Chapitre 2 : Prévoir et expliquer l’évolution des systèmes chimiques ; analyse
IV- 1.2.3.2) Pour un système homogène où toutes les espèces sont présentes en
L’équation de réaction figurant dans l’énoncé ne met en jeu que des solutés, deux couples acide-base. Toutes les espèces chimiques intervenant dans l'équation de réaction sont présentes initialement en quantités égales et l'on demande si les concentrations des espèces chimiques sont susceptibles d’évoluer. En 2003 les deux couples acido-basiques étaient présentés comme tels, les années suivantes cela n’est plus précisé.
Soit l’équation chimique ROH(aq) +NH3(aq) =RO(−aq)+NH+4(aq) de constante d'équilibre associée K= 0,20.
On dispose des quatre solutions aqueuses suivantes :
solution de phénol (ROH(aq)), solution de phénolate de sodium (RO(−aq) +Na+(aq)), solution d'ammoniac (NH3(aq)), solution de chlorure d'ammonium.(NH+4(aq)+Cl−(aq)).
A partir de ces solutions, on réalise différents mélanges de volume total égal à 100 mL.
On se demande si les concentrations des espèces chimiques dans chaque mélange vont changer. Dites ce que vous prévoyez dans chaque cas et expliquez pourquoi.
a) Dans le premier mélange, les espèces chimiques en présence initialement sont telles que n(ROH)= 1,0.10-3 mol; n(NH3)=1,0.10-3 mol; n(RO–)=1,0.10-3 mol; n(NH4+)= 1,0.10-3 mol.
Le quotient de réaction initial du système est égal à 1, la constante d’équilibre étant inférieure à 1, le système va évoluer dans le sens inverse12.
Etant donné l’égalité des quantités de matière initiales on s’attend à ce que certains élèves ne mettent pas en œuvre le critère d’évolution et se fondent sur cette égalité pour prévoir une absence d’évolution.
Les catégories de réponses
Les réponses ont été classées de la façon suivante :
Mise en œuvre du critère d’évolution par calcul du quotient de réaction • Quotient exact et conclusion exacte, réponses codées QECE • Quotient exact et conclusion fausse ou absente, réponses codées
QECF
• Erreur dans le calcul du quotient, codées CaF Pas de mise en œuvre du critère d’évolution :
12 En 2003, suite à une erreur de manipulation de fichier lors de l’édition des questionnaires, pour les élèves A17 à A27, l’équation de réaction est écrite dans l’autre sens ce qui inverse l’expression du quotient de réaction et le sens d’évolution prévisible, qui est donc pour ces quelques élèves le sens direct.
• Mention de l’égalité des quantités de matière ou des concentrations, réponses codées même qtt
• Evolution dans le sens direct de l’équation chimique, réponses codées équation
• Réponses exprimant l’idée que deux réactions ont lieu, codées
2réac
• Réponses autres
Les résultats
Tableau 24 : Résultats par catégories de réponses
Catégories de réponses
Année critère pas critère absence
de réponse effectif
2003 66% 26% 7% N=55
2004 60% 33% 7% N=85
2005 69% 30% 1% N=102
Une majorité d’élèves met en jeu le critère d’évolution, ils sont environ un tiers à ne pas y recourir.
Voyons plus en détail la nature des réponses formulées par les élèves. Tableau 25 : Répartition des réponses par sous-catégories
critère pas critère
année QECE QECF CaF équation même qtt 2réac autre
absence de réponse 50% 16% 0% 11% 11% 0% 4% 7% 2003 66% 26% 42% 13% 5% 18% 11% 2% 2% 7% 2004 60% 33% 52% 12% 5% 10% 16% 3% 2% 1% 2005 69% 30% Catégorie critère
La proportion d’élèves effectuant un calcul exact du quotient de réaction est supérieure à 50% chaque année.
I91 : Qri=([RO-]x [NH4+])/([ROH]x [NH3]) =1; Qri> Qreq. Le système va évoluer dans le sens inverse, vers la gauche.
F77 : Qr,i=[RO-]ix[NH4+]i/([ROH]ix[NH3]i) ici Qr,i=1 ici Qr,i>K Donc il va y avoir formation de
Malgré un calcul correct du quotient de réaction (catégorie QECF) environ 15% des élèves concluent de façon contradictoire ou ne disent pas quelles concentrations vont augmenter ou diminuer.
I44 : Qr,i=([RO-]x [NH4+])/([ROH]x [NH3])=1 > K le système évolue dans le sens direct. [ROH]=[NH3]=[RO-]=[NH4+].
I66 : on cherche le Qri pour le comparer au K. Qri=([RO-]x[NH4+])/([ROH]x[NH3])=1 Qri>K la réaction évolue dans le sens indirect. Donc les concentrations en RO- et en NH4+ vont
augmenter alors que les concentrations en ROH et NH3 vont diminuer.
F34 : Qr,i=1.
Catégorie pas critère
Les réponses classées dans la sous-catégorie « équation » affirment que le système évolue dans le sens direct de l’équation chimique. Chaque année environ la moitié de ces réponses (5%, 12%, 8%) indique que la transformation est totale.
I1 : Pour le premier mélange NH3 et ROH sont entièrement consommés et [RO-] et [NH4+]
augmente. C'est une réaction acide/base avec les couples ROH/RO-, NH4+/NH3.
F24 : ROH et NH3 réagissent ensemble pour former RO- et NH4+. Etant donné que leur quantité
de matière initiale sont les mêmes. ROH et NH3 auront disparu alors que RO- et NH4+
persisteront.
Les réponses classées dans la sous-catégorie « même qtt » mentionnent que les concentrations ne changent pas. Parmi celles-ci, certaines ne font aucune allusion à l’équation chimique (11% au plus).
I9 : Je pense que les concentrations des espèces chimiques dans chaque cas ne vont pas changer car toutes les quantités de matière sont identiques et le volume de ces solutions est identique. Comme la concentration ne dépend que de la quantité de matière et du volume elles seront donc identiques (C=n/V).
F37 : Les espèces ont la même quantité de matière C=n/V d'où 1,0x10-3/0,1=0,01 mol/L.
A11 : Les concentrations ne vont pas changer car on sait que C=n/V. Ici n est la même pour chaque espèce chimique et V est constant donc les concentrations restent les mêmes.
Les autres (5% au plus) font un lien avec l’équation chimique, en parlant de proportions stoechiométriques ou de nombres stoechiométriques.
F41 : La réaction est ROH+NH3=RO-+NH4+ or ils sont dans les mêmes quantités de matière donc dans les proportions stoechiométriques vu qu'il n'y a pas de coefficient devant les réactifs et les produits donc la réaction ne bougera plus.
A6 : Les concentrations ne vont pas changer car les espèces chimiques sont introduites dans les mêmes quantités et dans les proportions stoechiométriques
Quelques réponses très peu nombreuses (3% au plus) indiquent que les concentrations ne vont pas changer parce qu’il y a deux réactions inverses dont les effets se compensent (« 2réac »).
I63 : Les concentrations des espèces chimiques ne vont pas changer. En effet, on a la même quantité de matière initiale pour toutes les espèces. Etant donné que la réaction semble se
produire dans les deux sens il y aura autant de RO- et NH4+ produits que transformés en ROH
et NH3. Idem pour ROH et NH3’ d'autant plus que les 4 espèces sont en proportion
stoechiométriques la mmol de ROH qui va réagir avec la mmol de NH3 va donner 1 mmol de
RO- et NH4+ et inversement.
Les absences de réponses sont peu nombreuses.
Résumé des résultats
Ce cas ne présentait pas de difficulté particulière dans le calcul du quotient de réaction, qui valait 1. Parmi les 60% à 69% d‘élèves qui mettent en œuvre le critère, la proportion commettant une erreur dans la conclusion ou le calcul du quotient n’est pas négligeable (entre 16 et 18%). De ce fait les réponses satisfaisantes ne représentent qu’une petite moitié des réponses fournies. Les raisonnements alternatifs consistant à s’appuyer sur l’égalité des quantités initiales ou sur l’équation de réaction sont partagés chacun, par environ 10% des élèves chaque année.
IV-1.2.3.3) Lorsqu’un soluté « produit » est absent