ENSEIGNER
dimanche 21 septembre 2014
icar Vesion anglaise

THEME: 2nde- Element chimique, atome
France  -  Niveau 9 (Anciens programmes)  -  Chimie

But: Quelques expériences avec le cuivre

Il s’agit de la séance introduisant expérimentalement la notion d’élément chimique. Elle vient après la description de l’atome, et avant le modèle du cortège électronique.

Principe :

A l’aide de différentes transformations chimiques (l’acide nitrique avec le cuivre métallique puis des ions cuivre avec une lame de fer, …), l’élève est amené à constater que le cuivre métallique, qu’il avait au préalable identifié, disparaît et réapparaît. Pour comprendre la notion d’élément chimique, nous introduisons des êtres imaginaires, les blicks, dont la particularité est d’être composés d’un « centre » et d’une « enveloppe » qui doivent forger la représentation mentale chez l’élève du noyau et de son cortège électronique. La conservation du centre, du nombre, mais pas de « l’enveloppe » met l’ élève sur la piste de la conservation de ce qu’on appellera l’élément chimique. Afin de donner du sens à ce concept, il faut impérativement que l’élève relie ses observations expérimentales à la notion d’élément chimique. C’est le but de la question 6).

Objectifs du travail de réflexion :

• Associer à chaque système chimique (le contenu de chaque tube à essai obtenu expérimentalement) du TP une formule chimique en écriture symbolique qui caractérise à elle seule l’état du système.

• Associer à chaque entité chimique un état physique (métal, (solide), ion en solution) à partir des seules observations expérimentales.

• Associer à chaque transformation chimique du TP le passage d’une formule symbolique (celle de l’un des réactifs) à une autre formule symbolique (celle de l’un des produits).

Comportement des élèves: Quelques expériences avec le cuivre

La notion d’élément chimique est très difficile. Pour l’aborder, nous avons décidé d’introduire chez l’élève une image mentale forte ; cette image, nous le pensons, est réinvestie par de nombreux élèves au moment de la description de la structure de l’atome. Mais, l’analogie est confiée brute à l’élève, elle n’est pas décodée par le professeur et l’élève peut construire un peu ce qu’il veut. Nous n’avons pas étudié en détail ce qui se trame dans la tête de l’élève au moment de l’introduction des blicks.

L’analogie est-elle critiquable ? Certainement moins qu’un modèle type atome de Bohr. Le blick possède un rond noir que les élèves associent immédiatement à un noyau, peut-être par analogie aux cellules vues en biologie. Ce noyau est entouré de quelque chose ; pour le chimiste, c’est le nuage électronique. Lors d’une transformation, seul l’environnement du noyau du blick se déforme ; cela n’est pas incohérent avec ce qui se passe lors d’une transformation chimique, par exemple lors de l’oxydation (Cu -> Cu2+), c’est évidemment le nuage électronique qui est modifié.

Nous avons nommé « blicks » ces dessins. Dans une première version, nous avions laissé sans nom ces formes, ce qui a perturbé les élèves qui se sont demandé ce que c’était ; comme ce n’est pas l’objectif de les laisser ainsi réfléchir sur la façon de nommer ces formes, nous avons décidé de la dénomination blick, plutôt que truc ou machin.

Préparation: Quelques expériences avec le cuivre

Question 2 : Pour gagner du temps, il vaut mieux partir de cuivre peu épais (tournure de cuivre par exemple). Ces petits morceaux de cuivre seront prédécoupés avant le TP. Utiliser de l’acide nitrique de concentration 6 ou 7 mol.L-1. Si l’acide est plus dilué ou si le cuivre n’est pas assez fin, l’attaque du cuivre est excessivement lente. Si l’acide est plus concentré, la solution devient verte (dissolution de NO2), et non bleue, or la couleur bleue est importante pour que les élèves reconnaissent l’entité chimique Cu2+.

Question 3 : Ne pas donner de lames rouillées aux élèves : quand ils vont faire réapparaître le cuivre métallique à la surface du fer, il ne faut pas qu’ils soient tentés de croire qu’il apparaît de la rouille.

MATÉRIEL
- 2 tubes à essais par binôme.
- Agitateur en verre (éviter les bouchons car ils seront en contact avec de l’acide nitrique concentré).
- Lunettes.
- Gants.
- Pipette (la précision sur le volume n’est pas importante).
- Papier absorbant.
- Acide nitrique à 6 ou 7 mol.L-1.
- Cuivre en petits morceaux (30 à 40 mg) (avec cette quantité, la durée de l’expérience est convenable). - Lame de fer préalablement décapé (impératif).
- Lame de plomb.
- Solutions de sulfate de cuivre, d’hydroxyde de sodium et d’ammoniac étiquetées avec les noms mais pas les formules.

But: Représentation de Lewis de quelques molécules (version juin 2007)

Cette activité, non expérimentale, repose sur l’utilisation par l’élève d’un texte (« un modèle ») présentant les énoncés de la règle de l’octet et les énoncés de base du modèle de Lewis.
Un questionnement précis sur la molécule HCl oblige l’élève à lire, comprendre et utiliser les définitions proposées (liaison covalente, doublets liant et non-liant,…) pour dessiner une représentation de Lewis d’une molécule.
Ensuite, un travail sur des représentations juste et fausses de la molécule de diazote permet à l’élève d’appliquer finement la règle de l’octet, ce qui lui permettra de déterminer la représentation correcte aux yeux de la chimie.
Enfin l’élève utilise un tableau récapitulatif qui rappelle que chaque atome doit respecter la règle de l’octet et ne peut former, au niveau de la classe de seconde, qu’un nombre fixe de liaisons covalentes (4 pour l’atome de carbone, 3 pour l’azote,…).
Cette séance peut être complétée par l’utilisation des modèles moléculaires en cours, en précisant bien que ces constructions sont différentes des représentations de Lewis des molécules (les doublets libres d’électrons en sont absents).

Préparation: Représentation de Lewis de quelques molécules (version juin 2007)

Suivant les classes, on peut distribuer le modèle à la séance précédente et le faire lire aux élèves.
Il est souhaitable de donner le modèle à lire avant la séance de TP, modèle accompagné de quelques questions obligeant l’élève à lire le texte du modèle attentivement. En début de séance, on corrige ces questions.

Savoir: Représentation de Lewis de quelques molécules (version juin 2007)

Lewis, en 1913, a rationalisé la liaison chimique par un modèle qui paraît aujourd’hui trivial mais qui, à une époque où l’on ne parlait pas d’atome mais d’hypothèse atomique , était révolutionnaire. La simple idée qu’il existe des interactions entre les atomes (entités neutres) n’était pas banale. Le modèle de Lewis n’a certes pas été énoncé avec la forme sous laquelle nous la donnons aux élèves dans l’activité proposée ici, et les quelques lignes qui suivent se proposent d’en justifier l’intérêt.
La notion de liaison chimique covalente selon Lewis rend compte   la fois de :
          l’interaction privilégiée entre deux atomes,
          l’orientation entre ces atomes (angle de liaison),
          la différence de longueur, de force de liaison et de réactivité, par exemple C-C, C=C et C≡C.
Le  programme de seconde limite cette notion surtout au premier point évoqué.
Le concept de liaison chimique n’a rien d’expérimental. Il n’existe pas d’expérience montrant, par exemple, que dans la molécule H2O, les liaisons sont entre O et chaque H, plutôt qu’entre un H et les deux autres atomes de la molécule. La liaison chimique est donc purement théorique, et relève de ce fait de modèles . L’expérience révèle au chimiste la position des atomes dans l’espace , et lui, chimiste, décide et convient des paires d’atomes liées et de celles qui ne le sont pas. Certaines de ces conventions sont l’objet de l’étude du modèle que nous introduisons ici.
Bien que simple, le modèle de Lewis met implicitement en jeu de nombreuses connaissances. Nous avons recensé deux façons extrêmes d’enseigner ce modèle :
1) Une façon classique qui démontre, à partir de connaissances préalablement établies (règle de l’octet, nombre d’électrons de valence d’un atome, définition d’une liaison covalente), certaines règles pratiques du type : le carbone est entouré de 4 liaisons, l’azote de 3 et l’oxygène de 2 dans les cas d’entités non chargées. Le travail des élèves est d’apprendre ces règles pratiques et de savoir les utiliser pour construire des représentations de Lewis.
2) Notre façon, qui prend plus de temps, requiert que l’élève apprenne d’abord à construire les représentations de Lewis en utilisant les notions précédemment apprises (règle de l’octet, nombre d’électrons de valence d’un atome, définition d’une liaison covalente), et non pas les règles pratiques. L’usage des règles pratiques vient dans un second temps et s’impose par sa commodité.
L’intérêt de prendre (de perdre pensent certains ?) du temps se justifie par le peu d’occasions dont l’enseignant dispose pour utiliser explicitement les connaissances fondamentales évoquées précédemment : règle de l’octet, nombre d’électrons de valence d’un atome, définition d’une liaison covalente. Ces notions constituent des fondements de la chimie, et sont dans les faits ignorées des élèves parce que peut-être rarement utilisées à des fins cognitivement intéressantes. La méconnaissance de ces notions conduit les élèves à commettre des erreurs, même à un niveau d’étude universitaire avancé, comme par exemple au CAPES ou à l’agrégation ! Ainsi, de nombreuses erreurs d’écriture de mécanismes en chimie organique proviennent de la non utilisation de la règle de l’octet. 
Afin d’enseigner la liaison covalente, nous avons choisi de traduire le modèle de Lewis sous forme de règles. Les élèves travaillent alors avec un modèle de Lewis « pédagogique ». Nous avons fait attention à ce que ces règles soient correctes d’un point de vue scientifique et nous faisons l’hypothèse qu’elles sont pertinentes du point de vue de l’apprentissage.

Remarques :

 - C’est Jean Perrin qui a imposé en 1923 définitivement le concept d’atome. 
 -  Le modèle de Lewis ne rend pas compte de certaines propriétés physico-chimiques, comme le paramagnétisme du dioxygène, le caractère aromatique du benzène, les liaisons particulières des boranes (ex B2H6)… Dans certains cas, la notation de la liaison chimique est élargie, comme le petit rond mis au centre de l’hexagone représentant le benzène. Cependant, la commodité d’emploi du trait entre deux symboles pour représenter une liaison, et la pertinence incontesté de la notion de liaison covalente l’ont imposé en chimie.
-   Le modèle de Lewis fut le premier à rationaliser la liaison entre les atomes. Actuellement, le modèle de la liaison chimique le plus sophistiqué est un modèle orbitalaire. Il présente l’avantage sur celui de Lewis d’être quantitatif ; il permet de calculer les longueurs de liaison, leur énergie, leurs propriétés vibrationnelles… au prix de calculs extrêmement lourds ; le modèle des orbitales moléculaires est trop universel pour être simple, et celui de Lewis est trop simple pour être universel.
 - La distance entre les atomes et leurs orientations dans l’espace se déduisent d’expériences, par exemple  de la diffraction des rayons X.

But: Utilisation du tableau périodique

Cette séance vient juste après la découverte de la démarche de Mendeleïev et la construction de la classification périodique des éléments.

L’objectif général du TP est de faire utiliser le tableau périodique et la structure électronique des atomes pour prévoir et interpréter des réactions chimiques.

C’est une utilisation du tableau, et non pas une élaboration du tableau périodique. Ce TP doit être proposé après un cours qui a présenté le tableau périodique, la structure électronique des atomes et des ions en rapport avec leur position. Les élèves doivent pouvoir prédire la charge d’un ion simple connaissant la position de l’élément chimique correspondant dans la classification périodique. A la fin de ce TP, les élèves sont supposés savoir que dans une colonne donnée du tableau, les éléments chimiques sont très souvent impliqués dans des réactions chimiques similaires. Le fait que les réactions chimiques soient similaires ne signifie pas que les propriétés des espèces chimiques correspondantes soient identiques.

 

Avec ce TP, on ne cherche pas à prouver que parce deux corps ont des propriétés chimiques similaires, les éléments chimiques correspondants sont dans la même colonne (ce qui est faux, voir ci-dessous), mais à l’inverse, que si deux éléments sont dans la même colonne alors ils doivent être mis en jeu dans des réactions du même type. On fait prédire les propriétés de certains « corps » en fonction de leur position ; on ne cherche pas à faire deviner  la colonne en fonction des propriétés chimiques.

 

Ex : lors de la réaction avec l’eau, le calcium est plus proche du sodium que du magnésium ; or l’élément chimique calcium n’est pas dans la colonne de l’élément chimique sodium, mais dans celle du magnésium. En revanche, du fait que les éléments magnésium et calcium sont dans la même colonne, la réaction avec l’eau des corps simples correspondants doit avoir des points communs ; c’est une idée qui doit impérativement passer lors de ce TP ; (les atomes se transforment en ions métalliques, il se forme des ions HO ; cela n’empêche pas que les vitesses de réactions soient différentes ce qui entraîne des observations différentes lors des deux expériences [G1] ).

 


Préparation: Utilisation du tableau périodique

MATERIEL : 

Pour chaque binôme :

-solution de phénolphtaléine (0,05 g dans 50 mL d’éthanol et 50 mL d’eau)

-solution de chlorure de sodium (1 g/L ou autre)

-solution de soude (1 g/L)

-calcium métallique en morceau (un petit morceau)

-magnésium (en tournure ou en grenaille mais pas en poudre)

-boîte d’allumettes

-4 tubes à essais (au moins 2) et leur support

-pipette compte goutte

-1 petit bécher ou pot de yaourt en verre (il ne sera pas chauffé)

-entonnoir

-filtre plissé ou papier filtre adapté à la taille de l’entonnoir

-pince métallique

-bec Bunsen

 Pour le professeur :

-1 grand cristallisoir (ou une cuvette)

-1 tube à essai (pour la variante, voir ci-dessous)

-sodium métal

-toluène (pour la variante)

La deuxième partie du programme a pour objectif d’introduire les notions d’élément chimique, d’atome, d’ion, etc. Le travail, expérimental et avec un modèle mettant en jeu des ions, effectué dans la première partie du programme est ici réutilisé et permet une meilleure compréhension des notions théoriques de cette partie.

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