3.2. En 5 e année, sciences générales 3.2.1. Les solutions aqueuses Les élèves ne perçoivent pas l importance de ce chapitre dans la suite du cours de chimie au 3 e degré 1 ère difficulté : La distinction entre réaction de dissociation et d ionisation Solutés ionophores Composés ioniques (cf. 4 e si présence d un métal alors liaison ionique d où corps ionique) Sels, hydrogénosels, hydroxydes Solutés ionogènes Composés covalents Acide et base aminée (NH 3 ) Et les oxydes?
On réalise l approche expérimentale selon Arrhénius Les équations : Mesure de la conductivité des solutions - Pour la réaction de dissociation H 2 O NaCl (s) Na + (aq) + Cl (aq) Côté historique = Évolution des modèles Acide - base On n en parle pas encore aux élèves mais ils ont attendu parler d Arrhénius On crée des liens dans la matière - Pour la réaction d ionisation H 2 O HCl (g) H + (aq) + Cl (aq) 2 ème difficulté : même formalisme mais deux réactions différentes NB : Ce sera une des limites de la théorie acide-base selon Arrhénius En 6 ème, l équation d ionisation sera HCl (g) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + Cl (aq)
3 ème difficulté : La dissociation obéît à certaines règles H 2 O NaCl (s) Na + (aq) + Cl (aq) H 2 O Na 2 SO 4 (s) Na + 2 (aq) + SO 4 (aq) (1) H 2 O CaSO 4 (s) Ca + (aq) + SO 4 (aq) H 2 O C 6 H 12 O 6 (s) 12 H + (aq) + C 6 O 12 6 (aq) (1) (2) Erreurs «fréquemment» rencontrées Erreur (1) si majorité de la classe Revoir des concepts du 2 e degré Erreur (2) intégration incorrecte de la matière La maîtrise de la dissociation est essentielle pour la suite du cours - en 6 e réaction de précipitation réactions acide base et redox
4 ème difficulté : Le rôle de l eau dans les réactions d ionisation Le rôle de l eau dans les réactions de dissociation ne pose pas de problème Utilisation des transparents des fardes DIDAC http://iupac.org/didac/
C est la modélisation d une solution ionique, on peut demander aux élèves de modéliser une solution CaCl 2
A ce stade, demander à vos élèves de modéliser la réaction d ionisation de l acide chlorhydrique La réflexion est nécessaire sinon vous risquez de rencontrer ce type d équation : H 2 O CH 3 COOH (l) 4 H + (aq) + C 2 OO 4 (aq) Il est intéressant d aborder dans ce chapitre les notions d électrolytes fort et faible surtout si l expérience de conductivité a été réalisée car on peut se baser sur ces concepts pour débuter le cours sur la force des acides et des base en 6 e dans la théorie de Bronstëd
3.2.2. Energie et réaction chimique a. Variation enthalpie ( H) Applications dans la vie courante - Boîtes auto chauffantes - Cold Instant - Chaufferettes, Introduction expérimentale des réactions endothermiques et exothermiques Ne pas se limiter aux réactions de dissociation H = variation d enthalpie Réaction chimique = H P - H R R P avec H = contenu énergétique 1 e difficulté : intégrer la notion d enthalpie Evaluation formative Pour transformer de l eau liquide en glace, faut-il réchauffer ou refroidir le système? Sous laquelle de ces deux phases, l eau possède-t-elle le maximum d enthalpie? Justifier H 2 O (l) H 2 O (s) + E Réflexion d élève On ne peut pas produire de l énergie car la température baisse
Notons que si le problème est posé à l envers (glace en eau liquide), il y a moins de difficultés car H 2 O (s) + E H 2 O (l) Il y a apport d énergie E du côté des réactifs La difficulté provient de l intitulé de la question Il y a toujours ce conflit : on chauffe, la température augmente or c est une réaction endothermique Il faut reprendre l explication à partir du principe de conservation 1 e partie : La matière en transformation R P E 2 e partie : Le reste du système (solution, parois, ) On mesure la température dans cette partie du système Isolant Evaluation certificative Pourquoi transpire-t-on lors d un effort physique prolongé? ou Expliquer le phénomène de condensation à l extérieur d un verre d eau glacée?
2 e difficulté : signification d un diagramme d enthalpie H (KJ) H R H P H<0 b. Le principe de calorimétrie Utilité dans le secondaire? Etude des énergies de liaison(cf.. Réactions de combustion) «Energie d activation en cinétique» 3 e difficulté : expliquer le principe de calorimétrie La mesure du H méthode directe, la calorimétrie Q = m.c. T méthode indirecte ( H f, E l, cycle de Hess) Q = H La variation d enthalpie d une réaction (chaleur de réaction) est égale en valeur absolue à la chaleur mesurée dans un calorimètre H + Q = 0 Principe de conservation d énergie
Soit un système fermé où se déroule une réaction exothermique On mesure la température dans cette partie du système 1 e partie : La matière en transformation R P H < 0 (perte d enthalpie) E 2 e partie : Le reste du système (solution, parois, ) Q > 0 (gain de chaleur) T Isolant Pour déterminer le H, il faut mesurer le gain de chaleur dans le calorimètre Q = (m sol. c sol + m cal. c cal ). T Les unités Joule (J ou kj) ne plus utiliser les calories NB. : Que signifie m sol?
3.2.3. L équilibre chimique et le déplacement d équilibre Loi de Gulberg et Waage et principe de Le Chatelier a. La loi de Gulberg et Waage (loi et principe empiriques) Une approche possible avec les réactions d estérification sciences de base a A + b B c C + d D [C] c. [D] d Kc = [A] a. [B] b Importance du symbolisme = [ ] Commentaires : Dans l approche expérimentale, l ajout d acide sulfurique et le chauffage sont des facteurs cinétiques la plupart des réactions d estérification sont athermiques
Quel sens doit-on donner à valeur de Kc? degré d'avancement d'une réaction ou/et rendement d'une réaction La concentration d un solide n est pas égale à 1, c est une constante [ X (s) ] = n V Exercices à réaliser sur [ X (s) ] = m V. M - la recherche de la valeur de Kc Masse volumique ρ (constante) [ X (s) ] = M - le calcul des valeurs de concentration à l'équilibre [ ] Masse molaire (constante) Difficultés : 1. Le bilan de matière (si pas vu en 4 ème ) 2. La mise en équation de l expression mathématique de Kc en x² 3. Ce sont des concentrations dans l expression de Kc. Pensez à mettre des volumes différents de 1 L dans les énoncés d exercices. Sinon, les élèves prendront l habitude de transcrire le nombre de moles issus du bilan de matière dans l expression de Kc.
b. Le "principe" de Le Chatelier Conseil : réaliser une approche expérimentale «l hydratation du chlorure de cobalt» Ce composé peut provoquer un asthme Préparation des solutions dans des bonnes conditions de sécurité Co 2+ (anhydre) + 6 H 2 O Co(H 2 O) 6 2+ (aq) H < 0 (bleu) violet (rose) modification : la concentration d un des constituants de l équilibre la température l énergie la pression la variation de moles ( n g ) Réponse : inverse de la modification (conc., énergie, n g )!!! Beaucoup de rigueur dans le vocabulaire!!! Règles => exceptions (les équilibres en phases hétérogènes)
3.2.4. La chimie organique partie I Approche en spirale En 3 e : distinction corps minéraux et corps organique En 4 e : Les alcanes (hydrocarbures saturés) - Formule générale - Ecriture (Formule moléculaire, FSD, FDP, ) - Nomenclature - Isomérie En 5 e : Approche systématique de la réactivité - réaction de combustion des alcanes - réaction d addition - réaction de polymérisation En 6 e : Suite de l approche systématique de la réactivité
3.3. En 6 e année, sciences générales 3.3.1. La chimie organique partie II a. Les réactions d estérification C est l occasion de réaliser un beau laboratoire sur les odeurs comme mise en situation Profil des réactifs Nomenclature des alcools et des acides Profil de la réaction Acide + alcool ester + eau Gestion d une réaction d estérification Facteurs cinétiques (T et catalyseur) Principe de Le Chatelier (excès d acide pouvant être neutralisé par du bicarbonate pour identifier l odeur) Utilisation des produits et gestion des déchets
b. La réaction de saponification La mise en situation au travers d un article sur la fabrication d un savon Profil des réactifs Nomenclature des huiles (triesters) n est pas simple. La composition est souvent exprimée à partir des acides gras correspondants Profil de la réaction Triester + soude sels d acides gras + glycérol Réaliser la fabrication d un savon méthode à chaud (long) méthode à froid (rapide) Par le professeur (danger) Gestion d une réaction de saponification Réaction en phase hétérogène Facteurs cinétiques (conc. de la soude et «surface de contact») Nature de la soude Utilisation des produits et (gestion des déchets) Les micelles, les détergents,
3.3.2. Les réactions de transfert Démarche méthodologique similaire réactions acide base définitions : acide et base couple : acide/base réactions redox oxydant et réducteur couple : ox/red acide 1 + base 2 base1 + acide 2 Ox 1 + Red 2 Red 1 + Ox 2 Transfert d un proton Force : Ka (Kb) Degré d avancement Kc = Ka1/Ka2 Transfert d électron(s) Pondération en milieu acide force : E potentiel de réduction Degré d avancement Ox F + Red F Ox f + Red f
réactions acide base réactions redox Applications : Échelle d acidité et ph Formules de ph (limites, ) Pouvoir tampon Courbes de ph titrage diagramme de bilan Les pluies acides Applications : Piles Titrages redox Electrolyse Accumulateur Métallurgie Corrosion Les réactions spectaculaires Travail de fin d année Un produit, une unité de production,
a. Les réactions acide base a.1. Pourquoi enseigner la théorie de Bronstëd? Pour 1. Evolution des modèles 2. Description des espèces en solution 3. Détermination du degré d avancement d une réaction 4. Utilisation des formules de ph 5. Exploitation des courbes de titrage ph Contre Le modèle d Arrhenius est 1. suffisant pour les titrages colorimétriques 2. utilisé dans la pondération des équations redox Le modèle de Bronstëd peut se révéler complexe à utiliser par les étudiants
a.2. Quelques conseils Bien expliquer l importance d un changement de modèle Il est indispensable de bien maîtriser les réactions de dissociation et d ionisation Kw = [H 3 O + ]. [OH - ] Relation pour toutes les solutions aqueuses Utilisation des tables de Ka Les formules de ph!!! Les séances de laboratoire a.3. Les difficultés rencontrées par les élèves La principale difficulté réside dans la longueur de ce chapitre. Chaque concept défini sera continuellement utilisé.
Définition d un acide (base) ǁ capacité Force d un acide (base) ǁ tendance Acide + H 2 O Base conjuguée + H 3 O + HNO 3 + H 2 O NO 3 + H 3 O + HNO 2 + H 2 O NO 2 + H 3 O + Ne pas toujours prendre l HCl comme exemple d acide fort C 2 H 5 OH + H 2 O Nivellement de la force des acides forts ou bases fortes par l eau Ka ~ 10 6 ~ 10 4 ~ 10 2 HCl + H 2 O NO 3 + H 3 O + H 2 SO 4 + H 2 O HSO 4 + H 3 O + HNO 3 + H 2 O NO 3 + H 3 O + Le seul acide fort présent dans ces différentes solutions est l ion H 3 O + avec une force (Ka) = 55.5
La justification de l acidité ou de la basicité d une solution Exemple n 1 Quelle sera le caractère acide, basique ou neutre d une solution d acide formique? Expliquer Réponse d élève : solution acide car on a ajouté un acide Exemple n 2 Quelle sera le caractère acide, basique ou neutre d une solution de bicarbonate de soude? Expliquer Réponse d élève : solution basique car??? La théorie des indicateurs colorés La coloration d un indicateur dans une solution n indique pas le caractère acide ou basique de cette solution mais nous renseigne sur un domaine d acidité Préconception des élèves remontant à la 3 ème
Les diagrammes de bilan dans les titrages phmétriques Le diagramme de bilan se construit à partir de l équation ionique de la neutralisation espèces réactionnelles (ayant une activité acide ou basique) Exemple de diagramme de bilan pour la réaction de neutralisation de l acide acétique par l hydroxyde de sodium (livre chimie 6 e Pirson)
b. Les réactions d oxydation et de réduction Différentes approches expérimentales possibles Conception d une pile Manipulations simples (Cu dans une solution de nitrate d argent) Réactions spectaculaires Electrolyse Conseils Objectifs : - Définir oxydant et réducteur - Définir une réaction redox Insister sur la pondération (ionique et/ou moléculaire) des équations redox Approfondir une application
3.3.3. La réaction de précipitation ( ) formation d'un composé peu soluble (ou insoluble) 1 e difficulté : la notion de solubilité (s) = concentration s = même symbole pour la solubilité exprimée en mol/l ou en g/l 2 e difficulté : traduire une réaction de précipitation en équation chimique (écriture ionique et moléculaire) Exemple Réaliser une approche expérimentale solution de nitrate d'argent + solution de chlorure de sodium précipité blanc Quelle est la nature de ce précipité? Pour déterminer le composé insoluble, il faut passer par l écriture ionique. Les élèves ne disposent pas encore des tables de Kps seulement du tableau de solubilité
Il faut rechercher les ions présents dans les solutions initiales Solutions AgNO 3 et NaCl Ions en solution Ag + Na + NO 3 Cl AgCl et NaNO 3 La réaction de précipitation est une réaction d échange (d ions) Insoluble (s) Soluble (aq) à partir de la table de solubilité L'écriture moléculaire ne pose pas de problème AgNO 3 (aq) + NaCl (aq) AgCl (s) + NaNO 3 (aq)
L'écriture ionique permet d'introduire la notion d'ions acteurs mais des confusions peuvent apparaître avec l'écriture de la dissociation partielle dans une solution saturée Ag + + NO 3 + Na + + Cl AgCl (s) + Na + + NO 3 Ag + + Cl AgCl (s) Cette réaction de précipitation aboutit à une solution hétérogène caractérisée par un équilibre dynamique AgCl (s) Ag + + Cl Cette matière se prête bien pour un laboratoire court (1 période) avec la possibilité d un prolongement sur la démarche scientifique
b. La réaction de précipitation et la notion de Kps (facultatif) b.1. Relation le produit de solubilité (Kps) et la solubilité (s) Soit Ag 2 S (s) 2 Ag + (aq) + S 2- (aq) Kps = [Ag + ] 2. [S 2- ] (1) Ag 2 S (s) Ag 2 S (aq) 2 Ag + (aq) + S 2- (aq) Soit 1 L s (mol) 2 s s N oubliez pas d indiquer le volume car la solubilité est une concentration (2) dans (1) D où [Ag + ] =2s mol/l [S 2- ] = s mol/l (2) Ne pas hésiter à utiliser cette écriture de l équation chimique, elle permet de mieux intégrer la notion de solubilité qui est une notion vue en 5 ème. Kps = (2s) 2. s Kps = 4 s 3
b.2. Notion de quotient réactionnel (Qps) Le quotient réactionnel a été introduit pour prédire d'un point de vue quantitatif la formation de précipité à partir des concentrations initiales en réactifs Soit le mélange : Solution de AgNO 3 V = L C = mol/l Solution de Na 2 S V = L C = mol/l mélange Dilution : calcul des conc. des ions acteurs C Ag+ = mol/l Qps = C Ag + 2. C S 2- C S 2- = mol/l Même expression que le Kps mais avec les concentrations initiales en ions acteurs Si Qps > Kps alors précipitation
Approche systématique de la réactivité en chimie organique Ces 3 thèmes proposent d envisager la transformation chimique sous quatre aspects complémentaires : le profil des réactifs qui propose l examen de quelques caractéristiques utiles des réactifs envisagés (propriétés, formules, symboles et mentions de danger, conseils de prudence ) ; le profil de réaction qui décrit le modèle de la réaction ; la gestion d une application concrète de ce type de réaction : prise en compte de différents facteurs pour mener à bien cette application ; l utilisation des produits et la gestion des déchets. Il s agit d amener l élève à envisager systématiquement chacun des 4 aspects lorsqu il est confronté à une réaction chimique. L approche systématique des 4 aspects est à réaliser 1x en 5 e sur un des 3 thèmes et 1x en 6 e sur un des deux thèmes
Informations diverses 1. Enseigner les bases de la chimie organique ne pose généralement pas de problèmes 2. C est une occasion de relancer des jeunes qui avaient des difficultés avec la «chimie». 3. Travailler avec des modèles (visualisation des différentes géométries autour du carbone, découverte de l isomérie, les propriétés de la liaison Π, le jeu MOLEKO, ). Proposer différents modèles permet de comprendre les limites de la modélisation. 4. Pour les matières plastiques (polymères), il existe de nombreux dossiers pédagogiques. Le dossier PODIUM (TB pour le cours de sciences de base) Le dossier pédagogique ELF «Mieux comprendre les matières plastiques» Une revue gratuite française "entrée en matières" Les dossiers de FEDICHEM La valise pédagogique polymère (exemples de polymères et expériences) Site : www.eklyps.org