TP 8 Transformations et effets thermiques Transformations et effets thermiques
Objectifs
Objectifs de la séance :de la séance :
- Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental ;
- Savoir identifier et évaluer les effets thermiques d’une transformation (chimique ou physique) ; - Étudier l’influence du réactif limitant lors d’une transformation chimique.
Composition A Composition A Sachet 1
Sachet 1 : chlorure de calcium (CaCl: chlorure de calcium (CaCl22)) Sachet 2
Sachet 2 : eau: eau
Composition B Composition B Sachet 1
Sachet 1 : nitrate d'ammonium : nitrate d'ammonium (NH
(NH44NONO33)) Sachet 2 Sachet 2 : eau: eau
Le « froid » peut être utile en secourisme, particulièrement en milieu sportif car il a plusieurs effets : un effet antalgique (il calme la douleur), une action anti-inflammatoire (atténue la formation d’hématomes, d’œdèmes ...) et une action hémostatique (il diminue le saignement des fibres musculaires lésées en provoquant le rétrécissement des capillaires sanguins). Pour apaiser des contractures musculaires, on peut utiliser des poches de chaud immédiat… Ces poches contiennent deux sachets, séparés par une paroi interne : l’un contient un composé ionique, l’autre de l’eau. Pour les utiliser, il suffit de rompre cette paroi pour déclencher une réaction entre le composé ionique est l’eau et créer une sensation de chaud ou de froid.
Les compositions des sachets sont données ci-dessus.
Quelles sont les compositions des deux poches ?
1. 1. Se réchauffer chimiquement Se réchauffer chimiquement
Proposer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de retrouver la composition (A ou B) de chaque patch. Après avoir mis en œuvre le protocole, noter les résultats et les observations (voir feuille réponse).
Matériel :
Protocole expérimental :
2.
2. Mélanges d’espèces chimiques Mélanges d’espèces chimiques
Lorsque la dissolution d’un composé ionique s’accompagne d’une augmentation de la température, la réaction est dite exothermique ;
La dissolution d’un composé ionique peut également s’accompagner d’une diminution de la température. , la réaction est dite endothermique ;
Si aucun effet thermique n’apparait lors d’une transformation chimique, la réaction est dite athermique.
L’hydroxyde de sodium, le chlorure d’ammonium et le chlorure de sodium se présentent sous la forme de trois solides blancs à température ambiante.
Protocole expérimental :
Préparer 3 coupelles contenant respectivement 4 g d’hydroxyde de sodium (NaOH), 4 g de chlorure de sodium (NaCℓ) et 4 g de chlorure d’ammonium (NH4Cℓ) ;
Verser, à l’aide d’une éprouvette graduée, 25 mL d’eau distillée dans 3 béchers différents ;
Relever la température initiale θi de l’eau dans chaque bécher à l’aide de la sonde thermométrique ;
(feuille réponse)
Verser le contenu de chaque coupelle dans un bécher ;
Remuer avec un agitateur en verre jusqu’à dissolution complète ;
Relever la température finale θf de chaque solution. (voir feuille réponse) Questions
Q1. Compléter le schéma (voir feuille réponse) en indiquant, sous chaque bécher, le nom du composé Q1.
dissous.
Q2. Ces dissolutions sont-elles des transformations physiques ou chimiques ? Justifier la réponse.Q2.
Q3. Classer ces trois expériences dans la catégorie transformation endothermique ou exothermique.Q3.
3.
3. Influence du réactif limitant Influence du réactif limitant
Protocole expérimental :
Introduire, dans un erlenmeyer, 90,0 mL d’eau et 10,0 mL de solution aqueuse d’acide chlorhydrique ;
Placer l’erlenmeyer sur un agitateur magnétique et introduire un barreau aimanté puis mettre en marche l’agitation (modérée) ;
Plonger un thermomètre dans la solution et relever, lorsqu’elle est stabilisée, la température Ѳ1 du mélange dans l’état initial :
Ѳ1 = ………….
Prélever puis verser un volume V = 2,5 mL de solution aqueuse d’hydroxyde de sodium dans l’erlenmeyer en maintenant une agitation modérée ;
Relever de nouveau, lorsqu’elle est stabilisée, la température Ѳ du mélange et la reporter dans le tableau ci-dessous ;
Recommencer les étapes et pour différents volumes V (indiqués dans le tableau ci-dessous) de solution aqueuse d’hydroxyde de sodium et compléter le tableau des résultats.
Compléter le tableau des résultats ci-dessous.
Tableau des résultats :
V (mL) 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0
Ѳ (°C)
Ѳ = Ѳ – Ѳ1
(°C)
Questions
Q4. Cette transformation est-elle une transformation physique ou chimique ? Justifier la réponse.Q4.
Q5.
Q5. Classer cette expérience dans la catégorie transformation endothermique ou exothermique.
Q6. Écrire l’équation de la réaction entre l’acide chlorhydrique et l’hydroxyde de sodium.Q6.
Q7. Représenter le graphique Ѳ = f(V) de la variation de température Ѳ en fonction du volume V deQ7.
solution d’hydroxyde de sodium versé.
Q8. Interpréter ce graphique en identifiant deux zones et en déterminant le réactif limitant dans chaqueQ8.
zone.
Q9.
Q9. Que montre cette série d’expériences ? Conclure.
4.
4. Conclusion Conclusion
À partir des expériences que vous avez réalisées, répondez à la question du début de l’activité en justifiant votre réponse par l’utilisation de termes de vocabulaire appropriés (voir partie 2) et en indiquant la sensation ressentie en fonction de la poche utilisée et le type de transformation (physique ou chimique) qui se produit lors de son utilisation.
On se lave les mains en fin de TP
On se lave les mains en fin de TP !! !!
FEUILLE REPONSE
1.
1. Se réchauffer chimiquement Se réchauffer chimiquement
Observation(s) attendue(s) :
2. 2. Mélanges d’espèces chimiques Mélanges d’espèces chimiques
Tableau des résultats : (à compléter)
eau distillée + hydroxyde de
sodium
eau distillée + chlorure de
sodium
eau distillée + chlorure d’ammonium θi (en °C)
(température initiale)
θf (en °C)
(température finale)
Q1. Indiquez sous le nom de chaque bécher le nom du composé dissous :Q1.
Eau
Eau +
………
…..
………
…..
Eau +
………
…..
………
…..
Eau +
………
…..
………
…..
Réponses aux questions : Q2.Q2.
3.
3. Influence du réactif limitant Influence du réactif limitant
Tableau des résultats :
V (mL) 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0
Ѳ (°C)
Réponses aux questions : Q4.Q4.
4. 4. Conclusion Conclusion
T T ABLEAU ABLEAU DES DES COMPÉTENCES COMPÉTENCES MISES MISES EN EN ŒUVRE ŒUVRE DANS DANS L L ’ ’ ACTIVITÉ ACTIVITÉ
COMPÉTENCES Exemples de capacités et d’aptitudes
MOBILISERSES CONNAISSANCES
Connaître les notions scientifiques du programme, le vocabulaire approprié, les symboles adaptés, les unités.
S’APPROPRIER
Questionner, identifier, énoncer une problématique.
Rechercher, extraire et organiser l’information en lien avec la problématique étudiée.
Représenter la situation par un schéma.
Adopter une attitude critique vis-à-vis de l’information.
Identifier les risques.
RÉALISER
Réaliser un montage à partir d’un schéma.
Utiliser, dans un contexte donné, le matériel à disposition.
Exploiter une relation, un calcul littéral, utiliser un modèle.
Construire un graphique, un tableau, etc.
Effectuer un calcul numérique, utiliser les symboles et les unités appropriés, utiliser la calculatrice.
Effectuer un relevé de mesures.
Suivre un protocole expérimental donné en respectant les règles de sécurité, manipuler avec soin, veiller au rangement du plan de travail, etc.
ANALYSER / RAISONNER
Formuler une hypothèse.
Proposer une méthode, un calcul, un outil adapté ; faire des essais (choisir, adapter une méthode, un protocole).
Savoir choisir et combiner plusieurs actions.
Identifier les paramètres qui influencent un phénomène, choisir les grandeurs à mesurer.
Proposer, décrire un modèle ; utiliser un modèle pour prévoir, décrire et expliquer.
Élaborer ou justifier un protocole.
Percevoir la différence entre un modèle et la réalité, entre la réalité et une simulation.
VALIDER Interpréter des résultats, juger de la qualité d’une mesure (faire preuve d’esprit critique), etc.
Identifier des sources d’erreur, estimer l’incertitude d’une mesure, comparer à une valeur de Référence.
Confronter le résultat au résultat attendu (modèle) ou inversement, mettre en relation, déduire.
Proposer d’éventuelles améliorations de la démarche ou du modèle.
Valider ou invalider une information, une hypothèse, etc.
COMMUNIQUER (ÀL’AIDEDELANGAGESOU D'OUTILSSCIENTIFIQUES)
Communiquer des résultats, rédiger une solution, présenter une démarche de manière argumentée, synthétique et cohérente.
Rendre compte en utilisant un vocabulaire adapté et choisir des modes de représentation appropriés (résultat d’une grandeur ─ unité ─ chiffres significatifs).
Échanger entre pairs.
ÊTREAUTONOME, FAIRE PREUVED’INITIATIVE
S’impliquer.
Prendre des initiatives, anticiper, faire preuve de créativité.
Travailler en autonomie.
Travailler en équipe.
CORRECTION CORRECTION
Une transformation physique est une transformation au cours de laquelle la nature et les propriétés de la matière ne sont pas modifiées : les atomes et les molécules ne changent pas ;
Exemples : changement d’état, dissolution, extraction…
Une transformation chimique est une transformation au cours de laquelle la nature et les propriétés de la matière sont modifiées : les liaisons entre les atomes sont réarrangées et de nouvelles molécules sont crées ;
Exemples : synthèse, combustion…
1.
1. Se réchauffer chimiquement Se réchauffer chimiquement
Protocole expérimental :
Verser environ 5 mL d’eau distillée dans un tube à essai puis y plonger le thermomètre ;
Attendre que la température soit stabilisée et relever la température initiale θi ;
Ajouter une pointe de spatule d’un des solides ioniques et, sans sortir le thermomètre, agiter doucement pour que la dissolution soit totale ;
Noter la température finale θf atteinte par la solution.
Tableau des résultats :
Solide ionique NH4NO3 CaCl2
θi (en °C)
(température initiale) 25 25
θf (en °C)
(température finale) 20 28
Évolution de la
température Diminution Augmentation
Effet thermique Endothermici
té Exothermicité
2. 2. Mélanges d’espèces chimiques Mélanges d’espèces chimiques
Tableau des résultats :
eau distillée + hydroxyde de
sodium
eau distillée +
chlorure de sodium
eau distillée + chlorure d’ammonium θi (en °C)
(température initiale) 20,1 20,1 20,1
θf (en °C)
(température finale) 40,3 20,0 14,7
Q1. Composés dissous :Q1.
Eau
Eau + Chlorure d’ammonium
Eau + Hydroxyde de
sodium
Eau + Chlorure de
sodium Endothermique Exothermique Athermique Q2.
Q2. Ces expériences sont des transformations physico-chimiques : la dissolution est la dispersion des ions constituants le solide ionique sous l’effet d’une solvatation avec rupture des liaisons ioniques dans le cristal ionique.
Q3. Voir tableau de la question Q1.Q3.
3. 3. Influence du réactif limitant Influence du réactif limitant
Tableau des résultats :
V (mL) 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0
Ѳ (°C)
Réponses aux questions :
Q4. Il s’agit d’une transformation chimique : une nouvelle molécule est crée (molécule d’eau) et la solutionQ4.
obtenue n’est ni acide ni basique donc les propriétés sont différentes.
Q5.
Q5. Après mélange des deux solutions, la température du mélange augmente. Il s’agit donc d’une réaction exothermique.
Q6.
Q6. Équation de la réaction (0,5 pt) :
H3O+(aq) + HO–(aq) 2 H2O(ℓ)
H+(aq) + HO–(aq) H2O(ℓ)
Q7. Graphique Ѳ = f(V) : voir fichier Excel. (2 pts)Q7.
Q8. Jusqu’à V < 10,0 mL, le réactif limitant est l’ion hydroxyde HOQ8. –, il suffit de calculer les quantités de matière des réactifs pour s’en rendre compte. Au-delà, il s’agit de l’ion hydrogène H+ (ou oxonium H3O+).
(1,5 pt) Q9.
Q9. Cette série d’expériences montre que la réaction est exothermique et l’élévation de température dépend de la quantité de réactif limitant introduite. (1 pt)
4. 4. Conclusion Conclusion
Composition B Composition B Sachet 1
Sachet 1 : nitrate d'ammonium : nitrate d'ammonium (NH(NH44NONO33))
Sachet 2 Sachet 2 : eau: eau
Composition A Composition A Sachet 1
Sachet 1 : chlorure de calcium (CaCl: chlorure de calcium (CaCl22)) Sachet 2
Sachet 2 : eau: eau
- Lorsqu’on mélange du nitrate (ou chlorure) d’ammonium avec de l’eau, il se produit une transformation chimique endothermique (voir expérience de la partie 2) qui crée une sensation de froid. La composition de la poche de froid instantané est donc la B ;
- Par déduction, la composition de la poche de chaud est la A : lorsqu’on mélange le contenu des deux sachets il se produit une transformation chimique exothermique qui crée une sensation de chaud.
FICHE TP N°8 –
FICHE TP N°8 – Transformations et effets thermiques Transformations et effets thermiques
Type d’activité : Activité expérimentale (TP 1,5 h)
Conditions de mise en œuvre : manipulation en binômes.
Pré- requis :
Utilisation d’un thermomètre ;
Notion d’espèces chimique, de réactif limitant ;
Transformations chimique / physique ;
Les changements d’états de l’eau ;
Conditions de sécurité nécessaires à l’utilisation de produits chimiques.
NOTIONS ET CONTENUS COMPETENCES ATTENDUES
Modélisation microscopique d’un changement d’état. Transformations physiques endothermiques et exothermiques.
Distinguer fusion et dissolution.
Transformations chimiques endothermiques et exothermiques.
Mesurer une variation de température pour déterminer le caractère endothermique ou exothermique d’une transformation chimique et étudier l’influence de la masse du réactif limitant.
Matériel (par table) :
- 3 coupelles en verre ;
- 1 thermomètre numérique (LabQuest + sonde) ;
- 3 béchers de 50 mL (forme haute) ;
- 1 agitateur en verre ;
- 1 éprouvette graduée de 50mL ;
- 1 éprouvette graduée de 10 mL ;
- 1 burette (pour l’acide chlorhydrique) ;
- 1 pissette d’eau distillée ;
- Solution aqueuse d’acide chlorhydrique (c = 1 mol.L–
1) ;
- Solution aqueuse d'hydroxyde de sodium (c = 1 mol.L–1) ;
- 1 erlenmeyer de 250 mL ;
- 1 agitateur magnétique + barreau aimanté ;
- 1 paire de gants ;
- 1 paire de lunette de protection ;
- 1 ordinateur avec tableur-grapheur ou 1 feuille de papier millimétré.
Bureau professeur :
- 1 poche de « froid » ;
- 1 poche de « chaud » ;
- Hydroxyde de sodium (solide, pastilles) ;
- Chlorure d’ammonium solide ;
- Chlorure de sodium solide.
- 3 balances électroniques au 1/10ème.
Déroulement de la séance :
Présenter les deux poches et initier une discussion avec les élèves : comment identifier leur contenu ?
Élaborer un protocole expérimental avec la classe.
Laisser les élèves réaliser les expériences en autonomie.
Expérience amusante : la « soudure » à l’eau
Sur une planche en bois, verser de l’eau et poser dessus un erlenmeyer contenant environ 20 g de nitrate d’ammonium solide NH4NO3 (s) ;
Verser alors 20 mL d’eau dans l’erlenmeyer et agiter avec une tige de verre jusqu’à dissolution complète sans bouger le récipient ;
Boucher l’erlenmeyer et retourner la planche.
En observant la planche, on remarque une pellicule de glace entre celle-ci et l’erlenmeyer, ce qui explique que ce dernier ne tombe pas lorsqu’on retourne la planche.
Source de l’activité Source de l’activité
Inspiré de l’activité n°3 p178 (BORDAS 2nd, Collection E.S.P.A.C.E Lycée – Programme 2010)
