Connaissances Capacités Exemples d'activités L'ION : COMPRENDRE LA CONDUCTION ÉLECTRIQUE DANS LES SOLUTIONS AQUEUSES.

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1 Niveau 3 ème Document du professeur 1/ 9 Physique Chimie La chimie, science de la transformation de la matière. Nature du courant électrique dans les solutions aqueuses ioniques. Migration des ions. Programme A. LA CHIMIE, SCIENCE DE LA TRANSFORMATION DE LA MATIERE. A.1.2-Conduction électrique et structure de la matière Cette séance expérimentale illustre la partie de programme ci-dessous, parue dans l'annexe IV à l'arrêté du 6 avril 2007 publié au BO hors série n 6 du 19 avril 2007, afin de tenir compte du socle commun de connaissances et de compétences au collège (B.O. n 29 du 20 juillet 2006). Connaissances Capacités Exemples d'activités L'ION : COMPRENDRE LA CONDUCTION ÉLECTRIQUE DANS LES SOLUTIONS AQUEUSES. Toutes les solutions aqueuses conduisent-elles le courant électrique? D'où proviennent les électrons et les ions mobiles? Toutes les solutions aqueuses ne conduisent pas le courant électrique. La conduction du courant électrique dans les solutions aqueuses s'interprète par un déplacement d'ions. Pré requis de l élève Comparer (qualitativement) le caractère conducteur de l'eau et de diverses solutions aqueuses à l'aide d'un circuit électrique. Comparer qualitativement le caractère conducteur ou non de l'eau, d'eaux minérales et des solutions obtenues lorsque l'on introduit dans l'eau: du saccharose; du chlorure de sodium; du sulfate de cuivre. o Tous les métaux conduisent le courant électrique. o Tous les solides ne conduisent pas le courant électrique. o La conduction du courant électrique dans les métaux s'interprète par un déplacement d'électrons. o Toutes les solutions ne conduisent pas le courant électrique: différence entre eau salée et sucrée, notion d'ion. o Une solution aqueuse de sulfate de cuivre (II) est bleue. Mots clés o Solution o Aqueuse o Migration o Electrode o Conduction o Ion positif, ion négatif PIERRON 2008 La migration des ions (page 1)

2 Liste de Matériel Poste professeur Tube un U avec tubulures Sulfate de cuivre (II) Permanganate de potassium Chlorure de potassium Chlorure de sodium Acide sulfurique Générateur ( V) Deux électrodes en graphite Deux pinces «crocodile» Document du professeur 2/ 10 Références Poste élève Références Appareil migration sur papier Générateur (6-12V) Papier filtre Pipette compte-gouttes PE Verre de montre Solutions aqueuses présentes sur la paillasse et conditionnées en flacon. Prévoir 10 ml par poste élève : Solution de chlorure de sodium, Na + + Cl - : c = 360 g.l -1 Solution de sulfate de cuivre (II), Cu 2+ + SO 2-4 : c = 317 g.l -1 Solution de permanganate de potassium, K + + MnO - 4 : c = 64 g.l -1 Remarques, astuces o Migration des ions dans le tube en U : expérience professeur 1. Concentration des solutions aqueuses pour l expérience de migration dans un tube en U - Solution de sulfate de cuivre (II) : saturée (prévoir 50 ml) - Solution de permanganate de potassium : 10-2 mol.l -1 (prévoir 50 ml) - Solution d acide sulfurique à 0,1 mol.l -1 (prévoir 60mL) - Prévoir un flacon de solution de chlorure de potassium (K + + Cl - ) de concentration c= 0,1 mol.l -1 pour l activité 1 : «couleur et ion» 2. Protocole expérimental : - Mélanger 50 ml de solution aqueuse de sulfate de cuivre (II) avec 50 ml de solution aqueuse de permanganate de potassium (adapter les volumes à la taille du tube en U utilisé). - Cette solution sera introduite dans le tube en U par le bas du tube grâce à un entonnoir relié par un tube souple à la petite tubulure soudée à la base du tube en U. Le robinet sera maintenu ouvert afin de chasser l air puis fermé sitôt que la solution atteint son niveau. Il faut veiller à monter suffisamment l entonnoir par rapport au robinet pour que le mélange monte dans le tube en U. PIERRON 2008 La migration des ions (page 2)

3 Document du professeur 3/ 10 - Robinet fermé, introduire dans le tube en U l acide sulfurique jusqu à environ la mi-hauteur du tube. Ouvrir ensuite légèrement le robinet afin que la solution colorée pénètre lentement dans le tube en U sans se mélanger avec l acide. - Refermer le robinet et immerger les électrodes en graphite dans l acide, elles ne doivent pas entrer en contact avec la solution colorée. Après une dizaine de minutes d électrolyse sous une tension continue de 24 V, on constate à l interface entre la solution colorée et l acide sulfurique incolore l apparition d une coloration bleue à la cathode et une coloration violette à l anode, ce qui permet d expliquer aux élèves (ou de leur faire expliquer) les déplacements des ions positifs et négatifs dans la solution On remarquera que vu la forte tension mise en jeu, on réalise une électrolyse du solvant qui est l eau, avec dégagement de dihydrogène à la cathode et de dioxygène à l anode. Remarque : Si on ne possède pas de tube en U avec entonnoir, il faut introduire la solution colorée dans le tube en U, puis déposer dans chaque branche un petit morceau de bouchon en liège (couper un bouchon dans le sens de la hauteur, puis découper de petits morceaux pouvant être introduits dans chaque branche du tube en U) en plaçant le côté bombé vers le haut, à l aide d un agitateur en verre posé sur le morceau de liège, faire couler délicatement la solution d acide sulfurique (on peut s aider également d une pipette graduée), recommencer de l autre côté, puis récupérer à l aide d une pince le morceau de liège. De même si le collège ne dispose pas de générateur 24 V, utiliser un générateur 12 V et attendre plus longtemps l apparition des anneaux colorés aux interfaces solution-acide sulfurique 3. Organisation de la séance : 1. Présenter le protocole de l expérience N 1 de l activité 2, puis la réaliser. Au bout de 5 minutes de passage du courant électrique, on observe déjà une coloration aux interfaces entre les deux solutions. 2. Pendant les 15 à 20 minutes de passage du courant électrique nécessaire à l observation des phénomènes colorés aux électrodes, faire réaliser aux élèves l expérience N 2 de l activité Remplir avec les élèves la première conclusion (conclusion N 1 de l activité 2) Résultats expérimentaux : PIERRON 2008 La migration des ions (page 3)

4 4. Prolongements : l électrophorèse Document du professeur 4/ 10 L électrophorèse une application en biologie de la migration des ions. L électrophorèse est une méthode de séparation de particules chargées électriquement par migration différentielle sous l action d un champ électrique. Le terme d ionophorèse est utilisé dans le cas d ions de petite taille. Différents procédés : Electrophorèse libre (en tube en U de section carrée). Electrophorèse sur support ou de zones (support poreux et inertes). Quel que soit le procédé utilisé le principe de migration dépend de plusieurs facteurs : 1. De la mobilité électrophorétique, qui est fonction de la charge q et de la géométrie de la particule, cette dernière placée dans un champ électrique E, est soumise à une force F qui l entraîne vers l électrode de signe opposé : F = q.e 2. Des forces de frottement f, dues à la viscosité du milieu η, s opposent à la migration de la particule, et ce d autant plus que la particule est grosse (r = rayon) et que la vitesse de migration (v) est grande : f = 6.π.η.r.v (à noter que η dépend de la température) Il arrive un moment où les deux forces s équilibrent, et la particule se déplace à vitesse constante, on peut alors écrire : F = f, soit q.e = 6.π.η.r.v L expression de la vitesse de la particule est alors : v = q.e / 6.π.η.r. On définit pour chaque particule sa mobilité µ, de manière indépendante du champ électrique, par la relation : µ = v/e = q / 6.π.η.r µ =Vitesse de migration pour un champ électrique de 1 V.cm -1. La mobilité est une caractéristique de chaque particule, il est donc possible d effectuer une séparation en se basant sur cette propriété. Une application aux acides α-aminés Les acides α-aminés sont de formule générale H 2 N CH(R) COOH, portant donc un radicale acide : le groupe carboxyle - COOH et un radical basique : le groupe amine primaire NH 2 En solution aqueuse, on assiste à la formation d un zwitterion (ou amphion) de formule H 3 N + - CH(R) -COO - par transfert d un proton du groupe COOH sur le groupe NH 2. Le zwitterion est électriquement neutre et se trouve être une espèce amphotère : - c est l espèce basique du couple acide/base : H 3 N + - CH(R) -COOH / H 3 N + - CH(R) -COO - de pka noté pka 1 - c est l espèce acide du couple H 3 N + - CH(R) -COO - /H 2 N- CH(R) COO - de pka noté pka 2 Au point «isoélectrique», de ph noté ph i = ½ (pka 1 + pka 2 ), il est l espèce prédominante. On peur représenter cela sur un axe de ph : Selon le ph du milieu (ph < ph i ou ph > ph i ), la forme chargée positivement ou la forme chargée négativement va prédominer et le champ électrique entraînera l ion formé vers l une ou l autre des électrodes permettant ainsi de séparer des acides α-aminés de ph i différents. PIERRON 2008 La migration des ions (page 4)

5 Document du professeur 5/ 10 Les applications de l électrophorèse sont nombreuses : - recherche au niveau des protéines, de l ADN, - on utilise ce procédé pour l application de peintures sur des tôles de voitures,. (René Lafont. Biologie et Multimédia. Université Pierre et Marie Curie. UFR de Biologie). ( Nous les remercions pour leur aimable autorisation. o Migration des ions sur papier : Concernant la migration des ions sur papier qui sera demandée aux élèves (expérience n 2), au lieu de déposer sur le papier filtre deux gouttes d un mélange des solutions de permanganate de potassium et de sulfate de cuivre (II), on peut faire déposer par les élèves quelques cristaux de sulfate cuivre (II) et de permanganate de potassium sur la ligne médiane. Pistes d évaluation I Note expérimentale (3 «appels prof.») Activité 2. Expérience n 2 - Préparation du papier filtre : tracé d un trait fin, mise en place du papier entre les deux électrodes, papier imbibé avec la solution d eau salée (appel prof. 1) - Dépôt des deux gouttes du mélange sur le papier (appel prof. 2) - Soin : papier pas trop imbibé.. - Montage électrique (appel prof. 3) - Rangement paillasse Note expérimentale /10 II Note théorique Activité 2 : Exp. n 1 -Schéma à compléter Activité 2 : Exp. n 2 -Schéma de l expérience n 2-4 phrases (Observations (2) ; Remarque(1) ; interprétation(1)) -Conclusion n 2 2 points 2 points 4 points 2 points Note théorique /10 PIERRON 2008 La migration des ions (page 5)

6 Nom : Prénom : Classe : Date : Document du professeur 6/ 10 Physique Chimie La chimie, science de la transformation de la matière. Nature du courant électrique dans les solutions aqueuses ioniques. Migration des ions. Objectifs Déterminer la nature du courant électrique dans les solutions aqueuses. Mettre en évidence le déplacement des ions positifs et négatifs. ACTIVITE 1 : couleur des ions dans une solution aqueuse Activité préparatoire: ion et couleur Une solution aqueuse de chlorure de potassium est incolore, elle contient des ions potassium incolore de formule K + et de ions chlorure incolore de formule Cl -. - Écrire la formule du chlorure de potassium en solution : K + + Cl - Une solution aqueuse de permanganate de potassium est violette, elle contient des ions potassium de formule K + et des ions permanganate de formule MnO Écrire la formule du permanganate de potassium en solution : K + + MnO À partir de ce qui précède, indiquer la couleur des ions permanganate en solution aqueuse : Les ions permangante en solution sont de couleur violette - À partir de vos connaissances antérieures, indiquer la couleur des ions cuivre (II) en solution aqueuse: Les ions cuivre (II) sont de couleur bleu ACTIVITE 2 : quel est le rôle des ions dans une solution aqueuse? 1. Expérience n 1 : migration d ions dans un tube en U (réalisée par le professeur) Dans un tube en U on verse un mélange de deux solutions aqueuses : * Solution 1 = une solution violette de permanganate de potassium de formule : K + + MnO 4 - * Solution 2 = une solution bleue de sulfate de cuivre (II) de formule : Cu 2+ + SO 4 2- Le mélange obtenu a une couleur dans laquelle la teinte violette domine. On verse délicatement de chaque côté une solution aqueuse incolore d'acide sulfurique. On place dans chacune des branches du tube en U une électrode de graphite reliée, l une à la borne + d un générateur de tension continue et l autre à sa borne -, et on fait passer le courant électrique pendant 15 minutes. PIERRON 2008 La migration des ions (page 6)

7 Document du professeur 7/ 10 Compléter le document ci-dessous représentant le dispositif expérimental avant le passage du courant électrique. Donner un titre au document. Compléter le document ci-dessous représentant le dispositif expérimental après 20 minutes de passage du courant électrique. Noter les phénomènes colorés observés aux électrodes et donner un titre au document. Observations. Observer et noter les changements visibles à chaque électrode A l'électrode reliée au pôle positif du générateur : on observe un anneau de couleur violette A l'électrode reliée au pôle négatif du générateur : on observe un anneau de couleur bleue PIERRON 2008 La migration des ions (page 7)

8 Document du professeur 8/ 10 Interprétations Comment expliquer ces colorations? A l'électrode reliée à la borne positive du générateur : il y a présence d ions permanganate A l'électrode reliée à la borne négative du générateur : il y a présence d ions cuivre (II) Allons plus loin : Comparaison du sens de déplacement des ions et du sens conventionnel du courant électrique. Rappelons que dans un circuit électrique fermé, le courant électrique circule à l extérieur du générateur de la borne + vers la borne - : cela est le sens conventionnel du courant Compléter la phrase en utilisant les termes suivants : positif, conventionnel, inverse du sens conventionnel, négatif. - Dans une solution aqueuse ionique, les ions positifs se déplacent vers l'électrode reliée au pôle négatif du générateur, c'est à dire dans le sens conventionnel du courant électrique. - Dans une solution aqueuse ionique, les ions négatifs se déplacent vers l'électrode reliée au pôle positif du générateur, c'est à dire dans le sens inverse du sens conventionnel du courant électrique. Conclusion N 1 (à compléter avec le professeur) Dans une solution aqueuse ionique le courant électrique est dû à une double migration d ions positifs et d ions négatifs en sens inverse les uns des autres. Les ions positifs se déplacent dans le sens conventionnel du courant électrique. Les ions négatifs se déplacent en sens inverse du sens conventionnel du courant électrique. Rappel : une solution non ionique ne conduit pas le courant électrique. 2. Expérience N 2 de migration des ions sur papier (réalisée par les élèves) Dispositif expérimental : PIERRON 2008 La migration des ions (page 8)

9 Protocole expérimental : Document du professeur 9/ Tracer un trait fin au crayon à papier pour repérer le milieu de la bande de papier filtre qui vous a été distribuée. 2- Placer la bande de papier filtre sous les électrodes et entre les deux clips destinés à maintenir ces électrodes (voir photo). 3- Imbiber le papier avec la solution aqueuse de chlorure de sodium (eau salée). 4- A l aide d une pipette, déposer dans un verre de montre deux gouttes de la solution de sulfate de cuivre (II) 5- A l aide d une autre pipette, déposer au dessus des deux gouttes précédentes, deux gouttes de la solution de permanganate de potassium. 6- Mélanger avec l agitateur. 7- Déposer délicatement au milieu du trait deux gouttes du mélange des deux solutions. 8- Relier les électrodes au générateur réglé sur la tension 12 V continu. Annoter et compléter le document ci-dessous au fur et à mesure des observations. Donner un titre au document. Observations : On observe des traces colorées de part et d autre du trait : Une trace violette due aux ions permanganate se dirigeant vers l électrode reliée au pôle positif du générateur. Une trace bleue due aux ions cuivre (II) se dirigeant vers l électrode reliée au pôle négatif du générateur. Remarque : Comparaison avec l expérience N 1 réalisée par le professeur : Compléter la phrase en utilisant les termes suivants : ions négatifs ; négatif ; mêmes. On observe les mêmes résultats : les ions positifs se déplacent vers l électrode reliée au pôle négatif du générateur tandis que les ions négatifs se déplacent vers l autre électrode reliée au pôle positif du générateur. Interprétation : Les ions positifs et négatifs se déplacent en sens inverse les uns des autres Ils assurent la circulation du courant électrique PIERRON 2008 La migration des ions (page 9)

10 CONCLUSION N 2 : Document du professeur 10/ 10 Dans une solution aqueuse ionique, le courant électrique est dû à une double migration en sens inverse d ions positifs et négatifs. Les ions positifs se déplacent dans le sens conventionnel du courant électrique. Les ions négatifs se déplacent en sens inverse du sens conventionnel du courant électrique. PIERRON 2008 La migration des ions (page 10)