Chapitre 2 : Prévoir et expliquer l’évolution des systèmes chimiques ; analyse
IV- 1.2.3.3.2) Système hétérogène
L’énoncé présente beaucoup de points communs avec le précédent. Il s’agit aussi d’un système comportant initialement trois des quatre espèces figurant dans l’équation chimique, celle qui manque est un soluté « produit ». Les différences résident dans le fait qu’il s’agit d’un système hétérogène siège d’une oxydoréduction s’il évolue.
Soit l’équation chimique + + + = + 3+ ) aq ( ) s ( 2 ) aq ( ) aq ( Fe Ag Fe
Ag de constante d'équilibre associée K=3,2. On dispose de fils d'argent et des trois solutions aqueuses suivantes : solution de sulfate de fer(II) ; solution de sulfate de fer (III) ; solution de nitrate d'argent.
A partir de cela, on réalise différents mélanges. On se demande si la composition de chacun va changer. Dites ce que vous prévoyez dans chaque cas et expliquez pourquoi.
a) Dans un premier bécher, les espèces chimiques en présence initialement sont telles que n(Ag+)=5,1.10-3 mol; n(Fe2+)=4,8.10-3 mol; n(Ag)=1,2.10-2 mol. Il n'y a pas d'ions Fe3+.Le volume de la
solution est égal à 100 mL.
Le quotient de réaction initial est nul donc inférieur à K, l’évolution a lieu dans le sens direct. On peut d’ailleurs faire un raisonnement qualitatif en disant que puisqu’à l’équilibre le système comporte toutes les espèces chimiques, le soluté absent doit se former pour que sa concentration ne soit plus nulle, l’évolution doit avoir lieu dans le sens direct. Ce raisonnement correspond à une application qualitative du critère d’évolution et figure à ce titre dans la catégorie « mise en œuvre du critère ».
Dans les réponses à cette question est apparu le même type d’erreur que dans la question précédente, la modification de l’expression du quotient de réaction qui conduit à un quotient de réaction non nul. Parmi les réponses qui ne mettent pas en œuvre le critère d’évolution, certaines envisagent une évolution qui ne forme pas le soluté manquant.
Les catégories de réponses
Les réponses ont été classées de la façon suivante : Mise en œuvre du critère d’évolution
• Raisonnement qualitatif, codées quali
• Quotient de réaction exact et conclusion exacte, réponses codées
QECE.
• Modification du quotient de réaction, réponses codées MQr
• Erreur dans le quotient ou la conclusion ou l’application du critère d’évolution, codées Erreur
Pas de mise en œuvre du critère :
• Evolution dans le sens direct, réponses codées équation
• Mention des quantités de matière ou des concentrations, réponses codées qtt
• Evolution sans formation du soluté manquant, codées évol sans • Réponses diverses, codées autre
Les résultats
Tableau 28 : Résultats par catégories de réponses
catégories de réponses
année critère pas critère absence effectif
2003 68% 28% 4% N=47
2004 47% 48% 5% N=75
2005 71% 27% 1% N=144
On voit que les résultats des années 2003 et 2005 sont très voisins, plus des deux tiers des élèves mettent en œuvre le critère d’évolution. En 2004, ils sont moins de la moitié à le faire.
Tableau 29 : Répartition des réponses par sous-catégories
Critère pas critère
année quali QECE QECF MQr équation qtt évol sans autre
absence de réponse 0% 21% 4% 43% 19% 4% 2% 2% 4% 2003 68% 28% 4% 24% 8% 11% 25% 3% 8% 12% 5% 2004 47% 48% 3% 41% 9% 18% 15% 1% 8% 3% 1% 2005 71% 27% Catégorie critère
Le taux de réponses satisfaisantes (catégories « QECE » et « quali ») est en progression d’une année sur l’autre (21% en 2003, 28% en 2004 et 44% en 2005). Les différences sont significatives (p=0,004, χ²=11,2 pour 2003-2004 ; p=0,01, χ²=9,1 pour 2003-2005 ; p=0,005, χ²=10,5 pour 2004-2005).
Exemples de réponses du type « QECE »
B37 : Si il n'y a pas d'ions Fe3+, le quotient de réaction à l'état initial Qri=[Fe3+]i/[Ag+]i[Fe2+]i
correspondant à cette réaction va être nul donc Qri<K. la réaction va donc évoluer dans le sens
direct jusqu'à l'équilibre il va donc y avoir production d'ions Fe3+..
J73 : Qri=[Fe3+] /[Ag+].[Fe2+] or il n'y a pas d'ions Fe3+ donc Qri=0. Qri<K, Qri va donc
augmenter pour atteindre K, donc [Fe3+] doit augmenter et [Ag+]x[Fe2+] diminuer. Le système va
donc évoluer dans le sens de la formation de l'argent et des ions Fe3+, correct car il y a des ions
argent et fer II au départ.
La réponse J73 est particulière dans la mesure où l’élève montre par sa dernière remarque qu’il vérifie que le sens d’évolution qu’il a prévu est compatible avec la composition initiale du système. Nous n’avons que rarement observé ce type de réflexion où l’élève effectue un contrôle des données empiriques.
Exemples de réponses du type « quali »
G17 : Ag+ + Fe2+ = Ag(s) + Fe3+
5,1.10-3 4,8.10-3 1,2.10-2 0
La composition va changer jusqu'à atteindre la constante d'équilibre.
La proportion d’élèves ayant modifié l’expression du quotient de réaction (« MQr ») en enlevant la concentration du soluté Fe3+, est élevée en 2003 (43%), plus faible les années suivantes (11% en 2004 et 18% en 2005).
B 19 : Qr=(1/([Ag+]x[Fe2+])=0,0004 Les solides n'apparaissent pas dans le quotient de réaction.
Et la solution aqueuse n'est pas en présence d'ions Fe3+ donc la transformation se fait obligatoirement dans le sens direct et 0,0004<3,2 Qr<K donc la transformation se fait dans le sens direct.
G28 : C(Ag+)i=C1=5,1.10-2 mol/L C(Fe2+)i=C2=4,8.10-2 mol/L Qri=1/C1xC2=4,1.10² >>K donc il
n'y a pas d'évolution de la réaction car il n'y a pas de Fe3+.
J96 : Il faut comparer Qr et K. Qr=[Ag]/[Ag+] [Fe2+]=nAg/V/nAg+xnFe2+/V²=49 On a Qr>K donc
évolution dans le sens direct.
Comme pour l’énoncé précédent (cf IV-1.2.3.3.1), cette erreur conduit certains élèves à écrire que l’évolution doit avoir lieu dans le sens inverse, malgré l’absence d’une espèce chimique nécessaire à cette évolution. (23% en 2003, 1% en 2004, 8% en 2005)
J112 : Qri=1/[Ag+] [Fe2+]=1/(5,1.10-2)(4,8.10-2)=408,5 >>K ⇒ évolution dans le sens inverse (pour que Qr soit égal à K).
J98 : Qri=[Ag]/[Ag+] [Fe2+]=1,2.10-1/5,1.10-2x4,8.10-2=49,0 Qri>K La réaction va évoluer dans le sens inverse formation de Ag+ et Fe2+.
B21 : Qri=n(Ag)/n(Fe2+)n(Ag+)=490 Qri>K donc réaction dans le sens indirect Ag=Ag+ + Fe2+. Parmi les élèves prévoyant une évolution en l’absence d’une espèce chimique nécessaire, deux en 2003 suppriment le soluté manquant de l’équation de réaction (comme B21).
Catégorie pas critère
Les réponses fondées uniquement sur l’équation de réaction (« équation ») sont présentes chaque année (entre 15% et 27%). Elles annoncent une évolution dans le sens direct ou une formation de Fe3+.
D20 : On peut prévoir une réaction entre Ag+ et Fe2+ on va donc avoir apparition d'ions Fe3+ et
un nouvelle formation d'argent.
G1 : Il va y avoir une réaction puisqu'il y a les 2 réactifs qui permettent une réaction telle que Ag++Fe2+=Ag+Fe3+.
B27 : La composition va changer [Ag+] va diminuer ; [Fe2+] va diminuer ;et n(Fe2+)
f=0 ; [Ag] va
augmenter ; [Fe3+] va augmenter. La réaction va se dérouler normalement sauf que dans l'état
final il y aura 0,012 mol en plus d'argent.
Les réponses de la catégorie (« qtt ») mentionnant les quantités de matière sont très minoritaires (4% au plus).
Les réponses envisageant une évolution sans formation de Fe3+ le soluté initialement absent (« évol sans »), ne sont pas très importantes (8% au plus). Ces réponses se fondent sur l’équation chimique lorsqu’elles font participer les trois espèces Ag+, Fe2+
et Ag.
J38 : Ici on peut prévoir une diminution de la quantité des ions Ag et Fe2+. On va assister
d'après l'équation chimique à la formation d'argent. Or il y en avait initialement donc sa quantité va augmenter.
Il peut s’agir d’une évolution restreinte aux espèces Ag+ et Ag, l’équation chimique
est alors remplacée par une demi-équation électronique, il n’y aurait qu’une réduction qui ne serait pas due à Fe2+ sans qu’il soit dit d’où l’électron proviendrait .
D3 : On peut supposer que de l'Ag va se former et qu'il n'y aura pas formation de Fe3+. En effet
d'après la demi-équation e–+Ag+=Ag, de l'argent va se former. Comme nAg+<nAg, les Ag+ ne
pourront pas réagir avec les Fe2+ pour donner du Fe3+.
J39 : Ce qu'on prévoit à quel niveau, des concentrations, des produits formés? On aura une réaction entre Ag et les ions Ag+. Les ions Fe2+ ne réagiront pas car il n'y a pas d'ions Fe3+. Entre Ag+ et Ag on aura une réduction : Ag+ +e- = Ag d'après l'équation chimique donc de
l'argent va se former.
Résumé des résultats
Cette question révèle les mêmes difficultés que la précédente.
La proportion d’élèves qui mettent en œuvre le critère d’évolution est importante (de 47% à 71%). Le taux de réponses satisfaisantes est en progression entre 2003 et 2005 (21% à 28% puis 44%). Bien que la proportion d’élèves qui commettent l’erreur de modifier le quotient de réaction soit en diminution au cours des trois années (de 43% à 18%), l’erreur persiste. Ils sont assez nombreux en 2003 (26%), moins les années suivantes (1% en 2004 et 9% en 2005) à prévoir une évolution dans le sens inverse alors qu’il n’y a pas d’espèce chimique pour la réaliser.
Remarquons par ailleurs que toutes catégories confondues ils sont entre 15% et 19% à exprimer l’idée que la transformation est totale, entre 6% et 8% à prévoir une évolution dans le sens direct sans formation de Fe3+.