Ce protocole expérimental nécessite une séance de TP (1,5 h). En conséquence le nombre de TP prévu pour cette partie passe de 4 à 5. Cette partie se prête particulièrement bien au travail expérimental, l’enseignant peut choisir d’équilibrer différemment les TP dans l’ensemble du programme.
Il peut aussi envisager un protocole simplifié, conçu comme une expérience préliminaire (expérience 4 seule).
Objectifs
Etablir la miscibilité (ou non) de deux liquides.
Comparer la solubilité d’une même espèce chimique dans l’eau et dans un solvant organique.
Interpréter la carte d’identité d’un solvant organique.
Matériel et produits
Eprouvette graduée de 10 mL, seringues, tubes à essai, agitateur.
Eau, éthanol, solution de diiode, cyclohexane, dichlorométhane.
Mode opératoire
1. Miscibilité de deux liquides : eau / solvant organique Expérience 1 : eau-éthanol
a) Un élève sur deux réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL d’eau puis 1 mL d’éthanol.
Agiter, laisser reposer.
b) L’autre élève réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL d’éthanol puis 1 mL d’eau.
Agiter, laisser reposer.
Observations, interprétation et schémas. Conclusion.
Expérience 2 : eau-cyclohexane
a) Un élève sur deux réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL d’eau puis 1 mL de cyclohexane.
Agiter, laisser reposer.
b) L’autre élève réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL de cyclohexane puis 1 mL d’eau.
Agiter, laisser reposer.
Observations, interprétation et schémas. Conclusion.
Expérience 3 : eau-dichlorométhane
Appliquer les mêmes procédures que pour les expériences précédentes. Conclure.
3. Solubilité d’une même espèce chimique dans l’eau et dans un solvant organique Expérience 4 : diiode dans l’eau et dans le cyclohexane
a) Un élève sur deux réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL de solution aqueuse de diiode puis 1 mL de cyclohexane.
Agiter, laisser reposer.
b) Un élève sur deux réalise l’expérience ci-dessous :
Verser dans un tube à essai dans l’ordre 1 mL de cyclohexane puis 1 mL de solution aqueuse de diiode.
Agiter, laisser reposer.
Observations, interprétation et schémas. Conclusion NOTES POUR L’ENSEIGNANT
Expérience préliminaire réalisée sous la hotte par l’enseignant devant les élèves.
Attention, les vapeurs de diiode sont toxiques ! Montrer un ou deux cristaux de diiode aux élèves.
Mettre un cristal dans 1 mL d’eau. Agiter.
Mettre un cristal dans 1 mL de cyclohexane. Agiter.
Faire observer et conclure.
Cette expérience doit être faite devant les élèves pour qu’ils réalisent que le diiode est un solide et qu’ils concluent à la plus grande solubilité du diiode dans le cyclohexane plutôt que dans l’eau.
Expliquer aux élèves que pour des raisons de sécurité on a préparé une solution de diiode dans l’eau.
RAPPELS SUR LA DENSITÉ
Les élèves ont approché les questions de miscibilité, solubilité et densité au collège en cinquième dans la partie : L’eau dans notre environnement (carte d’identité de l’eau, distinction entre mélange homogène et hétérogène…). Toutefois, les définitions de la masse volumique et de la densité ne font pas partie des programmes actuels du collège et la densité est une notion difficile à conceptualiser pour les élèves. Nous en proposons ci-dessous une présentation simple à partir d’un ouvrage du collège déjà ancien (1978) : Sciences physiques, classiques Hachette, collection Libres parcours.
Un glaçon flotte sur l’eau ; un tronc d’arbre flotte sur la rivière. Au contraire une roche, un morceau de fer, une bille de plomb tombent au fond de l’eau. On lit dans une table les masses volumiques de ces « substances ».
Celles qui coulent ont une masse volumique plus grande que la masse volumique de l’eau.
Comparer la masse volumique d’une espèce à celle de l’eau permet donc :
- de faire des prévisions pour savoir si l’espèce « flotte » ou non (sous réserve lorsqu’il s’agit d’un liquide que l’espèce en question ne soit pas miscible à l’eau).
- de faire émerger une notion pratique : la densité.
Solides Liquides Masses volumiques
11 300 / 1 000 = 11,3.
Le nombre est sans unité.
On dit que la densité du plomb par rapport à l’eau est 11,3.
Le plomb est beaucoup plus dense que l’eau. Un morceau de plomb mis dans l’eau coule.
La masse volumique de l’huile est égale à 900 kg / m3, c’est-à-dire à 0,9 x 1 000 kg / m3. Elle est plus petite que 1. La densité de l’huile par rapport à l’eau est 0,9. De l’huile versée dans l’eau se place au-dessus de l’eau.
En classe de seconde, la carte d’identité d’une espèce chimique fait apparaître la densité et seulement pour les liquides la densité intervient dans la partie I au niveau de l’extraction (position des phases dans l’ampoule à décanter).
Nous en proposons une approche expérimentale.
Comment trouver, expérimentalement, la densité d’une espèce chimique par rapport à l’eau ? On mesure le volume d’une certaine quantité de l’espèce et sa masse.
On mesure la masse d’un volume d’eau égal au volume de l’espèce.
On divise la masse de l’espèce par la masse de l’eau, pour ce même volume.
La densité de cette espèce chimique est caractérisée par le nombre obtenu.
Quelques valeurs de densité par rapport à l’eau
Solides Liquides Densité par
rapport à l’eau
Alcool 0,8
Glace Huile 0,9
Lait 1,03
Eau salée saturée 1,30
Aluminium 2,7
Fer 7,8
Plomb 11,3
Mercure 13,6
Remarque
Pour les solides et les liquides on calcule la densité par rapport à l’eau, parce que cela est commode. On pourrait évidemment comparer à une autre espèce chimique que l’eau : l’alcool ou l’huile par exemple. On définirait alors la densité relative à l’alcool ou à l’huile, mais ce sont des espèces moins courantes et ces densités sont moins intéressantes à connaître.
Pour les gaz, la densité est, en général, déterminée par rapport à l’air.
TP 2
Protocole élève