ENSEIGNER
dimanche 19 novembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: 2nde- Element chimique, atome
  -  _ (Anciens programmes)  -  Chimie

Activité 2: 2ème expérience : transformation chimique n°1

 

1. Transformation chimique n°2

Mettre le l’eau du robinet dans un erlenmeyer et introduire un petit morceau de calcium (schéma ci-contre). Boucher l’erlenmeyer et noter ce qui est observé entre l’état G et l’état H.

2. Identification de ce qui a été formé

a. Quand la transformation est terminée, déboucher l’erlenmeyer et approcher aussitôt une allumette enflammée de l’embouchure. Noter ce qui est observé. Qu’est-ce qui a été mise en évidence ?
b. Dans un tube à essais, introduire 2 mL du contenu de l’erlenmeyer dans l’état H. Ajouter quelques gouttes de phénolphtaléine à ce prélèvement et noter ce qui est observé. Qu’est-ce qui a été ici caractérisée (en relation avec la propriété donnée au début du TP) ?

3. Les questions suivantes ont pour but d’aider à remplir le tableau 2, qui mentionne les noms des entités chimiques et des éléments chimiques impliqués dans la transformation entre les états G et H.
a. Remplir la case correspondant à la ligne « Nom et formule » dans l’état G.
b. Remplir la case « élément chimique » dans l’état G. On vérifiera que les éléments chimiques mentionnés figurent effectivement dans la classification périodique.
c. En utilisant une loi vue dans le cours, remplir la case « éléments chimiques présents » dans l’état H.
d. A l’aide des tests d’identification de l’expérience 2, remplir la case correspondant à la ligne « Nom et formule » dans l’état H.
e. Cette case contient-elle la totalité des éléments chimiques présents après la transformation ? Que peut-on en déduire au sujet de l’élément chimique manquant ?
4. Bilan de la transformation chimique entre les états G et H
a. Les ions présents en solution dans l’état H, identifiés grâce à la phénolphtaléine sont-ils des anions ou des cations ?
b. Pourquoi peut-on affirmer que des cations sont également présents dans l’état H ?
c. Sachant que ces cations sont uniquement constitués de l’élément chimique manquant (voir question 3.e), et connaissant la position de cet élément dans la classification périodique, écrire la formule de ces cations. Préciser les lois (ou règles) utilisées dans le raisonnement.
d. Décrire par une phrase le bilan de la transformation chimique qui a eu lieu dans l’erlenmeyer.
Tableau 2:

 

Dans l'état G

Dans l'état H


Nom et formule des espèces chimiques ou des ions

 


Eléments chimiques présents (nom et symbole)





But: 2ème expérience : transformation chimique n°1

Cette partie vise à faire pratiquer une démarche scientifique à l’élève basée sur

les résultats de la partie 1.

l’utilisation de la règle de l’électroneutralité.

l’utilisation de la loi de la conservation des éléments chimiques au cours d’une réaction chimique.

A l’issue de cette partie, les élèves doivent pouvoir déduire d’informations, les réactifs ou les produits qui interviennent dans une réaction.

De plus, les élèves sont amenés à réinvestir des tests vus en début d’année (voir TP « Test »), notamment celui du dihydrogène.

Comportement des élèves: 2ème expérience : transformation chimique n°1

Dans une version antérieure de ce TP, nous faisions mettre un petit morceau de calcium dans un fond de tube à essais, puis les élèves filtraient le lait de chaux obtenu et récupéraient un filtrat limpide sur lequel le test à la PP était exploitable. Ce protocole pose alors le problème du fait que des produits se retrouve dans le filtre. Il est alors plus difficile de faire comprendre et utiliser à l’élève la conservation des éléments chimiques alors qu’on ampute le système chimique d’une partie de ses entités…

Nous avons donc opté pour l’utilisation d’une grande quantité d’eau. L’hydroxyde de calcium est ainsi formé en faible quantité et la solution reste limpide. Les élèves peuvent alors faire le test à la PP sur le système chimique complet, et le raisonnement est facilité.

1. Le gaz caractérisé par l’allumette enflammée est le dihydrogène (H2). L’élève sait ou ne sait pas ; s’il ne sait pas, il faut lui dire. Cela n’empêche pas qu’on trouvera plus tard des élèves ayant fait ce TP et qui diront que l’on caractérise l’ion H+ avec une allumette. Cela fait partie du difficile apprentissage de la chimie et ne doit pas désespérer le professeur consciencieux. En effet, la distinction entre H+ et H2 ne se comprend bien qu’une fois l’oxydoréduction étudiée, qui n’est pas un concept de cette classe.

NOM

REPONSE

Charlyne/Marie

En présence d’eau, le morceau de calcium métallique se dissout provoquant un précipité blanc et des bulles en surface. On constate que l’allumette s’éteint à la suite d’une détonation. [« dissout » est une interprétation, pas une observation]

Alexandre/Florian

On observe des bulles blanches. La calcium métallique fait effervescence, « se dissous » et se transforme en ions [interprétation]. Quand on approche l’allumette, on entend une légère détonation aigue (due à l’hydrogène)

Mathieu/Mathieu

On remarque que la solution devient un peu blanche et que des bulles se forment. Lorsqu’on approche une allumette du tube à essai, on entend une petite détonation.

Adrien/Pierre

Lorsque l’on place du calcium métallique dans de l’eau, les parties de calcium remontent à la surface. Parfois de la fumée se libère de la solution. L’eau se trouble. Lorsque l’on approche une bûchette enflammée de la solution, une petite détonation survient et de la fumée apparaît. [beaucoup de détails, parfois éloignés de ce que veut le prof ; c’est normal, l’élève ne sait pas ce qui est intéressant pour le chimiste à priori]

Sofiane/Anthony

Quand on met du calcium métallique dans de l’eau, il se passe une réaction chimique [Il s’agit d’une interprétation, pas d’une observation]

2.a et b Les ions hydroxyde sont chargés négativement, ce sont des anions. Cette information est essentielle pour la suite du raisonnement. Les élèves réinvestissent bien le travail sur la nomenclature des ions effectué en début d’année, mais le rôle de la PP n’est pas encore bien compris pour tout le monde. C’est une difficulté liée au fait qu’un test effectué sur les produits d’une réaction chimique est lui-même souvent une réaction chimique. L’élève est donc confronté à deux réactions chimiques avec à chaque fois des réactifs et des produits ; la confusion n’est donc pas si surprenante.

NOM

REPONSE

Charlyne/Marie

De l’hydroxyde s’est formé. C’est un anion puisqu’il se finit par « yde ». [argument basé sur la nomenclature]

Laure/Elise

Le phénolphtaleine est le seul élément en commun avec l’eau dans les deux expériences donc c’est lui qui provoque la couleur. C’est un anion car HO– est négatif, car il caractérise la phénolphtaleine. [partie 1 mal comprise]

Alexandre/Florian

Test à la phénolphtaleine positif (solution rougit). Présence d’ions HO– (ions hydroxyde) anion car q = –e (1 charge négative) [argument basé sur une propriété des ions et sa formule]

Anthony

Le test à la PP nous indique qu’il y a encore des atomes d’hydrogène, car c’est l’anion HO– qui est caractérisé. [réponse incomplète]

Jacky

Avec la PP, on retrouve la même couleur que pour l’expérience 1, donc la solution possède des HO–. L’ion caractérisé est négatif, c’est un anion.

c. Les élèves ont encore beaucoup de difficultés à différencier les concepts d’EC , d’ions, d’atome et d’élément chimique. Certains élèves sont troublés par le fait qu’il n’y a qu’une case pour les éléments chimiques. Ils réclament une case « avant » et une « après » transformation. Ces élèves n’ont encore pas compris ce qu’est un système chimique, ni la conservation des éléments chimiques.

NOM

REPONSE

Laure/Elise

L’ion est l’hydroxyde et l’EC est le dihydrogène. Les éléments chimiques présents dans cette EC et cet ion sont HO et H2. Ce qui manque dans le tableau est le calcium. [confusion élément – EC, mais raisonnement correct]

Alexandre/Florian

EC : hydrogène, ion : hydroxyde. Eléments chimiques présents : H, O. Il manque dans le tableau l’élément Ca (durant une transformation chimique, tous les éléments chimiques sont conservés) [bonne réponse]

Jacky

On a caractérisé l’EC dihydrogène (H2) et l’ion hydroxyde (HO). Dans le H2, il y a des atomes d’hydrogène (H). Dans l’ions HO, il y a des éléments hydrogène et oxygène. D’après la loi des éléments chimiques, tous les éléments présents avant se trouvent après la transformation. Il manque l’élément Ca. [confusion atome – élément, mais raisonnement correct]

Kezban/Marion

L’ion caractérisé est l’hydroxyde qui est composé d’un atome d’hydrogène + un atome d’oxygène et qui a gagné un électron. L’EC caractérisée est le dihydrogène quiest composé de 2 atomes d’hydrogène. La loi des éléments chimiques dit que tous les éléments chimiques présents avant la transformation sont nécessairement présents après. Donc d’après les formules H2O + Ca et HO + H2, le Ca s’est transformé et donc n’apparaît plus. [utilisation des formules avec une écriture proche d’une équation, ce qui n’est pas demandé]

Zoé/Florian

L’EC qui vient d’être caractérisé est l’hydrogène. Les éléments chimiques présents dans l’hydrogène est l’hydrogène et dans l’hydroxyde est l’hydroxyde.

Marie/Letizia

On a identifié de l’hydrogène et l’ion HO. Dans l’hydrogène il y a présence d’élément chimique hydrogène et dans l’ion il y a les éléments chimiques hydrogène et oxygène. Il manque une case pour écrire les éléments chimiques présents après la transformation chimique. [un exemple du fait que la conservation des éléments chimiques n’est pas encore comprise]

d. Les élèves maîtrisent lutôt bien la neutralité électrique :

NOM

REPONSE

Alexandre/Florian

Une solution est électriquement neutre donc si il y a des anions, il y a des cations (et ils sont en nombre équivalent).

Mathieu/Mathieu

On peut affirmer qu’il y a un cation car la matière doit être électriquement neutre et qu’il y a déjà un anion (OH).

Anthony

Il doit y avoir des cations car la solution est homogène donc il doit y avoir autant d’anions que de cations donc ils doivent coexister. [cet élève n’utilise pas la neutralité électrique, mais le fait que puisque la solution est homogène, c’est qu’elle contient des anions et des cations, comme le modèle vu en début d’année le dit]

Kezban/Marion

Pour former une EC, elle doit être équilibrée et posséder autant d’anion que de cation. La présence de l’anion hydroxyde annonce la présence d’un cation.

Zoé/Florian

Car c’est électriquement neutre. Il y a donc des cations et anions.

 e. Dans l’ensemble, les élèves de cette classe utilisent la structure électronique pour répondre à la question. Suivant ce sur quoi l’enseignant a insisté, les élèves peuvent utiliser la règle « deuxième colonne – deux électrons perdus ».

NOM

REPONSE

Laure/Elise

Ca+, car c’est le seul a ne pas avoir été utilisé et qu’il est positif pour un mélange neutre [pas d’utilisation de la position de l’élément chimique dans le tableau]

Mathieu/Mathieu

Le numéro atomique du calcium est 20, pour que l’ion soit stable, il doit avoir sa dernière couche saturée, l’ion est donc Ca2+, car il a 18 électrons : (K)2(L)8(M)8.

Jacky

Le Ca a un numéro atomique 20 donc (K)2(L)8(M)8 +2 donc ionCa2+

Kezban/Marion

L’EC manquante est le calcium qui a 20 protons et électrons. Pour qu’un ion soit stable, il faut que sa couche extérieure soit pleine, donc il faut que l’ion ait 18 électrons donc sa formule est Ca2+.

f. VOIR COMPLEMENT 1

 

Il est essentiel de faire préciser la liste des espèces chimiques (et des ions présents) dans le système chimique car pour certains élèves, c’est une transformation chimique à 1 corps (le calcium). L’eau n’est pas un réactif chimique évident pour les élèves de ce niveau. Seule l’application de la loi de la conservation des éléments chimiques permet d’exiger qu’ils considèrent l’eau comme une espèce chimique réagissante et non comme un liquide de la vie quotidienne. 

NOM

REPONSE

Jean-Baptiste/Julien

Pour la transformation, on a utilisé de l’eau et du calcium pour former de l’hydrogène et de l’hydroxyde. Le calcium a été conservé. On remarque que les éléments chimiques sont les mêmes.

Alexandre/Florian

« calcium métallique et eau » à « dihydrogène , ions hydroxyde, ions calcium »[« équation » avec des mots]

Mathieu/Mathieu

2H2O + Ca à H2 + 2OH+ Ca2+

Le calcium métallique, en présence d’eau, produit du dihydrogène, des ions hydroxyde et des ions calcium. [ces deux bons élèves n’ont pas de difficultés à lier une équation, non demandée, à la composition du système chimique]

Jacky

On a transformé du calcium et de l’eau en dihydrogène, ion calcium et ion hydroxyde. [bonne réponse]

Kezban/Marion

L’eau + le calcium métallique en présence de PP ont réagis pour former du dihydrogène et de l’hydroxyde. [comme dit précédemment, les élèves n’ont pas compris que le test à la PP est une autre transformation chimique]

Adrien/Pierre

La mise en solution d’eau et de calcium permet la formation de dihydrogène et d’hydroxyde. [pas de conservation du calcium]

 

Corrigé: 2ème expérience : transformation chimique n°1

1.

Après l’introduction de calcium dans le tube, on observe une effervescence, l’apparition d’un trouble (précipité) blanc et une diminution de la taille du morceau de calcium. L’élève ne doit pas parler de transformation chimique, qui serait une forme d’interprétation des observations, mais doit se limiter, à ce stade, à énumérer ces seules observations.

Quand on approche une allumette, une détonation retentit.

Après ajout de quelques gouttes de phénolphtaléine, la solution devient fuchsia (ne pas dire qu’il y a des ions hydroxyde, car ce n’est plus une observation mais une interprétation). Le test à la phénolphtaléine étant positif, la solution contient au moins des ions hydroxyde.

2. a, b et c L’espèce chimique et l’ion venant d’être caractérisés sont le dihydrogène et l’ion hydroxyde. Les éléments présents sont O et H. L’élément calcium est présent au début de l’expérience. La loi de conservation des éléments chimiques permet de dire que, puisque l’élément chimique Ca est présent au début de l’expérience, il doit être retrouvé à la fin de la transformation chimique.

d.Le filtrat contient des cations car une solution (comme toute matière macroscopique) est électriquement neutre. Cette connaissance a pu être introduite au collège, et c’est l’occasion de le rappeler ici.

e.

Du calcium métallique a été introduit dans l’expérience ; l’élément chimique calcium doit être présent puisque tout élément chimique se conserve. Etant donné sa position dans la classification périodique, l’élément chimique calcium est soit sous forme Ca soit sous forme Ca2+. Comme il faut qu’il y ait des cations dans la solution, la réponse est : l’élément chimique calcium est sous forme d’ion Ca2+. Il faut faire prendre conscience aux élèves qui pense que la chimie est essentiellement une science de mémorisation que dans certains cas, un raisonnement intelligent permet de prédire le résultat d’une expérience inconnue.

Le tableau complété est :

 

Bien veiller à la présence du nom et du symbole pour bien différencier l’élément chimique de son écriture symbolique.

 

Espèces chimiques ou ions utilisés lors de la transformation chimique n°1

Espèces chimiques ou ions formés au cours de la transformation chimique n°1

Nom et formule

Calcium métallique : Ca

Eau : H2O

 

Dihydrogène : H2

Ions hydroxyde : HO-

Ions calcium : Ca2+

Eléments chimiques présents (nom et symbole)

Calcium : Ca              Hydrogène : H          Oxygène : O

 

f. La phrase attendue est : “ le calcium et l’eau réagissent pour donner des ions calcium, du dihydrogène et des ions hydroxyde HO- ”.

Comportement des élèves: 2ème expérience : transformation chimique n°1

Complément 1

Pourquoi demander une phrase et non une équation chimique ? On demande une phrase et non une équation chimique. Dans notre progression, nous n’avons encore jamais fait écrire d’équation chimique parce que nous n’en avons pas besoin, et que nous ne voulons pas mélanger les objectifs sur lesquels chacun de nos TP focalise l’attention des élèves. Sans que nous en ayons de preuve absolue, il nous semble que ce qui est difficile pour les élèves n’est pas la manipulation du formalisme de l’équation chimique, mais la correspondance de l’équation chimique avec l’expérience. Nous demandons dans cette question que l’élève nous donne la phrase suivante :

“ le calcium et l’eau réagissent pour donner des ions calcium, du dihydrogène et des ions HO ”. Cela n’apporte rien de plus de faire écrire Ca + H2O ® Ca2+  +  H2  +  HO, si ce n’est de détourner l’objectif vers un difficile travail d’ajustement des nombres stoechiométriques de cette équation. En effet, c’est déjà difficile de faire utiliser l’électroneutralité pour induire le fait que l’élément chimique calcium est sous forme de cation ; vouloir faire utiliser l’électroneutralité au sein de l’équation de la réaction du calcium avec l’eau est encore d’un autre ordre et sera vu ultérieurement. En effet, un élève de ce niveau qui proposerait l’équation chimique suivante :

Ca + H2O ® Ca2+  +  1/2 H2  +  HO,

serait plein de bon sens puisque que tous les éléments chimiques sont en même nombre dans les deux membres. Lui dire que c’est faux, ce qu’on ne peut éviter de faire, oblige à faire intervenir le concept d’électroneutralité au sein de l’équation chimique, ce qui implique à nouveau une cascade de déductions. Ainsi, nous préférons que l’élève soit capable d’avancer une phrase juste plutôt qu’une équation fausse. 

un exemple en terminale S : Nous finirons sur ce point en citant un exemple relevé dans une classe de terminale S tout à fait “ normale ” à laquelle la question suivante n’a obtenu aucune réponse correcte : la dissolution d’acide éthanoïque se traduit par l’équation chimique  suivante : CH3COHO + H2O <=> H3O+  + CH3COO ; en mesurant le pH de la solution, on trouve que [H3O+] = ..., quelle est la concentration des ions [CH3COO] ? L’absence de réponse au niveau de 30 élèves de terminales S montre que la relation entre l’aspect quantitatif de l’électroneutralité et l’écriture d’une équation chimique est un point difficile; ne pas l’exiger en seconde est raisonnable. 

note : Parmi les difficultés, nous avons déjà mentionné le rôle de l’eau comme réactif chimique ; il ne faut pas sous-estimer la difficulté conceptuelle lié au fait que l’élément chimique H se retrouve dans deux produits différents de la réaction ( H2 et HO).