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Animation sur les réactions chimiques L'eau, une molécule polaire La dissociation La précipitation La neutralisation et la titration Figurines magnétiques construction de molécules à partir d'ions Travail MAV Mai 1999 Murielle Caillet Dayer Modélisation de trois réactions chimiques. La dissociation, la précipitation, la neutralisation Auteur Travail MAV 1999 Murielle Caillet Dayer 3/8 Murielle Caillet Dayer Objectifs • De manière individuelle, l'élève découvre et identifie visuellement les échanges ioniques dans les réactions. • Il comprend les réactions chimiques en visualisant la succession des échanges ioniques. Il mémorise les événements en regardant plusieurs fois l'animation afin de remplir le questionnaire associé. • En complétant ce questionnaire, l'élève identifie et décrit les étapes les plus importantes de la réaction en reformulant les phénomènes. Le questionnaire guide l'élève afin qu'il identifie, différencie et décrive les ions qui réagissent et les ions "spectateurs". • Avec le module de figurines, l'élève apprend à construire des molécules en manipulant des ions en carton ce qui lui permet de résoudre des équations chimiques et d'écrire la formule brute des molécules. Descriptif de la séquence et des modalités Pour les animations multimédias ( lors de chaque module ) Préparation : réserver la salle d'informatique, installer le logiciel par simple copie sur les ordinateurs (référence au mode d'emploi du CD-ROM), photocopier le questionnaire concerné. Cours : la réaction chimique choisie est introduite par le biais de l'expérimentation. Les élèves visualisent ensuite l'animation. Ils remplissent le questionnaire associé au module de l'animation. Une discussion et une révision en classe de l'animation sur la base du questionnaire peuvent être effectuées avant de poursuivre le sujet par des exercices et des laboratoires. Pour les figurines en carton Préparation : photocopier sur pages couleur (cations en bleu et anions en rose) les versions élèves et leur demander de découper les ions pour le cours suivant. Photocopier les pages explicatives et les exercices. Cours : ces figurines en cartons peuvent s'utiliser très tôt dans le programme lors de l'explication de la formule brute. Après une courte introduction, l'élève construit des molécules neutres en associant le bon nombre de cations et d'anions. Il décrit ensuite la molécule créée par la formule brute et identifie la notation des coefficients et l'utilité des éventuelles parenthèses. Ces figurines peuvent également être données aux élèves en difficulté lors de la résolution d'équations de réactions chimiques. Elles permettent aux élèves qui n'arrivent pas à former des molécules neutres d'assimiler la formule brute. La version maître aimantée a, en plus des particules bleues (cations) et des particules roses (anions), des pièces jaunes avec les coefficients et les parenthèses afin de visualiser distinctement la formule brute. Travail MAV 1999 4/8 Murielle Caillet Dayer Evaluation globale La méthode a été expérimentée en classe avec succès. Les élèves ont montré un intérêt accru. La participation s'est avérée meilleure et de nombreuses questions ont été posées tant au niveau du contenu qu'au niveau du logiciel. L'évaluation de la compréhension des élèves basée sur les réponses aux questionnaires et de l'épreuve montre une progression des élèves. Cela s'explique d'une part par une meilleure motivation, d'autre part parce que l'élève est plus impliqué dans le processus d'apprentissage. Il a la faculté de visionner plusieurs fois l'animation ce qui améliore aussi la mémorisation. Finalement, l'animation a été très bien accueillie par les collègues chimistes des deux écoles de culture générale. Et certains l'utilisent déjà dans leur cours. Travail MAV 1999 5/8 Murielle Caillet Dayer Description des modules et de la modélisation L'eau, une molécule polaire Description du module L'animation "l'eau, une molécule polaire" explique une des propriétés fondamentales de l'eau, sa polarité. Elle montre que, sous l'influence de la différence d'électronégativité, les électrons de l'hydrogène ont tendance à graviter le plus souvent autour de l'oxygène. Il en résulte la formation d'une molécule d'eau polaire. L'oxygène a deux fractions de charge négative tandis que les deux hydrogènes ont une fraction de charge positive. La suite de l'animation montre que l'eau, en tant que liquide, est un équilibre constant d'attraction et de répulsion entre les molécules. Cette propriété est essentielle dans la caractéristique chimique de l'eau et permet d'expliquer le phénomène de dissociation. Choix de modélisation et limite du modèle Le modèle choisi respecte l'angle moléculaire de la molécule. Pour des raisons graphiques, il ne respecte ni la taille des atomes, ni leur couleur. La couleur a été choisie de sorte à garder les pôles positifs en bleu et les pôles négatifs en rouge. La dissociation Description du module L'objectif de l'animation "la dissociation" est d'expliquer le rôle de la molécule d'eau (module précédent) dans le phénomène de dissociation. La première partie présente graphiquement la séparation d'une molécule de chlorure de sodium sous l'effet des charges électriques de l'eau. L'animation indique le rôle de l'oxygène sur le sodium et le rôle de l'hydrogène sur le chlore jusqu'à la rupture de la molécule en deux ions dissociés. La seconde partie reprend la dissociation du chlorure de sodium et explique le lien entre la dissociation et l'équation de dissociation. La troisième partie reprend, à titre d'illustration et de seconde démonstration, la dissociation du sulfate de sodium. Cette partie permet à l'élève de visualiser la conservation de la masse (nombre d'atomes) au cours de la dissociation. Travail MAV 1999 6/8 Murielle Caillet Dayer Choix de modélisation et limite du modèle Le nombre de molécules d'eau intervenant dans la dissociation n'est pas représentatif de la réalité. Ce nombre varie en fonction de la molécule à dissocier. Ici le choix a été fait pour des raisons graphiques et de clarté. La précipitation Description du module Le module "la précipitation" montre graphiquement la préparation de deux solutions en vue d'une réaction de précipitation. Les deux premières parties permettent un rapide rappel de la réaction de dissociation. Elles permettent également de montrer que les réactifs doivent être sous forme ionique avant la réaction de précipitation. La troisième partie démontre la réaction de précipitation avec le mélange des deux solutions et la réaction des anions hydroxydes avec les cations de cuivre (II). En conclusion, un lien est réalisé avec l'équation chimique de la précipitation. Choix de modélisation et limite du modèle Comme dans les autres animations, le modèle choisi ne tient pas compte des tailles et couleurs des ions mis en jeu dans la réaction. La solution est par contre équilibrée dans le nombre d’ions mis en jeu de sorte à respecter la neutralité. Un complément à cette partie pourrait être réalisé en introduisant des notions quantitatives dans la réaction afin de montrer le rôle d'un manque ou d'un excès d'un des réactifs lors des analyses gravimétriques. La neutralisation Description de la première partie : la neutralisation. Dans la partie de "la neutralisation", on montre la réaction de neutralisation. Ici les solutions sont supposées connues. L'animation se concentre sur la réaction des ions hydroxydes avec les protons. On utilise un artifice graphique pour faire disparaître les molécules d'eau dans la solution, car les molécules créées sont "perdues" dans la grande quantité d'eau déjà présente. A la fin de la réaction, il ne reste que des ions chlorure et sodium dans de l'eau. Choix de modélisation et limite du modèle La partie sur la neutralisation se concentre sur la réaction de neutralisation avec la formation d'eau. L'animation en question ne montre pas les aspects quantitatifs de cette réaction, expliquée dans la partie suivante sur la titration. Travail MAV 1999 7/8 Murielle Caillet Dayer Description de la deuxième partie : la titration L'animation sur la titration représente une installation de laboratoire couramment utilisée lors des titrations. Cette partie permet à l'élève de voir les réactions ioniques au cours de la réaction et de découvrir avant l'équilibre, à l'équilibre et après l'équilibre les ions présents dans la solution. Choix de modélisation et limite du modèle Le modèle tient compte de l'augmentation volumique de la solution au cours de la titration. Une goutte n'est représentée que par une molécule pour des raisons graphiques et visuelles. Les couleurs utilisées pour le bleu de bromothymol au cours de la titration sont indicatives, car le choix de couleurs est limité par le biais de l'application utilisée. Les c ouleurs sont néanmoins respectées dans les grandes lignes. Figurines en carton Description du module des figurines en carton Ces figurines ont été créées afin de permettre aux élèves de mieux construire des molécules neutres à partir d'ions. Les élèves peuvent ainsi saisir l'équilibre des charges nécessaires à la création d'une molécule qui n'est pas liée à l'équilibre du nombre de cations et d'anions. Ces figurines permettent également d'expliquer le rôle des coefficients et des parenthèses dans la notation de la formule brute. Afin de respecter une certaine unité avec l'animation les cations sont en bleus et les anions sont en roses. La version "élève" comprend 4 sortes d'anions et 4 sortes de cations. Vu l'intérêt des élèves à conserver ces figurines, une version sur papier simple de couleur est proposée. Les élèves doivent découper les ions sur le cercle externe. Il reste quelques ions libres afin de compléter ce modèle par d'autres ions nécessaires à la résolution d'autres exercices. Il est également possible d'ajouter des ions au dos des ions déjà découpés. La version pour l'enseignant comprend les mêmes ions que les élèves. Les sources afin de reproduire les ions facilement se trouvent sur le CD-ROM. Cette version comprend également les mêmes ions sans les charges ce qui permet de noter la formule brute. Les coefficients et les parenthèses nécessaires sont en jaune afin de mieux les visualiser dans la formule brute. Un questionnaire pour les élèves sert de guide dans cette démarche. Travail MAV 1999 8/8 Murielle Caillet Dayer