Modéliser pour comprendre les phénomènes chimiques - ORBi

Service de didactique de la chimie –Ulg B.Nihant & H.karous 2016-2017 1
Modéliser pour comprendre les phénomènes chimiques
Brigitte Nihant & Hamad Karous
Service de didactique de la chimie – Ulg (Prof. Bernard Leyh)
Il existe actuellement un consensus sur le fait que les scientifiques ne décrivent pas la réalité telle
qu’elle est dans toute sa complexité mais qu’ils en construisent des représentations qui leur
permettent de l’expliquer partiellement et de la maîtriser, partiellement également. De telles
représentations sont généralement appelées des modèles et le processus de leur construction est la
modélisation. Les référentiels et programmes de sciences insistent de plus en plus, dans un souci
d’authenticité épistémologique, sur la nécessité de confronter les élèves aux modèles établis et à
leur élaboration, afin qu’ils se constituent une vision aussi fidèle que possible de l’entreprise
scientifique.
Le concept de modèle possède des composantes multiples et il n’est pas aisé d’en donner une
définition compacte, complète et définitive. On pourrait tenter de dire, en bref, que modéliser, c’est
simplifier délibérément pour pouvoir expliquer et agir efficacement. On peut envisager différents
types de modèles qui ne s’excluent pas mutuellement. On les rencontrera dans les différentes
activités expérimentales que nous proposons.
(i) On peut tout d’abord modéliser une situation expérimentale complexe (une pile
commerciale ou un accumulateur, par exemple) par une autre situation apparentée mais
plus simple et dont on contrôle mieux les paramètres, afin de mettre leur influence en
lumière. Diverses expériences sur les piles (de Daniell, entre autres) illustrent cet aspect.
Les expériences proposées sur la diffusion entrent également dans cette catégorie.
(ii) En chimie, le principe explicatif fondamental consiste à fonder les observations
macroscopiques sur des processus décrits au niveau sub-microscopique (atomes,
molécules, ions, électrons). Cette représentation sub-microscopique peut être
schématique et/ou symbolique. Pour plusieurs des expériences proposées, on demande
de représenter schématiquement les mouvements des particules concernées. On
demande aussi de traduire le phénomène en un langage symbolique, l’écriture de la
réaction chimique. Ici aussi, il s’agit d’une modélisation : quand on écrit HCl(aq), par
exemple, on remplace une situation complexe et relativement mal définie – des ions
H3O+ et des ions Cl hydratés avec éventuellement plusieurs couches d’hydratation – par
une écriture compacte qui représente de manière conventionnelle l’essentiel de
l’information dont on a besoin dans un but déterminé (un titrage, par exemple).

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I. Électrochimie avec du matériel simple
Expérience 1 : la pile de Daniell : deux constructions différentes [1-2]
Objectif
Dans cette expérience, les élèves devront interpréter et comparer deux possibilités de construire une
pile de Daniell en mesurant la tension aux bornes de la pile, l’intensité de courant pour la pile en
court-circuit et la tension aux bornes lorsque la pile débite du courant.
Matériel et produits
 petit pot de fleur en terre cuite et pâte à
modeler ou cire de bougie.
 cristallisoir
 câbles munis de pinces-crocodiles
 multimètre
 petit moteur
 papier cuisine, papier émeri, ciseaux
 2 béchers de 150 mL ou 250 mL
 solution de sulfate de cuivre, c(CuSO4)
=1mol/L
 solution de sulfate de zinc, c(ZnSO4) = 1
mol/L
 chlorure de sodium
 eau distillée
 lame de zinc (Zn)
 lame de cuivre (Cu)
 solution de nitrate de potassium,
c(KNO3) = 1 mol/L
Travail préparatoire
Le jour précédant la manipulation, tremper le petit pot en terre cuite, dont le fond a été fermé à
l’aide de pâte à modeler ou de cire de bougie, dans une solution aqueuse saturée de chlorure de
sodium. Le pont électrolytique est constitué d’un papier filtre imbibé d’une solution de nitrate de
potassium (c=1 mol/L).
Réalisation

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Mesures à faire pour les deux types de construction
1. Mesurer la tension aux bornes de la pile de Daniell lorsque celle-ci ne débite pas de courant,
en utilisant un multimètre en mode voltmètre.
2. Essayer de faire fonctionner le moteur.
3. Si le moteur fonctionne, mesurer la tension aux bornes de la pile de Daniell ainsi que
l’intensité du courant électrique qui traverse le moteur, en utilisant un multimètre en
ampèremètre. Faire un schéma du circuit comprenant le branchement pour le voltmètre et
l’ampèremètre.
4. Retirer le moteur et mettre la pile en court-circuit. Mesurer l’intensité de courant.
Observations
Les deux types de construction de la pile de Daniell fournissent la même tension (1,1 V environ). Le
moteur fonctionne préférentiellement dans la construction « pot en terre cuite ». La construction
« béchers » ne débite qu’un faible courant électrique qui ne permet pas le fonctionnement du
moteur.
Questionnement
Décrire les points communs et les différences que l’on peut déduire des mesures réalisées.
Modéliser à l'échelle moléculaire pour mettre en évidence les différences entre les mesures
réalisées. Cette modélisation doit décrire les fonctionnements des deux piles Daniell à l’échelle sub-
microscopique afin de trouver une explication compatible avec les observations macroscopiques.
Conclusion
La pile de Daniell constituée des deux béchers et du pont électrolytique en papier imbibé de solution
de nitrate de potassium ne permet pas de fournir un courant électrique suffisamment intense. Cela
est dû à la valeur élevée de la résistance interne de cette pile en raison du type de pont
électrolytique qui ne permet qu’un transfert lent des ions. Cela conduit à une chute ohmique
importante lorsque la pile est mise en fonctionnement.
Dans le cas de la construction « pot en terre cuite », la surface d’échange pour les ions est nettement
plus grande : ceci réduit de façon importante la chute ohmique.
Approfondissement :
http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/terminale_TS/daniell.htm [3]

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Expérience 2 : identification des réactions aux électrodes de la pile de Daniell [1-2]
Objectif
Dans cette expérience, l’élève doit identifier les produits des réactions qui ont lieu aux électrodes de
la pile de Daniell et ensuite écrire les réactions correspondantes.
Matériel et produits:
 petit pot de fleur en terre cuite et pâte à
modeler.
 cristallisoir câbles munis de pinces-
crocodiles
 multimètre
 petit moteur
 tube à essais muni d’un bouchon
 pipette
 bécherde 250 mL
 eau distillée
 solution de sulfate de cuivre, c(CuSO4)
=0,1mol/L
 solution de sulfate de zinc, c(ZnSO4)
= 1 mol/L
 solution de nitrate de potassium, c(KNO3)
= 1 mol/L
 solution d’ hexacyanoferrate (II) de
potassium
 électrode de carbone
 chlorure de sodium
 lame de zinc (Zn)
Travail préparatoire
Le jour précédant la manipulation, tremper le petit pot en terre cuite, dont le fond a été fermé à
l’aide de pâte à modeler ou de cire, dans une solution aqueuse saturée de chlorure de sodium.
Réalisation
Diluer dans le bécher environ 50mL de solution de nitrate de potassium avec de l’eau distillée jusqu’à
un volume total d’environ 150mL. Remplir le petit pot en terre cuite aux ¾ avec la solution de sulfate
de cuivre et le déposer dans le cristallisoir. Verser immédiatement la solution diluée de KNO3 dans le
cristallisoir. Compléter la construction de la pile de Daniell avec une électrode de carbone dans la
solution de CuSO4 et une lame de zinc (préalablement frottée au papier émeri) dans la solution de
KNO3.
Mesurer la tension aux bornes de la pile et identifier le sens du courant électrique. Faire fonctionner
le moteur. Brancher ensuite les deux électrodes en court-circuit pendant 1/2 heure.

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Identification des réactions de la pile de Daniell
Retirer les deux électrodes et les observer attentivement ! Prélever quelques mL de la solution
contenue dans le cristallisoir et y ajouter 2 à 3 gouttes de la solution d’hexacyanoferrate (II) de
potassium, afin de tester la présence des ions Zn2+.
Questionnement
Donner au moins deux observations qui permettent de déduire, d’après vous, le type de réaction à
chaque électrode.
Modéliser à l’échelle moléculaire l’évolution au cours du temps des phénomènes chimiques qui se
produisent aux interfaces des deux électrodes avec les solutions.