Sciences et technologie Relations Lycées - Institut Galilée Les cours pour élèves de terminale INSTITUT GALILEE, 99 avenue Jean-Baptiste-Clément 93430 VILLETANEUSE 007/008
Présentation Générale Physique Proposé par Laurent Longchambon Nous proposons de présenter une version condensée dans le temps d un enseignement de Physique consacré à la gravitation. Cette partie s inclut dans un cours plus vaste du premier semestre de L1 intitulé Interaction-Energie qui décrit les propriétés les plus marquantes des 4 interactions fondamentales, ainsi que leurs applications dans la technologie contemporaine. Cette session d une durée totale de 3 heures, sera découpée comme suit : - un cours magistral en amphithéâtre de 1 heure. - une séance de TD de 45 minutes. - une séance de TP de simulation numérique de 45 minutes. Les séances de TP et TD se feront nécessairement en demi-groupe, les salles de TP ne pouvant accueillir que 0 personnes maximum. Le cours sera consacré au rappel des propriétés de l orbite circulaire d un satellite, qui introduiront l énoncé des trois lois de Képler. Nous ferons également une introduction au phénomène des marées. La séance de TD sera une application directe des résultats du cours, avec des raisonnements basés sur des lois d échelle plutôt que sur des calculs directs. La séance de TP sera une simulation numérique de mouvements de corps célestes et de satellites nommée Orbit Xplorer. A la fin de cette séance un questionnaire portant sur les notions abordées sera rempli et remis aux enseignants. Chimie Proposé par Valérie Boucard et Frédéric Schoenstein Nous proposons de présenter nos méthodes d enseignement de la chimie à l institut Galilée sur le schéma de ce qui est actuellement mis en place au premier semestre de la licence, soit un cours magistral d 1h suivi par un TP (h) ou un TD (1h30). Le cours magistral fera l objet de la description du tableau périodique des éléments chimiques, d une part en abordant la structure électronique des atomes et des molécules et les notions de géométrie et d isomérie des molécules, et d autre part en donnant des exemples de périodicité des propriétés chimiques des éléments. Le TP sera consacré à la réactivité comparé de quelques corps purs simples compte tenu de la position de leur élément constitutif dans la classification périodique (métaux alcalins, halogènes), tandis que le TD permettra d approfondir les notions de représentation de Lewis et de géométrie des molécules, ainsi que celles d isomérie structurale. La dernière partie du TD est réservée à un test d autoévaluation d une dizaine de minutes afin de vérifier l acquisition des notions vues précédemment. - -
Le cours de physique 1h Le cours va s articuler autour de trois parties : 1. Rappels sur l orbite circulaire d un satellite a) Accélération normale et tangentielle - Rappels sur l accélération - Exemples : mouvement rectiligne, mouvement circulaire b) Application du principe fondamental de la dynamique - Identification des expressions : intro à la notion de masse pesante et masse inertielle - Calcul de la vitesse orbitale - Le satellite géostationnaire c) Présentation des résultats sous la forme des lois de Képler. Les lois de Képler a) La première loi Exemples sur le système solaire, les satellites Construction d une ellipse b) La deuxième loi La fronde gravitationnelle c) La troisième loi Les lois d échelle 3. Introduction aux phénomènes des marées a) Les marées terrestres b) Les marées dans le système solaire - 3 -
Le TP de physique Simulation numérique Il utilise le logiciel Orbit Xplorer sous Windows qui permet de simuler les trajectoires de corps célestes soumis à l interaction gravitationnelle. On étudiera pendant la séance l illustration des deux premières lois de Képler, ainsi que les trajectoires des planètes dans le système solaire. On laissera ensuite aux élèves la possibilité d explorer les différents programmes proposés. La séance se terminera par un questionnaire de vérification des notions abordées qui sera remis aux professeurs. - 4 -
Le cours de chimie 1h PROPRIETES PERIODIQUES DES ELEMENTS CHIMIQUES TABLEAU DE MENDELEÏEV Chapitre 1 : Structures électroniques des atomes et des molécules Les éléments chimiques sont classés par numéros atomiques croissants Valence des éléments Notion de couche électronique externe Cas de la ligne (règle de l octet) Cas des lignes 3 et supérieures (expansion de la règle de l octet) : valence maximale = nombre total d électrons sur la couche externe Par colonne (famille d éléments) = même structure électronique externe Formules de Lewis Des atomes Des molécules (uniquement des liaisons simples) Géométrie des molécules Notion de liaison covalente : mise en commun de deux électrons Les liaisons covalentes se placent dans l espace de telle sorte à minimiser les interactions Exemples des molécules de types AX (linéaires), AX 3 (triangulaires) et AX 4 (tétraédriques) convention de représentation dans l espace (devant, derrière, dans le plan) Cas de la présence de doublets non-liants (ou doublets libres) ils prennent la place d une liaison covalente exemple de la molécule d eau Molécules isomères Même formule brute mais structure différente exemple C 3H 7Cl Chapitre : Périodicité des propriétés chimiques Métaux / non-métaux / métalloïdes Les alcalins Propriétés réductrices des alcalins Les halogènes Propriétés oxydantes des dihalogènes et de leurs solutions aqueuses. Propriétés de précipitation des ions halogénures. - 5 -
Le TD de chimie 1h30 STRUCTURE ET GEOMETRIE DES MOLECULES Exercice 1 : Les molécules simples 1- À l aide des représentations de Lewis, indiquez la ou les valences possibles pour les éléments suivants : 1H 5B 6C 7N 8O 14P 17Cl - Donnez les représentations de Lewis des molécules suivantes : H BCl 3 CH 4 NH 3 H O PCl 3 PCl 5 3- À l aide des modèles moléculaires, construisez les molécules suivantes en sachant que l hydrogène est en blanc, le carbone en noir, l azote en bleu et l oxygène en rouge : H CH 4 NH 3 H O 4- Dessinez les molécules obtenues précédemment dans l espace. Vous utiliserez la convention géométrique vue en cours. Exercice : Les molécules isomères Donnez toutes les représentations de Lewis possibles de la molécule de formule brute suivante : C H 6O Ce que vous avez travaillé dans ce TD : - relations tableau périodique / formules de Lewis des éléments - formules de Lewis des molécules (liaisons simples uniquement) - notion d isomérie : relations formule brute / structure des molécules - structure des molécules / géométrie des molécules Exercice 3 : Test d autoévaluation (10 minutes) - 6 -
Le TP de chimie TRAVAUX PRATIQUES de CHIMIE Périodicité des Propriétés Chimiques A. Introduction Lavoisier, puis Dalton avaient ouvert l exploration systématique des composés purs et de leurs propriétés, permettant de définir une échelle des masses atomiques relatives des éléments. Un chimiste russe, D. Mendeleïv, eut l idée de disposer les éléments par masse atomique croissante : il remarqua une périodicité dans leurs propriétés chimiques, ce qui l amena pour respecter cette périodicité à laisser des cases vides dans la classification. En 1869, il publia son tableau périodique des éléments sans rien connaître de la structure électronique des atomes. Sans reprendre tout le cheminement effectué par ce chercheur, nous allons mettre en évidence quelques propriétés chimiques communes au sein d une même famille (les halogènes notamment). Puis, nous nous intéresserons à l évolution de certaines propriétés au sein de la classification périodique. Tout au long de ce TP cours, nous serons amenés à manipuler certains produits chimiques dangereux, ce qui nous donnera l occasion de rappeler et de respecter certaines règles de sécurités. B. Présentation du Logiciel «Mendeleïev» Le logiciel «Mendeleïev» est une base de données de Chimie fondée sur la classification périodique des éléments. L un des principaux atouts de ce logiciel est son puissant outil de recherche de données sur un élément (température de fusion, électronégativité, énergie d ionisation, isotopes, date et auteur de la découverte ). - 7 -
Des icônes permettent de visualiser des séquences vidéo reproduisant des expériences, des photos de l élément, des minéraux et des modèles moléculaires en 3D des principaux composés d un élément. Affichage du tableau périodique Recherche de données Affichage de données Tracé de graphe Index Etat physique des éléments à une température donnée Année de découverte de l élément Aperçu des propriétés chimiques Fiche signalétique de l élément Historique, sources, application de l élément Photo de l élément et de quelques minéraux Vidéo d expériences sonorisées sur l élément Structure cristalline ou moléculaire en 3D Retour au tableau périodique C. Propriétés réductrices des alcalins et des alcalino-terreux C. 1. Réaction des alcalins sur l eau Les éléments de la première colonne manifestent un fort caractère réducteur (tendance à céder un électron). - 8 -
Le sodium (comme les autres métaux alcalins) est conservé dans de l huile de paraffine. Sortir avec des pinces un morceau de sodium et en découper un petit bout (le métal est mou). Cette opération sera réalisée uniquement par l enseignant ou le technicien présent dans la salle. Le sécher avec du papier filtre pour ôter de l huile. Ne pas toucher à la main (le métal est très réducteur) mais avec des pinces (mettre des gants). Projeter le petit morceau de sodium dans un cristallisoir à demi rempli d eau et dans lequel on a préalablement ajouté quelques gouttes de phénolphtaléine. Observer ce qui se passe. Ecrire l équation bilan de la réaction. Observation du phénomène : Le morceau de sodium se déplace alors vivement à la surface de l eau (phénomène de caléfaction) et s enflamme en donnant une flamme jaune (dégagement de dihydrogène). Une traînée rose apparaît (caractéristique d un milieu basique) au passage du morceau de sodium. La réaction qui a lieu engage donc le sodium et l eau. Lors de cette réaction, le sodium réduit l eau en dihydrogène selon l équation : Équation bilan de la réaction : Na H O Na HO ( s) ( l) 1 H ( g ) L apparition d un milieu basique est indiquée par la phénolphtaléine. Réaliser la même expérience en recouvrant l eau d une couche d huile avant de projeter le petit morceau de sodium dans le cristallisoir. Observer ce qui se passe. Expliquer. Observation du phénomène : Le morceau de sodium se positionne à l interface entre les deux liquides et s enflamme, ce qui témoigne de l action de l eau et non du dioxygène de l air. C.. Réaction des autres alcalins sur l eau Dans le tableau périodique (logiciel Mendeleïev), sélectionner les métaux alcalins, visionner la vidéo d expérience de réaction avec l eau. Effectuer cette opération pour tous les éléments de la famille (colonne). - 9 -
Visionner la vidéo d expérience couleurs observées. de la flamme pour les métaux alcalins. Noter les Répondre aux questions suivantes : 1. Commenter l évolution de la réaction des métaux alcalins avec l eau en fonction de Z.. Ecrire les équations de ces réactions. Quels sont les produits formés lors de ces réactions? De quel type de réactions s agit-il? A quoi est due l explosion lors de ces réactions? 3. La couleur de la flamme est caractéristique du métal et permet de l identifier. Dans quel sens évolue la longueur du rayonnement quand Z augmente? 4. Pour le sodium, la couleur est due à l émission d un atome excité lors de son retour vers l état fondamental (transition 3p 3s). Quelle est alors la transition électronique pour le potassium? Le lithium? Réponses : 1. Quand Z augmente, l énergie dégagée par la réaction augmente. 1. K ( s) H O( l) K HO( aq) H ( g ). Formation de Na, K, Rb et de dihydrogène. Réaction exothermique. Explosion due à la présence de dihydrogène. 3. Li : flamme écarlate, Na : jaune orangé, K : Lilas, Cs : bleu clair. Quand Z augmente, la valeur de la longueur d onde diminue - de 700 nm (écarlate) à 400 nm (Lilas). 4. Lithium : p s et potassium : 4p 4s. D. Propriétés oxydantes des dihalogènes, comportement des halogénures Au sein de la classification périodique, les halogènes sont rencontrés en fin de ligne tandis que les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux se situent en début de ligne. Les dihalogènes manifestent des propriétés oxydantes (tendance à capter des électrons). - 10 -
D. 1. Solution aqueuse de diode Les dihalogènes manifestent leurs propriétés oxydantes en solution aqueuse. Le diiode (solide violet) se solubilise et conduit à une solution brune. Cette première expérience vise à montrer le caractère oxydant d une solution brune de diiode. Verser dans un bécher une petite quantité de la solution de brune de diiode. Ajouter la solution contenant les ions thiosulfate S l équation bilan de la réaction. O 3. Décrire ce que vous observez. Ecrire Observation du phénomène : La coloration brune disparaît. Le diiode a oxydé les ions thiosulfate ( S ) selon la réaction : Équation bilan de la réaction : 4 O 6 I S O S 3 4 6 I O Cette réaction est à la base des titrages de solutions de diiode. Après avoir rincé la S O = mol, remplir la burette avec cette même burette avec la solution de thiosulfate, [ ] 1 3 solution. Verser dans un bécher 0 ml de solution de diiode de concentration inconnue. A l aide de la burette verser ml par ml le thiosulfate dans la solution de diiode. Déterminer à 1 ml près le volume de thiosulfate à l équivalence. Réitérer l opération en versant le thiosulfate dixième de ml par dixième de ml et cela ml avant le volume à l équivalence. Déterminer le volume de thiosulfate à 0,1 ml près à l équivalence. Déterminer la concentration de la solution de diode. Résultats : 1 On à : [ ] S = mol, V O3 0, 1 ( S O3 ) éq. = ( I ). = ml V in 10 18 ml avec [ ] ( ) ( ) [ ] [ ] [ SO3 ] V ( SO3 ) SO3 V SO3 = V I I I = = 0, mol V -1 ( I ) - 11 -
D.. Propriété des ions halogénures Les ions halogénures possèdent des propriétés comparables, une expérience simple le montre rapidement. D.. a. Les ions chlorure (Cl - ). Disposer 1 ml d une solution de chlorure de potassium dans un tube à essai puis rajouter gouttes d une solution de nitrate d argent (AgNO 3). Décrivez le phénomène observé. Ecrire l équation bilan de la réaction. Réitérer l opération en remplaçant le nitrate d argent par Pb. Décrivez le phénomène observé. Ecrire l équation bilan de la réaction. Comparer les deux réactions. Observation du phénomène : Une solution contenant des ions Ag (aq) (respectivement Pb ) est versée dans une solution contenant des ions Cl - (aq). Dans les deux cas un solide apparaît : il s agit d un précipité (solide) blanc de chlorure d argent AgCl(s) ou de chlorure de plomb PbCl (s). Dans le second cas la réaction est moins prononcée. Équation bilan de la réaction : Ag Pb Cl Cl AgCl PbCl ( s) ( s) D.. b. Les ions bromure (Br - ). Disposer 1 ml d une solution de bromure de potassium dans un tube à essai puis rajouter gouttes d une solution de nitrate d argent (AgNO 3). Décrivez le phénomène observé. Ecrire l équation bilan de la réaction. Réitérer l opération en remplaçant le nitrate d argent par Pb. Décrivez le phénomène observé. Ecrire l équation bilan de la réaction. Comparer les deux réactions. Observation du phénomène : Une solution contenant des ions Ag (aq) (respectivement Pb ) est versée dans une solution contenant des ions Br - (aq). Dans les deux cas un solide apparaît : il s agit d un précipité (solide) blanc de bromure d argent AgBr(s) ou de bromure de plomb PbBr (s). Dans le second cas la réaction est moins prononcée. Équation bilan de la réaction : Ag Pb Br Br AgBrl PbBr ( s) ( s) - 1 -
D.. c. Les ions iodures (I - ). Disposer 1 ml d une solution d iodure de potassium dans un tube à essai puis rajouter gouttes d une solution de nitrate d argent (AgNO 3). Décrivez le phénomène observé. Ecrire l équation bilan de la réaction. Réitérer l opération en remplaçant le nitrate d argent par Pb. Décrivez le phénomène observé. Ecrire l équation bilan de la réaction. Comparer les deux réactions. Observation du phénomène : Une solution contenant des ions Ag (aq) (respectivement Pb ) est versée dans une solution contenant des ions I - (aq). Dans les deux cas un solide apparaît : il s agit d un précipité (solide) jaune d iodure d argent AgI(s) ou d iodure de plomb PbI (s). Dans le second cas la réaction est moins prononcée. Équation bilan de la réaction : Ag Pb I I AgI PbI ( s) ( s) D.. d. Détermination de la nature d une solution. Vous disposez de trois solutions notées A, B et C. A l aide de la solution de nitrate d argent (AgNO 3), déterminer laquelle de ces trois solutions est : de l eau déminéralisée, de l eau du robinet et une solution de chlorure de sodium. Justifier votre réponse. Réponses : Eau déminéralisée : Eau du robinet : Solution de chlorure de sodium : Plus la concentration en ion Cl - augmente, plus la quantité de solide blanc formé est importante et plus le précipité est intense. - 13 -
E. Conclusion On retiendra les informations suivantes : 1. Les éléments les plus à gauche du tableau périodique sont des métaux vrais : ils ont tendance à perdre les électrons de leurs sous-couches les plus externes s ou p, ce sont des réducteurs et leurs oxydes sont basiques, c'est-à-dire qu ils donnent des cations (ou des sels) par réaction avec les acides ou les oxydes acides.. Les éléments les plus à droite sont des non-métaux : ils ont tendance à compléter à 8 leurs sous couche p incomplète, ce sont des oxydants, leurs oxydes sont acides, c'est-à-dire qu ils donnent des anions (ou des sels) avec les bases ou les oxydes basiques. 3. Au milieu de cette 3 ème période, l aluminium donne un oxyde indifférent (ou amphotère) c'est-à-dire qu il donne des cations avec les acides et des anions avec les bases. Illustration avec l expérience suivante : Dans un tube à essai contenant de l acide chlorhydrique concentré, ajouter de l alumine (équation bilan de la réaction?), filtrer, ajouter progressivement de la soude concentrée et observer ce qui se passe (équation bilan de la réaction?). - 14 -