CHIMIE- Seconde

III - Transformations de la matière (4 TP, 8 heures en classe entière)

Objectifs

La troisième partie porte sur la transformation chimique d’un système. Un des objectifs spécifiques de la classe de seconde est d’établir un bilan de matière ; pour ce faire, à la transformation chimique d’un système est associée une réaction chimique qui rend compte macroscopiquement de l’évolution du système et qui donne lieu à une écriture symbolique appelée équation. Lorsqu’ultérieurement la cinétique d’évolution du système sera abordée, il sera nécessaire de mettre en place un modèle plus élaboré faisant intervenir des intermédiaires réactionnels et les équations correspondantes. Le modèle et ses limites restent donc au cœur de cette partie.
L’étude de la transformation chimique d’un système commence par la mise en place d’outils de description macroscopique du système impliquant la définition de la mole.
L’enseignant fait bien la distinction entre la transformation subie par le système et la réaction chimique qui modélise cette transformation. Aussi souvent que possible, les manipulations servent de support introductif à cette approche pour essayer de remédier aux difficultés actuelles rencontrées par les élèves.
Il s’agit ensuite, en s’aidant d’un outil - un tableau descriptif du système au cours de la transformation - d’analyser cette transformation, en introduisant la notion d’avancement, et d’établir un bilan de matière. L’élève doit être capable d’écrire les nombres stœchiométriques de l’équation en respectant les lois de conservation des éléments et des charges et de comprendre qu’une transformation chimique ne nécessite pas que les réactifs soient dans des proportions particulières dans l’état initial. Les élèves seront formés à l’utilisation d’un vocabulaire précis et à l’appropriation d’outils commodes pour décrire et analyser une transformation, selon une progression en difficultés croissantes utilisant l’avancement.
L’élaboration que l’enseignant fait avec l’élève de ce bilan de matière est essentielle pour la validation du modèle proposé. Toutefois aucune compétence n’est exigible sur ce bilan de matière. L’ensemble de cette présentation sera reprise au début de l’enseignement de la chimie en classe de première scientifique.
Des illustrations expérimentales sont utilisées pour s’approprier le concept de transformation chimique (état initial et état final) et permettent de vérifier la validité d’un modèle proposé de réaction chimique pour rendre compte de l’évolution d’un système subissant une transformation chimique.
Tout particulièrement dans cette partie, l’enseignant veille à une utilisation rigoureuse du vocabulaire proposé en classe de seconde pour traiter de la transformation chimique. Il précise et justifie les points sur lesquels portent ces modifications.

1 - Outils de description d’un système

Commentaires

Les paramètres nécessaires à la description du système sont : la pression P, la température T (en lien avec le programme de physique), la nature des espèces chimiques présentes, leur état (solide, s, liquide, l, gazeux, g, solution, le plus souvent aqueuse, aq) et leurs quantités respectives. Pour cette description, on effectue le passage de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique en définissant l’unité de quantité de matière (la mole) et la concentration molaire en solution, en se limitant aux espèces moléculaires.
La constante d'Avogadro permet de faire un changement d'échelle : passage du niveau microscopique (atome, molécule ou ion : m #10^-26 kg) à un niveau macroscopique (la mole d'atomes, de molécules ou d'ions dont la masse avoisine quelques g ou dizaines de g). Une évaluation de la constante d’Avogadro permet de mieux s’approprier la définition de la mole.
À ce stade de l’enseignement de la chimie, il est précisé que le volume molaire (Vm) est fonction des conditions de température T et de pression P. Dans le cas des gaz, il est introduit en physique dans le modèle du gaz parfait.
L’emploi des guillemets dans masse molaire “atomique” a pour objectif de mettre en évidence qu’il s’agit en réalité de la masse d’une mole d’atomes à l’état naturel (ce qui revient à considérer les abondances isotopiques naturelles).
Seules les espèces moléculaires sont utilisées pour illustrer l’opération de dissolution en vue de l’obtention d’une solution de concentration donnée (on considère que le diiode en solution est une espèce moléculaire, autrement dit la présence des ions I₃^- n’est pas mentionnée. Attention ! les cristaux de diiode sont toxiques. Il est donc conseillé de diluer une solution déjà préparée). Ce n’est qu’au début de la classe de première S que la réaction de dissolution des espèces ioniques sera écrite et qu’il pourra être exigé de calculer les concentrations molaires des ions. Néanmoins, en classe de seconde, on peut présenter des expériences dans lesquelles les solutions résultent de la dissolution de solides ioniques. On donne alors les concentrations (colorants ou sulfate de cuivre, par exemple) et ces solutions ne peuvent donner lieu qu’à des opérations de dilution.

2 - Transformation chimique d’un système

Commentaires

La réaction chimique donne lieu à une écriture symbolique appelée équation. L’enseignant insiste sur le fait que la conservation des éléments et des charges au cours de la transformation chimique d’un système se traduit par l’ajustement des nombres stœchiométriques dans l’équation (il justifie que l’on dise conservation des éléments et non plus comme en classe de 4e conservation des atomes).
Dans cette équation, les réactifs sont les espèces chimiques écrites dans le membre de gauche et les produits sont les espèces chimiques écrites dans le membre de droite.
Si on prend l’exemple de la synthèse de l’eau dans les conditions ambiantes (1 bar, 25°C), on peut réaliser le bilan de matière, en considérant que la formation de 2 moles d’eau s’accompagne de la consommation de 2 moles de dihydrogène et d’une mole de dioxygène. Cette réaction chimique s’écrit de façon symbolique :
2 H₂ (g)+ O₂ (g) -->2 H₂O (l).
La réaction chimique est écrite, en classe de seconde, avec pour symbolisme la simple flèche : -->
Outre sa cohérence avec le programme de Troisième, ce symbolisme précise, de façon condensée, dans quelle direction le système évolue dans les conditions de l’expérience. La réaction ne préjuge en rien de ce qui se passe au niveau microscopique et qui est la cause de l’évolution du système. Pour définir la transformation chimique d’un système, l’enseignant choisit des exemples simples parmi ceux déjà rencontrés au collège et ceux proposés lors des synthèses développées dans la première partie.
Toujours dans le cadre du programme de seconde :
- les quantités de matière des espèces chimiques présentes dans le système au cours de la transformation chimique s’expriment à l’aide d’une grandeur (en mol, notée x par exemple), identifiée à un avancement,
- seules sont envisagées des transformations qui s’achèvent quand l’un des réactifs, appelé réactif limitant, a disparu. L’avancement final atteint se confond alors avec l’avancement maximal. Il existe des cas, qui seront rencontrés dans le cursus scientifique ultérieur, où l’avan-cement final n’est pas l’avancement maximal (estérification, dissociation des acides ou des bases faibles dans l’eau, par exemple). Au-delà de l’utilisation de la simple flèche : -->, l’enseignant propose aux élèves d’utiliser un tableau, considéré comme un outil, pour décrire et analyser l’évolution d’un système ; il adopte une progression en difficultés croissantes : dans un premier temps l’enseignant considère des réactions dont l’équation ne présente que des nombres stœchiométriques égaux à 1 ; dans un deuxième temps, il considère des réactions dont l’équation présente au moins un nombre stœchiométrique égal à 1 ; enfin une généralisation pourra être établie avec des nombres quelconques. L’enseignant décide à quel niveau de difficultés il arrête sa progression et définit les connaissances et savoir-faire exigibles des élèves en conséquence. Exemple de tableau en reprenant le cas de la synthèse de l’eau :

L’avancement maximal, xmax est obtenu en écrivant que les quantités de chaque espèce chimique sont nécessairement positives :
2x >= 0 ; 3-x >= 0 ; 1- 2x >= 0
Il est alors possible de déterminer xmax (en l’occurrence :1/2).
Le tableau peut alors être complété.
Remarque : l’IUPAC recommande d’utiliser le signe = pour exprimer la relation stœchiométrique (qui ne présuppose pas dans quelle direction le système évolue) et donc mener une activité de calcul sur la transformation chimique considérée. En classe de seconde il est prématuré d’introduire un symbolisme supplémentaire.

Le bilan de matière peut aussi se présenter sous la forme :

Afin de traiter le bilan matière (2.2), on pourrait adopter la progression suivante (qui reviendrait à consacrer 2 TP et 2 h en classe entière) avec un exemple ayant fait l’objet d’une approche expérimentale (l’acide éthanoïque sur l’hydrogénocarbonate de sodium convient parfaitement) :
1. approche qualitative expérimentale et observations : système, état initial, état final, caractérisation des espèces, réactif limitant.L’enseignant fait soigneusement la différence entre la transformation étudiée et les tests utilisés pour caractériser les réactifs ou les produits.
2. approche quantitative : l’enseignant mène une discussion avec les élèves en vue de formaliser les observations qu’ils ont faites. Il introduit l’avancement et met en place l’outil (construction du tableau avec les élèves).
3. vérification expérimentale de la validité d’un modèle proposé de la réaction chimique. En exploitant la même réaction chimique que lors des approches qualitative et quantitative (points 1 et 2) les élèves vont être à même d’exploiter les observations faites, de réaliser des mesures et de mener les calculs permettant de “compléter” le tableau.
L’utilisation d’un tableur peut permettre la simulation de l’évolution des quantités de matière au cours de la transformation et éventuellement le tracé de ces évolutions en fonction de l’avancement pour visualiser l’arrêt de la transformation lors de l’épuisement d’un réactif. Il serait cependant dommage qu’il détourne l’attention des élèves de l’objectif recherché : établir un bilan de matière.