Activités suggérées et idées pour des projets de recherche

OXYDORÉDUCTION
Activités suggérées et idées pour des projets de recherche
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Préparer cinq clous en acier revêtu de 5 à 8 cm de longueur en les frottant avec une
toile émeri ou un papier sablé fin pour enlever toute protection de surface. Préparer de
la gélose avec de l'agar-agar. Faire bouillir 300 ml d'eau. Enlever l'eau du feu et
ajouter, en remuant, 2 g d'agar-agar en poudre. Pendant que la gélose est encore
chaude, préparer deux boîtes de Pétri. Placer un clou droit et un clou recourbé dans
une des boîtes de Pétri.
Verser environ 150 ml de gélose chaude dans une éprouvette et ajouter 10 ml d'une
solution de KSCN (« thiocyanate » de potassium) 0,1 M. Verser cette préparation sur
les clous.
Dans la deuxième boîte de Pétri, placer trois clous de fer : un qui est entouré d'un fil
de cuivre, un deuxième qui est entouré d'un ruban de magnésium et un troisième sans
rien autour. Enrouler le magnésium et le cuivre très serré de façon à ce qu'il y ait
contact entre le clou et le métal. Préparer de nouveau de la gélose contenant du KSCN
et la verser dans cette boîte de Pétri.
Examiner ces échantillons en utilisant un rétroprojecteur tous les jours pendant deux
ou trois jours.
Une variante de cette activité consiste à ajouter 1 ml de K3Fe(CN)6 (ferricyanure de
potassium) 0,1 M et 10 gouttes de phénolphtaléine à l'agar-agar et ensuite à verser ce
mélange sur les clous dans les boîtes de Pétri. Après une journée ou deux, la gélose
deviendra rose près des clous, là où la corrosion est la plus active (N.B. Le composé
de ferricyanure a une basse toxicité et est donc relativement inoffensif. Durant la
décomposition, cependant, les vapeurs sont extrêmement dangereuses. S'assurer que le
stock de ferricyanure de potassium est entreposé sécuritairement. La gélatine ordinaire
fonctionne aussi bien que la gélose pour ces activités, puisqu'elle ne sert que de
support. La source de protéines fournie par le support n'est pas importante. La poudre
d'agar-agar est plus chère que la gélatine ordinaire).
Cette activité est une adaptation d'un article paru dans Chem13 News (page 22, no
81, novembre 1976). Elle est basée sur une idée de L. Sibley de St. Catharines
(Ontario).

L'oxydation catalytique de NH3 : essayer d'abord ce qui suit! Mettre 30 ml
d'hydroxyde d'ammonium concentré dans un erlenmeyer de 250 ml. Faire un rouleau
de toile de cuivre ou de fil de cuivre et le placer sur une baguette de verre : il ne devra
pas toucher le liquide lorsqu'il sera introduit dans le flacon. Chauffer le cuivre.
Lorsqu'il est chauffé au rouge, l'introduire dans le flacon. Le fil deviendra très vite
tellement chaud qu'il va fondre et crépiter fortement.
Si on met du méthanol à la place de l'hydroxyde d'ammonium dans l'erlenmeyer, il
s'oxydera pour produire du méthanal (formaldéhyde). Faire ceci sous une hotte.
Cette activité est une adaptation d'un article paru dans Chem13 News (page 22, no
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81, novembre 1976). Elle est basée sur une idée de L. Sibley de St. Catharines
(Ontario).

Préparer des petites tiges de cuivre, de zinc, de magnésium et de fer. Nettoyer la
surface de chacune avec du papier sablé et placer les échantillons l'un à côté de l'autre
dans une boîte de Pétri. Préparer cinq autres boîtes de Pétri de la même façon.
Dans la première boîte, verser une solution de nitrate de cuivre (II), Cu(NO3)2, jusqu'à
ce que chaque échantillon de métal soit recouvert. Dans la deuxième boîte, verser une
solution de nitrate de zinc, Zn(NO3)2. Recommencer pour toutes les autres boîtes de
Pétri en utilisant du nitrate de magnésium, Mg(NO3)2, du nitrate d'argent, AgNO3, du
chlorure d'hydrogène, HCl, et du sulfate d'ammonium de fer (II), Fe(NH4)2(SO4)2
6H2O. Laisser reposer plusieurs jours. Observer les résultats. Classer les métaux selon
leur action comme agent de réduction. Classer les ions des métaux en solution selon
leur action comme agent d'oxydation. Écrire des équations ioniques nettes pour toutes
les réactions qui se sont produites. Préparer des réactions d'oxydoréduction basées sur
ces données expérimentales.

L'argent terni est de l'argent oxydé, généralement sous la forme de Ag2S. Réduire
l'argent à son état métallique en utilisant une réaction entre l'aluminium métallique et
l'argent terni dans une solution chaude de bicarbonate de soude (NaHCO3). Trouver un
contenant assez grand pour y placer une assiette en aluminium ou un grand morceau
de papier d'aluminium. Chauffer, jusqu'à 80 °C environ, assez de solution de
bicarbonate de soude à environ 25 g/l pour recouvrir le plus grand objet à nettoyer.
Immerger l'argent terni dans la solution et le tenir de façon qu'il soit en contact avec
l'aluminium. Retirer l'argent, le rincer et le sécher une fois qu'il est nettoyé. Questions
pour une recherche : Pourquoi utilise-t-on une solution de bicarbonate de soude plutôt
que de l'eau chaude? Pourquoi la solution est-elle chaude plutôt que froide? Un métal
autre que l'aluminium fonctionnerait-il de la même façon? Pourrait-on enlever la
rouille du fer de cette façon?

Une application pratique de l'électrochimie est le placage d'articles par galvanoplastie.
Une activité consiste à plaquer une clé avec du cuivre par galvanoplastie. Ceci requiert
un bain de galvanoplastie composé de 200 ml de sulfate de cuivre (II) 1 M, de 5 ml
d'acide sulfurique concentré et de 10 ml d'éthanol pour chaque groupe.
Frotter la clé qui va être plaquée par galvanoplastie avec de la paille de fer ou du
papier sablé pour enlever tout le débris. Attacher à la clé un fil fin de cuivre. La
tremper dans une solution diluée d'hydroxyde de sodium, puis dans une solution diluée
d'acide nitrique. Il est important de ne pas toucher la clé une fois qu'elle a été nettoyée
: un dépôt huileux empêche le métal d'adhérer à la surface de la clé. Placer la clé et
une électrode de cuivre dans la solution de façon qu'il n'y ait aucun contact entre elles.
Relier l'électrode de cuivre et le fil de cuivre auquel est suspendue la clé à une pile de
6 volts ou à une autre source d'énergie.
Après quelques minutes le dépôt de cuivre sur la clé devrait être visible. Laisser
fonctionner la pile électrolytique pendant environ 15 minutes. Enlever la pile ou
supprimer la source d'énergie et sortir la clé. La rincer à fond. La polir avec un abrasif
léger, comme de la poussière de craie, pour lui donner un beau brillant.
Comme activité complémentaire, les élèves peuvent étudier d'autres applications,
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telles que la galvanisation de l'acier avec du zinc ou le chromage des pare-chocs. Une
fois qu'elles ont compris que la chimie est utilisée dans ces procédés, on peut préparer
d'autres expériences de placage par galvanoplastie. Faire une recherche indépendante
et préparer des expériences donnera sans doute aux élèves une meilleure
compréhension de la chimie.

Une demi-pile d'hydrogène « normale » peut être fabriquée en reliant deux électrodes
de carbone poreux, placées de chaque côté d'un bécher d'un litre qui contient environ
600 ml de HCl 6 M, à une source d'énergie de 6 volts. Si ce système fonctionne
pendant plusieurs minutes, assez d'hydrogène et de chlore à l'état gazeux seront
produits et adsorbés à leurs électrodes respectives pour produire une paire d'électrodes
de gaz. Si ces électrodes sont reliées à un voltmètre lorsque la source d'énergie est
supprimée, on observera que le système fonctionne comme une pile électrochimique.
Le voltage observé peut être comparé au voltage prévisible d'une pile d'hydrogène et
de chlore.

Acheter de l'eau oxygénée concentrée à 3 % dans une pharmacie (une solution plus
forte devra être diluée, et il faudra prendre des précautions strictes pour ce qu'elle ne
se détériore pas. L'entreposer dans un réfrigérateur, mais pas plus de 6 mois). En
mesurer de 1 à 3 ml et les mettre dans un erlenmeyer de 250 ml. Acidifier avec 10
gouttes d'acide sulfurique concentré et ajouter assez d'eau pour commencer un titrage.
Utiliser du permanganate de potassium 0,01 M pour faire le titrage. La fin de
l'expérience sera signalée par la couleur rose pâle du MnO4- dilué.
2MnO4- + 6H+ + 5H2O2
2Mn2+ + 5O2 + 8H2O
Calculer le pourcentage de H2O2 dans l'échantillon initial.
· Construire des électrodes de carbone pour les expériences d'électrolyse avec de 30 à
40 cm de fil électrique NMD7 14-2 (ceci est le fil ordinaire pour les habitations avec
deux fils isolés de calibre 14 et un fil de terre). Employer une paire de pinces pour
enlever le fil de terre non isolé, et garder les deux conducteurs isolés. Enlever 6 à 8 cm
de la couche de plastique qui recouvre le fil électrique et enlever environ 1 cm de
l'isolant qui entoure les conducteurs exposés. Récupérer les baguettes de carbone de
vieilles piles sèches et percer un trou de 2 mm au centre de chacune à une profondeur
d'un peu plus que la longueur des conducteurs dépouillés. Insérer les fils conducteurs
dans les trous des baguettes de carbone jusqu'à ce que l'isolant en plastique touche
cette baguette. Sceller la connexion du conducteur avec la baguette avec du silicone.
Finalement, exposer environ 1 cm du conducteur à l'autre bout de l'appareil pour servir
de connexion avec la source d'énergie et donner à l'appareil une configuration
appropriée au contenant utilisé.
Des crayons ordinaires peuvent servir d'électrodes en les aiguisant aux deux bouts et
en enlevant ensuite la partie fuselée avec un couteau d'utilité. Ceci laissera exposé
environ 2 cm pour faire une connexion électrique et, à l'autre bout, une électrode
active. Employer ces électrodes pour décomposer diverses solutions par électrolyse.
Plusieurs variables telles que la concentration des solutions, la température de la
solution, le voltage de la source d'énergie, etc., peuvent être étudiées.

Pour fabriquer des piles électrochimiques, utiliser un tube à dialyse (une membrane
semi-perméable), pris dans le matériel de biologie, pour remplacer des bougies
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poreuses ou des ponts salins. Une pile portative peut être fabriquée en employant un
erlenmeyer, un morceau de tube à dialyse mouillé et noué à une de ses extrémités pour
former un sac d'environ 6 cm de longueur, et une combinaison quelconque de solution
d'ions d'un métal et de tiges minces de ce métal. On peut utiliser le nitrate d'aluminium
et le papier d'aluminium, le nitrate de cuivre et le papier de cuivre, le nitrate d'argent et
le papier d'argent. On préfère un papier métallique mince parce que le bouchon doit
pouvoir être inséré facilement dans le flacon et permettre aux électrodes de sortir du
flacon.

Placer un papier filtre plié et mouillé dans un entonnoir. Remplir le papier, à demi,
avec de la limaille de fer dégraissée. Verser une solution de sulfate de cuivre 0,1 M
dans le filtre et observer le filtrat. Écrire l'équation de la réaction qui se produit
(questions : Par quels métaux pourrait-on remplacer le fer? Par quelles solutions d'ions
de métaux pourrait-on remplacer le sulfate de cuivre?)

Faire une recherche et rédiger un rapport pour la classe sur une des méthodes
chimiques de protection des métaux contre la corrosion. Inclure une explication des
problèmes causés par la corrosion ainsi que des conditions qui accélèrent la vitesse de
la corrosion.

Quelles réactions se forment lors du déchargement d'un accumulateur de plomb
(batterie de voiture) et de son rechargement subséquent?

Examiner un morceau de fer galvanisé. Décrire le motif qui est à la surface du métal.
Pourquoi galvanise-t-on le fer? Quelles substances sont utilisées dans le procédé de
galvanisation? Qu'est-ce qui cause le motif à la surface du métal?
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Un entrepôt pour les engrais peut être galvanisé ou recouvert de résine. Pourquoi doiton protéger les entrepôts en fer pour les engrais? Quels sont les avantages et les
inconvénients de chaque méthode?

Les pipelines, les ponts et la structure en acier de grands édifices et certaines autres
structures peuvent être protégés de la corrosion par l'emploi de protection cathodique.
Pourquoi la protection cathodique est-elle nécessaire pour ces structures? Comment
fonctionne-t-elle? Planifier une démonstration pour présenter un échantillon de métal
protégé de cette façon.

Les fabricants de certaines marques de peinture prétendent que leurs produits peuvent
non seulement empêcher la rouille mais qu'ils peuvent aussi traiter des surfaces
rouillées de façon que celles-ci cessent de rouiller et ne rouillent plus. Comment ces
produits fonctionnent-ils?

Couper en deux une bande de feuille de cuivre de 1 cm sur 3 cm de façon à obtenir
deux bandes de 0,5 cm de largeur. Couper une longueur de 0,5 cm d'une des bandes
qui servira d'échantillon témoin.
Placer une des longues bandes dans 5 à 10 ml de HCl(aq) dilué, pendant cinq minutes.
Décrire ce qui se passe. Ensuite enlever la bande et la rincer. L'examiner pour observer
ce qui s'est passé.
Entourer étroitement l'autre bande autour d'un morceau de 1 cm2 d'une feuille mince
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de zinc, de façon à ce qu'il y ait contact entre les deux métaux. Placer cet échantillon
dans 5 à 10 ml de HCl(aq) dilué pendant cinq minutes. Décrire ce qui se passe. Ensuite
enlever le cuivre et le rincer. L'examiner pour observer ce qui s'est passé.
Comparer les deux bandes et le carré de 0,5 cm.

Désassembler soigneusement plusieurs piles sèches de 1,5 volt de grosseur « D » et de
marques différentes. Désassembler aussi une pile sèche de 9 volts. Être prudent et
porter un vêtement protecteur puisque le contenu de ces piles est corrosif et toxique.
Observer les similitudes et les différences de construction et de structure. Quelles
réactions chimiques produisent l'électricité dans ces piles?
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Faire une recherche sur la controverse entourant la « fusion à basse température ». Estce un exemple de fusion ou d'électrochimie?