Chapitre 2 : Prévoir et expliquer l’évolution des systèmes chimiques ; analyse
IV- 1.2.3.6.1) Toutes les espèces étant présentes
L’énoncé fournit une équation chimique mettant en jeu deux couples oxydant réducteur (cation métallique-métal) sans donner la constante d’équilibre. Le système comporte les deux cations en quantités égales et les deux métaux également en même quantité.
Soit l’équation chimique Pb(s)+Cu(2aq+) =Cu(s) +Pb(2aq+).
On dispose d’une solution aqueuse de nitrate de cuivre (II) à 1,0.10-2 mol.L-1, d’une solution aqueuse
de nitrate de plomb à 1,0.10-2 mol.L-1, de lames de plomb et de lames de cuivre.
A partir de cela on réalise différents mélanges. On se demande si la composition de chaque mélange va changer. Cochez la réponse qui vous convient dans chaque cas en l’expliquant.
c) On mélange 50 mL de solution d’ions cuivre (II), 50 mL de solution d’ions plomb et on y plonge une lame de plomb et une lame de cuivre, correspondant à environ 0,10 mol d’atomes de chaque métal et qui ne se touchent pas.
La composition du mélange va-t-elle changer ? oui, comment ?
non, pourquoi ?
on ne peut pas savoir, pourquoi ?
La réponse correcte est « on ne peut pas savoir », avec une justification du type suivant : en l’absence de K, on ne peut pas savoir quel est le sens d’évolution. On s’attend à ce que certains élèves choisissent la réponse « oui » en proposant l’évolution dans le sens direct, en se fondant sur l’équation chimique.
Les catégories de réponses
Les justifications ont été classées à partir des mêmes considérations que celles qui ont été effectuées au cours des analyses précédentes. Cela conduit aux catégories suivantes :
• Justification faisant appel à une utilisation quantitative ou qualitative du critère d’évolution, codée critère
• Justification faisant mention de deux sens de transformation ou de deux réactions, codée 2 sens
• Justification faisant mention d’un seul sens de transformation, codée 1 sens
• Justification faisant référence à une pile, codée pile
• Justification faisant référence à l’égalité des quantités en présence, codée m qtt
• autres
Les résultats
Tableau 34 : Résultats par catégories de réponses
catégories de réponse
année oui non on ne peut pas savoir absence de
réponse effectif
2004 44% (41) 31% (29) 21% (20) 4% (4) N=94 2005 42% (59) 38% (54) 16% (22) 4% (6) N=141
Les avis sont partagés. Les partisans d’une évolution sont les plus nombreux mais ils ne sont pas majoritaires (44% et 42%) ; les élèves qui pensent que la composition ne va pas varier sont presque aussi nombreux (31% et 38%).
Examinons les justifications qu’ils proposent.
Tableau 35 : Justifications des réponses pour toutes les catégories
JUSTIFICATIONS
réponse année (fréquence) critère 2 sens 1 sens m qtt pile autre sans
2004 (44%) 12% 13% 7% 10% 2% « oui » 2005 (41%) <1% 16% 13% 1% 9% 2% 2004 (31%) 10% 13% 6% 2% « non » 2005 (38%) 11% 1% 9% 5% 11% <1% 2004 (21%) 12% 4% 3% 2% « peut pas savoir » 2005 (16%) 5% 4% 1% 3% 3%
On peut remarquer que les élèves font appel aux deux réactions pour dire que le système ne change pas de composition, qu’il en change ou bien qu’on ne peut pas le savoir. Au contraire les autres justifications sont utilisées par les élèves en relation avec un type de choix particulier.
Justifications des élèves ayant choisi « on ne peut pas savoir »
La justification la plus fréquente (« critère », 12% en 2004 et 5% en 2005) précise qu’on ne connaît pas la constante d’équilibre donc qu’on ne peut pas appliquer le critère d’évolution.
G20 : Soit K la constante d'équilibre et Q=[Pb2+]/[Cu2+]=1 Si K<Q alors la transformation s'effectue dans le sens indirect de l'équation écrite Si K=Q le mélange n'évolue pas Si K>Q, la transformation s'effectue dans le sens direct de l'équation écrite.
H68 : On ne connaît pas la constante d'équilibre du système : si le rapport des concentrations est égal à K il n'y aura pas réaction, sinon elle aura lieu dans le sens direct ou inverse.
D’autres élèves (« 2 sens », 4% chaque année) disent simplement que deux réactions peuvent avoir lieu et qu’on ne sait pas laquelle « l’emporte ».
E39 : Selon l'équation écrite au départ, la réaction peut se produire dans les 2 sens. Or ici se trouvent mélangés tous les réactifs et les produits. Donc on ne peut pas prévoir dans quel sens va évoluer l'équation et si la composition va changer.
H104 : La réaction se fait dans les 2 sens donc la solution va à la fois créer des ions Cu2+ et
Pb2+ mais aussi du plomb et du cuivre. On ne sait pas si la réaction va pencher dans un sens
ou dans l'autre.
Justifications des élèves ayant choisi « oui »
Certains de ces élèves parlent de deux réactions ou de deux sens de transformation, parfois successifs (« 2 sens »). Dans quelques cas, ce ne sont que les dépôts métalliques différents qui sont mentionnés (12% en 2004 et 16% en 2005).
G18 : Cette expérience fait réagir les ions cuivre avec la lame de plomb en formant du Cu(s) et
du Pb2+. Puis les ions plomb et la lame de cuivre pour former du Pb(s) et du Cu2+. L'équation
chimique proposée n'est pas totale, la réaction s'effectue dans les deux sens.
E55 : Du cuivre se dépose sur la lame de plomb et du plomb se dépose sur la lame de cuivre. H132 : La réaction entraînera une formation de cuivre solide et d'ions Pb2+ puis une disparition de Pb(s) et de Cu2+ d'après l'équation.
D’autres, en proportion identique les deux années (13%, 12 en 2004 et 18 en 2005), annoncent un seul sens de transformation (« 1 sens »). En 2004 la moitié (6) prévoit le sens direct, quelques-uns (2) le sens inverse et d’autres (4) ne se prononcent pas en disant qu’en fait il peut y avoir évolution soit dans un sens soit dans l’autre. En 2005, 3 ne se prononcent pas sur le sens, et les 15 autres optent pour le sens direct. Les réponses placées dans la catégorie « pile » correspondent à des élèves qui parlent de réaction ou de transfert d’électrons uniquement entre le cation et le métal d’un même couple comme s’ils assimilaient la situation présentée à une pile, constituée de deux compartiments séparés, ou qui déclarent qu’il s’agit d’une pile. (« pile », 7% en 2004 et 1% en 2005)
E16 : Il y a réaction entre la lame de cuivre (Cu) et les ions Cu2+(aq), et entre la lame de plomb
Pb(s) et les ions Pb2+(aq).
G1 : Il va y avoir réaction car le mélange va fonctionner comme une pile. Il va y avoir de
l'énergie chimique obtenue à l'aide d'une réaction d'oxydoréduction (Cu2++2e-=Cu, Pb2++2e-
=Pb) en de l'énergie électrique. (les électrons vont circuler). H136 : Correspond à 1 pile : réaction d'oxydoréduction.
Justifications des élèves ayant choisi « non ».
Les réponses classées dans la catégorie « m qtt » (13% et 9%) mentionnent que le système ne change pas de composition car les espèces en présence sont en même quantité ou respectent les proportions stœchiométriques.
E12 : II y a rajout des deux côtés en concentrations égales donc la composition est la même. H108 : Car les réactifs étant en proportions stoechiométriques les quantités de matières resteront égales.
H18 : La composition du mélange ne vas pas changer car les espèces mises en solution ont la même concentration et il n'y a aucun contact entre les deux lames.
Les réponses de la catégorie « 2 sens » expriment l’idée que deux réactions inverses ayant lieu cela ne change pas la composition du système (10% et 11%). Quelques élèves précisent que ces réactions ont lieu à la même vitesse.
H93 : Les deux réactions peuvent se faire donc il n'y aura pas de changement.
E5 : Car le Pb(s) et le Cu2+(aq) vont réagir à la même vitesse que le Cu(s) et le Pb2+(aq) : les
transformations et les productions vont se compenser.
G29 : D'après l'équation Cu2+ et Pb vont produire Cu et Pb2+ déjà présent donc cela ne change
rien et Pb2+ et Cu vont produire déjà présent ce qui ne change rien.
En 2005, 5% des élèves expriment l’idée que les conditions ne sont pas réunies pour que la situation présentée évolue car ils l’assimilent à une pile qui ne peut pas fonctionner (« pile »).
H41 : Il n'y a pas de lien extérieur (fil) entre les lames; donc il n'y a pas de déplacement d'électrons pour avoir une pile.
H17 : Les métaux ne se touchent pas donc les électrons ne pourront pas circuler car l'air n'est pas conducteur.
Cette même année, deux élèves (1%) expriment l’idée que parce que les espèces sont déjà présentes, bien qu’il s’en forme, la composition ne change pas, ce qui est contradictoire (« 1 sens »).
H29 : La réaction entre les ions cuivre et la lame de plomb va produire des ions plomb et du cuivre à l'état solide. La composition ne change donc pas.