Les réactions Fiche pédagogique enseignant … · 2015-02-10 · Détermination d’une quantité...

Fiche pédagogique réalisée

dans le cadre du projet Inforoutes

TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie

avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie

www.vizavi-edu.ro Partenaires :

Fiche pédagogique enseignant

CHIMIE

Jean-Paul Bel, Institut universitaire de formation des maîtres, Université Montpellier II.

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII, TINERETULUI

ŞI SPORTULUI

Les réactions

d’oxydoréduction : un

échange d’électrons

Pays Roumanie

Cadre Lycées à section bilingue francophone

Niveaux Classes de XIIe

Discipline Chimie

Programme Curriculum spécifique aux sections bilingues http://www.vizavi-edu.ro/fr/ressources/baccalaureat/textes-officiels-

programmes/74.html

Thème du

programme La classification des réactions chimiques

Sujet Les réactions d’oxydoréduction : un échange d’électrons

Approche

méthodologique

Mettre en place une démarche d’investigation (ou une démarche

expérimentale)

Pré-requis

Les 3 niveaux de description d’un phénomène chimique :

transformation chimique, réaction chimique et équation chimique (ou

équation bilan)

Calcul des masses molaires M et des volumes molaires pour les gaz

Détermination d’une quantité de matière (mol) à partir des masses ou

des volumes des échantillons (utilisation de la densité et de la masse

volumique)

Utilisation de la relation C = n/V ou Cm = m/V où C est la concentration

molaire et Cm la concentration massique

Utilisation de la relation p V = n. R. T pour les gaz parfaits

Connaissance des ions les plus courants : ions métalliques, ions

halogénures, O2-, SO42-

Tests de reconnaissance des ions métalliques tels Ag+, Cu2+, Fe2+,

Zn2+, etc., des ions chlorures

OBJECTIFS

Disciplinaires

Définir un oxydant et un réducteur

Reconnaître l’oxydant et le réducteur de quelques couples

http://www.vizavi-edu.ro/fr/ressources/baccalaureat/textes-officiels-programmes/74.html

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Les réactions



Etablir et équilibrer l’équation d’une réaction d’oxydoréduction

Décrire un système chimique (par sa composition qualitative et

quantitative).

Écrire l'équation chimique d'une réaction avec les nombres

stœchiométriques corrects.

Analyser des résultats expérimentaux.

Linguistiques

Maîtriser le lexique spécifique à l’oxydoréduction

Décrire un phénomène, des faits

Exprimer la condition et l’hypothèse

Maîtriser le raisonnement par implication

Identifier et utiliser les connecteurs logiques pour retracer un raisonnement

logique (cause, conséquence)

DOCUMENTS

Document 1

Fiche professeur et fiche élève pour l’activité 1 :

Étude expérimentale du passage réciproque de l'oxydant au réducteur

Tiré du CDRom du ministère français de l’Éducation nationale (MEN) « documents

d’accompagnement des programmes de 1ère S 2001 » sur la mesure en chimie –

Comment mesurer des quantités de matière – TP6a : Passage réciproque de l'acide à

la base, de l'oxydant au réducteur

Document 2

Fiche professeur activité 2 :

1) Présentation de quelques oxydants et réducteurs usuels

2) Recherche documentaire et éventuellement approche expérimentale

qualitative sur certaines des réactions liées à des phénomènes courants.

Tiré du CDRom du MEN « documents d’accompagnement des programmes de 1ère

S 2001 » sur la mesure en chimie – Comment mesurer des quantités de matière –

TP6c – Importance des réactions d’oxydoréduction et applications pratiques

Document 3

Fiche professeur activité 3 :

Quelques couples d’oxydoréduction vus en biologie.

Tiré du CDRom du MEN « documents d’accompagnement des programmes de 1ère

S 2001 » sur la mesure en chimie – Comment mesurer des quantités de matière –







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TP6c – Importance des réactions d’oxydoréduction et applications pratiques

OUTILS LINGUISTIQUES

Lexique utile

une transformation chimique

une réaction chimique

une équation chimique

mole, molaire, équimolaire

une quantité de matière (mol)

une concentration

une évolution d’un système

un avancement

un ion, cation, anion

capter

céder

une espèce chimique

une oxydoréduction

un oxydant

un réducteur

un transfert

Formes

syntaxiques /

discursives utiles

- tournures impersonnelles

- présent de vérité générale, verbes d’état, de transformation

- le pronom indéfini : « on »

- la nominalisation

- la tournure passive

- le présent de description (formulation d’un constat) : « Je constate le

fait scientifique A que je cherche à expliquer. »

- la forme interrogative (formulation d’un problème scientifique) :

« Comment expliquer le fait scientifique A ? »

- La condition et l’hypothèse :

Si + indicatif

Si + présent ou passé composé

Si + présent dans la principale

Quand

Lorsque

Dès que







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- La condition nécessaire : l’implication (« On dit qu’une force travaille

si son point d’application se déplace »)

A implique B

B dépend de A

Si A alors B

Pour que A il faut que B

On dit que… si…

- La règle, la loi : tours impersonnels, présent de vérité générale, verbes

d’état

- Le pronom indéfini : « on »

- Les connecteurs de cause, de conséquence

- Les valeurs du présent de l’indicatif

- une phase de description - Je vois que….. J’observe que….

- une phase d’interprétation – Or je sais que….. J’en déduis que

- une phase de synthèse - Je conclus que………… utilisant les

connecteurs de cause et conséquence

SÉQUENCE PEDAGOGIQUE

Durée de la séquence : 3h avec une séance de TP cours.

Problème scientifique : Qu’est-ce qu’un oxydant, un réducteur, un couple redox et une équation

d’oxydoréduction ?

La première séance est un TP-cours qui permet aux élèves de définir un oxydant, un réducteur, un couple redox

et une équation d’oxydoréduction à partir d’expériences simples (avec des cations métalliques uniquement) où

le passage de l’observation à l’écriture de l’équation chimique est simple.

La seconde séance permet aux élèves d’écrire de repérer dans les produits usuels ceux qui sont oxydants et

ceux qui sont réducteurs ce qui permet d’écrire de nouveaux couples redox plus complexes et d’introduire une

méthode pour équilibrer une équation d’oxydoréduction.

La 3e séance permet de faire le lien entre ce domaine de la chimie et la biologie.

Durée de la séquence et répartition des séances : 2H30 sur 3 séances.

Séance 1 :

Démarche Consigne

Situation déclenchante : Présentation de 4 expériences d’oxydoréduction

simples (voir fiche activité 1)

Etude expérimentale du passage réciproque de l'oxydant au réducteur.

Problématique : Que se passe-t-il du point de vue microscopique dans une







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réaction d’oxydoréduction ?

Hypothèses : Compléter et répondre aux questions de la fiche élèves de

l’activité 1

Conclusion : après mise en commun des réponses des élèves

- une réaction d’oxydoréduction est une réaction où il y a un transfert

d’électrons entre les 2 réactifs (par exemple l’ion Ag+ donne un électron au

métal cuivre)

- un oxydant est une espèce chimique qui peut capter au moins un électron

(par exemple Ag+, Cu2+, Fe2+, Zn2+,…)

- un réducteur est une espèce chimique qui peut céder au moins un électron

(par exemple Cu, Fe, Zn, …)

- deux espèces chimiques conjuguées forme un couple oxydant/réducteur,

appelé couple redox, notée Ox/Red (par exemple Cu2+/Cu)

- un oxydant et le réducteur conjugués sont reliés par la demi-équation

correspondante Ox + n e- = Red (par exemple Cu2+ + 2 e- = Cu)

Modalités de

travail

Travail de groupe avec observation des expériences et remplissage de la fiche élève

de l’activité 1

Mise en commun des résultats pour aboutir aux définitions.

Durée

1h

Objectifs

- Définir un oxydant et un réducteur

- Schématiser un couple redox par oxydant/réducteur et la demi-équation

correspondante Ox + n e- = Red

- Reconnaître l’oxydant et le réducteur de quelques couples redox

- Ecrire et équilibrer une réaction d’oxydoréduction

Évaluation /

Correction Exercices d’application

Séance 2 :

Démarche et

consignes

Situation déclenchante : Présentation de quelques oxydants et réducteurs usuels

(voir fiche activité 2)

Pour certains de ces oxydants et réducteurs usuels on fera rechercher aux élèves

(individuellement ou en groupe) les couples redox correspondants.

Problématique : Quels produits de la vie courante sont susceptibles de provoquer

des réactions d’oydo-réduction ?







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Hypothèses : Proposition de couples redox et leur demi-équation par les groupes.

Conclusion : après mise en commun des réponses des élèves et validation des

propositions.

Une recherche documentaire permettra de compléter les exemples :

On notera les couples des réactions de la vie courante :

- Fabrication du dihydrogène en laboratoire :

- Gravure à l’eau forte : cuivre et acide nitrique

- Circuits imprimés (électronique)

- Caractère réducteur des sucres : miroir d’argent avec le glucose

- Alcootest On conclut par :

Méthode d’écriture des demi-équations électroniques :

a. Oxydant + e- = réducteur.

b. Équilibrer tous les atomes autres que O et H.

c. Équilibrer les O en ajoutant des molécules d’eau.

d. Équilibrer les H en ajoutant des protons H+.

e. Compléter le nombre d’électrons pour respecter les charges électriques.

Méthode pour écrire les réactions d’oxydoréduction :

a. On écrit les deux demi équations :

réducteur 1 = oxydant 1 + n1 é

oxydant 2 + n2 é = réducteur 2

b. On s’arrange pour avoir le même nombre d’électrons transférés dans les deux

équations : pour cela, on multiplie par n2 la première et par n1 la seconde :

n2 * réducteur 1 = n2 * oxydant 1 + n2 * n1 é

n1 * oxydant 2 + n1 * n2 é = n1 * réducteur 2

c. On additionne alors les deux demi équations, les électrons n’apparaissent plus :

n1 * oxydant 2 + n2 * réducteur 1 n2 * oxydant 1 + n1 * réducteur 2

Modalités de

travail

Elèves en démarche d’investigation avec un temps d’activité d’élèves en groupe

(test des réactions et écriture des couples redox) et un temps de mutualisation au

niveau de la classe entière.

Durée 1h







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Objectifs

Connaître des applications usuelles de l’oxydoréduction

Écrire et équilibrer des réactions d’oxydoréduction

Évaluation /

Correction

Exercices de réinvestissement

Séance 3 :

Démarche et

consignes

Situation déclenchante : Présentation de quelques couples d’oxydoréduction vus

en SVT (voir fiche activité 3)

Problématique : Comment reconnaître des couples rédox dans les molécules

complexes de la chimie du vivant ?

Hypothèses : En comparant la structure des molécules d’un couple le passage de

l’un à l’autre se fait ou non par passage par perte ou ajout d’’e-.

Conclusion : après mise en commun des réponses des élèves

La chimie du vivant fait appel à de nombreuses réactions redox.

Par exemple : NAD+/NADH et Pyruvate / Lactate dans des réactions intervenant au

niveau des muscles : transformation du glucose en ions pyruvate puis

transformation des ions pyruvate en ions lactate.

Modalités de

travail

Étude documentaire à la maison

Mise en commun des résultats des recherches et lien avec le programme de SVT

Durée 30 min

Objectifs Expliquer les réactions utilisées en biologie à partir de la connaissance de

l’oxydoréduction

Évaluation /

Correction

Exercices de réinvestissement

CONSEILS POUR LES ENSEIGNANTS

Si cela est nécessaire, en fonction des expériences que l'enseignant choisit de proposer aux élèves, les tests

de reconnaissance des ions métalliques tels Ag+, Cu

2+, Fe

2+, Zn

2+, etc., sont préalablement effectués et

interprétés.

Le symbole = pour l’écriture des équations chimiques est introduit ici à l’occasion des réactions







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réversibles d’un couple redox mais il peut être remplacé par la double flèche.

Protection de l'environnement et sécurité : les tests de reconnaissance des ions et les expériences qui

suivent sont effectués sur de petites quantités de solution afin de pouvoir récupérer les solutions

aqueuses de métaux lourds.

On utilisera l’expression « espèce chimique » (pour des molécules ou des ions) plutôt que le mot « corps »

trop vague et souvent limité

Transformation et réaction : quelle distinction ?

Ce qui est observé au plan macroscopique, c’est une transformation, faisant passer un système d’un état initial

à un état final. La combustion complète du méthane en est une, qui transforme un mélange de méthane et d’air

en excès en un mélange de diazote, de dioxyde de carbone, de dioxygène et d’eau. La réaction chimique ne

concerne que les espèces qui ont été effectivement consommées (réactifs) ou qui sont apparues (produits) et

l’équation chimique de cette réaction est un bilan fondé sur les lois de conservation des atomes et des charges

électriques.

État initial État final

T = 298 K ; p = 1 bar

24 mol de diazote

6 mol de dioxygène

2 mol de méthane

Transformation chimique

T = 298 K ; p = 1 bar

24 mol de diazote

2 mol de dioxygène

2 mol de dioxyde de carbone

4 mol d’eau

La réaction chimique modélise la transformation par son bilan de matière : des réactifs (dioxygène et méthane)

ont réagi pour donner naissance à des produits (dioxyde de carbone et eau). La réaction chimique est

symbolisée par l’écriture d’une équation chimique. Cette dernière s’écrit avec les nombres stœchiométriques

entiers les plus petits possible, ajustés en respectant les règles de conservation de la matière : CH4 + 2O2

CO2 + 2 H2O







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Activité 1 expérimentale

Une réaction d’oxydoréduction simple

Fiche professeur

Produits nécessaires

- poudre (ou lame) de fer, de zinc et de cuivre

– solution de nitrate d'argent(I), Ag+(aq) + NO–3(aq), 1,0.10–2 mol.L–1

– solution de sulfate de cuivre(II), Cu2+(aq) + SO24–(aq), 1,0.10–2 mol.L–1

– solution de sulfate de fer(II), Fe2+(aq) + SO24–(aq), ou de sel de Mohr, 1,0.10–2 mol.L–1

– solution de sulfate de zinc(II), Zn2+(aq) + SO24–(aq), 1,0.10–2 mol.L–1

– solution d'hydroxyde de sodium, Na+(aq) + OH–(aq), 1,0 mol.L–1

– solution de chlorure de sodium, Na+(aq) + Cl–(aq), 1,0.10–2 mol.L–1.

Réaction entre un cation métallique et un métal

Le professeur réalise les transformations chimiques suivantes qui sont observées par les élèves.

Avant le début de la réaction puis en fin de réaction, il fait un test de présence avec quelques gouttes de soude.

Après l’identification des produits de la réaction, il fait écrire dans chaque cas, l'équation chimique associée à

la transformation chimique de chacun des systèmes observés.

- Expérience 1 :

De la poudre de cuivre Cu(s) plongée dans une solution de nitrate d’argent Ag+(aq), NO3

-(aq)

- Expérience 2 :

De la poudre de zinc Zn(s) plongée dans une solution de sulfate de cuivre Cu2+

(aq), SO42-

(aq)

- Expérience 3 :

De la poudre de fer Fe(s) plongée dans une solution de sulfate de cuivre Cu2+

(aq), SO42-

(aq)

- Expérience 4 :

De la poudre de Zn(s) plongée dans une solution de sulfate de fer Fe2+

(aq). SO42-

Afin de montrer le passage réciproque de l'oxydant au réducteur, dans les exemples choisis, un couple

oxydant/réducteur au moins doit être proposé afin que, dans une expérience, l'oxydant du couple puisse être

réduit alors que, dans une autre expérience, le réducteur, du couple soit oxydé : c'est le cas des expériences 1 et

2 (ou 3) avec le couple Cu2+

/Cu, des expériences 3 et 4 avec le couple Fe2+

/Fe.







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Émergence des notions d'oxydant, de réducteur, de couple oxydant/réducteur

Expérience 1 : Cu(s) + Ag+(aq)

– Au cours de la transformation chimique (compléter) :

L’ion argent(I), Ag+ : L’atome de cuivre, Cu :

a gagné 1 atome d’hydrogène H a gagné 1 atome d’hydrogène H

a perdu 2 cation H+ a perdu 2 cation H

+

3 anion H- 3 anion H

-

Conclusion : en définissant les termes oxydant et réducteur et on interprète la réaction étudiée comme une

réaction d'oxydoréduction.

Expérience 2 : Zn + Cu2+

(aq)


L’ion cuivre(II), Cu2+

: L’atome de zinc, Zn :



+


-

On conclut en définissant le couple oxydant/réducteur et son écriture formelle : oxydant + ne– = réducteur.







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Fiche élève (à compléter à partir des observations de l’expérience)

1) Dans chaque cas quelle est l'équation chimique associée à la transformation chimique observée ?

– Expérience 1 : Cu(s) + Ag+(aq)

– Expérience 2 : Zn(s) + Cu2+

(aq).

– Expérience 3 : Fe(s) + Cu2+

(aq).

– Expérience 4 : Zn(s) + Fe2+

(aq).

2) Que se passe-t-il du point de vue microscopique dans les réactions observées ?

Expérience 1 :


L’ion argent(I), Ag+ : L’atome de cuivre, Cu :



+


-

Conclusion :

Définir les termes d’oxydant et de réducteur.

Interpréter la réaction étudiée.

Expérience 2 : Zn + Cu2+

(aq)


L’ion cuivre(II), Cu2+

: L’atome de zinc, Zn :



+


-

Conclusion :

Définir un couple oxydant/réducteur

Ecrire l’équation de passage d’un oxydant au réducteur correspondant et inversement.







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Activité 2 (expérimentale pour les réactions réalisables)

1) Présentation de quelques oxydants et réducteurs usuels

Le chimiste, la ménagère, le pharmacien, l’infirmière, le graveur, le photographe, etc. ont à leur disposition un

certain nombre de « produits » présentant un caractère oxydant ou réducteur.

Oxydants usuels Réducteurs usuels

Eau de Javel ClO-(aq)

Eau iodée I2(aq)

Dioxygène O2

Dichlore Cl2

Eau oxygénée H2O2

Acides usuels au laboratoire (acide chlorhydrique,

acide sulfurique, etc.)

Cation métallique : Ag+ (réactif de Tollens), Cu

2+

(réactif de Fehling), Fe3+

(gravure des circuits

imprimés)

Permanganate de potassium cristaux et solutions)

Ions nitrate (cristaux) et solutions d’acide

nitrique).

Etc.

Métaux

Thiosulfate de sodium

Antioxydants : vitamine C

Glucose

Ethanol

Pour certains de ces oxydants et réducteurs usuels on fera rechercher aux élèves (individuellement ou en

groupe) les couples redox correspondants.

Une mise en commun permettra d’écrire les couples et leur demi-équation

A l’occasion de cette recherche d’exemples et de la lecture des étiquettes des flacons correspondants, réactiver

avec les élèves la signification des pictogrammes, en particulier « comburant » (cristaux de permanganate de

potassium et cristaux contenant des ions nitrate).







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2) Recherche documentaire et éventuellement approche expérimentale qualitative sur certaines des

réactions liées aux phénomènes suivants :

- Fabrication du dihydrogène en laboratoire

- Gravure à l’eau forte : cuivre et acide nitrique

- Circuits imprimés (électronique)

- Caractère réducteur des sucres : miroir d’argent avec le glucose

- Alcootest

Pour certaines de ces réactions d’oxydoréduction, on fera rechercher aux élèves (individuellement ou en

groupe) l’équation chimique que l’on cherchera à équilibrer.

Une mise en commun permettra d’écrire l’équation chimique et d’expliquer la méthode pour l’équilibrer

ces équations.

Prolongements expérimentaux possibles

- Caractère “ oxydant ” de l'eau de Javel : les ions hypochlorite peuvent oxyder en milieu acide les ions

iodure : ClO-(aq) + 2H

+(aq) + 2I

-(aq) → Cl

-(aq) + H2O + I2(aq)

Dans un tube à essai, verser 2 mL environ de solution d'iodure de potassium et 2 mL environ d'acide

chlorhydrique dilué puis, goutte à goutte, l'eau de Javel diluée pour faire apparaître la couleur brun orangé du

diiode (identifiable avec l'empois d'amidon, coloration bleue).

- Caractère « oxydant » de l'eau oxygénée : dans un tube à essai verser 2 mL de solution d'iodure de

potassium et 2 mL d'acide chlorhydrique puis, goutte à goutte, l'eau oxygénée pour faire apparaître la

couleur brun orangé du diiode.

C6H8O6(aq) + I2(aq) → C6H8O4(aq) + 2I-(aq) + 2H

+aq(aq)

- Caractère « réducteur » de l'acide ascorbique (vitamine C) : dissoudre un comprimé de Vitascorbol dans

de l'eau et partager cette solution entre les groupes d'élèves. Dans un tube à essai, introduire 2 mL d'eau

iodée. Ajouter la solution d'acide ascorbique et observer la disparition de la couleur brun orangé du diode.

H2O2(aq) + 2 H+

aq(aq) + 2 I-(aq) → 2 H2O(aq) + I2(aq)







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Activité 3

Quelques couples d’oxydoréduction vus en biologie

Faire travailler les élèves sur ces couples appartenant au monde du vivant.

Questionnement possible

1. Reconnaître l’oxydant et le réducteur des couples NAD

+/NADH et Pyruvate / Lactate dans des

réactions intervenant au niveau des muscles : transformation du glucose en ions pyruvate puis

transformation des ions pyruvate en ions lactate.

a) Le couple NAD+ / NADH

NAD+ = Nicotinamide Adémine Dinucléotide.

(aq)+ + 2 e-=

NAD NADH

H+

N

R

CONH2

HH

N

CONH2

H

R

NAD+ + H

+(aq) + 2e

- = NADH

b) Réduction de l’ion pyruvate en ion lactate

C O

O O

CH3

C

C

O O

CH3

C

OHH+ NADH + H = + NAD+(aq)

Pyruvate Lactate







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Les deux couples suivants interviennent :

Pyruvate + 2H+(aq) + 2e

- = Lactate

NADH = NAD+ + H

+(aq) + 2e

-

Pyruvate + NADH + H+(aq) = Lactate + NAD

+

2. Écrire la réaction d’oxydoréduction intervenant dans la chaîne respiratoire mettant en jeu les

couples : NAD+ / NADH et O2(g) / H2O, sachant qu’il y a oxydation du NADH.

1/2O2(g) + 2H+(aq) + 2e

- = H2O

NADH = NAD+ + H

+(aq) + 2e

-

1/2O2(g) + NADH + H+(aq) = H2O + NAD

+

3. Identifier les deux couples oxydant / réducteur et les écrire avec le formalisme habituel dans une

équation de réaction d’oxydation d’un alcool dans le métabolisme humain

+NADH ++ C R'R

H

OH

C R'R=

O

NAD H+(aq)

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