ENSEIGNER
jeudi 21 septembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: Chimie 1ère S
  -  _ (Anciens programmes)  -  Chimie

Activité 2: Rôle individuel des ions en conductimétrie

 
Le professeur présente deux solutions de même concentration, l’une de chlorure de sodium, et l’autre de chlorure d’hydrogène (cette manipulation peut – être réalisée par les élèves selon le choix fait par l’enseignant quant à l’articulation des deux activités (voir préambule)). Il mesure (avec la cellule conductimétrique) la conductance d’une portion de solution de chaque solution et trouve deux valeurs très différentes (la solution acide conduit 3 fois plus). Il est ensuite demandé à l’élève :

1.a A partir des mesures obtenues par le professeur, donner une interprétation à cette différence de conductance . Le professeur donne alors trois autres énoncés du modèle :

Enoncé (3) : Les ions sont assimilés à des sphères chargées dont le rayon est appelé rayon ionique.

Enoncé (4) : A l’exception des ions H+ et HO la contribution d’un ion solvaté à la conductance est :

- d’autant plus grande que la valeur absolue de sa charge est élevée.

- à charge identique, d’autant plus grande que son rayon est faible.

Enoncé (5) : Les ions de même formule contribuent d’autant plus à la conductance que leur concentration est élevée.A la lecture de l’énoncé (4) le professeur demande de proposer une expérience qui permet de vérifier que l’ion HO est, comme l’ion H+, une exception sous la forme de la question :

b. Lisez maintenant les énoncés (3) (4) et (5) du modèle. Proposer une expérience qui permet de vérifier que l’ion HO est, comme l’ion H+ une exception.

2.a. A l’aide des énoncés (1) et (2), préciser pourquoi la conductance est plus grande si la solution est plus concentrée.

b. Justifier, à l’aide de l’énoncé (4), le fait que la conductance G de la portion de solution entre les électrodes dépend de la nature de la solution.

c. Justifier à l’aide de l’énoncé (1) du modèle que la conductance G d’une portion de solution entre les électrodes dépend de l’aire S des électrodes.

d. Proposer une interprétation au fait que la conductance d’une portion de solution diminue quand la distance L entre les électrodes augmente, toutes choses étant égales par ailleurs.

Le professeur introduit ensuite une nouvelle grandeur :

On définit s une nouvelle grandeur appelée conductivité de la solution, par la formule :

s = GL/S ou G = sS/L

e. Vérifier que cette formule est cohérente avec ce qui a été vu aux question c. et d.

f. En s’aidant des réponses fournies aux questions a. et c., préciser de quoi dépend la conductivité d’une solution ionique donnée


Corrigé: Rôle individuel des ions en conductimétrie

Les élèves sont amenés à dire que la seule chose qui change entre les deux solutions est le remplacement des ions Na+ par les ions H+ et que les ions H+ conduisent plus l’électricité que les ions Na+.

Il essentiel pour cette question que la question I.c du TP précédent ait été discutée.

1.b.

La réponse très voisine de l’expérience qui vient d’être faite par le professeur : “ comparer la conductance de deux portions de solution de Na+ + HO et de Na+ + Cl ” est satisfaisante.

2.a.

D’après l’énoncé (2), les ions sont attirés par les électrodes. Plus la concentration de la solution est élevée, plus le nombre de porteurs de charge en solution est grand, donc plus le nombre de porteurs de charge arrivant sur chaque électrode est grand. D’après l’énoncé (1), ceci conduit à une valeur plus grande de l’intensité. Puisque à tension constante, la conductance est proportionnelle à l’intensité (G = I/U), on peut dire que la conductance est plus grande si la solution est plus concentrée.

b.

Suivant leur nature, les ions possèdent un rayon différent, et éventuellement une charge différente. D’après l’énoncé (4), ils ont donc une contribution différente à la conductance.

c.

Plus l’aire des électrodes est importante, plus le nombre d’ions qui peuvent les atteindre par seconde est grand. L’énoncé (1) permet de conclure que l’intensité et donc la conductance seront plus importantes.

d.

Il ne faut pas attendre de réponse correcte à cette question compliquée. 

La réponse correcte n’est pas simple.

* Dans le langage de la physique, l’éloignement des électrodes diminue le champ électrique dans la portion comprise entre ces mêmes électrodes. Les ions dans cette portion (de condensateur) sont donc soumis à une force plus faible, et se déplace donc moins rapidement.

* Pour l’élève, il faut réinvestir les connaissances fraîchement acquises sur les forces électrostatiques, en précisant qu’elles sont valables également dans l’eau (à la modification de e près). Si on avait laissé dans l’énoncé (2) du modèle “ se déplacent vers ” au lieu de “ sont attirés par ”, l’élève pourrait ne pas raisonner en terme de force, et se contenter d’évoquer la distance à parcourir lors d’un déplacement, sans comprendre la cause de déplacement.

Il ne faut pas laisser dire aux élèves que, les ions mettent plus de temps pour aller d’une électrode à l’autre parce que la distance à parcourir est plus grande. C’est une conception du courant électrique qui n’est pas correcte.

e.

Dans cette relation, on vérifie bien que la conductance est fonction croissante de l’aire des électrodes et fonction décroissante de la distance entre elles. La nature des ions intervenant dans la valeur de la conductance G et n’intervenant pas dans le rapport L/S, on peut en déduire que la nature de la solution influe sur la valeur de la conductivité s.

f.

La conductivité s est proportionnelle à la conductance G. Donc, pour une solution ionique donnée, la conductivité s dépend de la nature et de la concentration des ions présents dans cette solution car c’est ce que l’on avait trouvé pour la conductance.

Savoir: Rôle individuel des ions en conductimétrie

Commentaires sur l'énoncé (3) : Il est indispensable de simplifier la structure des ions solvatés précédemment étudiée au chapitre “ solutions électrolytiques ”. Cela facilite le travail que doit fournir l’élève pour se représenter microscopiquement la conduction.

Commentaires sur l'énoncé (4) : L’exception de H+ et de HO– a été décrite par ailleurs (Physical Chemistry, Atkins 4e Ed. OXFORD, p.755).
Il est important de préciser les deux niveaux de raisonnement, celui de la charge et celui de la taille d’un ion. (l’un est basé sur une interprétation électrique et l’autre est basé sur un aspect mécanique (viscosité))

Commentaires sur l'énoncé (5) : On prépare ainsi la formule qui donnera la conductivité en fonction de la concentration individuelle des ions.

2.a. Cette question oblige l’élève à s’approprier le modèle. Il peut maintenant donner une interprétation microscopique à ce qu’il n’avait pu que constater lors du TP précédent : “ dans certaines conditions, la conductance ne dépend que de la concentration ”.

b.Il est essentiel que l’élève comprenne que la conductance dépend de la nature des ions. C’est une brique pour la construction à venir de la relation entre la conductivité et les conductivités molaires des différents ions.

c.Cette question permet de préparer la formule de la conductivité.

Comportement des élèves: Rôle individuel des ions en conductimétrie

d.
Dans des commentaires d’élèves, on peut lire : “ Plus la distance augmente, plus la conductance diminue. Quand la distance augmente, le courant passant par les ions, les pertes sont donc plus importantes, donc l’intensité diminue et par conséquent la conductance. ” (élèves de fin de 1re S en 2001, qui avaient fait l’ancien programme, donc pas de conductimétrie, à par le TP dans lequel est pris l’enregistrement).

f.
L’élève a maintenant à sa disposition une grandeur qui, pour un soluté donné, ne dépend que de la concentration de la solution en soluté apporté et pas des paramètres du montage permettant sa mesure.