LE COURANT ÉLECTRIQUE Comment expliquer à l aide du modèle atomique vu dans le chapitre précédent que certains matériaux soit conducteur de l électricité? 1) Le courant électrique dans une solution a) Les porteurs de charges dans les solutions Nous allons vérifier si dans une solution contenant des ions, il y a conduction du courant électrique. Expérience : Matériel : une cuve à électrolyse, un ampèremètre, une lampe, un générateur de tension variable. A électrode solution solution La lampe brille La lampe reste éteinte Eau Eau sucrée Eau salée Observations : Seule la lampe brille pour l eau salée. Interprétations : Parmi les 3 solutions, il n y a que l eau salée qui contient des ions. En effet l eau salée est une solution de chlorure de sodium dont les ions sont les ions chlorure Cl - et des ions sodium Na +.
Donc dans une solution conductrice, ce sont les ions qui conduisent le courant électrique. Les porteurs de charge dans une solution conductrice sont les ions. Une solution conductrice est une solution ionique. Une solution ionique est globalement neutre électriquement. b) Le déplacement des ions dans les solutions Matériel : un générateur, un tube à électrolyse. électrode mélange d une solution bleue de sulfate de cuivre, d une solution orangée de bichromate de potassium et de l acide sulfurique incolore Observations : Au bout de quelques minutes - Une teinte bleue apparaît du côté de l électrode reliée à la borne du générateur (appelée cathode). - Une teinte orangée apparaît du côté de l électrode reliée à la borne + du générateur (appelée anode).
Interprétations : Tout d abord les solutions de sulfate de cuivre et de bichromate de potassium contiennent des ions. De plus la coloration bleue de la solution de sulfate de sodium est due à ces ions Cu 2+ et la coloration orangée de la solution de bichromate de potassium est due à ces ions négatifs bichromates. Ainsi le déplacement des ions Cu 2+ vers la cathode permet d expliquer la coloration bleue, et le déplacement des ions bichromates vers l anode permet d expliquer l apparition d une couleur orangée. c) Le modèle du courant dans les solutions La circulation du courant dans une solution ionique est expliquée par un double déplacement de ces ions. Les ions positifs se déplacent vers la cathode (électrode reliée à la borne négative du générateur). Les ions négatifs se déplacent vers l anode (électrode reliée à la borne positive du générateur). 2) Le courant électrique dans un métal a) Les métaux sont ils conducteurs? Expérience : Pour cela insérons une spatule en métal dans un circuit tel que si la lampe brille la spatule est conductrice et si elle reste éteinte elle est isolante.
une spatule en métal On constate que la lampe s allume, la spatule en métal laisse passer le courant. Interprétation : Le courant électrique est provoqué par la circulation d électrons libres dans le métal. Ces électrons libres sont des électrons peu liés aux noyaux. Dans un isolant il n y a pas d électrons libres, il ne peut pas donc conduire le courant électrique. b) Le sens du mouvement des électrons + _ e - Sens de déplacement des électrons e - I Sens I du courant Le sens du mouvement des électrons est opposé au sens conventionnel du courant électrique (qui va de la borne + vers la borne -)
LA CORROSION Certains matériaux ne se détériorent pas à l air ou à l eau, d autres nécessitent une protection. Par exemple pour la conservation des boissons pourquoi utilise t on de l aluminium plutôt que du fer pur? On verra que l aluminium ne rouille dans l air ou l eau comme dans le cas du fer. 1) Les matériaux ferreux Les matériaux ferreux laissés aux intempéries rouillent. Pourquoi? a) Masse du fer rouillé Observations et interprétation: - La couche de rouille est friable et poreuse, elle ne protège pas le métal et progresse dans le métal ce qui le détruit : c est le phénomène de corrosion. - La masse du fer rouillé est supérieure à la masse du fer. Conclusion : La couche de rouille est poreuse, ne protège pas le fer et la corrosion se poursuit jusqu à la disparition du fer. Le fer ne peut pas être utilisé seul dans les emballages. On doit le recouvrir d une couche protectrice (vernis, peinture..) b) Facteurs de formation de la rouille Quels sont les facteurs qui sont à l origine de la formation de la rouille? Expérimentation
Les deux premiers tubes sont plongés et retournés dans des cristallisoirs remplis d eau alors que le troisième est plongé et retourné dans un cristallisoir rempli d huile. On a placé un tampon de laine de fer au fond des tubes 1 et 3. Observations Dans le tube 1, l eau est montée et le fer a rouillé. Dans les tubes 2 et 3, on n observe pas de modification. Interprétation : La montée de l eau dans le tube 1 traduit la disparition d une partie de l air. Si on plonge rapidement dans le tube une allumette enflammée, elle s éteint : le gaz dioxygène de l air présent initialement dans le tube a disparu ; il a du réagir avec le fer pendant le processus de rouille. Le maintien du niveau de l eau dans le tube 2 montre que le dioxygéne de l air présent initialement dans le tube ne s est pas dissout dans l eau. Dans le tube 3 le fer n a pas rouillé en l absence de vapeur d eau. Conclusion : La rouille est le produit de la réaction chimique lente entre le fer le dioxygène et la vapeur d eau de l air. Ainsi la formation de la rouille est importante dans des régions humides ou maritimes. L air et l eau interviennent dans la formation de la rouille.
2) Un autre métal : l aluminium a) Oxydation à chaud Lorsque l on chauffe un fil d aluminium à une température d environ 700 C, il se forme rapidement, autour du métal une couche étanche et transparente d alumine (oxyde d aluminium). La couche d alumine qui se forme est due à une réaction chimique entre l aluminium et le dioxygène de l air. Sa formule chimique est Al 2 O 3. La température de fusion de l aluminium est de 660 C. L alumine protège l aluminium de la corrosion. b) Oxydation à froid A froid, l aluminium s oxyde lentement et il ternit à l air. La couche d alumine qui se forme est due à une réaction chimique entre l aluminium et le O 2 de l air. Les objets en aluminium se recouvrent d une couche étanche, pratiquement incolore, de faible épaisseur, et adhère fortement au métal qui n est pas toxique pour l homme. Ainsi ils ne se détériorent pas à l air. Cette couche d alumine est imperméable à l air et protège le métal, il n est pas donc nécessaire de protéger les objets en aluminium. Conclusion : L aluminium exposée à l air se recouvre d une couche d alumine étanche et transparente qui protège le métal de la corrosion.
La combustion des métaux 1) Combustion des métaux dans l air A l état compact, la plupart des métaux ne brûlent pas dans l air. Toutefois à l état divisé(état de poudre) ils peuvent brûler dans la flamme d un bec bunsen. Les combustions d un métal dans le dioxygène est une réaction chimique vive au cours de laquelle les réactifs disparaissent(le O 2 et le métal) et un produit nouveau apparaît (un oxyde métallique). C est une réaction d oxydation car le O 2 est un réactif. 2) Les oxydes métalliques. A propos de la formule des oxydes métalliques L oxyde de zinc :.. L oxyde de fer :.. Petite exercice : déterminer le nombre et la nature d atomes contenue dans les formules 3) Les équations bilan Le bilan d une réaction d oxydation d un métal est : Métal + Dioxygène Oxyde métallique réactifs produit Ecrivons et équilibrons les équations bilan avec l oxyde de fer, l oxyde de zinc, l oxyde de cuivre et l oxyde d aluminium (sachant que les formules respectives sont Fe 2 O 3, ZnO, CuO et Al 2 O 3 )
Lors d une réaction d oxydation, la masse de l oxyde métallique formé est égale à la somme des masses métal et du O 2 disparus.
COMBUSTION DES MATERIAUX ORGANIQUES 1) Les déchets organiques Les matériaux d origine végétale ou animale (bois, papier) ainsi que les matières plastiques sont des matériaux organiques. Ils sont utilisés en particulier pour les emballages et ils constituent une part importante de nos poubelles. Leurs combustions sont elles sans danger? 3) Combustion des matières organiques La combustion des matériaux organiques est une réaction chimique avec un dégagement d énergie. Les réactifs sont la matière organique et le dioxygène. Les produits de la combustion sont l eau et le CO 2. Les constituants de la matière organique sont constitués : - Des atomes de carbone (C) - Des atomes d hydrogène (H) En effet si on regarde les produits on retrouve ses atomes. 4) Le danger des combustions Une combustion qui se produit avec un manque de dioxygène est une combustion incomplète. Lorsque la combustion est incomplète, il peut apparaître un gaz très toxique voire mortel, le monoxyde de carbone (CO). La combustion de certaines matières plastiques peut aussi dégager des gaz très toxiques, voire mortels : - Du chlorure d hydrogène pour le PVC
- Du cyanure d hydrogène pour le polyuréthane (La mousse de polyuréthane est utilisée comme isolant) - Du dioxyde de soufre pour le polyester
Attaque des matériaux par les solutions 1) Acidité et basicité d une solution a) Rappel Le ph est un nombre qui caractérise l acidité ou la basicité d une solution aqueuse. Il est mesuré à l aide d un ph-mètre ou estimé avec le papier ph. b) Mesures Solutions ph Caractère de la solution Acide chlorhydrique diluée Soude diluée Eau minérale Coca Conclusion Une solution est acide si son ph est inférieure à 7. Une solution est basique si son ph est supérieure à 7. Une solution est neutre si son ph est égal à 7. 2) Action de l acide chlorhydrique sur les métaux a) Action de l acide chlorhydrique sur le zinc et le fer Expérience : Soit 2 tubes à essais contenant respectivement du fer et du zinc. On verse du l acide chlorhydrique dans les 2 tubes. Observations : Un dégagement gazeux se produit dans les 2 tubes.
Conclusion : l acide chlorhydrique réagit à froid avec le zinc ou le fer. En effet les boites de conserve ne sont pas en fer pur car les aliments peuvent être acide. Elles sont recouvertes d une couche de vernis. 3) Caractéristique des réactions chimiques précédentes a) Caractérisons le gaz formé A l aide d une allumette enflammée, vérifions si il y a une détonation sous chacun des 2 tubes. Normalement on doit constater pour chacun des tubes à essais, une détonation. Le gaz qui se dégage est donc le dihydrogène. b) Caractérisons les produits de la réaction 1 test : Ajoutons de la soude aux 2 tubes précédents. 2 test : Ajoutons du nitrate d argent aux 2 tubes précédents. Observations : Conclusion : - Le test à la soude met en évidence la présence d ions zinc dans le tube 1 et ions Fe II dans le tube 2. - Le test au nitrate d argent met en évidence la présence d ions chlorure dans les 2 tubes. 4) Bilan des réactions Pour la réaction de l acide chlorhydrique sur le zinc : l acide chlorhydrique + Zn chlorure de zinc +H 2
Pour la réaction de l acide chlorhydrique sur le fer : l acide chlorhydrique + Fe Chlorure de fer II + H 2 5) Action de la soude sur les métaux Expérience : Versons de la soude sur de l aluminium et du fer. Conclusion : - La soude ne réagit pas avec le fer - La soude réagit avec l aluminium avec un dégagement de H 2 Remarques Pour les acides : Les matières plastiques et le verre ne réagissent pas avec les acides. Pour les bases : Mêmes remarques, par contre la soude permet de déboucher les éviers.
Réaction de l acide chlorhydrique avec le zinc et le fer 1) L acide chlorhydrique C est une solution acide dont l acidité est liée à la présence d ions H +. Notre objectif dans ce sous chapitre est de déterminer la composition de la solution d acide chlorhydrique. Question 1: Cette solution contient-elle des ions chlorures? On va utiliser le test au nitrate d argent qui est un test de reconnaissance des ions chlorures. Expérience : Pour cela versons du nitrate d argent dans de l acide chlorhydrique. Observation Formation d un précipité blanc de chlorure d argent Conclusion Le test prouve la présence d ions Cl - dans la solution Pourquoi cette solution est elle acide? Pour le montrer mesurons le ph de cette solution : ph =.. Il est inférieur à 7 donc cette solution est bien acide. La solution d acide chlorhydrique contient : - Des molécules d eau (c est une solution aqueuse) - Des ions H + (caractéristique d une solution acide) - Des ions chlorures Cl - (test au nitrate d argent).
Sa formule est (H + + Cl - ). On rappelle que cette solution est électriquement neutre car elle contient autant d ions H + que d ions Cl - 2) Son action sur le zinc Dans le chapitre précédent, son équation bilan est : l acide chlorhydrique + Zn chlorure de zinc + dihydrogéne Cette réaction traduit les observations faites précédemment : - La disparition du zinc et de l acide chlorhydrique ; - La formation de gaz dihydrogène et de chorure de zinc en solution Avec les formules : 2 (H + + Cl - ) + Zn (Zn 2+ + 2 Cl - ) +H 2 Question : Cependant on peut se demander si tous ses ions ont réagi? - D après la réaction la quantité de Cl - reste la même donc les ions Cl - ne réagissent pas. - Pour les ions H +, réalisons une expérience : Mesurons le ph après la réaction à l aide du papier ph(le ph avant la réaction a été mesuré dans le1) ). Observation : Le ph a varié Conclusion :
Sachant que l acidité est liée à la présence de H +, la variation de ph entraîne que les ions H + ont réagi. En résumé l équation bilan s écrit : 2 H + + Zn Zn 2+ + H 2 3) Son action sur le fer De la même façon on peut écrire une équation bilan avec les formules : Fe + 2 (H + + Cl - ) (Fe 2+ + 2 Cl - ) + H 2 On peut aussi écrire sachant que les ions H + ne réagissent pas (pour cela on réalise le même test expérimental que précédemment). Fe + 2 H + Fe 2+ + H 2 Cette équation traduit : - La disparition d atomes de fer et d ions d hydrogène ; - La formation d ions Fer II et de molécules de dihydrogène
Activité LES DECHETS 1) La collecte des déchets Les emballages entrent pour une grande proportion dans les déchets ménagers ou industriels. Les déchets ménagers peuvent être : - jetés dans une poubelle ménagère - jetés dans des poubelles sélectives - déposés dans un conteneur Pour le 1 cas les déchets peuvent être mis en décharge ou incinérés. Seule le 2 et 3 cas permettent le recyclage des déchets. Pour cela ils subissent un tri sélectif c'est-à-dire qu on sépare les déchets suivant différentes catégories : le verre, les papiers et cartons, les plastiques, les métaux. 2) La valorisation des déchets a) Valorisation énergétique par l incinération Dans une usine de traitement de déchets - les métaux sont triés par des procédés magnétiques - Le reste est brûlé dans les incinérateurs Cela permet de récupérer de la chaleur pour le chauffage d habitations de serres ou pour produire de l électricité. Une tonne d ordures ménagères fournit autant d énergie que 150 L de fuel. b) Valorisation des matériaux par le recyclage Les matériaux récupérés dans les conteneurs du tri sélectif servent à fabriquer de nouveaux objets. Le verre :
Il est récupéré et broyé et est réutilisé dans la fabrication de bouteilles Les métaux : Ils sont fondus, par exemple l aluminium sert à fabriquer des canettes. Les papiers et les cartons : Ils peuvent produire à nouveau du papier ou des emballages. Les matières plastiques : Ils sont lavées et broyées et sont réduites en poudre. Ils peuvent servir à faire de bidons, des gaines de protection des câbles électriques. Les briques alimentaires : Elles peuvent être broyées, chauffées, comprimées pour obtenir un nouveau matériau, le tectan employé dans la fabrication de meubles.