HGT - SCB Chimie UAA 3 AUTEURS : Caroline Destrée, Pascale Papleux, Pascale Sartiaux Fiche d’activité 2 Des grains en TP pour définir le concept de mole Introduction Les concepts de « masse atomique relative, masse moléculaire relative, mole, masse molaire,… » paraissent très peu concrets pour le public de 4e année. Comment faire ressentir aux élèves ces différentes notions ? Particulièrement pour les plus visuels ou les kinesthésiques, profils qui en général correspondraient à la majorité des étudiants. L’idée est de créer un mini tableau périodique de classification des graines de légumineuses en fonction de leurs masses et d’utiliser un vocabulaire ludique et inventé comme la « légumole ». Objectifs d’apprentissage Un premier constat La définition la plus fréquente de la mole est la suivante : la mole est la quantité de matière d’un système contenant 600.000 milliards de milliards d’entités (ou plus sérieusement en notation scientifique : 6,02.1023 entités). Ce nombre est vraiment énorme et dépasse sans doute le bon entendement de la plupart des personnes. Comment estimer cet ordre de grandeur ? Cela représente une réelle difficulté aussi bien du côté de nos élèves que pour beaucoup d’enseignants. Comment faire comprendre et faire apprendre un concept qui nous dépasse ? Des perceptions imagées existent. Par exemple, une mole de grains de maïs permettrait de recouvrir la surface des Etats Unis…avec une couche uniforme de 14 km d’épaisseur. Une mole de secondes correspondrait à 4 millions de fois l’estimation de l’âge de la Terre. Ou encore, une mole de mètres serait équivalente à la distance parcourue par la lumière… depuis la disparition des dinosaures. Mais, ce nombre, malgré toutes ces comparaisons, reste tout de même difficile à imaginer …alors que nous l’enseignons avec beaucoup d’évidence. D’où vient ce nombre « indénombrable » et assez incroyable ? Voici donc quelques activités ludiques (avec un vocabulaire inventé) à faire réaliser par les élèves, pour les aider «à mieux appréhender par la suite » les notions de masse moyenne, masse atomique relative, mole d’atomes et masse molaire. 1 Document1 Enoncé des activités 1) Réaliser un tableau de classification des graines de légumes (suivant l’ordre croissant de leurs masses moyennes, leurs masses relatives, leurs « masses légumolaires ») afin de déterminer le nombre de graines dans une quantité donnée (« la légumole ») Grains de riz Lentilles blondes Haricots rouges Haricots de Soisson a) Calcul de la masse moyenne d’une graine b) Détermination de la masse relative d’une graine c) Détermination légumolaire» de « la masse d) Détermination du nombre de graines dans une « légumole » e) Définition de la « légumole » Figure 3 : Réalisation du Tableau de classification des graines de légumes 2) Remplir un récipient avec autant de graines de lentilles qu’il y a d’haricots rouges enfermés dans un filet de 500 g, sans ouvrir le filet Il s’agit ici de demander aux élèves d’estimer le nombre de graines de haricots rouges dans un filet fermé de haricots rouges (à l’aide du tableau construit à la question 1) et de remplir un récipient avec le même nombre de graines de lentilles 3) Etablir le lien entre « graines de légumes » et « entités (atomes, molécules) » 2 Document1 Démarche à suivre Activité 1 a) Pour déterminer la masse moyenne d’une graine de légume, on demande aux élèves de trouver une méthode efficace… Chaque graine ayant une forme (et une masse différente), on peut, par exemple dans le cas du riz, en peser 50 ou 100 et faire ensuite la moyenne… b) La masse relative de chaque graine sera calculée par rapport à la masse de la graine la plus légère du tableau (dans notre cas, c’est le grain de riz). c) On donne la définition suivante aux élèves : la masse légumolaire ou la masse d’une légumole correspond à la masse relative d’une graine exprimée en gramme par légumole (g/légumole). d) On demande aux élèves de donner leur définition de « la légumole »… « la légumole est le paquet de graines qui contient autant de graines qu’il y en a dans 1 g de grains de riz ». Par exemple, la légumole de lentilles est le paquet de lentilles qui contient autant de graines de lentilles qu’il y a de grains de riz dans 1 g de grains de riz. e) On demande aux élèves de déterminer le nombre de graines contenues dans une quantité correspondant à la masse d’une légumole. Activité 2 Il s’agit ici de demander aux élèves d’estimer le nombre de graines de haricots rouges dans un filet fermé de haricots rouges (à l’aide du tableau construit à la question 1) et de remplir un récipient avec le même nombre de graines de lentilles Activité 3 Les graines de légumes… Au laboratoire de chimie… La graine de légume Un atome La graine de haricot rouge Un atome déterminé (comme l’atome de chlore) La graine de lentille Un atome déterminé (comme l’atome de fer) La masse moyenne d’une graine de haricot rouge (il est nécessaire de calculer cette masse moyenne car toutes les graines de haricots rouges n’ont pas la même masse) La masse moyenne d’un atome de chlore (car tous les atomes de Cl n’ont pas la même masse). Attention aux limites de l’analogie : la masse d’un atome ne se détermine pas avec une balance… (plus tard : notions d’isotope et d’élément) La masse relative d’une graine de haricot rouge (déterminée à partir de la masse de la graine la plus légère de notre tableau de classification des graines de légumes : graine de riz) La masse atomique relative d’un atome de chlore (déterminée à partir de la masse de l’atome le plus léger de la classification périodique de Mendeleïev : l’hydrogène, et par la suite… le carbone 12) « La légumole de graines »: un paquet de graines dont le nombre est déterminé (dans notre tableau ………) La mole d’atomes : quantité de matière d’un système contenant 6,02.1023 atomes (nombre déterminé expérimentalement par Perrin) « La masse légumolaire » : c’est la masse « d’une légumole » de graines qui correspond à la masse relative d’une graine exprimée en g/légumole La masse molaire d’atomes d’une espèce déterminée : c’est la masse d’une mole d’atomes de cette espèce. Elle s’exprime en g/mol. Sa valeur est identique à la valeur de la masse atomique relative des atomes de cette espèce. 3 Document1 Développements attendus principalement visés Aspects quantitatifs d’une réaction chimique Décrire la mole comme un outil permettant au chimiste de lier les champs macroscopique et microscopique (C1). L’élève explicite que lorsque le chimiste travaille avec des quantités de matière qui correspondent à des moles de différentes substances (6,02.1023 espèces chimiques), cela lui permet de réaliser aisément au laboratoire des expériences macroscopiques (transformations chimiques) quantitatives interprétables à un niveau microscopique inaccessible. Décrire le nombre d’Avogadro comme interface entre la réaction chimique (dimension microscopique) et la transformation chimique (dimension macroscopique) (C2). L’élève fait une lecture molaire et moléculaire de l’équation-bilan d’une réaction chimique. Il établit le lien entre ces deux lectures. Bibliographie Fiche d’activité réalisée d’après un article paru dans la revue de l’ABPPC, écrit par Pascale Papleux, conseillère pédagogique en sciences Histoire du concept de mole (1869-1969) à la croisée des disciplines physique et chimie http://www.lactualitechimique.org/Histoire-du-concept-de-mole-1869-1969-a-la-croisee-desdisciplines-physique-et-chimie , page consultée le 21/10/2016 L’hypothèse d'Avogadro et le poids atomique http://ddata.over-blog.com/xxxyyy/0/31/89/29/Fusion-110/F110.9.pdf, page consultée le 21/10/2016 Les tribulations de l’atome au pays de la chimie http://ecoles.csbf.qc.ca/lasamare/cours/ethibault/Chimie/chimie/CHHIST1.htm, 21/10/2016 page consultée le Reconceptualisation et transposition : la mole http://icampus.encbw.be/claroline/backends/download.php?url=L0RpZGFjdGlxdWUvc3RvZWNoaW9t ZXRyaWVfb3JkcmVfZGVzX2NvbmNlcHRzLnBkZg%3D%3D&cidReset=true&cidReq=B1_S1410 , page consultée le 21/10/2016 Pistes : mole, étude détaillée http://www.pistes.fse.ulaval.ca/sae/?no_version=2164, page consultée le 21/10/2016 Quelques activités avec les graines de haricots http://sciencphys2.unblog.fr/files/2008/01/activit1surlamole.pdf, page consultée le 21/10/2016 4 Document1 Annexes Tableau des graines Nom des graines Riz Lentilles Maïs Pois chiches Haricots rouges Haricots Soissons Masse moyenne d’une graine Masse relative Masse légumolaire Nlégumole Définition de la « légumole » La légumole est … 5 Document1 6 Document1