theobromine's blog

J’ai déjà parlé à plusieurs reprises de la pile citron. Même si son explication n’est pas simple, sa réalisation est souvent appréciée par les élèves …

Ayant demandé de réaliser une pile “maison” originale quelle ne fut pas ma surprise de voir celle-ci … originale à coup sûr. Et oui, l’imagination n’est pas toujours là où on l’attend. L’essentiel est qu’elle puisse s’exprimer.

Un classique de labo … peu gourmand en matériel, amusant (oui, il faut veiller à cet aspect des choses) est la réalisation de la pile citron (ou de toute autre pile “maison”) dont j’ai déjà parlé dans un précédent billet..

On propose un challenge, on se donne quelques jours de préparation (chercher, tester à domicile) et les élèves doivent venir présenter leur dispositif en classe/labo … comparaison (argumentée) des dispositifs, de leur performance, de leur originalité et la pile nous devient plus familière. De plus, cela permet de raviver, au cours de chimie, des notions de physique (La loi d’Ohm … ça vous dit quelque chose ?).

Pour celui qui n’aurait pas le temps de récolter le matériel, j’ai trouvé (évidemment cher lecteur du Canada ou du Maroc ou de … ce billet ne vous sera peut-être d’aucune utilité) une chaîne de magasins appelée Nature et Découvertes (loin de moi l’idée de faire de la publicité mais c’est un tuyau que je vous livre et vous évite peut-être des recherches inutiles) qui propose un kit “Drôles de piles” contenant tout ce dont on a besoin. Le coût est d’un peu moins de 15 euros (oui … avec du matériel de récupération … une carte musicale disséquée, des pièces de monnaie en cuivre, … cela revient moins cher).

Bon amusement.

PS : Ce challenge, je viens de le proposer à mes élèves. Que vont-ils me concocter ? Mystère et réponse bientôt (au retour de ces vacances d’automne)

Je ne sais pas si c’est comme ça partout mais la mole est une sorte de monstre du Loch Ness qui, continuellement émerge dans nos cours ou exercices, et qui, systématiquement provoque un frisson de terreur, d’incompréhension, de rejet (?) auprès de mes élèves (les plus jeunes surtout).

Et pourtant, si vous donnez un cours de cuisine (non, la chimie ce n’est pas de la cuisine même si l’inverse est très à la mode), il va de soi que pour exprimer une quantité de matière “oeuf” vous ne parlerez pas en grammes mais en nombre d’oeufs et que si vous devez aller préalablement acheter ces oeufs dans une boutique vous les acheterez par boîte et non à la pièce. Faites travailler vos élèves sur des oeufs … pas de problème. Remplacez les oeufs par des entités chimiques et là plus rien ne va. Pourquoi ?

Une mole, qu’est-ce ? Une quantité de matière comprenant un certain nombre d’entités chimiques (6,02.10²³, le nombre d’Avogadro) et dont la masse équivaut à la masse atomique relative (ou molaire) exprimée en gramme. Ce n’est donc rien qu’une boîte d’oeuf (il n’y en pas 6 dans la boîte car avec 6 on irait pas loin). et il n’est pas nécessaire de la peser puisque la masse vaut Ar ou Mr g.

Mais bon, facile à dire et pas toujours facile à comprendre … jusqu’à ce que “la pièce tombe”. A ce moment c’est gagné.

Les deux documents au format jpg (#1 et #2) ou pdf (#1 et #2) sont juste deux petits schémas que je donne à mes élèves en espérant que cela active le déclic. Ils n’ont rien d’original. Mais si vous les trouvez utiles n’hésitez pas à les incorporer à vos cours.

et quelques liens …

• Mole, masse molaire, … + exercices à l’univ de Mons;
• La mole dans le SI;
• Evidemment pour les américains tout est plus simple car que célèbre-t-on le 23 octobre à 6h02 (6:02 10 23) … et bien le mole day;
• Des liens (en anglais) sur la mole
• What is the mole ? réponse au format pdf;
• Le nombre d’Avogadro;
• Le terme mole a été inventé par Ostwald vers 1900 et pourrait avoir comme origine l’abréviation du nom molécule ou molekulargewicht, ou encore du nom latin molus (petit tas, pile);

Si un lien s’avère brisé, n’hésitez pas à me le signaler. Merci.

Nous nous proposons de réaliser l’électrolyse de NaCl et de mettre en évidence les phénomènes qui se produisent aux deux électrodes. Le dispositif n’est guère complexe, à conditition de disposer

• d’un générateur permettant de d’appliquer une tension de 20-30V (pourquoi pas quelques piles en série … ?),
• de batonnets de graphite (si vous avez des fils de platine … c’est mieux car le graphite a tendance à s’effriter),
• une plaque de PVC (matériau poreux) pas trop épaisse (1cm),
• un récipient adéquat,
• une solution de NaCl (sel de cuisine),
• quelques cables et pinces “crocodile” pour réaliser le circuit,
• de la phénolphtaléine (indicateur acide-base … de l’extrait de jus de chou rouge, vert en milieu basique et rouge en milieu acide,  pourrait tout aussi bien être utilisé).

Lorsque la tension est appliquée un dégagement gazeux s’observe aux deux électrodes

• à l’anode (borne +), site de l’oxydation, le Cl^- est oxydé en Cl_{2 gaz} : odeur caractéristique de dichlore, l’apparition d’une coloration jaune verdâtre (dichlore dissous) et l’absence de coloration de l’indicateur (on pourrait aussi montrer le pouvoir décolorant du dichlore) (rem: en solution diluée, le gaz produit est du dioxygène);

• à la cathode (borne -), site de la réduction de l’eau H₂O (2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^- ) : Mise en évidence des ions OH^- par la phénolphtaléine (fuchsia en milieu basique, incolore en milieu acide).
  
   Et la video …
  
  
  
  
  
  Quel est le rôle de la paroi PVC ? On évite le mélange des produits des réactions de réduction et d’oxydation … leur identification est ainsi possible. Si on enlève cette paroi, il y aura réaction entre le dichlore et l’hydroxyde de sodium avec formation d’un mélange de chlorure et d’hypochlorite (c’est l’eau de javel) suivant la réaction
  
  2NaOH + Cl₂ → NaCl + NaOCl + H₂O
  
  
  

  Quelques liens

  • la fabrication du chlore,
  • le chlore et l’industrie du chlore,

(26/10/2008) Une petite mise à jour : Un coffret “Drôles de piles”

La pile citron  est un grand classique de l’activité scientifique. Quel bonheur de constater qu’un citron est capable de remplacer une pile bouton et d’alimenter en énergie une carte musicale.

Disons tout de suite que le citron c’est bien mais une orange, une pomme de terre ou tout simplement une solution saline peuvent jouer le même rôle avec plus ou moins d’efficacité.

Les sciences appliquées du CESU ont testé pour vous la pile citron et la pile patate et ont tenté de distinguer le rôle des constituants.

Il s’agit (bien évidemment) d’une réaction d’oxydo-réduction entre les couples Zn/Zn⁺⁺ (une des électrodes) et H₂/H⁺ (solution acide du citron). Dans cet échange d’électrons, le zinc (Zn°) va réduire en H₂ (on peut éventuellement observer une effervescence) les ions H⁺ présents dans le citron. L’ajout de l’électrode en cuivre est de “détourner” le transfert des électrons dans un circuit externe capable d’alimenter (faiblement) un dispositif non gourmand en énergie (une puce extraite d’une carte musicale, un réveil à affichage digital, une calculette, …). Donc, au niveau de l’électrode en cuivre les H⁺ viennent “chercher” les électrons et subissent la réduction.

Cette hypothèse étant formulée nous avons tenté de la vérifier, de la compléter en modifiant certains paramètres ou en cherchant des informations sur le net.

1. S’agit-il d’une pile style Daniell (Cu/Zn) dans laquelle l’électrolyte serait remplacé par le jus du citron ? Ou non ? La réponse est difficile à donner et le doute existe comme on peut le lire ici. A notre avis il ne s’agit pas d’une pile Cu/Zn. En effet, les potentiels  E° (tableau des potentiels de réduction) pour les deux couples
   • Zn/Zn⁺⁺  E°=-0763V
   • Cu/Cu⁺⁺  E°=0,345V

   devraient nous donner une tension de 0,345 -(-0,763)=1,1V et nous avons obtenu moins de 1V (0,95V). En réalité la réaction d’oxydo-réduction est celle mettant en jeu le Zn et les ions H+, le cuivre ne jouant qu’un rôle “secondaire” d’électrode auxilliaire.

2. Pour étayer cette affirmation, on pourrait vérifier que le remplacement de l’électrode de cuivre par une électrode “inerte” (platine ou carbone) ne modifie pas/peu la tension. C’est ce qui semble être le cas si on en croit cet article extrait de Journal of Chemical Education,  Vol. 75, No. 2, 1998.
3. Par contre, le rôle réducteur du zinc peut être prouvé en remplaçant le zinc par du magnésium Mg/Mg⁺⁺ E°=-2,372V) plus réducteur. La tension observée est sensiblement plus importante (de l’ordre de 1,5V). Nos mesures le montrent (voir tableau ci-dessous).
4.  Et le citron ? Nos mesures montrent que si on remplace le citron par une pomme de terre la tension mesurée est très/très légèrement inférieure. La différence est-elle négligeable ou peut-elle être attribuée à la plus grande acidité du citron ? L’article du Journal of Chemical Education aborde ce sujet en remplaçant le citron par une solution d’acide citrique de concentration comparable (5-8% d’acide citrique). Les membranes du citron sont alors responsables d’une résistance élevée et donc d’un courant plus faible.
5. Quel dispositif peut-on alimenter ? Le courant obtenu est extrêmement faible et alimenter une ampoule relève du rêve.
6. Et avec un dispositif “série” ? Si on place en série plusieurs piles citron ou pomme de terre, on constate que, en accord, avec la théorie les tensions s’additionnent avec effet sur l’intensité du courant.

et la video …

Les références (liens) de cet article étaient accessibles en novembre 2007. Si vous constatez un lien mort, pourriez-vous me le signaler dans les commentaires. merci.

En guise d’introduction … Bien que les phénomènes électriques aient été observés dès l’Antiquité (par frottement d’un morceau d’ambre, elektron en grec, sur de la fourrure) ce n’est que vers 1800 que Alessandro Volta (suite aux travaux de Luigi Galvani sur l’électricité animale) réalisa ses premières piles à base de disques métalliques et de solutions salines. Le but de cette manipulation est de réaliser une pile rudimentaire similaire à celles réalisées par Volta. Et en pratique … Partie 1 : Rassemblons le matériel et les produits nécessaires …

• matériel : voltmètre, ampèremètre, cordons, béchers, électrodes (lames) de cuivre et zinc, tube en U.
• préparer des solutions CuSO4 et ZnSO4 0,1 mol/L 
• décaper des lames de cuivre et de zinc
• préparation d’un pont électrolytique (tube un U)
  • faire bouillir 250 mL d’eau (pour 2 ponts … évidemment tout dépend de la taille de votre pont    );
  • dissoudre dans la solution bouillante 25 g de KNO3 ou KCl;
  • arrêter de chauffer. Dissoudre 5 g d’agar-agar. Agiter.
  • remplir à ras bord les tubes en U avec la solution 10 % en KNO3 et 2 % en agar-agar
  • laisser refroidir;
  • le pont peut être conservé plusieurs jours. Evitez cependant le dessèchement des extrémités.

 Partie 2 : Activités

• Activité 1 : Nous disposons de cuivre et de zinc sous deux formes : la forme métallique Cu ou Zn et la forme ionique Cu²⁺et Zn²⁺. Une réaction est-elle possible entre l’une ou l’autre forme ? Vérifions les différentes possibilités.

 Dans un bécher, on introduit 250 mL de solution CuSO4 ou ZnSO4 et on plonge une tige métallique (cuivre ou zinc). Que se passe-t-il ? Y a-t-il réaction ? La décrire.

On constate un dépôt noir de cuivre (amorphe) sur l’électrode de zinc plongée dans la solution de sulfate de cuivre. La réaction est  Zn° + Cu²⁺  —>  Zn²⁺ + Cu° . Une telle réaction implique un transfert d’électrons entre un donneur, le Zn° (on l’appellera réducteur) et un accepteur le Cu²⁺ (on l’appellera oxydant). Et si on détournait ces électrons dans un circuit extérieur ce courant électrique pourrait (peut-être) alimenter un dispositif (lampe, …) ?

• Activité 2 : Réalisons une pile.

On réalise le montage comme sur le schéma ci-contre . On place d’abord un ampèremètre dans le circuit extérieur. Observe-t-on un courant électrique ? La très faible intensité est due à la résistance interne très élevée. Il serait possible avec cette pile de faire fonctionner une montre/calculatrice à affichage digital ou encore une carte musicale. On remplace l’ampèremètre par un voltmètre. On mesure ainsi la tension de la pile (1,1 V). Cette valeur est en accord avec les potentiels normaux des deux couples redox

• Cu/Cu²⁺ E°=0,345 V
• Zn/Zn²⁺ E°=-0,763 V

 Et ça donne quoi … en vrai ? Voici une adaptation réalisée par les élèves de 6SA (CESU, Tournai). Le zinc  a été remplacé par du magnésium et le pont électrolytique est constitué d’un tube en U rempli d’une solution concentrée de KCl et bouchée au deux extrémités par de l’ouate. La musique quant à elle     … bof. Mais ça marche    .

Dans ma note précédente, je parlais de cette petite démonstration assez “amusante” et relativement spectaculaire. Et comme une image et, à fortiori, une video vaut plus que de grands mots,  j’ai fait petite une video … ça vaut ce que ça vaut. Ce n’est pas du Spielberg. Au lieu de frotter la laine de fer sur la pile et de constater la combustion, j’ai légèrement modifié le dispositif en lui adjoignant une balance. Demandez aux élèves comment va évoluer la masse de la laine de fer au cours de la combustion !

Risque d’incendie … prendre les précautions adéquates !

 Et oui  … elle augmente (peu). En première analyse cette évolution correspond à la transformation du fer en oxyde de fer (normalement Fe₃O₄). Ainsi on pourrait demander

• d’écrire l’équation ; 
• d’évaluer (approximativement) par calcul si l’accroissement de la masse correspond à la stoéchiométrie de la réaction. La laine de fer est en fait de l’acier. Mais qu’est-ce qu’un acier ? Quelle est la proportion de fer ? (lien 1, lien 2) ;
• d’expliquer les (TRES GROS) écarts de masse par rapport à l’accroissement calculé. Vos avis/commentaires sont les bienvenus ci-dessous              ;
• éventuellement constater que le fer et l’oxyde de fer (magnétite Fe₃O₄ couleur gris-foncé) formé ont des propriétés magnétiques contrairement à la rouille (Fe₂O₃ couleur rouge sombre).

Les liens repris dans cette note  étaient accessibles le 5/09/2007. Si vous constatez qu’un lien est brisé, pourriez-vous me le faire savoir.

L’année débute. Vous rencontrez pour la première fois des élèves sensés posséder un bagage scientifique. Comment faire connaissance … eux, vous, la chimie et les sciences en général ?

Prenez une pile 9V (une pile plate 4,5V marcherait aussi), de la laine de fer utilisée par les ménagères n’ayant pas encore adopté les nouveaux matériaux top performants. Frottez délicatement/légèrement la laine de fer sur les pôles de la piles  … des étincelles apparaissent et, avec un peu de chance la laine s’enflamme.

A partir de cette situation  susceptible d’éveiller l’attention et surtout les questions, vous allez pouvoir tester 

• la qualité de l’observation
• la pertinence des questions
• et des explications (hypothèses …)
• …

 Attention cependant … l’incendie n’est pas loin et les conditions élémentaires de sécurité doivent être prises

Cette petite manipulation aisée  est source de multiples prolongements

• structure atomique et modèle des métaux
• la réaction de combustion
• l’effet joule
• les court-circuits
• le fonctionnement d’une ampoule
• déchets ménagers et tri pour éviter un accident

Voici une série de liens intéressants qui vous permettront d’élaborer une séquence d’apprentissage adaptée

• la combustion de la paille de fer : lien 1 , lien 2 , lien 3 , lien 4
• l’effet joule : lien 1 , lien 2 , lien 3 (exploitation d’une video) , lien 4 (James Prescott Joule)
• de l’électricité avec les court-circuits : lien 1 , lien 2 , lien 3 , lien 4
• une activité de la main à la pâte
• causes et début d’incendie : lien 1 (amenez en classe un vieux fusible : lien 1 , lien 2)
• électricité en 6e primaire (voir p25)

(Les liens ci-dessus ont été accédés le 3/09/2007)