TP22 Transformations et effets thermiquesTransformations et effets thermiques

ObjectifsObjectifs de la séance :de la séance :

- Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental ;- Savoir identifier et évaluer les effets thermiques d’une transformation chimique ou physique.

Composition AComposition A

Sachet 1Sachet 1 : chlorure de calcium (CaCl: chlorure de calcium (CaCl22))Sachet 2Sachet 2 : eau: eau

Composition BComposition B

Sachet 1Sachet 1 : nitrate d'ammonium (NH: nitrate d'ammonium (NH44NONO33))Sachet 2Sachet 2 : eau: eau

Le « froid » peut être utile en secourisme, particulièrement en milieu sportif car il a plusieurs effets : un effet antalgique (il calme la douleur), une action anti-inflammatoire (atténue la formation d’hématomes, d’œdèmes ...) et une action hémostatique (il diminue le saignement des fibres musculaires lésées en provoquant le rétrécissement des capillaires sanguins). Pour apaiser des contractures musculaires, on peut utiliser des poches de chaud immédiat… Ces poches contiennent deux sachets, séparés par une paroi interne : l’un contient un composé ionique, l’autre de l’eau. Pour les utiliser, il suffit de rompre cette paroi pour déclencher une réaction entre le composé ionique est l’eau et créer une sensation de chaud ou de froid.

Les compositions des sachets sont données ci-dessus.

Quelles sont les compositions des deux poches ?

1.1. Se réchauffer chimiquementSe réchauffer chimiquement

Proposez et mettez en œuvre un protocole expérimental permettant de retrouver la composition (A ou B) de chaque patch. Après avoir mis en œuvre votre protocole, vous noterez vos résultats et observations (voir feuille réponse).

Matériel :

Protocole expérimental :

2.2. Mélanges d’espèces chimiquesMélanges d’espèces chimiques

Expérience n°1 : La dissolution de composés solides

L’hydroxyde de sodium, le chlorure d’ammonium et le chlorure de sodium se présentent sous la forme de trois solides blancs à température ambiante.

Protocole expérimental :

Préparez 3 coupelles contenant respectivement 4 g d’hydroxyde de sodium (NaOH), 4 g de chlorure de sodium (NaCℓ) et 4 g de chlorure d’ammonium (NH4Cℓ) ; Versez, à l’aide d’une éprouvette graduée, 25 mL d’eau distillée dans 3 béchers différents ; Relevez la température initiale θi de l’eau dans chaque bécher à l’aide de la sonde thermométrique ; (feuille réponse)

Versez le contenu de chaque coupelle dans un bécher ; Remuez avec un agitateur en verre jusqu’à dissolution complète ; Relevez la température finale θf de chaque solution. (voir feuille réponse)

Questions

Lorsque la dissolution d’un composé ionique s’accompagne d’une augmentation de la température, la réaction est dite exothermique ;La dissolution d’un composé ionique peut également s’accompagner d’une diminution de la température. , la réaction est dite endothermique ;Si aucun effet thermique n’apparait lors d’une transformation chimique, la réaction est dite athermique.

Q1.Q1. Complétez le schéma (voir feuille réponse) en indiquant, sous chaque bécher, le nom du composé dissous.Q2.Q2. Ces dissolutions sont-elles des transformations physiques ou chimiques ? Justifiez votre réponse.Q3.Q3. Classez ces trois expériences dans la catégorie transformation endothermique ou exothermique.

Expérience n°2 : Mélange d’un acide avec une base

Protocole expérimental :

Versez 20 mL de solution aqueuse d’acide chlorhydrique, (H+(aq) + Cℓ‒

(aq)) dans un bécher de 50 mL puis mesurez la température de la solution ; Versez 10 mL de solution aqueuse d'hydroxyde de sodium (ou soude), (Na+

(aq) + HO‒(aq)) dans un second bécher de

50 mL puis mesurez la température de la solution ; (voir feuille réponse) Versez avec précaution le contenu du premier bécher dans le second puis remuez avec l'agitateur en verre ; Notez la valeur de la température du mélange obtenu. (voir feuille réponse)

Q4.Q4. Cette transformation est-elle une transformation physique ou chimique ? Justifiez votre réponse.Q5.Q5. Classez cette expérience dans la catégorie transformation endothermique ou exothermique.

Expérience n°3 : L’eau oxygénée

Questions

Protocole expérimental :

Versez 50 mL d’eau oxygénée (à 10 Volumes) dans un erlenmeyer ; Mesurez la température initiale de la solution (attendre que la température soit stabilisée avant de noter la valeur) ; Ajoutez 10 mL d’une solution de nitrate de fer (III) de concentration c = 0,5 mol.L‒1 ; Enflammez une pique en bois avec une allumette. Lorsque le bois est consumé sur 1 cm environ, soufflez sur la pique afin d’obtenir une pointe incandescente (sans la flamme). Placez alors la pique au-dessus de l’erlenmeyer ;

Q6.Q6. Comment évolue la température de la solution ?Q7.Q7. Cette transformation est-elle endothermique ou exothermique ?Q8.Q8. Que permet de mettre en évidence le test avec la pique en bois incandescente ?Q9.Q9. S’agit-il d’une transformation physique ou chimique ? Justifiez votre réponse.

3.3. Changement d’état et transpirationChangement d’état et transpiration

Expérience n°1 : L’état solide

Protocole expérimental :

Placez 100 mL d’eau dans un bécher de 200 mL et notez sa température ;

Introduisez quelques morceaux de glace puis démarrer le chauffage ; Remuez régulièrement (pas d’agitateur intégré au système de chauffage) et notez la température du mélange toutes les minutes pendant 5 à 10 minutes et regroupez les valeurs dans un tableau ;

Questions

Questions

glace

Q10.Q10. Indiquez les différentes étapes des changements observés dans le bécher.Q11.Q11. Comment évolue la température pour chaque étape ?Q12.Q12. Les changements observés correspondent-ils à une transformation physique ou chimique ? Justifiez votre réponse.Q13.Q13. La fonte des glaçons consomme-t-elle ou fournit-elle de l’énergie ? Justifiez votre réponse.

Expérience n°2 : L’état liquide

En été, à la plage, lorsqu’on sort de l’eau, ou après un effort physique intense s’accompagnant de transpiration, on ressent une sensation de froid en plein vent. Cette sensation disparait dès que notre corps n’est plus mouillé. De la même manière, quand on met sur la peau une compresse imbibée d’alcool, on ressent cette sensation de froid pendant quelques instants.

Comment interpréter ce phénomène ?

Protocole expérimental :

Entourez la sonde d’un thermomètre numérique de coton fixé à l’aide d’un élastique ; Relevez la température initiale θi ; (voir feuille réponse) Plongez le coton dans un bécher contenant de l’alcool (éthanol) ; Suivre l’évolution de la température et noter la valeur de la température finale θ f dans un tableau. (feuille réponse) Recommencez les étapes de à avec de l’acétone ; Notez vos observations (commentez l’évolution de la température). (voir feuille réponse)

Q14.Q14. Cette expérience est-elle une transformation physique ou chimique ? Justifiez votre réponse.Q15.Q15. Expliquez maintenant la sensation de froid ressenti à la mer en sortant de l’eau ou après un effort intense.

Questions

4.4. ConclusionConclusion

À partir des expériences que vous avez réalisées, répondez à la question du début de l’activité en justifiant votre réponse par l’utilisation de termes de vocabulaire appropriés (voir partie 2) et en indiquant la sensation ressentie en fonction de la poche utilisée et le type de transformation (physique ou chimique) qui se produit lors de son utilisation.

Pour aller plus loin : la « soudure » à l’eau

Sur une planche en bois, verser de l’eau et poser dessus un erlenmeyer contenant environ 20 g de nitrate d’ammonium solide NH4NO3 (s) ; Verser alors 20 mL d’eau dans l’erlenmeyer et agiter avec une tige de verre jusqu’à dissolution complète sans bouger le récipient ; Boucher l’erlenmeyer et retourner la planche.

En observant la planche, on remarque une pellicule de glace entre celle-ci et l’erlenmeyer, ce qui explique que ce dernier ne tombe pas lorsqu’on retourne la planche.

FEUILLE REPONSE1.1. Se réchauffer chimiquementSe réchauffer chimiquement

Observation(s) :

2.2. Mélanges d’espèces chimiquesMélanges d’espèces chimiques

Expérience n°1 : La dissolution de composés solides

Tableau des résultats : (à compléter)

eau distillée+

hydroxyde de sodium

eau distillée+

chlorure de sodium

eau distillée+

chlorure d’ammoniumθi (en °C)

(température initiale)

θf (en °C)(température finale)

Q1.Q1. Indiquez sous le nom de chaque bécher le nom du composé dissous :

Eau

Eau+

…………………………..…………………………..

Eau+

…………………………..…………………………..

Eau+

…………………………..…………………………..

Réponses aux questions :

Q2.Q2.

Expérience n°2 : Mélange d’un acide avec une base

Tableau des résultats : (à compléter)

Acide chlorhydrique Hydroxyde de sodium Mélange acide + baseθ (en °C)

(température)

Réponses aux questions :

Q4.Q4.

Expérience n°3 : L’eau oxygénée

Réponses aux questions :

Q6.Q6.

3.3. Changement d’état et transpirationChangement d’état et transpiration

Expérience n°1 : L’état solide

Réponses aux questions :

Q10.Q10.

Expérience n°1 : L’état liquide

Tableau des résultats : (à compléter)

Coton imbibé d’alcool Coton imbibé d’acétoneθi (en °C)

(température initiale)

θf (en °C)(température finale)

Observations :

Réponses aux questions :

Q14.Q14.

Q15.Q15.

4.4. ConclusionConclusion

CORRECTIONCORRECTION

1.1. Se réchauffer chimiquementSe réchauffer chimiquement

Protocole expérimental :

Verser environ 5 mL d’eau distillée dans un tube à essai puis y plonger le thermomètre ; Attendre que la température soit stabilisée et relever la température initiale θ i ; Ajouter une pointe de spatule d’un des solides ioniques et, sans sortir le thermomètre, agiter doucement pour que la dissolution soit totale ; Noter la température finale θf atteinte par la solution.

Tableau des résultats :

Solide ionique NH4NO3 CaCl2

θi (en °C)(température initiale)

25 25

θf (en °C)(température finale)

20 28

Évolution de la température Diminution AugmentationEffet thermique Exothermicité Endothermicité

2.2. Mélanges d’espèces chimiquesMélanges d’espèces chimiques

Expérience n°1 : La dissolution de composés solides

Tableau des résultats :

eau distillée+

hydroxyde de sodium

eau distillée+

chlorure de sodium

eau distillée+

chlorure d’ammoniumθi (en °C)

(température initiale)20,1 20,1 20,1

Une transformation physique est une transformation au cours de laquelle la nature et les propriétés de la matière ne sont pas modifiées : les atomes et les molécules ne changent pas ;

Exemples : changement d’état, dissolution, extraction…

Une transformation chimique est une transformation au cours de laquelle la nature et les propriétés de la matière sont modifiées : les liaisons entre les atomes sont réarrangées et de nouvelles molécules sont crées ;

Exemples : synthèse, combustion…

θf (en °C)(température finale)

40,3 20,0 14,7

Q1.Q1. Composés dissous :

Eau

Eau+

Chlorured’ammonium

Eau+

Hydroxyde desodium

Eau+

Chlorure desodium

Endothermique Exothermique Athermique

Q2.Q2. Ces expériences sont des transformations physico-chimiques : la dissolution est la dispersion des ions constituants le solide ionique sous l’effet d’une solvatation avec rupture des liaisons ioniques dans le cristal ionique.

Q3.Q3. Voir ci-dessus.

Expérience n°2 : Mélange d’un acide avec une base

Tableau des résultats :

Acide chlorhydrique Hydroxyde de sodium Mélange acide + baseθ (en °C)

(température)

Réponses aux questions :

Q4.Q4. Il s’agit d’une transformation chimique : une nouvelle molécule est crée (molécule d’eau) et la solution obtenue n’est ni acide ni basique donc les propriétés sont différentes.

Q5.Q5. Après mélange des deux solutions, la température du mélange augment. Il s’agit donc d’une réaction exothermique.

Expérience n°3 : L’eau oxygénée

Réponses aux questions :

Q6.Q6. La température augmente.Q7.Q7. Puisque la température augmente, la transformation est exothermique ?

Q8.Q8. Le test avec la pique incandescente permet de mettre en évidence la formation de dioxygène : c’est le test d’identification du dioxygène.Q9.Q9. Il s’agit d’une transformation chimique puisqu’une nouvelle molécule est crée : la molécule de dioxygène.

3.3. Changement d’état et transpirationChangement d’état et transpiration

Expérience n°1 : L’état solide

Réponses aux questions :

Q10.Q10. Étape : la glace fond ; Étape : l’eau liquide se réchauffe.

Q11.Q11. Étape : la température reste constante (changement d’état) ; Étape : la température augmente (jusqu’au nouveau changement d’état).

Q12.Q12. Les changements observés correspondent à une transformation physique : il s’agit d’abord d’un changement d’état puis d’un réchauffement donc les atomes et les molécules ne changent pas.

Q13.Q13. La fonte des glaçons consomme de l’énergie puisque malgré le chauffage (apport d’énergie thermique) la température reste constante.

Expérience n°2 : L’état liquide

Tableau des résultats :

Coton imbibé d’alcool Coton imbibé d’acétoneθi (en °C)

(température initiale)19,0 19,0

θf (en °C)(température finale)

12,6 11,2

Réponses aux questions :

Q14.Q14. C’est une transformation physique puisqu’il s’agit d’une vaporisation de l’éthanol ou de l’acétone donc un changement d’état physique.

Q15.Q15. L’eau sur notre corps passe de l’état liquide à l’état gazeux en absorbant de l’énergie dans le milieu environnant dont notre corps, d’où cette sensation de froid.

4.4. ConclusionConclusion

Composition BComposition B

Sachet 1Sachet 1 : nitrate d'ammonium (NH: nitrate d'ammonium (NH44NONO33))Sachet 2Sachet 2 : eau: eau

Composition AComposition A

Sachet 1Sachet 1 : chlorure de calcium (CaCl: chlorure de calcium (CaCl22))Sachet 2Sachet 2 : eau: eau

- Lorsqu’on mélange du nitrate (ou chlorure) d’ammonium avec de l’eau, il se produit une transformation chimique endothermique (voir expérience n°1 de la partie 2) qui crée une sensation de froid. La composition de la poche de froid instantané est donc la B ;

- Par déduction, la composition de la poche de chaud est la A : lorsqu’on mélange le contenu des deux sachets il se produit une transformation chimique exothermique qui crée une sensation de chaud.

Sources de l’activitéSources de l’activité

Activité n°3 p178 (BORDAS 2nd, Collection E.S.P.A.C.E Lycée)