TP réaction zinc/ions cuivre et énergie thermique

A la rentrée, je fais un TP avec mes 3èmes sur la réaction entre les ions cuivre et le zinc (partie du programme sur la pile électrochimique). Pour ce TP, j'aimerais que mes élèves rédigent, seuls, un protocole expérimental pour mettre en évidence l'énergie thermique dégagée par la réaction, puis le mettent en œuvre. Je précise que la réaction a déjà été étudiée, mais du point de vue des réactifs et des produits.
Je veux leur présenter du matériel, mais pas QUE le matériel utile pour le TP. Je ne veux pas qu'ils devinent à partir du matériel ce qu'il faut faire.

J'avais pensé leur proposer:
- solution de sulfate de cuivre et zinc en poudre
- soude (utilisée à chaque TP depuis 2 mois, je pense que certains auront le réflexe d'en coller dans la solution de sulfate de cuivre)
- 2 béchers
- un thermomètre
- une balance + spatule + coupelle (la quantité de zinc à utiliser pour la réaction sera préparée par mes soins à l'avance, donc pas de réel besoin de mesurer une masse)
mais je sèche pour du matériel "inutile" supplémentaire...
Vous auriez des idées?

Merci!

Comme matériel supplémentaire :
- eau distillée
- du cuivre métallique
- des ions zinc en solution
- de la verrerie inutile, mais je sais pas ce qu'on connait en 3eme comme type de verrerie...

Partie intéressante mais assez délicate. D'ailleurs, il y a eu un aller-retour entre les deux versions de ce "nouveau programme" et actuellement les élèves n'ont plus à :

Interpréter l'échauffement du milieu réactionnel comme le résultat de la conversion d’une partie de l'énergie chimique des réactifs en énergie thermique.

Cette interprétation a été supprimée du programmes pour des raisons que j'ignore mais c'était pas forcément facile à ramener à "énergie chimique" puis "énergie électrique" par la suite.


Ta situation c'est quoi ? Ils ont quoi pour démarrer ? Ils savent que ça chauffe ou pas ? Ils ont directement la question du genre : " On a vu que quand on met du zinc en contact avec une solution contenant des ions Cu2+, il se produit une réaction chimique. Nicéphore pense que cette réaction doit dégager de la chaleur, Ursuline pense que ce n'est pas possible car elle se produit en solution aqueuse... Départagez les ! " ?

Sinon pour du matériel en plus :
- du matériel de chauffage (bec électrique) ?
- une ampoule à décanter ?

Effectivement ce n'est pas explicitement au programme :"Lorsque la pile fonctionne, une partie de cette énergie est transférée sous d'autres formes". Mais je trouve intéressant d'étudier l'intérêt des réactions chimiques pour la production d'énergie (ce qui me fait une transition super avec la partie électricité et en plus, je valide le socle ni vu ni connu). D'ailleurs, mon chapitre parle de réaction chimique et d'énergie chimique, plus que de pile en fait. Je déborde un peu du programme, mais ça me permet de faire le lien avec les premières réactions chimiques vues en 4ème: les combustions.

En gros, le fil conducteur de mon chapitre:
- les réactions chimiques peuvent produire de l'énergie à partir de l'énergie chimique (énergie thermique: combustions vues en 4ème, échauffement du milieu réactionnel pour la réaction zinc/ions cuivre ; puis énergie électrique avec cette dernière réaction);
- on peut utiliser cette conversion d'énergie à notre avantage (rappel: le feu pour chauffer et éclairer; fabrication d'une pile).

Pour le TP:
- on a parlé, en cours, en long, en large et en travers des combustions qui "libèrent de la chaleur" (grosse piqure de rappel de 4ème, mais mes élèves ont une excuse, leur année de 4ème a été assez chaotique en physique-chimie, une partie du programme est passée à la trappe); on sait que les réactions chimiques peuvent libérer de l'énergie, la question est maintenant de savoir sous quelles formes
- on a étudié en TP la transformation chimique entre la lame de zinc et la solution de sulfate de cuivre (réactifs et produits), on est en train d'écrire l'équation de réaction en cours (OK ce n'est pas au programme mais je le fais quand même) et on remarquera que "tiens c'est bizarre, des atomes perdent des électrons quand des ions en gagnent, il y a un transfert d'électrons, mais dites donc, transfert d'électron et électricité, il n'y a pas un lien..?"
- ma situation déclenchante n'en est pas une, ce sera quelque chose du genre: cette transformation chimique dégage-t-elle de la chaleur, comme les combustions? je veux que mes élèves se concentrent sur la rédaction et la mise en œuvre du protocole.

Alors je note pour le matériel en plus:
- eau tout court (pas distillée, pas les moyens au collège)
- bec électrique (bonne idée, j'ai, en plus c'est dans le thème de la "chaleur")

En verrerie, j'ai des béchers/pots de yaourts en verre, des erlenmeyers, des ballons à fond plat, des tubes à essai, des cristallisoirs qui ne résistent pas à la chaleur, des éprouvettes graduées en plastique mais je n'ai pas d'ampoule à décanter.

Pour les ions zinc en solution et le cuivre, faut que je regarde au labo ce qu'il nous reste.

Et un morceau de papier pH, vous en pensez quoi? C'est peut-être du gaspillage, non?

Pour répondre au papier pH, comme tu as fait l'acidité avant, leur proposer du papier pH c'est une bonne idée ! (pas toute la boite, hein, des petits bouts ! ) C'est bien les tests qui ne marchent pas !

Sinon faut pas trop exagérer le côté "matériel inutile" à mon avis, déjà avec quelques trucs en plus ça suffit... Ils vont trouver assez vite et sans regarder le matériel je pense. Moi je ne leur donne pas accès au matériel pendant les deux premières phases de réflexion (une chacun tout seul, puis à la suite par groupes de 4).

Attention quand même à ne pas trop détailler l'évolution de la pile car les phénomènes sont bien hors programme et trop détailler perd les élèves qui avaient compris (je l'ai testé en 3e et en terminale S, très peu de différence entre les deux approches d'ailleurs à mes yeux... )

L'année dernière je leur avais fait "inventer" la pile (ZEP banlieue rurale de Lyon) et ça avait marché du tonnerre ! Les groupes m'ont tout trouvé... bluffé. Qu'il fallait séparer les réactifs pour que la réaction ne puisse pas se faire directement et donc qu'elle "pousse" les électrons du circuit pour avoir lieu, le fait qu'il faut que ça s'équilibre sinon l'électro-neutralité n'est plus respectée... (Bon j'avais insisté sur les forces électriques à distance et parlé de mon modèle de pile que je donne en 5e, en tant que "double réservoir", ça a du aider).

En tous cas, j'aime bien cette partie car je la trouve très cohérente depuis les ions jusqu'aux piles, avec acidité, tests de reconnaissance...

Je ne comprends pas bien ce que tu veux faire.
Tu ne leur fait pas fare une pile zinc cuivre là, tu fait la réaction Zn avec Cu2+... ???

donc en fait, c'est ce que tu as déjà fait sauf que là, ils auront de la poudre au lieu de la lame ?

A priori c'est inspiré de la "classique" réaction redox entre Cu2+ et Zn pour évaluer l'enthalpie de réaction par calorimétrie. Apres une réaction chimique reste différente d'une réaction electrochimique c'est sur.

Et ils devront chercher à déterminer si ça chauffe ou pas... en pensant à mesurer la température avant et après. Ça va pas très loin mais ça permet de remettre une couche sur ce qu'est une mesure et de montrer du coup qu'il y a transformation d'énergie lors de la réaction chimique.

Pour ma part, je ne fais pas cette partie là, je passe directement à la pile, mais je trouve que c'est intéressant.

Will.T a écrit:Je ne comprends pas bien ce que tu veux faire.
Tu ne leur fait pas fare une pile zinc cuivre là, tu fait la réaction Zn avec Cu2+... ???

donc en fait, c'est ce que tu as déjà fait sauf que là, ils auront de la poudre au lieu de la lame ?

Oui, j'ai déjà fait la réaction entre le zinc et les ions cuivre (II). La pile, ce n'est pas pour tout de suite. Je veux que mes élèves "montrent" que cette réaction libère de l'énergie d'abord sous forme thermique, puisque pour l'instant, en cours, je travaille sur les réactions qui produisent de l'énergie.
Pour être franche, ce n'est pas un TP vital pour le cours (puisque l'énergie thermique n'est plus au programme), je profite de cette expérience pour les entraîner à la rédaction de protocoles expérimentaux, pour les faire réfléchir sur le matériel à utiliser (non, on n'utilise pas forcément TOUT ce qu'il y a sur la paillasse, oui, il faut respecter un certain ordre, une certaine logique). En gros, leur montrer qu'une expérience "ça se pense"!

Je n'aborde pas de suite à la rentrée la pile, je leur laisse le temps de digérer l'équation de réaction et le transfert d'électrons. Le TP "réalisation d'une pile" viendra après cette phase, je leur ferai mesurer la tension aux bornes de la pile et étudier son évolution au cours du temps.

zapan a écrit:A priori c'est inspiré de la "classique" réaction redox entre Cu2+ et Zn pour évaluer l'enthalpie de réaction par calorimétrie.

Euh, mes élèves sont en 3èmes, alors l'enthalpie de réaction par calorimétrie

oui lol, pour ça que j'ai dit "inspiré". Mais tu peux t'amuser à parler d'enthalpie libre et d'énergie interne pour rigoler et voir leurs tetes :shock: