est simple. La seconde séance permet aux élèves d écrire de repérer dans les produits usuels ceux qui sont oxydants et ceux qui sont réducteurs ce qui permet d écrire de nouveaux couples redox plus complexes et d introduire une méthode pour équilibrer une équation d oxydoréduction. La 3e séance permet de faire le lien entre ce domaine de la chimie et la biologie. Durée de la séquence et répartition des séances : 2H30 sur 3 séances. Séance 1 : Démarche Consigne Situation déclenchante : Présentation de 4 expériences d oxydoréduction simples (voir fiche activité 1) Etude expérimentale du passage réciproque de l'oxydant au réducteur. Problématique : Que se passe-t-il du point de vue microscopique dans une

5 réaction d oxydoréduction? Hypothèses : Compléter et répondre aux questions de la fiche élèves de l activité 1 Conclusion : après mise en commun des réponses des élèves - une réaction d oxydoréduction est une réaction où il y a un transfert d électrons entre les 2 réactifs (par exemple l ion Ag+ donne un électron au métal cuivre) - un oxydant est une espèce chimique qui peut capter au moins un électron (par exemple Ag+, Cu2+, Fe2+, Zn2+, ) - un réducteur est une espèce chimique qui peut céder au moins un électron (par exemple Cu, Fe, Zn, ) - deux espèces chimiques conjuguées forme un couple oxydant/réducteur, appelé couple redox, notée Ox/Red (par exemple Cu2+/Cu) - un oxydant et le réducteur conjugués sont reliés par la demi-équation correspondante Ox + n e- = Red (par exemple Cu e- = Cu) Modalités de travail Durée Travail de groupe avec observation des expériences et remplissage de la fiche élève de l activité 1 Mise en commun des résultats pour aboutir aux définitions. 1h Objectifs Évaluation / Correction Séance 2 : Démarche et consignes - Définir un oxydant et un réducteur - Schématiser un couple redox par oxydant/réducteur et la demi-équation correspondante Ox + n e- = Red - Reconnaître l oxydant et le réducteur de quelques couples redox - Ecrire et équilibrer une réaction d oxydoréduction Exercices d application Situation déclenchante : Présentation de quelques oxydants et réducteurs usuels (voir fiche activité 2) Pour certains de ces oxydants et réducteurs usuels on fera rechercher aux élèves (individuellement ou en groupe) les couples redox correspondants. Problématique : Quels produits de la vie courante sont susceptibles de provoquer des réactions d oydo-réduction?

6 Hypothèses : Proposition de couples redox et leur demi-équation par les groupes. Conclusion : après mise en commun des réponses des élèves et validation des propositions. Une recherche documentaire permettra de compléter les exemples : On notera les couples des réactions de la vie courante : - Fabrication du dihydrogène en laboratoire : - Gravure à l eau forte : cuivre et acide nitrique - Circuits imprimés (électronique) - Caractère réducteur des sucres : miroir d argent avec le glucose - Alcootest On conclut par : Méthode d écriture des demi-équations électroniques : a. Oxydant + e- = réducteur. b. Équilibrer tous les atomes autres que O et H. c. Équilibrer les O en ajoutant des molécules d eau. d. Équilibrer les H en ajoutant des protons H +. e. Compléter le nombre d électrons pour respecter les charges électriques. Méthode pour écrire les réactions d oxydoréduction : a. On écrit les deux demi équations : réducteur 1 = oxydant 1 + n 1 é oxydant 2 + n 2 é = réducteur 2 b. On s arrange pour avoir le même nombre d électrons transférés dans les deux équations : pour cela, on multiplie par n2 la première et par n1 la seconde : n 2 * réducteur 1 = n 2 * oxydant 1 + n 2 * n 1 é n 1 * oxydant 2 + n 1 * n 2 é = n 1 * réducteur 2 c. On additionne alors les deux demi équations, les électrons n apparaissent plus : n 1 * oxydant 2 + n 2 * réducteur 1 n 2 * oxydant 1 + n 1 * réducteur 2 Modalités de travail Durée Elèves en démarche d investigation avec un temps d activité d élèves en groupe (test des réactions et écriture des couples redox) et un temps de mutualisation au niveau de la classe entière. 1h

7 Objectifs Connaître des applications usuelles de l oxydoréduction Écrire et équilibrer des réactions d oxydoréduction Évaluation / Correction Exercices de réinvestissement Situation déclenchante : Présentation de quelques couples d oxydoréduction vus en SVT (voir fiche activité 3) Séance 3 : Démarche et consignes Problématique : Comment reconnaître des couples rédox dans les molécules complexes de la chimie du vivant? Hypothèses : En comparant la structure des molécules d un couple le passage de l un à l autre se fait ou non par passage par perte ou ajout d e-. Conclusion : après mise en commun des réponses des élèves La chimie du vivant fait appel à de nombreuses réactions redox. Par exemple : NAD+/NADH et Pyruvate / Lactate dans des réactions intervenant au niveau des muscles : transformation du glucose en ions pyruvate puis transformation des ions pyruvate en ions lactate. Modalités de travail Étude documentaire à la maison Mise en commun des résultats des recherches et lien avec le programme de SVT Durée Objectifs Évaluation / Correction 30 min Expliquer les réactions utilisées en biologie à partir de la connaissance de l oxydoréduction Exercices de réinvestissement CONSEILS POUR LES ENSEIGNANTS Si cela est nécessaire, en fonction des expériences que l'enseignant choisit de proposer aux élèves, les tests de reconnaissance des ions métalliques tels Ag +, Cu 2+, Fe 2+, Zn 2+, etc., sont préalablement effectués et interprétés. Le symbole = pour l écriture des équations chimiques est introduit ici à l occasion des réactions

8 réversibles d un couple redox mais il peut être remplacé par la double flèche. Protection de l'environnement et sécurité : les tests de reconnaissance des ions et les expériences qui suivent sont effectués sur de petites quantités de solution afin de pouvoir récupérer les solutions aqueuses de métaux lourds. On utilisera l expression «espèce chimique» (pour des molécules ou des ions) plutôt que le mot «corps» trop vague et souvent limité Transformation et réaction : quelle distinction? Ce qui est observé au plan macroscopique, c est une transformation, faisant passer un système d un état initial à un état final. La combustion complète du méthane en est une, qui transforme un mélange de méthane et d air en excès en un mélange de diazote, de dioxyde de carbone, de dioxygène et d eau. La réaction chimique ne concerne que les espèces qui ont été effectivement consommées (réactifs) ou qui sont apparues (produits) et l équation chimique de cette réaction est un bilan fondé sur les lois de conservation des atomes et des charges électriques. État initial T = 298 K ; p = 1 bar 24 mol de diazote 6 mol de dioxygène 2 mol de méthane Transformation chimique État final T = 298 K ; p = 1 bar 24 mol de diazote 2 mol de dioxygène 2 mol de dioxyde de carbone 4 mol d eau La réaction chimique modélise la transformation par son bilan de matière : des réactifs (dioxygène et méthane) ont réagi pour donner naissance à des produits (dioxyde de carbone et eau). La réaction chimique est symbolisée par l écriture d une équation chimique. Cette dernière s écrit avec les nombres stœchiométriques entiers les plus petits possible, ajustés en respectant les règles de conservation de la matière : CH 4 + 2O 2 CO H 2 O

9 Activité 1 expérimentale Une réaction d oxydoréduction simple Fiche professeur Produits nécessaires - poudre (ou lame) de fer, de zinc et de cuivre solution de nitrate d'argent(i), Ag+(aq) + NO 3(aq), 1, mol.l 1 solution de sulfate de cuivre(ii), Cu2+(aq) + SO24 (aq), 1, mol.l 1 solution de sulfate de fer(ii), Fe2+(aq) + SO24 (aq), ou de sel de Mohr, 1, mol.l 1 solution de sulfate de zinc(ii), Zn2+(aq) + SO24 (aq), 1, mol.l 1 solution d'hydroxyde de sodium, Na+(aq) + OH (aq), 1,0 mol.l 1 solution de chlorure de sodium, Na+(aq) + Cl (aq), 1, mol.l 1. Réaction entre un cation métallique et un métal Le professeur réalise les transformations chimiques suivantes qui sont observées par les élèves. Avant le début de la réaction puis en fin de réaction, il fait un test de présence avec quelques gouttes de soude. Après l identification des produits de la réaction, il fait écrire dans chaque cas, l'équation chimique associée à la transformation chimique de chacun des systèmes observés. - Expérience 1 : De la poudre de cuivre Cu(s) plongée dans une solution de nitrate d argent Ag + (aq), NO 3 - (aq) - Expérience 2 : De la poudre de zinc Zn(s) plongée dans une solution de sulfate de cuivre Cu 2+ (aq), SO 4 2- (aq) - Expérience 3 : De la poudre de fer Fe(s) plongée dans une solution de sulfate de cuivre Cu 2+ (aq), SO 4 2- (aq) - Expérience 4 : De la poudre de Zn(s) plongée dans une solution de sulfate de fer Fe 2+ (aq). SO 4 2- Afin de montrer le passage réciproque de l'oxydant au réducteur, dans les exemples choisis, un couple oxydant/réducteur au moins doit être proposé afin que, dans une expérience, l'oxydant du couple puisse être réduit alors que, dans une autre expérience, le réducteur, du couple soit oxydé : c'est le cas des expériences 1 et 2 (ou 3) avec le couple Cu 2+ /Cu, des expériences 3 et 4 avec le couple Fe 2+ /Fe.

10 Émergence des notions d'oxydant, de réducteur, de couple oxydant/réducteur Expérience 1 : Cu(s) + Ag + (aq) Au cours de la transformation chimique (compléter) : L ion argent(i), Ag + : L atome de cuivre, Cu : a gagné 1 atome d hydrogène H a gagné 1 atome d hydrogène H a perdu 2 cation H + a perdu 2 cation H + 3 anion H - 3 anion H - Conclusion : en définissant les termes oxydant et réducteur et on interprète la réaction étudiée comme une réaction d'oxydoréduction. Expérience 2 : Zn + Cu 2+ (aq) Au cours de la transformation chimique (compléter) : L ion cuivre(ii), Cu 2+ : L atome de zinc, Zn : a gagné 1 atome d hydrogène H a gagné 1 atome d hydrogène H a perdu 2 cation H + a perdu 2 cation H + 3 anion H - 3 anion H - On conclut en définissant le couple oxydant/réducteur et son écriture formelle : oxydant + ne = réducteur.

11 Fiche élève (à compléter à partir des observations de l expérience) 1) Dans chaque cas quelle est l'équation chimique associée à la transformation chimique observée? Expérience 1 : Cu(s) + Ag + (aq) Expérience 2 : Zn(s) + Cu 2+ (aq). Expérience 3 : Fe(s) + Cu 2+ (aq). Expérience 4 : Zn(s) + Fe 2+ (aq). 2) Que se passe-t-il du point de vue microscopique dans les réactions observées? Expérience 1 : Au cours de la transformation chimique (compléter) : L ion argent(i), Ag + : L atome de cuivre, Cu : a gagné 1 atome d hydrogène H a gagné 1 atome d hydrogène H a perdu 2 cation H + a perdu 2 cation H + 3 anion H - 3 anion H - Conclusion : Définir les termes d oxydant et de réducteur. Interpréter la réaction étudiée. Expérience 2 : Zn + Cu 2+ (aq) Au cours de la transformation chimique (compléter) : L ion cuivre(ii), Cu 2+ : L atome de zinc, Zn : a gagné 1 atome d hydrogène H a gagné 1 atome d hydrogène H a perdu 2 cation H + a perdu 2 cation H + 3 anion H - 3 anion H - Conclusion : Définir un couple oxydant/réducteur Ecrire l équation de passage d un oxydant au réducteur correspondant et inversement.

12 Activité 2 (expérimentale pour les réactions réalisables) 1) Présentation de quelques oxydants et réducteurs usuels Le chimiste, la ménagère, le pharmacien, l infirmière, le graveur, le photographe, etc. ont à leur disposition un certain nombre de «produits» présentant un caractère oxydant ou réducteur. Oxydants usuels Eau de Javel ClO - (aq) Eau iodée I 2 (aq) Dioxygène O 2 Dichlore Cl 2 Eau oxygénée H 2 O 2 Acides usuels au laboratoire (acide chlorhydrique, acide sulfurique, etc.) Cation métallique : Ag + (réactif de Tollens), Cu 2+ (réactif de Fehling), Fe 3+ (gravure des circuits imprimés) Permanganate de potassium cristaux et solutions) Ions nitrate (cristaux) et solutions d acide nitrique). Etc. Réducteurs usuels Métaux Thiosulfate de sodium Antioxydants : vitamine C Glucose Ethanol Pour certains de ces oxydants et réducteurs usuels on fera rechercher aux élèves (individuellement ou en groupe) les couples redox correspondants. Une mise en commun permettra d écrire les couples et leur demi-équation A l occasion de cette recherche d exemples et de la lecture des étiquettes des flacons correspondants, réactiver avec les élèves la signification des pictogrammes, en particulier «comburant» (cristaux de permanganate de potassium et cristaux contenant des ions nitrate).

13 2) Recherche documentaire et éventuellement approche expérimentale qualitative sur certaines des réactions liées aux phénomènes suivants : - Fabrication du dihydrogène en laboratoire - Gravure à l eau forte : cuivre et acide nitrique - Circuits imprimés (électronique) - Caractère réducteur des sucres : miroir d argent avec le glucose - Alcootest Pour certaines de ces réactions d oxydoréduction, on fera rechercher aux élèves (individuellement ou en groupe) l équation chimique que l on cherchera à équilibrer. Une mise en commun permettra d écrire l équation chimique et d expliquer la méthode pour l équilibrer ces équations. Prolongements expérimentaux possibles - Caractère oxydant de l'eau de Javel : les ions hypochlorite peuvent oxyder en milieu acide les ions iodure : ClO - (aq) + 2H + (aq) + 2I - (aq) Cl - (aq) + H 2 O + I 2 (aq) Dans un tube à essai, verser 2 ml environ de solution d'iodure de potassium et 2 ml environ d'acide chlorhydrique dilué puis, goutte à goutte, l'eau de Javel diluée pour faire apparaître la couleur brun orangé du diiode (identifiable avec l'empois d'amidon, coloration bleue). - Caractère «oxydant» de l'eau oxygénée : dans un tube à essai verser 2 ml de solution d'iodure de potassium et 2 ml d'acide chlorhydrique puis, goutte à goutte, l'eau oxygénée pour faire apparaître la couleur brun orangé du diiode. C 6 H 8 O 6 (aq) + I 2 (aq) C 6 H 8 O 4 (aq) + 2I - (aq) + 2H + aq(aq) - Caractère «réducteur» de l'acide ascorbique (vitamine C) : dissoudre un comprimé de Vitascorbol dans de l'eau et partager cette solution entre les groupes d'élèves. Dans un tube à essai, introduire 2 ml d'eau iodée. Ajouter la solution d'acide ascorbique et observer la disparition de la couleur brun orangé du diode. H 2 O 2 (aq) + 2 H + aq(aq) + 2 I - (aq) 2 H 2 O(aq) + I 2 (aq)

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15 Activité 3 Quelques couples d oxydoréduction vus en biologie Faire travailler les élèves sur ces couples appartenant au monde du vivant. Questionnement possible 1. Reconnaître l oxydant et le réducteur des couples NAD + /NADH et Pyruvate / Lactate dans des réactions intervenant au niveau des muscles : transformation du glucose en ions pyruvate puis transformation des ions pyruvate en ions lactate. a) Le couple NAD + / NADH NAD + = Nicotinamide Adémine Dinucléotide. H CONH 2 H H CONH 2 N R H + + (aq) + 2 e - = N R NAD NADH NAD + + H + (aq) + 2e - = NADH b) Réduction de l ion pyruvate en ion lactate O O O O C C C CH 3 Pyruvate O + NADH + + H (aq) = H C OH + NAD CH 3 Lactate

16 Les deux couples suivants interviennent : Pyruvate + 2H + (aq) + 2e - = Lactate NADH = NAD + + H + (aq) + 2e - Pyruvate + NADH + H + (aq) = Lactate + NAD + 2. Écrire la réaction d oxydoréduction intervenant dans la chaîne respiratoire mettant en jeu les couples : NAD + / NADH et O 2 (g) / H 2 O, sachant qu il y a oxydation du NADH. 1/2O 2 (g) + 2H + (aq) + 2e - = H 2 O NADH = NAD + + H + (aq) + 2e - 1/2O 2 (g) + NADH + H + (aq) = H 2 O + NAD + 3. Identifier les deux couples oxydant / réducteur et les écrire avec le formalisme habituel dans une équation de réaction d oxydation d un alcool dans le métabolisme humain H NAD + R C R' = NADH + R C R' + H + (aq) OH O

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