88
L’ÉLECTROCHIMIE page 6.01

Programme d’études - Manitoba Education and Training · ... entre autres les contributions d’Alessandro Volta, de Luigi Galvani;

Embed Size (px)

Citation preview

  • LLECTROCHIMIE

    page 6.01

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.03

    APERU DU REGROUPEMENT

    Dans le prsent regroupement, les lves poursuivront leur tude des ractions doxydorduction en tudiant les piles voltaques et lectrolytiques. Ils utiliseront les potentiels standard dlectrodes donnes pour prdire la spontanit de ractions doxydorduction.

    CONSEILS DORDRE GNRAL

    Les lves devraient pouvoir dterminer les nombres doxydation de tous les lments dune raction doxydorduction et indiquer llment oxyd et llment rduit, ainsi que les agents oxydant et rducteur. Si les lves nont pas encore prsent les rsultats de leur recherche sur les applications des ractions doxydorduction entame au regroupement 1, on doit leur laisser le temps de le faire.

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.04

    BLOCS DENSEIGNEMENT SUGGRS

    Afin de faciliter la prsentation des renseignements et des stratgies denseignement et dvaluation, les RAS de ce regroupement ont t disposs en blocs denseignement. Il est souligner que, tout comme le regroupement lui-mme, les blocs denseignement ne sont que des pistes suggres pour le droulement du cours de chimie. Lenseignant peut choisir de structurer son cours et ses leons en privilgiant une autre approche. Les lves doivent cependant russir les RAS prescrits par le Ministre pour la chimie 12e anne.

    Outre les RAS propres ce regroupement, plusieurs RAS transversaux de la chimie 12e anne ont t rattachs aux blocs afin dillustrer comment ils peuvent tre enseigns pendant lanne scolaire.

    Titre du bloc RAS inclus dans le bloc Dure suggre

    Bloc A La srie dactivit C12-6-01, C12-6-02, C12-0-S1, C12-0-S5

    2 h

    Bloc B Lvolution historique des piles voltaques

    C12-6-03, C12-0-R1, C12-0-R2, C12-0-R3, C12-0-N1, C12-0-N2, C12-0-N3

    1 h

    Bloc C La pile voltaque C12-6-04, C12-6-05, C12-0-C1, C12-0-S4, C12-0-S5, C12-0-A1

    3 h

    Bloc D Le potentiel standard C12-6-06, C12-6-07, C12-6-08, C12-0-C1

    2,5 h

    Bloc E Les piles lectrolytiques C12-6-09, C12-6-10, C12-6-11, C12-0-C1, C12-0-C2, C12-0-T3

    3,5 h

    Bloc F Rsolution de problmes C12-6-12, C12-0-C1, C12-0-C2, C12-0-N2, C12-0-T1, C12-0-T3

    2 h

    Rcapitulation et objectivation pour le regroupement en entier 1 2 hNombre dheures suggr pour ce regroupement 15 h 16 h

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.05

    RESSOURCES DUCATIvES POUR LENSEIGNANT

    Vous trouverez ci-dessous une liste de ressources ducatives qui se prtent bien ce regroupement. Il est possible de se procurer la plupart de ces ressources la Direction des ressources ducatives franaises (DREF) ou de les commander auprs du Centre de ressources dapprentissage du Manitoba (CRA).

    [R] indique une ressource recommande

    LIvRES

    [R] CLANCY, Christina, et al. Chimie 11 STSE Guide denseignement, Montral, Chenelire ducation Inc., 2011. (DREF 540 C518c 11, CRA 97382)

    [R] CLANCY, Christina, et al. Chimie 11 STSE Manuel de llve, Montral, Chenelire ducation Inc., 2011. (DREF 540 C518c 11, CRA 97383)

    [R] CLANCY, Christina, et al. Chimie 12 STSE Manuel de llve, Montral, TC Mdia Livres Inc., 2014. (CRA 98878)

    [R] EDWARDS, Lois, et al. Chimie 12 STSE Guide denseignement, Montral, TC Mdia Livres Inc., 2014. (CRA 91609)

    FLAMAND, Eddy et Jean-Luc ALLARD. Chimie gnrale, 2e dition, Mont-Royal, d. Modulo, 2004. (DREF 541 F577c)

    HILL, John W. et al. Chimie gnrale, Saint-Laurent, d. du Renouveau pdagogique, 2008. (DREF 541 H646c 2008)

    [R] JENKINS, Frank, et al. Chimie 11-12 Guide denseignement, Montral, Groupe Beauchemin, 2008. (DREF 540 J52ch, CRA 96139)

    [R] JENKINS, Frank, et al. Chimie 11-12 Manuel de llve, Montral, Groupe Beauchemin, 2008. (DREF 540 J52ch, CRA 97715)

    [R] MANITOBA. MINISTRE DE LDUCATION ET DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE. Lenseignement des sciences de la nature au secondaire : Une ressource didactique, Winnipeg, Manitoba, Le Ministre, 2000. (DREF P.D. 507.12 E59, CRA 93965) [stratgies de pdagogie diffrencie]

    [R] MANITOBA. MINISTRE DE LDUCATION ET DE LENSEIGNEMENT SUPRIEUR. La scurit en sciences de la nature : Un manuel ressource lintention des enseignants, des coles et des

    divisions scolaires, Winnipeg, Manitoba, Le Ministre, 2015. (DREF P.D. 372.35 5446, CRA 98839)

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.06

    [R] MUSTOE, Frank, et al. Chimie 11 Guide denseignement, Montral, Les d. de la Chenelire Inc., 2002. (DREF 540 C518c 11, CRA 91607)

    [R] MUSTOE, Frank, et al. Chimie 11 Manuel de llve, Montral, Les d. de la Chenelire Inc., 2002. (DREF 540 C518c 11)

    [R] MUSTOE, Frank et John IVANCO. Chimie 12 Guide denseignement, Montral, Les d. de la Chenelire Inc., 2003. (DREF 540 C518c 12, CRA 91609)

    [R] MUSTOE, Frank et John IVANCO. Chimie 12 Manuel de llve, Montral, Les d. de la Chenelire Inc., 2003. (DREF 540 C518c 12, CRA 91610)

    AUTRES IMPRIMS

    LActualit, ditions Rogers Media, Montral (Qubec). DREF PRIODIQUE. [revue publie 20 fois lan; articles dactualit canadienne et internationale]

    a mintresse, Prisma Presse, Paris (France). DREF PRIODIQUE. [revue mensuelle; beaucoup de contenu STSE; excellentes illustrations]

    Dcouvrir : la revue de la recherche, Association francophone pour le savoir, Montral (Qubec). DREF PRIODIQUE [revue bimestrielle de vulgarisation scientifique; recherches canadiennes]

    Pour la science, d. Blin, Paris (France). DREF PRIODIQUE [revue mensuelle; version franaise de la revue amricaine Scientific American]

    [R] Qubec Science, La Revue Qubec Science, Montral (Qubec). DREF PRIODIQUE. [revue publie 10 fois lan]

    [R] Science et vie junior, Excelsior Publications, Paris (France). DREF PRIODIQUE. [revue mensuelle; excellente prsentation de divers dossiers scientifiques; explications logiques avec beaucoup de diagrammes]

    [R] Science et vie, Excelsior Publications, Paris (France). DREF PRIODIQUE. [revue mensuelle; articles plus techniques]

    Sciences et avenir, La Revue Sciences et avenir, Paris (France). DREF PRIODIQUE. [revue mensuelle; articles dtaills]

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.07

    DISQUES NUMRISS ET LOGICIELS

    [R] JENKINS, Frank, et al. Chimie 11-12 Banque dvaluation informatise, Montral, d. Chenelire ducation, 2008. (DREF 540 J52ch, CRA 96140)

    [R] JENKINS, Frank, et al. Chimie 11-12 Banque dimages, Montral, d. Chenelire ducation, 2008. (DREF 540 J52ch, CRA 96141)

    SITES WEB

    Agence Science-Presse. http://www.sciencepresse.qc.ca/(consult le 31 dcembre 2014). [excellent rpertoire des actualits scientifiques issues de nombreuses sources internationales; dossiers trs informatifs]

    [R] Alessandro Volta. http://fr.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta (consult le

    31 dcembre 2014).

    [R] Animations, application de physique chimie. http://www.physagreg.fr/animations.php (consult le 31 dcembre 2014).

    [R] Awesome Engine Animation. https://www.youtube.com/watch?v=OXd1PlGur8M&feature=related

    (consult le 31 dcembre 2014). [site qui montre une animation de la combustion dans un engin de voiture (site en anglais)]

    [R] Cest pas sorcier piles et batteries. https://www.youtube.com/watch?v=mItO3l82Ic0 (consult le 31 dcembre 2014). [mission sur les piles qui comprend une bonne explication du fonctionnement de la pile lectrolytique. Il y a aussi des bonnes explications des diffrents types de piles. Le DVD est aussi disponible la DREF]

    [R] Chimie en solution aqueuse loxydorduction piles lectrochimiques. http://www.uel.education.fr/consultation/presentation/present/maquette/exemples_uel/module_ex/apprendre/chimie/ex2/titre9.htm (consult le 31 dcembre 2014). [animation dune pile Daniell avec explications]

    [R] La chimie.net. http://www.lachimie.net/(consult le 12 juillet 2014). [site avec beaucoup dinformation et dexercices]

    http://www.sciencepresse.qc.ca/http://fr.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Voltahttp://www.physagreg.fr/animations.phphttps://www.youtube.com/watch?v=OXd1PlGur8M&feature=relatedhttps://www.youtube.com/watch?v=mItO3l82Ic0http://www.uel.education.fr/consultation/presentation/present/maquette/exemples_uel/module_ex/apprendre/chimie/ex2/titre9.htmhttp://www.uel.education.fr/consultation/presentation/present/maquette/exemples_uel/module_ex/apprendre/chimie/ex2/titre9.htmhttp://www.lachimie.net/

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.08

    [R] Department of Chemistry Iowa State University Electrochemical cell experiment. http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/

    electroChem/volticCell.html (consult le 31 dcembre 2014). [cette simulation aide les lves crer leur propre pile lectrochimique; les lves doivent choisir les lectrodes et les solutions ioniques ncessaires pour crer une pile lectrochimique fonctionnelle (site en anglais)]

    [R] Department of Chemistry Iowa State University Metals in Aqueous Solutions. http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/

    redox/home.html (consult le 31 dcembre 2014). [simulation de ractions de diffrents mtaux dans diverses solutions aqueuses (site en anglais)]

    [R] The electrochemical cell.http://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electricity/Electrochemical_Cell/Electroche-mical_Cell.html (consult le 31 dcembre 2014). [site en anglais]

    [R] Encyclopdie de LAgora. http://agora.qc.ca/mot.nsf/Dossiers/Alessandro_Volta (consult le 31 dcembre 2014). [biographie dAlessandro Volta]

    [R] Expriences dlectrochimie la batterie au citron. http://www.funsci.com/fun3_fr/elechim/elechim.htm (consult le 31 dcembre 2014).

    [R] Experiments in electrochemistry. http://www.funsci.com/fun3_en/electro/electro.htm (consult le 31 dcembre 2014). [site en anglais]

    [R] Galvani, Luigi. http://www.memo.fr/Dossier.asp?ID=1223 (consult le 31 dcembre 2014).

    [R] Lhistoire de la pile lectrique. http://www.tetraconcept.com/grizzly/pile.htm (consult le 31 dcembre 2014).

    [R] Histoire de llectricit. Galvani, Volta et la dcouverte de la pile lectrique. http://seaus.free.fr/spip.php?article844 (consult le 31 dcembre 2014).

    [R] Luigi Galvani. http://www.corrosion-doctors.org/Biographies/GalvaniBio.htm (consult le 31 dcembre 2014). [site en anglais]

    [R] La pile Daniell. http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/terminale_TS/daniell.htm

    (consult le 31 dcembre 2014). [excellente animation qui permet dobserver le fonctionnement de la pile Daniell lchelle molculaire]

    http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/electroChem/volticCell.htmlhttp://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/electroChem/volticCell.htmlhttp://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/redox/home.htmlhttp://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/redox/home.htmlhttp://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electricity/Electrochemical_Cell/Electrochemical_Cell.htmlhttp://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electricity/Electrochemical_Cell/Electrochemical_Cell.htmlhttp://agora.qc.ca/mot.nsf/Dossiers/Alessandro_Voltahttp://www.funsci.com/fun3_fr/elechim/elechim.htmhttp://www.funsci.com/fun3_en/electro/electro.htmhttp://www.memo.fr/Dossier.asp?ID=1223http://www.tetraconcept.com/grizzly/pile.htmhttp://seaus.free.fr/spip.php?article844http://www.corrosion-doctors.org/Biographies/GalvaniBio.htmhttp://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/terminale_TS/daniell.htm

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.09

    [R] Pile de Volta. http://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/mini-sites/projet_europe/FLASH/VOLTEXP.SWF (consult le 31 dcembre 2014). [site permet-tant de simuler le montage dune pile de Volta]

    [R] Pile voltaque. http://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_volta%C3%AFque (consult le 31 dcembre 2014).

    [R] Raymond Chang Chemistry Animation Center Oxidation Reduction Reactions. http://www.crescent.edu.sg/crezlab/webpages/pptReaction3.htm

    (consult le 31 dcembre 2014). [animation de la raction de dplacement simple entre le zinc et le sulfate de cuivre ainsi que le cuivre et le nitrate dargent (site en anglais)]

    [R] Raction entre lacide nitrique concentr et le mtal cuivre.

    http://video.coursgratuits.net/200/p-chimie-acide-nitrique-et-metal-cuivre.php (consult le 31 dcembre 2014).

    [R] La saga de la chimie moderne Alessandro Volta.http://www.ensc-rennes.fr/digitalAssets/60/60912_volta.pdf (consult le 31 dcembre 2014).

    [R] Scheme of Electrochemical Cell. http://chimge.unil.ch/En/redox/1red13.htm (consult le 31 dcembre 2014). [site en anglais]

    [R] Sciences en ligne. http://www.sciences-en-ligne.com (consult le 14 juillet 2014). [excellent magazine en ligne sur les actualits scientifiques; comprend un dictionnaire interactif pour les sciences, lintention du grand public]

    http://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/minisites/projet_europe/FLASH/VOLTEXP.SWFhttp://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/minisites/projet_europe/FLASH/VOLTEXP.SWFhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_volta%C3%AFquehttp://www.crescent.edu.sg/crezlab/webpages/pptReaction3.htmhttp://video.coursgratuits.net/200/p-chimie-acide-nitrique-et-metal-cuivre.phphttp://www.ensc-rennes.fr/digitalAssets/60/60912_volta.pdfhttp://chimge.unil.ch/En/redox/1red13.htmhttp://www.sciences-en-ligne.com

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.10

    RSULTATS DAPPRENTISSAGE THMATIQUES

    Llve sera apte :

    C12-6-01 laborer de faon exprimentale une srie dactivit; RAG : C2

    C12-6-02 prdire la spontanit de ractions partir dune srie dactivit; RAG : D3

    C12-6-03 retracer dans les grandes lignes lvolution historique des piles voltaques, entre autres les contributions dAlessandro Volta, de Luigi Galvani; RAG : A2, A4, B1

    C12-6-04 expliquer le fonctionnement dune pile voltaque (galvanique) lchelle macroscopique, molculaire et symbolique,

    entre autres crire la demi-raction, la raction globale et la notation abrge; RAG : D3, E4

    C12-6-05 construire une pile voltaque (galvanique) fonctionnelle et mesurer sa tension; RAG : C2

    C12-6-06 dfinir le potentiel standard dune lectrode, entre autres avec llectrode dhydrogne comme lectrode de rfrence; RAG : D3

    C12-6-07 calculer les potentiels standard de piles partir des potentiels standard dlectrodes donns;

    RAG : D3

    C12-6-08 prdire la spontanit de ractions partir de potentiels standard dlectrode; RAG : D3

    C12-6-09 comparer les piles voltaques et les piles lectrolytiques; RAG : D3

    C12-6-10 expliquer le fonctionnement dune pile lectrolytique lchelle macroscopique, molculaire et symbolique,

    entre autres llectrolyse dun compos ionique fondu, llectrolyse dun compos ionique aqueux;

    RAG : D3, E4

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.11

    RSULTATS DAPPRENTISSAGE THMATIQUES (suite)

    C12-6-11 dcrire des utilisations pratiques des piles lectrolytiques, par exemple llectrolyse de leau, llectrolyse de saumure, la galvanoplastie, la

    production et la purification des mtaux; RAG : B1, B2

    C12-6-12 rsoudre des problmes impliquant des piles lectrolytiques laide de la loi de Faraday.

    RAG : D3

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.12

    RSULTATS DAPPRENTISSAGE SPCIfIQUES TRANSvERSAUx

    Llve sera apte :

    Dmonstration de la comprhension

    C12-0-C1 utiliser des stratgies et des habilets appropries pour dvelopper une comprhension de concepts en chimie,

    par exemple les analogies, les cadres de concepts, les organigrammes, les manipulatifs, les reprsentations particulaires, les jeux de rle, les simulations, les cadres de tri et de prdiction, les cycles de mots;

    RAG : D3

    C12-0-C2 dmontrer une comprhension de concepts en chimie, par exemple utiliser un vocabulaire scientifique appropri, expliquer un concept une

    autre personne, comparer, appliquer ses connaissances une nouvelle situation ou un nouveau contexte, crer une analogie, utiliser des manipulatifs;

    RAG : D3

    tude scientifique

    C12-0-S1 faire preuve dhabitudes de travail qui tiennent compte de la scurit personnelle et collective, et qui tmoignent de son respect pour lenvironnement,

    entre autres la connaissance et lemploi de mesures de scurit, de rglements du Systme dinformation sur les matires dangereuses utilises au travail (SIMDUT) et de lquipement durgence appropris;

    RAG : B3, B5, C1, C2

    C12-0-S2 noncer une hypothse ou une prdiction base sur des donnes existantes ou sur des vnements observs;

    RAG : C2

    C12-0-S3 planifier une exprience afin de rpondre une question scientifique prcise, entre autres prciser le matriel ncessaire, dterminer les variables

    dpendantes, indpendantes et contrles, prciser les mthodes et les mesures de scurit suivre;RAG : C1, C2

    C12-0-S4 slectionner et employer lquipement scientifique de faon approprie et scuritaire,

    par exemple la verrerie jauge, la balance, le thermomtre; RAG : C1, C2

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.13

    RSULTATS DAPPRENTISSAGE SPCIfIQUES TRANSvERSAUx (suite)

    C12-0-S5 enregistrer, organiser et prsenter des donnes dans un format appropri, par exemple des diagrammes tiquets, des graphiques, des applications multimdias,

    des logiciels, des sondes; RAG : C2, C5

    C12-0-S6 estimer et mesurer avec exactitude, en utilisant des units du Systme international (SI) ou dautres units standard,

    entre autres les conversions SI, les chiffres significatifs; RAG : C2

    C12-0-S7 reconnatre des rgularits et des tendances dans les donnes, en infrer et en expliquer des relations;

    RAG : C2, C5

    C12-0-S8 valuer la fiabilit et lexactitude des donnes et des mthodes de collecte de donnes,

    entre autres les carts dans les donnes, les sources derreur, le pourcentage derreur;

    RAG : C2, C5

    C12-0-S9 tirer une conclusion fonde sur lanalyse et linterprtation des donnes, entre autres expliquer les relations de cause effet, dterminer dautres

    explications, appuyer ou rejeter une hypothse ou une prdiction; RAG : C2, C5, C8

    Recherche et communication

    C12-0-R1 tirer des informations dune varit de sources et en faire la synthse, entre autres imprimes, lectroniques et humaines; RAG : C2, C4, C6

    C12-0-R2 valuer linformation obtenue afin de dterminer lutilit des renseignements, par exemple lexactitude scientifique, la fiabilit, le degr dactualit, la pertinence,

    lobjectivit, les prjugs; RAG : C2, C4, C5, C8

    C12-0-R3 citer ou noter des rfrences bibliographiques selon les pratiques acceptes; RAG : C2, C6

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.14

    RSULTATS DAPPRENTISSAGE SPCIfIQUES TRANSvERSAUx (suite)

    C12-0-R4 communiquer linformation sous diverses formes en fonction du public cible, de lobjectif et du contexte;

    RAG : C5, C6

    Travail en groupe

    C12-0-G1 collaborer avec les autres afin dassumer les responsabilits et datteindre les objectifs dun groupe;

    RAG : C2, C4, C7

    C12-0-G2 susciter et clarifier des questions, des ides et des points de vue divers lors dune discussion, et y ragir;

    RAG : C2, C4, C7

    C12-0-G3 valuer les processus individuels et collectifs employs; RAG : C2, C4, C7

    Nature de la science

    C12-0-N1 expliquer le rle que jouent les thories, les donnes et les modles dans llaboration de connaissances scientifiques;

    RAG : A1, A2

    C12-0-N2 dcrire, dun point de vue historique, la faon dont les observations et les travaux exprimentaux de nombreuses personnes ont abouti la comprhension moderne de la matire;

    RAG : A1, A4

    C12-0-N3 dcrire comment des connaissances scientifiques voluent la lumire de nouvelles donnes et mesure que de nouvelles ides et de nouvelles interprtations sont avances;

    RAG : A1, A2

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.15

    RSULTATS DAPPRENTISSAGE SPCIfIQUES TRANSvERSAUx (suite)

    STSE

    C12-0-T1 dcrire des exemples de la relation entre des principes chimiques et des applications de la chimie;

    RAG : A1, A3, A5, B2

    C12-0-T2 expliquer linteraction de la recherche scientifique et de la technologie dans la production et la distribution de matriaux;

    RAG : A5, B1, B2

    C12-0-T3 illustrer comment des concepts de chimie sont appliqus dans des produits et des procds, dans des tudes scientifiques et dans la vie quotidienne;

    RAG : A5, B2

    Attitudes

    C12-0-A1 faire preuve de confiance dans sa capacit de mener une tude scientifique en chimie;

    RAG : C2, C5

    C12-0-A2 valoriser le scepticisme, lhonntet, lexactitude, la prcision, la persvrance et louverture desprit en tant qutats desprit scientifiques et technologiques;

    RAG : C2, C3, C4, C5

    C12-0-A3 manifester un intrt soutenu et plus clair pour la chimie et pour les professions et les enjeux lis la chimie;

    RAG : B4

    C12-0-A4 se sensibiliser lquilibre qui doit exister entre les besoins humains et un environnement durable, et le dmontrer par ses actes.

    RAG : B5, C4

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.16

    Llve sera apte :

    C12-6-01 laborer de faon exprimentale une srie dactivit; RAG : C2

    C12-6-02 prdire la spontanit de ractions partir dune srie dactivit; RAG : D3

    C12-0-S1 faire preuve dhabitudes de travail qui tiennent compte de la scurit personnelle et collective, et qui tmoignent de son respect pour lenvironnement,

    entre autres la connaissance et lemploi de mesures de scurit, de rglements du Systme dinformation sur les matires dangereuses utilises au travail (SIMDUT) et de lquipement durgence appropris;

    RAG : B3, B5, C1, C2

    C12-0-S5 enregistrer, organiser et prsenter des donnes dans un format appropri, par exemple des diagrammes tiquets, des graphiques, des applications multimdias,

    des logiciels, des sondes. RAG : C2, C5

    Bloc A : La srie dactivit

    Dans le premier regroupement, Les ractions en solution aqueuse, les lves ont tudi les ractions doxydation et de rduction. Ils devraient maintenant pouvoir dterminer les nombres doxydation de tous les lments de toute raction doxydorduction, et indiquer llment oxyd et llment rduit ainsi que les agents oxydant et rducteur. De plus, ils devraient pouvoir trouver lquation quilibre des ractions doxydorduction et bien comprendre le concept de la conservation des lectrons. Sils ne sont pas en mesure de le faire correctement, ils auront de la difficult comprendre la section ci-dessous concernant llectrochimie.

    Mentionnons galement que le rsultat dapprentissage suivant a t abord dans le regroupement dintroduction, Les ractions en solution aqueuse (C12-1-12). On peut proposer aux lves de faire une recherche sur les applications des ractions redox et leur laisser le temps de prsenter leurs conclusions dans le cadre du prsent regroupement.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.17

    Stratgies denseignement suggres

    En tte

    Activer les connaissances antrieures des lves sur les concepts doxydorduction du regroupement 1 en leur proposant de rsoudre des problmes visant reconnatre les ractions doxydorduction et celles qui nen sont pas ou en ralisant lactivit de lannexe 1.

    En qute

    Exprience de laboratoireProposer aux lves de raliser une exprience qui permet de trouver de faon qualitative comment la srie dactivit peut tre labore (voir Chimie 12, p. 470-471, Chimie 11-12, p. 602 ou Chimie 12 STSE, p. 619). Une exprience de laboratoire similaire est prsente lannexe 2.

    Enseignement direct prdire la spontanit de ractions partir dune srie dactivitUne fois que les lves auront tabli un tableau dactivit, leur indiquer quils peuvent sen servir pour prdire la spontanit des ractions.

    Lannexe 3 comprend un tableau des potentiels standard de rduction o lon prsente des notes concernant lespce la plus facilement rduite, lespce qui a le moins daffinit pour les lectrons, etc. Ce type de tableau est habituellement prsent dans les manuels de chimie. Lannexe 4 fournit des renseignements sur les tableaux des potentiels standard de rduction.

    Montrer aux lves que les diverses espces sont organises dans le tableau en fonction de :

    leur affinit pour les lectrons; la facilit avec laquelle elles sont rduites ou oxydes; leur force en tant quagents oxydants ou rducteurs.

    Llectrochimie est un sujet idal pour amorcer la discussion sur les modes de reprsentation visuel, molculaire et symbolique des ractions. Des recherches rcentes montrent que pour que les lves approfondissent leur connaissance des mcanismes des ractions chimiques, il faut discuter des modes de reprsentation de ces ractions et en donner des exemples. Une fois que les lves auront observ les changements macroscopiques en laboratoire, leur demander de dessiner et dexpliquer ce qui survient lchelle molculaire. Des animations peuvent aussi tre utilises pour montrer ce qui se produit lchelle molculaire.

    La plupart des sries dactivit nord-amricaines sont numres sous forme de tableau des potentiels standard de rduction 25 C et en solution une concentration de 1 mol/L, tandis que les sries dactivit europennes sont gnralement prsentes en fonction des potentiels doxydation.

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.18

    Inviter les lves examiner un tableau des potentiels standard dlectrode et rpondre des questions telles que :

    - Quelle espce reprsente lagent oxydant le plus fort? (Rponse : F2(g))- Quelle espce est la moins facilement rduite? (Rponse : Li+ )

    (aq)

    - Quelle espce reprsente lagent rducteur le plus faible? (Rponse : F - )

    (aq)

    Ce ne sont que quelques exemples de questions que lenseignant peut poser et auxquelles les lves devront rpondre en utilisant le tableau des potentiels standard de rduction. Dautres questions dvaluation sont fournies plus loin.

    Daprs les rsultats dexpriences sur les ractions chimiques, contrairement aux expriences faites par les lves, les chimistes ont dcouvert que certaines espces ragissent spontanment alors que dautres ne ragissent pas. Les lves ont dj appris, dans le cours de chimie de 10e anne, que les mtaux alcalins ragissent pour devenir des ions positifs, perdant des lectrons en cours de route pour devenir stables et avoir une structure lectronique similaire celle des gaz inertes. De mme, le fluor gazeux capte rapidement et facilement des lectrons pour devenir un ion stable en solution, prsentant la structure lectronique dun gaz inerte avec un octet dlectrons son niveau dnergie extrieur. Ces ractions figurent dans le haut et le bas dun tableau trs important pour les chimistes, fond sur laffinit relative des diverses espces pour les lectrons provoquant la rduction de la charge ionique de lespce rduite (voir une version de ce tableau lannexe 3).

    Expliquer aux lves la faon dutiliser le tableau pour dterminer la spontanit dune raction chimique.

    Exemple

    Le fluor gazeux, dans le coin suprieur gauche du tableau, a une affinit pour les lectrons suprieure celle dune espce situe plus bas gauche du tableau; lespce la plus leve dans le tableau fera donc lobjet dune rduction en tant quagent oxydant, et une espce situe en dessous subira une raction inverse pour produire une raction doxydation.

    Ex. : F2 ragira avec Cl, Ag0, Cu0, etc.

    On peut dterminer la raction nette de la faon suivante :

    F2(g) + 2 e- 2 F _

    (aq)

    Cu0 2 e- + Cu2+

    (s)

    (aq)

    F2(g) + Cu0

    2 F _

    + Cu 2+

    (s)

    (aq)

    (aq)

    raction nette

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.19

    F2 a une affinit plus grande pour les lectrons (en fait, la plus grande affinit parmi toutes les espces). F2 est rduit et est donc lagent oxydant. Cu0 est oxyd, donc il est lagent rducteur.

    AnimationsProposer aux lves de visionner des animations ou dessayer des simulations de ractions doxydorduction : Reactions of Metals and Metal Ions Experiment (site en anglais)

    [http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/redox/home.html]. Cette simulation de lUniversit de lIowa permet llve de dcouvrir la srie dactivit en plaant diffrents mtaux dans diverses solutions aqueuses et dobserver la simulation lchelle molculaire.

    Proposer aux lves de suivre les tapes suivantes pour cette simulation : - Pour dmarrer lanimation, clique sur start . Tu verras quatre solutions ioniques.

    Choisis un des quatre mtaux et suis les directives lcran. Note tes observations (p. ex., quelles ractions se produisent). Rpte la marche suivre pour les trois autres mtaux en notant bien tes observations.

    - Examinons quatre mtaux, soit le magnsium, le zinc, le cuivre et largent. a) Lequel est le plus ractif? Explique pourquoi. b) Lequel est le moins ractif? Explique pourquoi. c) Place chaque mtal en ordre croissant de ractivit (du moins ractif au plus ractif). d) Cherche le magnsium, le zinc, le cuivre et largent dans le tableau de potentiel de

    rduction standard la fin de ce document. Y a-t-il un lien entre la ractivit des mtaux et le tableau? Explique ta rponse.

    - Essaie les activits 2 et 3 et rponds aux questions 2 a), b) et c) ci-haut avec la nouvelle srie de mtaux.

    - Essaie lactivit 4.

    Raymond Chang Chemistry Animation Center Oxidation Reduction Reactionshttp://highered.mheducation.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::100%::100%::/sites/dl/free/0072512644/117354/06_Oxidation_Reduxn_Rxns.swf::Oxidation Reduction Reactions (site en anglais)Animation dune raction de dplacement simple entre CuSO4(aq) et Zn(s) et entre AgNO3(aq)

    et Cu(s)

    http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/redox/home.htmlhttp://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/redox/home.htmlhttp://highered.mheducation.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::100%::100%::/sites/dl/free/0072512644/117354/06_Oxidation_Reduxn_Rxns.swf::Oxidation Reduction Reactionshttp://highered.mheducation.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::100%::100%::/sites/dl/free/0072512644/117354/06_Oxidation_Reduxn_Rxns.swf::Oxidation Reduction Reactionshttp://highered.mheducation.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::100%::100%::/sites/dl/free/0072512644/117354/06_Oxidation_Reduxn_Rxns.swf::Oxidation Reduction Reactions

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.20

    En fin

    1Proposer aux lves de faire une recherche pour trouver lorigine de lexpression srie lectrochimique .

    2Inviter les lves faire le lien entre la position dune espce dans le tableau et sa ractivit chimique, tel qutudi en sciences de 10e anne ou en chimie de 11e anne.

    3Inviter les lves dessiner les reprsentations des ractifs et des produits de ractions doxydorduction (redox) et montrer la faon dont le transfert dlectrons seffectue en solution.

    Stratgies dvaluation suggres

    1valuer les habilets de laboratoire des lves laide des annexes 8 et 9 du regroupement 1.

    2Demander aux lves de rsoudre les problmes suivants :

    Partie APrdis si les ractions suivantes seront spontanes ou non partir dun tableau des potentiels standard de rduction : 1. Placer une bande de zinc mtallique dans une solution 1,0 mol/L de nitrate de cuivre(II). Rponse : Les espces disponibles pour la raction sont les suivantes : Zn0 , Cu2+ , NO-

    (s)

    (aq) 3(aq)

    Zn 0 , Cu2+ , NO- ?

    (s)

    (aq) 3(aq)

    Les ions NO- ne ragiront pas, moins que la solution soit acide. Voir le tableau

    3(aq)

    lannexe 3.

    Cu2+ + 2 e- Cu0

    (aq) (s)

    Zn2+ + 2 e- Zn0

    (aq) (s)

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.21

    Daprs le tableau, Cu2+ a une plus grande affinit pour les lectrons que Zn2+, donc Cu2+ attirera des lectrons et sera rduit pour devenir Cu0 au cours du processus. Ces lectrons seront donns par Zn0, qui sera oxyd du mme coup pour devenir Zn2+.

    Les deux ractions sont les suivantes :

    Cu2+ + 2 e- Cu0

    (aq) (s)

    Zn0 Zn2+ + 2 e-

    (s)

    (aq)

    Cu2+ + Zn0 Cu0 + Zn2+ Raction nette spontane (aq) (s) (s) (aq)

    2. Une bande daluminium mtallique est plonge dans une solution 1,0 mol/L de nitrate dargent.

    Rponse : Les espces disponibles pour la raction sont : Al0 , Ag + ,NO_

    (s) (aq) 3(aq)

    Al0 , Ag + ,NO_ ? (s) (aq) 3(aq)

    Les ions NO-3(aq) ne ragiront pas, moins que la solution soit acide. Voir le tableau lannexe 3. Ag+ + 1 e- Ag0

    (aq) (s) Al3+ + 3 e- Al0

    (aq) (s) Daprs le tableau, Ag+ a une plus grande affinit pour les lectrons que Al3+, donc Ag+ attirera des lectrons et sera rduit au cours du processus pour devenir Ag0, provoquant loxydation dAl0 qui donnera des lectrons et deviendra Al3+.

    Les deux ractions sont les suivantes (la premire est multiplie par 3 pour quilibrer le nombre dlectrons donns et gagns) : 3 [Ag+ + 1 e- Ag0 ] (aq) (s) Al0 3e- + Al3+

    (s) (aq)

    3Ag+ + Al0 3Ag0 + Al3+ Raction nette et spontane

    (aq)

    (s)

    (s)

    (aq)

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.22

    Partie B(Utilise un tableau de potentiels standard de rduction pour rpondre aux questions.)

    Parmi les espces suivantes, Au3+, Cr 0 , Sr2+, Br-, dites laquelle (ou lesquelles) :

    (s)

    Rponses

    a) est la plus facilement rduite, c.--d. lagent oxydant le plus fort; Au3+ b) a la plus grande affinit pour les lectrons; Au3+

    c) est la moins facilement oxyde; Cr0

    d) est la plus facilement oxyde; Br

    e) oxydera Sn2+ en Sn4+; Au3+

    f) peut rduire F2(g) en 2F- . Br et Cr0

    (aq)

    Partie CAu cours dune exprience comme celle que vous avez ralise en classe, des feuillets dor, dargent et dtain sont plongs dans des bchers contenant leurs solutions ioniques. Les rsultats obtenus sont les suivants :

    1) Sn0 + Ag+ dpt dargent (Ag) mtallique

    (s) (aq)

    2) Au3+ + Sn0 dpt dor (Au) mtallique

    (aq) (s)

    3) Au0 + Ag+ aucune raction

    (s) (aq)

    Place les ions utiliss dans lexprience par ordre dcroissant de force dattraction des lectrons (c.--d. avec en tte de liste les espces ayant la plus grande affinit pour les lectrons).

    Rponses : On peut dduire que pour que la raction 1 se produise conformment la notation, Ag+

    doit avoir une plus grande affinit pour les lectrons que Sn2+, donc Ag+ doit tre plac au-dessus de Sn2+ dans un tableau o lespce ayant la plus grande affinit pour les lectrons est place en haut.

    De mme, la raction 2 indique que pour que la raction se produise telle quindiqu dans la notation, Au3+ doit avoir une plus grande affinit pour les lectrons que Sn2+, donc Au3+ doit tre plac au-dessus de Sn2+ dans un tableau o lespce ayant la plus grande affinit pour les lectrons est place en haut.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.23

    Si la raction 3 avait provoqu la formation de produits, en suivant la mme logique que dans les deux ractions prcdentes, Ag+ aurait d tre plac au-dessus de Au3+ dans le tableau. Toutefois, la raction ne sest pas produite, donc le raisonnement inverse est vrai et Au3+ doit tre plac au-dessus dAg+.

    Voici la liste complte des ractions ou des espces ayant la plus grande affinit pour les lectrons :

    Au3+, ensuite Ag+ et enfin Sn2+

    OU Au3+ + 3e- Au0 (s)

    Ag+ + 1e- Ag0 (s)

    Sn2+ + 2e- Sn0 (s)

    Partie DProposer un dfi aux lves en leur demandant de rpondre la question suivante :

    Les substances A, B, C, D et E sont des mtaux qui forment des ions positifs. Les ions du mtal A ragissent avec le mtal E, mais pas avec le mtal C. Toutefois, le mtal C ne ragit pas avec des solutions contenant des ions des mtaux D et B. Le mtal D ne ragit pas avec les ions du mtal B. Place les ions mtalliques par ordre dcroissant, en commenant par lagent oxydant le plus fort.

    Rponse : Maintenant que les lves saisissent mieux la logique qui sous-tend le classement des diverses espces, une courte explication pourrait tre fournie. Supposons un cas facile, o des ions mtalliques ont une valence de 1+.

    A+ + E0 raction Donc A+ sera au-dessus de E+ A+ + C0 aucune raction Donc C+ sera au-dessus de A+ D+ + C0 raction Donc D+ sera au-dessus de C+ B+ + C0 raction Donc B+ sera au-dessus de C+ B+ + D0 aucune raction Donc D+ sera au-dessus de B+

    La liste des espces commenant par lagent oxydant le plus fort (en ordre dcroissant) serait la suivante : D+, B+, C+, A+, E+.

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.24

    Llve sera apte :

    C12-6-03 retracer dans les grandes lignes lvolution historique des piles voltaques, entre autres les contributions dAlessandro Volta, de Luigi Galvani; RAG : A2, A4, B1

    C12-0-R1 tirer des informations dune varit de sources et en faire la synthse, entre autres imprimes, lectroniques et humaines; RAG : C2, C4, C6

    C12-0-R2 valuer linformation obtenue afin de dterminer lutilit des renseignements, par exemple lexactitude scientifique, la fiabilit, le degr dactualit, la pertinence,

    lobjectivit, les prjugs; RAG : C2, C4, C5, C8

    C12-0-R3 citer ou noter des rfrences bibliographiques selon les pratiques acceptes; RAG : C2, C6

    C12-0-N1 expliquer le rle que jouent les thories, les donnes et les modles dans llaboration de connaissances scientifiques;

    RAG : A1, A2

    C12-0-N2 dcrire, dun point de vue historique, la faon dont les observations et les travaux exprimentaux de nombreuses personnes ont abouti la comprhension moderne de la matire;

    RAG : A1, A4

    C12-0-N3 dcrire comment des connaissances scientifiques voluent la lumire de nouvelles donnes et mesure que de nouvelles ides et de nouvelles interprtations sont avances.

    RAG : A1, A2

    Bloc B : Lvolution historique des piles voltaques

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.25

    Stratgies denseignement suggres

    En qute

    Recherche Inviter les lves faire une recherche sur le

    dveloppement historique de la pile voltaque (galvanique) et prparer un rapport sur leurs constatations, individuellement ou en petits groupes. Ce rapport peut prendre des formes varies et les lves devraient avoir la libert de choisir la forme quils prfrent pour partager leurs apprentissages. laborer des critres dvaluation avec les lves.

    Les critres devraient porter aussi bien sur le contenu que sur les lments de la prsentation et devraient tre semblables, peu importe le type de prsentation choisi par les lves.

    Les sites Web suivants peuvent tre utiles :

    Galvani, Luigi. http://www.memo.fr/Dossier.asp?ID=1223 Alessandro Volta. http://fr.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta Pile voltaque. http://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_volta%C3%AFque La saga de la chimie moderne Alessandro Volta.

    http://www.ensc-rennes.fr/digitalAssets/60/60912_volta.pdf Histoire de llectricit. Galvani, Volta et la dcouverte de la pile lectrique.

    http://seaus.free.fr/spip.php?article844 Encyclopdie de LAgora. http://agora.qc.ca/mot.nsf/Dossiers/Alessandro_Volta Lhistoire de la pile lectrique. http://www.tetraconcept.com/grizzly/pile.htm Luigi Galvani. http://www.corrosion-doctors.org/Biographies/GalvaniBio.htm

    (site en anglais) The electrochemical cell. http://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electricity/ Electrochemical_Cell/Electrochemical_Cell.html (site en anglais). Experiments in electrochemistry. http://www.funsci.com/fun3_en/electro/electro.htm

    (site en anglais) Scheme of Electrochemical Cell. http://chimge.unil.ch/En/redox/1red13.htm

    (site en anglais)

    Les piles voltaques sont des piles lectrochimiques servant convertir lnergie chimique en nergie lectrique. Elles sont aussi appeles piles galvaniques, daprs Luigi Galvani. Pour en savoir plus sur Galvani et Volta, consulter lannexe 5.

    http://www.memo.fr/Dossier.asp?ID=1223http://fr.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Voltahttp://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_volta%C3%AFquehttp://www.ensc-rennes.fr/digitalAssets/60/60912_volta.pdfhttp://seaus.free.fr/spip.php?article844http://agora.qc.ca/mot.nsf/Dossiers/Alessandro_Voltahttp://www.tetraconcept.com/grizzly/pile.htmhttp://www.corrosion-doctors.org/Biographies/GalvaniBio.htmhttp://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electricity/Electrochemical_Cell/Electrochemical_Cell.htmlhttp://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electricity/Electrochemical_Cell/Electrochemical_Cell.htmlhttp://www.funsci.com/fun3_en/electro/electro.htmhttp://chimge.unil.ch/En/redox/1red13.htm

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.26

    Activits de laboratoire/Dmonstrations Inviter les lves construire une pile au citron (voir Chimie 11-12, p. 611). Proposer aux lves de reproduire lexprience de Volta et de construire une pile voltaque.

    Prciser quils doivent alterner les pices de cinq sous et dun sou, ainsi que les pastilles de carton trempes dans leau sale et brancher un fil conducteur entre le bas et le haut de la pile. Leur proposer de montrer comment un courant lectrique est gnr en plaant un disque de zinc sur le dessous de la pile avec un papier filtre tremp dans une solution dlectrolyte au milieu et un disque de cuivre sur le dessus (cette disposition en sandwich est appele lment ). Aprs avoir empil les six lments et en vitant que la solution sgoutte par les cts (ce qui peut provoquer un court-circuit), utiliser deux fils avec des pinces crocodiles une au bas de la pile et lautre sur le dessus pour mesurer le voltage (la tension) entre le disque de zinc du bas et le disque de cuivre du haut. Il est possible dutiliser la pile voltaque pour alimenter une petite horloge, un thermomtre ou une calculatrice affichage cristaux liquides (ACL).

    En fin

    1Inviter les lves rpondre la question suivante :

    - En quoi serions-nous touchs si les piles lectrochimiques nexistaient pas? Comment notre vie en serait-elle change?2Inviter les lves faire un remue-mninges afin de dresser une liste des articles qui requirent une pile pour fonctionner.

    3Inviter les lves raliser une activit sur la pile de Volta ladresse suivante : http://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/minisites/projet_europe/FLASH/VOLTEXP.SWF.

    Stratgies dvaluation suggres

    1Demander aux lves dexpliquer comment llectrochimie permet de produire de lnergie dans les piles.

    2valuer les habilets en laboratoire des lves laide des annexes 8 et 9 du regroupement 1.

    http://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/minisites/projet_europe/FLASH/VOLTEXP.SWFhttp://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/minisites/projet_europe/FLASH/VOLTEXP.SWF

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.27

    3Demander aux lves de prsenter leur recherche sur lhistoire des piles voltaques. valuer les recherches laide des critres tablis.

    4Proposer aux lves de tracer un diagramme illustrant la pile de Volta (pile voltaque) et dexpliquer pourquoi (ou comment) elle produit un courant lectrique.

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.28

    Llve sera apte :

    C12-6-04 expliquer le fonctionnement dune pile voltaque (galvanique) lchelle macroscopique, molculaire et symbolique,

    entre autres crire la demi-raction, la raction globale et la notation abrge; RAG : D3, E4

    C12-6-05 construire une pile voltaque (galvanique) fonctionnelle et mesurer sa tension; RAG : C2

    C12-0-C1 utiliser des stratgies et des habilets appropries pour dvelopper une comprhension de concepts en chimie,

    par exemple les analogies, les cadres de concepts, les organigrammes, les manipulatifs, les reprsentations particulaires, les jeux de rle, les simulations, les cadres de tri et de prdiction, les cycles de mots;

    RAG : D3

    C12-0-S4 slectionner et employer lquipement scientifique de faon approprie et scuritaire,

    par exemple la verrerie jauge, la balance, le thermomtre; RAG : C1, C2

    C12-0-S5 enregistrer, organiser et prsenter des donnes dans un format appropri, par exemple des diagrammes tiquets, des graphiques, des applications multimdias,

    des logiciels, des sondes; RAG : C2, C5

    C12-0-A1 faire preuve de confiance dans sa capacit de mener une tude scientifique en chimie ou dexaminer un enjeu STSE.

    RAG : C2, C5

    Bloc C : La pile voltaque

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.29

    Stratgies denseignement suggres

    En tte

    vnement inattenduAu dbut du cours, apporter du jus dorange. En prendre une gorge et vider le reste dans un bcher; y plonger deux lectrodes mtalliques, lune en magnsium, lautre en cuivre. Relier les deux lectrodes une horloge grand cadran. Observer les aiguilles qui commencent avancer et dire ce qui suit : nous avons mis la pendule lheure; nous pouvons maintenant commencer le cours .

    On pourrait aussi, par exemple, insrer un sou en cuivre et une lame de zinc propre dans un citron et relier le tout un voltmtre ou une horloge. Les dtails de lexprience de lhorloge-citron sont fournis ladresse suivante :

    Expriences dlectrochimie la batterie au citron. http://www.funsci.com/fun3_fr/elechim/elechim.htm

    En qute

    Le regroupement 3 en sciences de la nature de la 9e anne est consacr la nature de llectricit. Dans cette tude dtaille de llectricit, les lves ont fait le lien entre le modle particulaire de llectricit et la structure atomique (S1-3-04), ont construit des diagrammes de circuits lectriques (S1-3-13) et ont utilis des instruments appropris pour mesurer la diffrence de potentiel (S1-3-14). Ils devraient donc possder les connaissances ncessaires relatives aux circuits lectriques. Toutefois, une rcapitulation de cette matire pourrait savrer bien utile.

    Les lves devraient pouvoir expliquer le fonctionnement des piles lectrochimiques en utilisant les trois modes de reprsentation : visuel (macroscopique), particulaire (microscopique) et symbolique.

    Aprs la prsentation de cette section, les lves devraient comprendre quune raction chimique peut servir crer un courant lectrique. Une pile voltaque est un appareil pour lequel on utilise une raction redox spontane pour produire de lnergie lectrique. Selon la loi de la conservation de lnergie, celle-ci ne peut tre ni cre, ni dtruite; elle est simplement convertie dune forme une autre. Dans une pile voltaque, lnergie chimique dune raction redox spontane est convertie en nergie lectrique.

    Une cellule lectrochimique est le sige de nombreux processus chimiques et lectriques. Amener les lves expliquer les ractions prenant place dans les deux demi-cellules en parlant de flux dlectrons, de flux danions et de flux de cations.

    http://www.funsci.com/fun3_fr/elechim/elechim.htm

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.30

    Activit construction dune pile voltaqueInviter les lves construire une pile voltaque raction spontane en utilisant ce quils ont appris au sujet de la srie lectrochimique dans les RAS C12-6-01 et C12-6-02. Leur fournir le matriel suivant : voltmtres, fils, pinces crocodiles, tubes en U, ouate, mtaux communs et leurs solutions ioniques 1,0 mol/L et solution 1,0 mol/L de nitrate de sodium, de potassium ou dammonium pour le pont salin.

    Demander aux lves dcrire la raction spontane en indiquant la raction de rduction, la raction doxydation et les deux ractions des demi-piles laide du tableau redox prsent dans les sections prcdentes. Confirmer la spontanit des ractions, puis demander aux lves de former des groupes pour construire leur pile et de mesurer la tension (diffrence de potentiel) entre les lectrodes.

    Soulignons que les lves nobtiendront probablement pas la tension nette prvue (Epile). Selon lquation Nernst, le voltage maximal dpend de la concentration, si la temprature est constante. Immdiatement aprs le branchement du circuit, les concentrations commencent changer : celle des ions du ractif diminue puisque les ions sont utiliss, et la concentration des ions du produit augmente mesure que le produit se forme. Conformment au principe de Le Chatelier, le systme est soumis un stress et tente de rtablir lquilibre en stimulant la raction inverse et en rduisant le voltage net de la pile. ce stade, demander aux lves quelles conditions entraneraient un dplacement de lquilibre vers la droite (raction directe) et une augmentation de la tension. Un gradient (une chute) de concentration se produirait chaque lectrode, causant ainsi un excs dun des ions et une pnurie des autres ions pour la raction nette.

    Les lves pourraient aussi raliser lactivit de lannexe 6 au lieu de celle-ci.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.31

    Enseignement direct fonctionnement de la pile DaniellLe diagramme ci-dessous illustre la pile lectrochimique correspondant la raction suivante :

    Cu2+ + Zn0 Cu0 + Zn2+ + 1,10 V

    (aq) (s) (s) (aq)

    pont salin

    flux dlectrons

    4(aq) 4(aq) La pile lectrochimique ci-dessus illustre un cas particulier. La premire version russie de cette pile a t construite par John Frederic Daniell (1790-1845). Une recherche sur Internet peut fournir tous les renseignements requis. Ce type de pile lectrochimique avec des lectrodes de Cu et de Zn est maintenant appele la pile Daniell.

    Dans le diagramme, les deux demi-piles sont relies par un pont salin qui contient une solution ionique dun sel soluble, comme KCl. Ce pont sert de circuit interne et permet de maintenir lquilibre lectrique entre les deux demi-piles. Dans le cas prsent, comme il y a production dions zinc lanode rendant le compartiment anodique positif avec un excs dions positifs, les ions Cl se dplacent du pont salin vers lanode de faon maintenir la neutralit lectrique dans cette demi-pile. Pour ce qui est de la cathode, les ions cuivre sont enlevs de la solution, ce qui la rend ngative sur le plan lectrique. Pour contrer cet effet, des ions K positifs du pont salin vont se rendre la cathode pour rtablir, encore une fois, la neutralit lectrique de la cathode. Lorsque les deux demi-piles sont relies par un fil lectrique permettant aux ions de se dplacer et un autre fil pour les dplacements des ions positifs et ngatifs, on obtient une pile lectrochimique.

    Chaque pile galvanique devrait comprendre :

    une anode (zinc) qui sera oxyde (perdra des lectrons); une cathode (cuivre) qui sera rduite (captera des lectrons).

    Cu2+ + 2e- Cu0 raction de rduction la cathode (cations enlevs, nombre limit) Zn0 Zn2+ + 2e- raction doxydation lanode (anions produits, en excs)

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.32

    Les lectrons circulent de lanode la cathode dans une pile lectrochimique. Les anions se dplacent vers lanode et les cations, vers la cathode.

    La migration des ions est essentielle au fonctionnement de la pile puisque laccumulation de la charge ionique dans la solution autour des lectrodes sopposerait au dplacement des lectrons. Le rsultat est un voltage de +1,10 V.

    La mme pile peut tre construite au moyen dun matriau poreux (verre de carton) agissant comme pont salin. Laisser aux lves le choix de construire leurs piles avec un pont salin ou un matriau poreux.

    Une notation abrge est souvent utilise pour reprsenter le diagramme de la pile voltaque.

    ractif produit ractif produit

    Zn(s) | Zn2+ (1 mol L) Cu2+ (1 mol L) |Cus Demi-cellule doxydation Demi-cellule de rduction

    La ligne verticale simple reprsente la limite de phase entre le mtal et la solution ionique. La ligne verticale double reprsente le pont salin. Par convention, la raction anodique est indique en premier, gauche de la ligne double et la raction cathodique est place en deuxime, la droite de la ligne double.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.33

    Animations/simulationsLes animations suggres ci-dessous aideront les lves comprendre les phnomnes qui se produisent lchelle microscopique et les reprsentations symboliques associes.

    Animations, application de physique chimie : http://www.physagreg.fr/animations.php (slectionner lanimation sur le fonctionnement de la pile Daniell dans la section Animations, simulations de chimie)

    La pile Daniell : http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/terminale_TS/daniell.htm (excellente animation qui permet dobserver le fonctionnement de la pile Daniell lchelle molculaire)

    Chimie en solution aqueuse loxydorduction piles lectrochimiques : http://www.uel.education.fr/consultation/presentation/present/maquette/exemples_uel/module_ex/apprendre/chimie/ex2/titre9.htm (animation dune pile Daniell avec explications)

    La pile Daniell : https://www.youtube.com/watch?v=TuNoWxEcfpk (explication du fonctionnement de la pile Daniell)

    Cest pas sorcier piles et batteries : https://www.youtube.com/watch?v=mItO3l82Ic0 (mission sur les piles qui comprend une bonne explication du fonctionnement de la pile lectrolytique. Il y a aussi des bonnes explications des diffrents types de piles. Le DVD est aussi disponible la DREF)

    Principe dune pile Daniell : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/pile.swf

    Department of Chemistry Iowa State University Electrochemical cell : experiment (site en anglais) http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/electroChem/volticCell.html (cette simulation aide les lves crer leur propre pile lectrochimique; les lves doivent choisir les lectrodes et les solutions ioniques ncessaires pour crer une pile lectrochimique fonctionnelle)

    En fin

    1Inviter les lves faire une recherche sur Internet et dcrire les travaux de certains scientifiques ayant particip la mise au point des piles lectrochimiques.

    2Inviter les lves expliquer comment la citation dAnaxagore de Clazomnes, Rien ne se perd, rien ne se cre, tout se transforme sapplique la pile voltaque.

    http://www.physagreg.fr/animations.phphttp://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/terminale_TS/daniell.htmhttp://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/terminale_TS/daniell.htmhttp://www.uel.education.fr/consultation/presentation/present/maquette/exemples_uel/module_ex/apprendre/chimie/ex2/titre9.htmhttp://www.uel.education.fr/consultation/presentation/present/maquette/exemples_uel/module_ex/apprendre/chimie/ex2/titre9.htmhttps://www.youtube.com/watch?v=TuNoWxEcfpkhttps://www.youtube.com/watch?v=mItO3l82Ic0http://www.ostralo.net/3_animations/swf/pile.swfhttp://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/electroChem/volticCell.htmlhttp://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/electroChem/volticCell.html

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.34

    Stratgies dvaluation suggres

    1Demander aux lves de dessiner le diagramme dune pile voltaque et didentifier les lectrodes positive et ngative, lanode, la cathode, les demi-ractions, la direction du dplacement des lectrons, la direction du flux des ions, les solutions utilises, laquelle des lectrodes est rode, laquelle accepte des ions mtalliques, la raction nette de la pile et le voltage produit. Insister sur la nature particulaire de la matire au moment dexpliquer les ractions qui se produisent aux lectrodes, le dplacement des ions, la circulation des lectrons dans le circuit, ainsi que le maintien de la neutralit lectrique dans toutes les parties de la pile.

    2Les lves devraient pouvoir construire et mettre lessai des piles voltaques simples. valuer les habilets en laboratoire laide des annexes 8 et 9 du regroupement 1.

    3Inviter les lves comparer les rsultats de leurs piles et expliquer les diffrences de voltage. Faire en sorte que plusieurs groupes dlves utilisent les mmes lectrodes pour assurer la comparabilit des rsultats.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.35

    Llve sera apte :

    C12-6-06 dfinir le potentiel standard dune lectrode, entre autres avec llectrode dhydrogne comme lectrode de rfrence; RAG : D3

    C12-6-07 calculer les potentiels standard de piles partir des potentiels standard dlectrodes donns;

    RAG : D3

    C12-6-08 prdire la spontanit de ractions partir de potentiels standard dlectrode; RAG : D3

    C12-0-C1 utiliser des stratgies et des habilets appropries pour dvelopper une comprhension de concepts en chimie,

    par exemple les analogies, les cadres de concepts, les organigrammes, les manipulatifs, les reprsentations particulaires, les jeux de rle, les simulations, les cadres de tri et de prdiction, les cycles de mots.

    RAG : D3

    Stratgies denseignement suggres

    En tte

    Au dbut de la section prcdente, on mentionnait que le cours de sciences de la nature de 9e anne prsentait des notions trs dtailles sur llectricit, et pour complter cette information, les lves ont trait du transfert des lectrons pendant une bonne partie du cours de cette anne. Revoir les concepts au besoin avec les lves.

    En qute

    Enseignement direct le potentiel standardExpliquer aux lves le concept du potentiel standard (voir Chimie 12, p. 516-520, Chimie 12 STSE, p. 642-645 ou Chimie 11-12, p. 627-630). Lorsque les scientifiques ont construit les premires piles voltaques (galvaniques) qui sont en fait des piles lectrochimiques, ils ont enregistr un potentiel net de la pile rsultant des ractions, mais ils ne savaient pas quelle tait la contribution de chaque demi-pile au potentiel total de la pile. Bien des expriences ont t ralises dans le but de dterminer le potentiel standard absolu (E0) pour toute demi-raction ou raction de demi-pile.

    Bloc D : Le potentiel standard

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.36

    Durant ces expriences, des chimistes ont dcouvert que non seulement la temprature avait une incidence sur le potentiel net de la pile, mais aussi la concentration des ions en solution et la pression, si un gaz tait utilis. Mentionnons quun autre terme est souvent utilis comme synonyme de potentiel standard, soit force lectromotrice ou fem .

    Bon nombre dlectrodes de rfrence ont t mises lessai avant que llectrode normale hydrogne soit choisie. Les chimistes ont choisi llectrode hydrogne comme lectrode de rfrence par rapport laquelle le potentiel de toutes les autres lectrodes serait mesur. Les lves constateront rapidement que ce choix tait judicieux, ne serait-ce que parce que cet lment se trouve au milieu du tableau des potentiels standard.

    Dans llectrode hydrogne montre ci-dessous, lhydrogne gazeux est inject par barbotage dans une solution dacide chlorhydrique 25 C. Llectrode de platine prsente une surface sur laquelle les molcules dhydrogne peuvent se dissocier et sert de conducteur du courant lectrique vers le circuit externe.

    temprature

    fil de platine

    hydrogne 1 atm

    acide chlorhydrique dilu

    lames de platine recou-vertes dune toile en platine

    lectrode dhydrogne standard

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.37

    temprature

    magnsium

    pont salin

    voltmtre rsistance leve

    hydrogne 1,0 atm

    fil de platine

    lames de platine recou-vertes dune toile en platine acide chlorhydique dilu solution de sulfate de magnsium

    Dans des conditions standard de 1 atm (atmosphre) pour lhydrogne gazeux et dune solution de HCl 1 mol/L, le potentiel de rduction de H+ 25 C est fix exactement zro.

    2H+ (1mol/L) + 2e - H2 (1 atm) E0 = 0 V

    Llectrode normale hydrogne est parfois mentionne sous sa forme abrge, ENH. Une fois que llectrode normale a t choisie, les scientifiques ont t en mesure dutiliser cette demi-pile pour dterminer le potentiel de rduction de toutes les autres demi-ractions de la srie lectrochimique. Ces valeurs ont t places dans un tableau en fonction des demi-ractions correspondantes de faon produire un tableau plus utile, celui des potentiels standard de rduction.

    Exemple

    Dans une pile galvanique forme dune lectrode de zinc et dune ENH, llectrode de zinc subit une perte massique au cours de la raction, ce qui indique que la raction de demi-pile de llectrode de zinc doit tre exprime comme suit :

    Zn(s) Zn2+ + 2e-

    (aq)

    La notation abrge pour cette pile serait la suivante :

    Zn(s)| Zn2+(1mol L) H+ (1mol L ) | H2 (1 atm ) |Pt(s) (on inclue llectrode inerte dans la notation abrge.)

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.38

    Voici les ractions des demi-piles :

    anode (oxydation) Zn(s) Zn2+ (1mol L) + 2e-

    (aq)

    cathode (rduction) 2H+ (1 mol L ) + 2e- H2 (1 atm)

    raction nette : Zn(s) + 2H+ (1mol L ) Zn2+ (1mol L ) + H2 (1 atm )

    Par convention, la fem standard de la pile, E0pile, qui est gale au potentiel de la cathode moins celui de lanode, correspond la formule suivante :

    Epile0 = Ecathode

    0 - Eanode0

    Epile0 = E0

    H+

    H2 - E0

    Zn2+

    Zn ( ( ))

    (La diffrence de potentiel mesure pour la pile est de 0,76 V.)

    ( )0,76 V = 0 E0 Zn2+Zn

    ( )E0 Zn2+Zn = -0,76 V

    De mme, tous les potentiels dlectrodes ont t dtermins et apparis la raction de demi-pile dans un tableau des potentiels standards de rduction.

    Enseignement direct calcul du potentiel standard de pilesExpliquer maintenant aux lves comment dterminer la fem nette de la pile partir des ractions de demi-piles en utilisant le tableau des potentiels standard de rduction (voir Chimie 12, p. 517-522, Chimie 12 STSE, p. 644-648 ou Chimie 11-12, p. 628-631).

    Le tableau est structur en fonction de la tendance des substances capter des lectrons, cest--dire leur potentiel de rduction. Pour chaque raction redox, la demi-raction qui est la plus positive se produira sous forme de raction de rduction, et la demi-raction qui est la plus ngative se produira sous forme de raction doxydation.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.39

    Le tableau des potentiels standard de rduction sert dterminer la spontanit de la raction et le potentiel lectrique dune pile donne. Toute valeur positive du potentiel de la pile obtenue en calculant la diffrence entre le potentiel de demi-raction de la cathode et celui de lanode indique quil y aura raction redox spontane. Toute valeur ngative du potentiel de rduction dune pile indique que la raction redox ne sera pas spontane.

    Exemple

    Calcule le potentiel dune pile dargent-cuivre.

    1. Dterminer les demi-ractions pour largent et le cuivre partir du tableau des potentiels standard de rduction.

    Cu2+ + 2e- Cu(s) E0 = +0,34 V (aq)

    Ag+ + 1e- Ag(s) E0 = +0,80 V (aq)

    tant donn que les ions Ag+ sont plus facilement rduits que les ions Cu2+, la demi- raction Ag+ + 1e- Ag(s) sera une demi-raction de rduction, et la raction (aq) Cu2+ + 2e- Cu(s) sera inverse et deviendra la demi-raction doxydation.

    (aq)

    On peut aussi exprimer en considrant que lion Ag+ a une plus grande affinit pour les lectrons que lion Cu2+, donc la raction ayant la fem+ la plus faible deviendra la raction doxydation. Lorsquune demi-raction est inverse, le signe du potentiel de rduction est aussi invers.

    Ainsi, les demi-ractions seront les suivantes :

    Cu(s) Cu2+ + 2e- E0 = -0,34 V oxydation

    (aq)

    Ag+ + 1e- Ag(s) E0 = +0,80 V rduction

    (aq)

    2. Insrer les potentiels des demi-piles dans lquation. Epile = E0oxydation + E0rduction = (-0,34 V) + (+0,80 V) = +0,46 V

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.40

    Cette pile a un potentiel de + 0,46 V, ce qui confirme la spontanit de la raction.Remarque :Les manuels prsentent souvent deux mthodes de calcul du potentiel standard de la pile(E0 ).

    pile

    E0 = E0 + E0

    pile oxydation rduction

    E0 = E0 - E0

    pile

    cathode

    anode

    Les deux formules vont videmment permettre den arriver au rsultat correct.Indiquer aux lves quils peuvent aussi utiliser la formule E0 = E0 - E0

    pile rduction oxydation

    En fin

    Inviter les lves dcrire les tapes suivre pour prdire si une raction redox se produira spontanment.

    En plus

    Demander aux lves dintgrer le principe de Le Chatelier dans leurs discussions sur lquilibre chimique des ractions acide-base et la solubilit. Le principe de Le Chatelier sapplique galement aux piles lectrochimiques.

    Les lves savent dj que lorsquun stress est appliqu un systme en quilibre, la raction se dplace afin de compenser ou dattnuer ce stress. Grce aux cours de chimie de 11e et de 12e annes, les lves savent qu mesure quune raction se produit, la concentration des ractifs diminue et celle des produits augmente. Proposer aux lves dexaminer comment on peut modifier une pile lectrochimique pour prolonger le voltage, sachant que la fem initiale diminue avec le temps.

    Dans lexemple suivant, on utilise une pile Daniell pour explorer les effets de lajout ou du retrait de substances dun systme.

    Rappeler aux lves quune pile Daniell est un cas spcial de pile voltaque (galvanique) dont la raction nette est note comme suit :

    Cu2+ + Zn0 Cu0 + Zn2+ + 1,10 V

    (aq) (s) (s) (aq)

    pour obtenir le potentiel de la pile. Ils ne seront pas obligs alors de changer de signe avant de calculer les valeurs.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.41

    pont salin

    flux dlectrons

    4(aq) 4(aq)

    Faits :

    Aussitt le circuit branch, le voltage commence diminuer partir dune fem de 1,10 V. La couleur bleue associe lion Cu2+ du ct de llectrode cathodique (rduction)

    (aq)

    devient moins intense mesure que les ions sont rduits pour devenir des atomes de cuivre

    solide qui se dposent sur la cathode de cuivre. La concentration dions Zn2+ augmentera autour de lanode de zinc.

    (aq)

    Rsultat : la concentration des ractifs continuera de diminuer et la concentration de produits continuera daugmenter.

    Effets prendre en considration daprs le principe de Le Chatelier :

    Lajout dions Cu2+ sous quelque forme que ce soit laide dun sel soluble de Cu2+

    (aq)

    favorise la raction directe (vers la droite) pour atteindre lquilibre.

    Retrait dions Zn2+ : lajout dun anion prcipitant permet denlever efficacement les

    (aq)

    ions Zn2+ solubles par la formation dun prcipit (solide), p.ex., avec lion sulfure (S-)

    (aq) qui forme le ZnS solide, ou avec lion hydroxyde (OH-) pour former le Zn(OH)2 solide.

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.42

    Stratgies dvaluation suggres 1 Demander aux lves de rpondre aux questions suivantes sur lENH.

    1. Pourquoi fallait-il que llectrode de rfrence soit une lectrode normale hydrogne (ENH)?

    Rponse : Tout couple dlectrodes donne une force lectromotrice (fem) prcise pour la pile, mais pour comparer les forces relatives des lectrodes et leurs effets sur la dynamique des piles, les scientifiques devaient trouver une lectrode laquelle ils pourraient comparer toutes les autres. Bon nombre dlectrodes ont t mises lessai initialement, mais ce qui rendait llectrode hydrogne bien pratique, cest quelle donnait un potentiel qui se situait au milieu du tableau des potentiels.

    2. En quoi le tableau des potentiels standard de rduction aurait-il t diffrent si une autre lectrode standard avait t choisie plutt que lENH?

    Rponse : Si une autre lectrode avait t utilise au lieu de llectrode hydrogne, lordre daffinit pour les lectrons aurait t le mme dans les ractions, mais on aurait attribu la valeur zro la nouvelle lectrode de rfrence et les autres lectrodes auraient t compares celle-ci. De chaque ct de la nouvelle lectrode de rfrence, on aurait obtenu des nombres positifs et ngatifs allant en augmentant mesure que lon se serait loign de la nouvelle lectrode de rfrence.

    2Demander aux lves de trouver le potentiel net de la pile pour une raction donne, de dterminer si la raction serait spontane et dexpliquer pourquoi.

    1. Complte les ractions suivantes laide du tableau des potentiels standard de rduction. Calcule le potentiel net de la pile et indique la raison pour laquelle la raction se produira spontanment tel que le prvoit la notation. (Les rponses varieront selon les tableaux utiliss.)

    a) Zn0 + Hg2+ ( Zn2+ + Hg0 ) (s) (aq) (l) Rponse : Epile = +1,54 V Cette pile fonctionnerait spontanment puisque son voltage net est positif.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.43

    b) Cu0 + 2Ag+ ( Cu2+ + 2Ag0 )

    (s) (aq)

    Rponse : Epile = +0,46 V Cette pile fonctionnerait spontanment puisque son voltage net est positif.

    c) Mn0 + 2Cs+ aucune raction

    (s) (aq)

    Rponse : Epile = -1,74 V Cette pile ne fonctionnerait pas puisque son voltage net est ngatif.

    3Pour chacune des situations suivantes, demander aux lves dcrire les ractions ioniques nettes quilibres, dindiquer les ractions doxydation et de rduction et la fem de la pile, de prdire si la raction sera spontane et dexpliquer brivement pourquoi ou pourquoi pas.

    1. Au Moyen ge, le fer servait la confection de chaudrons et de casseroles. Serait-il possible dentreposer une solution dactate de cuivre(II) dans ce genre de contenant en fer? Explique ta rponse en indiquant les ractions en jeu et en tenant compte de la fem. Rponse :

    Lion actate nest pas reprsent dans le tableau des potentiels standard dlectrode, cest donc un ion spectateur. La raction prvue serait :

    Fe0 + 2Cu+ Fe2+ + Cu0 Epile = +0,96 V

    Comme le potentiel net est positif, il y aurait une raction spontane. Ce ne serait pas une bonne ide dentreposer cette solution dans un contenant en fer.

    Le fer mtallique est oxyd en Fe2+ et le Cu+ est rduit pour devenir du cuivre lmentaire.

    2. Une solution de nitrate de plomb(II) est verse dans un contenant dans lequel un morceau de zinc mtallique est plac. Rponse :

    Lion nitrate ne ragit que sil est plac dans une solution acide. Dans cet exemple, il sagit donc dun ion spectateur. La raction attendue serait la suivante :

    Zn0 + Pb2+ Zn2+ + Pb0 Epile = +0,63 V

    Comme le potentiel net de la pile est positif, il se produirait une raction entre le zinc mtallique et la solution de plomb.

    Le zinc mtallique est oxyd en Zn2+ et lion Pb2+ est rduit pour devenir du plomb (mtal).

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.44

    3. Quels contenants mtalliques pourraient tre utiliss pour entreposer une solution dactate de cuivre(I) 0,20 mol/L? Explique ta rponse. Rponse : Lion actate napparat pas dans le tableau des potentiels standard dlectrode, donc il sera un ion spectateur. Lion Cu+ apparat dans la raction de rduction suivante :

    Cu2+ + 1e- Cu1+ E0 = +0,15 V

    (aq)

    Pour quil y ait une raction, lespce doit figurer dans le tableau des potentiels standard de rduction et se trouver au-dessus du Cu+ et la gauche pour que le potentiel net de la pile soit positif. On doit donc chercher un mtal plac sous le cuivre (Cu+) dans le tableau. Ainsi, on pourrait entreposer une solution dactate de cuivre(I) 0,20 mol/L dans des contenants de Pb0, Sn0, Ni0, Co0, Fe0, Cr0, etc.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.45

    Llve sera apte :

    C12-6-09 comparer les piles voltaques et les piles lectrolytiques; RAG : D3

    C12-6-10 expliquer le fonctionnement dune pile lectrolytique lchelle macroscopique, molculaire et symbolique,

    entre autres llectrolyse dun compos ionique fondu, llectrolyse dun compos ionique aqueux;

    RAG : D3, E4

    C12-6-11 dcrire des utilisations pratiques des piles lectrolytiques, par exemple, llectrolyse de leau, llectrolyse de saumure, la galvanoplastie, la

    production et la purification des mtaux; RAG : B1, B2

    C12-0-C1 utiliser des stratgies et des habilets appropries pour dvelopper une comprhension de concepts en chimie,

    par exemple, les analogies, les cadres de concepts, les organigrammes, les manipulatifs, les reprsentations particulaires, les jeux de rle, les simulations, les cadres de tri et de prdiction, les cycles de mots;

    RAG : D3

    C12-0-C2 dmontrer une comprhension des concepts en chimie, par exemple utiliser un vocabulaire scientifique appropri, expliquer un concept une

    autre personne, comparer, appliquer ses connaissances une nouvelle situation ou un nouveau contexte, crer une analogie, utiliser des manipulatifs;

    RAG : D3

    C12-0-T3 illustrer la faon dont des concepts de chimie sont appliqus dans des produits et des procds, dans des tudes scientifiques et dans la vie quotidienne. RAG : A5, B2

    Bloc E : Les piles lectrolytiques

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.46

    Stratgies denseignement suggres

    En tte

    Ltude suivante sur les piles lectrolytiques vient complter la discussion prcdente sur les piles lectrochimiques. Vrifier les connaissances antrieures des lves et faire une rcapitulation, au besoin, avant dajouter des lments.

    En qute

    Dmonstration llectrolyse de leauUne dmonstration de llectrolyse de leau constitue toujours un bon point de dpart pour parler des piles lectrolytiques, mme sil sagit gnralement dune raction lente. Llectrolyse est le processus par lequel lnergie lectrique est utilise pour provoquer une raction non spontane.

    Le schma simplifi ci-dessous montre la faon dont on peut dissocier les lments de leau laide dun simple appareil. Cet appareil est spcialement conu pour la dissociation lectrolytique de leau. Comme leau est un mauvais conducteur dlectricit, lusage dune solution 0,1 mol/L dacide chlorhydrique ou dacide sulfurique permet dacclrer la raction.

    hydrogneoxygne

    fil de cuivre avec gaine de plastiquebcherprouvettelectrode de graphiteeau additionne dacide sulfurique

    dilu

    cathode anode

    Appareil de Hofmann

    Un indicateur universel ajout la solution acide change de couleur au dbut de la raction, ce qui rend la diffrence dans les volumes de gaz produits plus vidente pour lobservateur.

    La formule empirique de leau indique les volumes de gaz produits; ainsi, il y aura deux fois plus dhydrogne gazeux produit que doxygne gazeux. Une clisse allume permettra de dterminer si le gaz produit est loxygne ou lhydrogne. Si lclisse est plus brillante, cest de loxygne et sil y a un son dclatement produit au contact, cest de lhydrogne.Le tableau ci-dessous prsente une comparaison entre les piles lectrolytiques aux piles lectrochimiques.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.47

    Pile lectrochimique Pile lectrolytiqueSpontanit de raction Spontane Non spontanePotentiel de la pile Positif Ngatiflectricit Produite ConsommeCharge de llectrode* Cathode+

    Anode-Cathode-Anode+

    Cathode Rduction RductionAnode Oxydation OxydationConservation de lnergie Convertit lnergie

    chimique en nergielectrique

    Convertit lnergie lectrique en nergie chimique

    * La notion de charge des lectrodes peut tre difficile saisir pour les lves. Il faut plutt mettre laccent sur les processus chimiques qui se produisent chaque lectrode. La pile lectrolytiqueInviter les lves se renseigner sur les piles lectrolytiques (voir Chimie 12, p. 524-529, Chimie 12 STSE, p. 660-667 ou Chimie 11-12, p. 639-650). Leur proposer de dcrire les processus en jeu dans ces piles selon les divers modes de reprsentation, tout comme pour les piles lectrochimiques. La nature particulaire de la matire a tout autant dimportance et de pertinence dans le cas des piles lectrolytiques. Inviter les lves expliquer le fonctionnement complet dune pile lectrolytique oprationnelle dans les trois modes de reprsentation.

    Un diagramme tiquet dune pile lectrolytique est fourni ci-dessous. Noter les similitudes avec une pile lectrochimique. Lune des diffrences dans la configuration de lappareil est que dans la pile lectrolytique, les deux ractions se produisent dans le mme contenant. Autre diffrence : une source dlectricit est ncessaire pour stimuler la raction qui normalement nest pas spontane.

    pile lectrolytique

    source de courantlectrode inerte

    lectrode inerte

    NaCI en fusion

    Na

    Na

    cathodeanode

    CI

    CI

    ee __

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.48

    Le diagramme dune pile lectrolytique devrait inclure les lments suivants : un contenant, une solution lectrolytique (acide, base ou sel), les deux lectrodes, une pompe lectrons externe (batterie/pile), llectrode positive de la batterie branche lanode et llectrode ngative branche la cathode. Toujours indiquer les ractions de demi-pile et la raction nette.

    Il existe deux types de piles lectrolytiques :

    La pile la plus simple est celle o llectricit est applique un compos ionique fondu. Il sera question des applications industrielles de cette pile un peu plus loin.

    Le deuxime type de pile prsent ici est celui o lon applique de llectricit une solution aqueuse. Cette pile est plus complexe, du fait quil y a beaucoup plus despces qui peuvent tre oxydes et rduites.

    Enseignement direct lectrolyse de composs ioniques fondusCes solutions sont faites partir de composs ioniques purs ltat fondu. videmment, le contenant de la pile doit tre fait dune matire qui tolre les tempratures leves ncessaires pour maintenir la substance ltat fondu. Une pile industrielle est prsente ci-dessous.

    pile lectrolytique industrielle

    NaCI en fusion

    grille de fer

    Na liquide

    Na liquide

    sortie de Na

    entre de NaCI

    sortie de CI2

    anodecathode

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.49

    La borne ngative de la pile est branche la cathode. Comme dans une pile lectrochimique, les cations se dplacent vers la cathode et les anions, vers lanode, selon les ractions suivantes :

    Anode (oxydation) 2Cl- Cl0 + 2e-

    (l) 2(g)

    Cathode (rduction) 2Na+ + 2e- 2Na0 (l) (l)

    Raction nette 2Na+ + 2Cl- 2Na0 + Cl0 (l) (l) (l) 2(g)

    Cette raction est utilise pour produire des rserves de sodium et de chlore gazeux purs.

    Enseignement direct lectrolyse dune solution aqueuseLenseignant devrait rviser attentivement ses connaissances de base sur le sujet avant de laborder avec les lves (voir Chimie 12, p. 528-530, Chimie 12 STSE, p. 661 ou Chimie 11-12, p. 641-644). La prsence deau ajoute de nouvelles espces qui peuvent tre oxydes ou rduites. En examinant le tableau des potentiels standard de rduction, on constate que les ractions doxydation suivantes pourraient se produire lanode.

    1. 2Cl- Cl0 + 2e- anode (oxydation) (l) 2(g)2. 2H2O(l) O2(g) + 4H+ + 4e-

    (aq)

    Daprs le tableau, on peut voir que les deux ractions ont t inverses; la notation doit donc tre la suivante : 3. Cl0 + 2e- 2Cl- E0 = +1,36 V

    2(g) (l)

    4. O2(g) + 4H+ + 4e- 2H2O(l) E0 = +1,23 V

    (aq)

    Les valeurs de la force lectromotrice (fem) des demi-piles sont rapproches, mais elles indiquent encore que pour la raction inverse doxydation, leau (H2O(l)) devrait tre la premire tre oxyde. Toutefois, des expriences ont montr quil faut un potentiel beaucoup plus lev pour oxyder leau, et cest en fait Cl2(g) qui est produit et NON PAS de loxygne (O2(g)). Le voltage requis pour la raction doxydation en excs de la valeur attendue est appel surtension (ou survoltage). Les causes de surtension sont trs complexes et dpassent la porte des renseignements gnraux pertinents, mme ceux qui sont destins lenseignant. En termes simples, une tension plus leve survient lorsque des espces ont de la difficult transfrer des lectrons aux atomes linterface lectrode/solution. En raison de cette anomalie, les valeurs de E0 doivent tre utilises avec prudence pour la prdiction de lordre rel doxydation ou de rduction des espces en solution aqueuse.

  • LLECTROCHIMIEChimie12e anne

    page 6.50

    Les ractions de rduction suivantes pourraient se produire la cathode :

    5. 2H+ + 2e- H0 E0 = 0,00 V

    (aq) 2(g)

    6. 2H2O(l) + 2e- H0 +2OH- E0 = -0,83 V cathode (rduction)

    2(g) (aq)

    7. Na+ + 1e- Na0 E0 = 2,71 V (aq) (s) Conformment notre tableau de redox, lespce qui sera rduite le plus facilement est lespce 5, mais dans une solution aqueuse de sel, un pH de 7, les concentrations de H+ seraient trop

    (aq)faibles pour en tenir compte 1 x 10-7 mol/L. Par consquent, la raction privilgie la cathode serait la raction no 6.

    Les ractions dlectrolyse dune solution aqueuse seraient les suivantes :

    *Anode (oxydation) 2Cl- Cl0 + 2e-

    (aq) 2(g)

    *Cathode (rduction) 2H2O(l) + 2e- H0 + 2OH-

    2(g) (aq)

    Raction nette : 2H2O(l) + 2Cl- H0 + 2OH- + Cl0

    (aq) 2(g) (aq) 2(g)

    Recherche applications des piles lectrolytiquesDans bon nombre de ractions utiles, il faut appliquer de llectricit pour produire des changements chimiques. Proposer aux lves deffectuer une recherche sur les applications des piles lectrolytiques. Si lon en croit les mdias, les piles combustible (des piles lectrochimiques) seraient la source dnergie de lavenir. Plusieurs manuels fournissent de linformation thmatique sur ce type de pile. laborer des critres dvaluation avec les lves. Les critres devraient porter autant sur le contenu que sur les lments de la prsentation et devraient tre semblables, peu importe le type de prsentation choisi par les lves.

    Llectrolyse de solutions aqueuses (solutions satures de chlorure de sodium/NaCl) est utilise pour la purification de leau et lextraction dhydroxyde de sodium, dhydrogne et de chlore (aussi connue sous le nom de procd chloroalcalin ).

    Llectrolyse du sodium fondu dans une pile Downs est utilise pour obtenir du sodium lmentaire et du chlore gazeux.

    Llectrolyse de loxyde daluminium, produit du raffinage du minerai de bauxite, permet dobtenir de laluminium mtallique. Lextraction est le procd qui permet dobtenir un mtal partir dun minerai. Les mtaux ractifs, comme le lithium, le bryllium, le magnsium, le calcium et le radium sont extraits par un procd industriel dlectrolyse de leurs chlorures fondus.

  • LLECTROCHIMIE Chimie12e anne

    page 6.51

    Lextraction est suivie dun raffinage ou dune purification qui permet denlever les impurets par voie lectrolytique pour produire un mtal pur comme le cuivre ou le nickel. Le degr de puret rsultant atteint 99,99 %.

    La galvanoplastie permet de recouvrir un objet dune mince couche dun mtal, comme le cuivre ou largent, pour le protger ou le dcorer. La galvanisation est un procd o le fer est recouvert dune couche de zinc protectrice. La protection cathodique est une mthode permettant dviter la rouille (loxydation) o

    un mtal ractif (lanode sacrificielle) est li un objet. Ce procd est util