Fiche professeur - Académie d'Orléans-Tours
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Fiche professeur
THEME du programme : ComprendreSous-thème : Cohésion et transformations de la matière
Solide ionique
Type dactivité : une activité documentaire (15 minutes), une activité expérimentale (expériences au bureau ½ h), une activité qui allie recherche documentaire et exercice (1h30).
Conditions de mise en uvre : Lactivité documentaire 1 peut être réalisée en classe entière ou donnée comme travail de recherche préparatoire. Lactivité 2 peut être réalisée en classe entière. Il sera préférable de travailler par groupe réduit pour réaliser lactivité 3 afin dévaluer lacquisition de compétences et destimer les points de blocage rencontrés par les élèves dans le déroulement de cette activité.
Pré- requis : - Interactions électrostatique et gravitationnelle
- Loi de Coulomb et loi de la gravitation universelle
- Structure des ions
NOTIONS ET CONTENUSCOMPETENCES ATTENDUESSolide ionique.Interpréter la cohésion des solides ioniques
Compétences transversales :
Sapproprier linformation.
Réaliser un schéma. Observer et décrire les phénomènes. Suivre une consigne de calcul.
Extraire des informations des données et les exploiter.
Elaborer un modèle.
Valider un modèle.
Communiquer à lécrit en utilisant un vocabulaire scientifique.
Etre autonome, respectueux des règles de vie de classe et de sécurité.
Mots clés de recherche : solide ionique, interaction électrostatique, loi de Coulomb
Provenance : Académie dOrléans-Tours
Adresse du site académique : HYPERLINK "http://physique.ac-orleans-tours.fr/php5/site/" http://physique.ac-orleans-tours.fr/php5/site/
Cette séquence suit la séquence concernant les interactions électrostatiques et la loi de Coulomb.
Activité 1 : La séquence débute par létude dun texte historique permettant de revoir les notions de courant électrique, de sens du courant et de porteur de charges. Cette étude fait le lien avec ce qui a été vu lors de la séquence précédente (histoire de lélectricité statique).
Activité 2 : Une série dexpériences simples est ensuite réalisée au bureau par le professeur. Elle permet détablir que seules les solutions possédant des ions conduisent le courant. Vient alors le cas du sel à létat solide : il ne conduit pas le courant alors que leau salée est une solution électrolytique. Une hypothèse est alors faite : les ions du sel ne sont pas mobiles. Pourquoi ? Quelle est la structure du cristal de sel ?
La dernière activité constitue létude du sel en tant que solide ionique cristallin. Lobjectif est dinterpréter la cohésion de ce cristal et de vérifier lhypothèse précédente. Elle débute par un texte relatant la découverte de la structure cristalline du sel. Les élèves doivent extraire des informations du texte pour retrouver cette structure ; ils doivent ensuite déterminer les interactions qui sexercent dans le cristal pour interpréter sa cohésion. Des fiches « coup de pouces sont prévues ». Ces aides sont fournies en fonction des points de blocage rencontrés par les élèves. Elles doivent permettent à chacun datteindre lobjectif.
Capacités et attitudes travaillées dans les activités
App : Sapproprier linformation Act 1Act2Act3Se mobiliser en cohérence avec les consignes données (agir selon les consignes données ; extraire des informations utiles dune observation, dun texte ou dune représentation conventionnelle (schéma, tableau, graphique,
)).XXXRea : Réaliser (Faire)Réaliser ou compléter un schéma.XObserver et décrire les phénomènes.XAppliquer une consigne (calcul, application dune loi
)Xana : AnalyserExtraire des informations des données et les exploiter.XXXElaborer et/ou choisir et utiliser un modèle adapté (mettre en lien les phénomènes observés, les concepts utilisés et le langage mathématique qui peut les décrire)XXXval : Valider, CritiquerConfronter un modèle à des résultats expérimentaux : vérifier la cohérence des résultats obtenus avec ceux attendus Xcom : CommuniquerRendre compte de façon écrite (de manière synthétique et structurée, en utilisant un vocabulaire adapté et une langue correcte)XXauto : Etre Autonome, Faire preuve dinitiative, Savoir-Etre Travailler efficacement seul ou en équipe (en étant autonome, en respectant les règles de vie de classe et de sécurité)XXXSoigner sa productionXACT. DOC : PETITE HISTOIRE DU COURANT ELECTRIQUE
Avec linvention de la pile le 17 mars 1800 par Alessandro Volta (1745-1827), lélectricité entre dans une ère nouvelle. Cette pile produit un courant délectricité de façon continue ! On passe à l'électricité en mouvement, alors que la science électrique ne connaissait jusque là que les interactions entre électricités au repos : les manifestations de lélectricité statique (en dehors des décharges). Des questions se posent alors : quelle est la nature de ce courant et quel est son sens dans un circuit extérieur ?
Rappelons que Du Fay (1698-1739) pensait quil existait deux types délectricité et que Benjamin Franklin (1706-1790) pensait que les électrisations étaient dues à la circulation dun « fluide électrique unique ». Pour les partisans de Du Fay, il existe donc deux courants dans le conducteur ; le courant de fluide positif qui circule du pôle + au pôle et celui délectricité négative du pôle - au pôle +. Par contre, pour les partisans de Franklin, un seul courant circule dans le circuit.
En 1820, le danois Hans Christian Oersted (1777-1851) découvre leffet magnétique des courants et André-Marie Ampère (1775-1836) propose une convention : un choix arbitraire.
« Nous admettons, conformément à la doctrine adoptée en France et par beaucoup de physiciens étrangers, lexistence de deux fluides électriques, susceptibles de se neutraliser lun lautre, et dont la combinaison, en proportion déterminées, constitue létat naturel des corps. Cette théorie fournit une explication simple de tous les faits et, soumise à lépreuve décisive du calcul, elle donne des résultats qui saccordent avec lexpérience [
] Il suffit de désigner la direction du transport de lun des principes électriques, pour indiquer, en même temps, le sens du transport de lautre ; cest pourquoi, en employant dorénavant lexpression de courant électrique pour désigner le sens dans lequel se meuvent les deux électricités, nous appliquerons cette expression à lélectricité positive, en sous-entendant que lélectricité négative se meut en sens contraire »
Lire et comprendre le texte
De quelle doctrine Ampère était-il le partisan, celle de Du Fay ou celle de Franklin ?
.
Quel est le sens conventionnel de circulation du courant électrique à lextérieur du générateur choisi par Ampère ?
.
Quels sont les porteurs de charge qui se déplacent dans les métaux assurant la circulation du courant continu ?
.
En quelle année cette particule élémentaire fut-elle découverte ?
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Quel est donc le sens « réel » du courant continu à lextérieur du générateur ?
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Ampère était le partisan de la doctrine de Du Fay puisquil évoque lexistence de deux fluides électriques.
Le sens conventionnel de circulation du courant électrique à lextérieur du générateur choisi par Ampère est celui de lélectricité positive (du + du générateur au -).
Les électrons libres du métal sont les porteurs de charge qui se déplacent dans les métaux assurant la circulation du courant continu.
Lélectron fut découvert en 1897 par J. J. Thomson.
Le sens « réel » du courant continu à lextérieur du générateur est celui des électrons : du - du générateur au +.
ACTIVITE EXPERIMENTALE : CONDUCTEUR OU PAS ?
( Expérience 1 : La circulation du courant dans les solutions
On dispose dun générateur, de fils, dun ampèremètre et dun électrolyseur qui contient successivement :
de leau distillée ;
de leau minérale ;
de leau salée ;
de leau sucrée.
Indice : une étiquette de bouteille deau minérale.
Questions :
Observer les expériences et faire une croix dans la case qui convient :
Eau distillée
Eau minérale
Eau salée
Eau sucrée
Conduit le courant
Ne conduit pas le courant
Analyser létiquette de la bouteille deau minérale. Que contient leau minérale ?
.
Conclure. Quels sont les porteurs de charge qui assurent la circulation du courant dans les solutions conductrices ?
.
Que peut-on en conclure pour leau sucrée ?
.
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Dans les solutions, les porteurs de charges sont les ions. Seules les solutions possédant des ions conduisent le courant. On les appelle des solutions électrolytiques.
( Expérience 2 : Que font les ions ?
Dans un tube en U, on verse 20 mL dune solution de sulfate de cuivre II de concentration C = 1 mol.L-1 et 80 mL dune solution de permanganate de potassium de concentration C = 10-3 mol.L-1
On mélange.
On réaliser le montage et on fait circuler le courant pendant ¼ heure environ.
Indice : Les ions permanganate de formule EMBED Equation.3 sont violets et les ions cuivre II de formule EMBED Equation.3 sont bleus.
Questions :
Observer et décrire lexpérience.
.
.
.
Quels sont les ions présents dans le mélange ?
.
Proposer une explication du phénomène observé
.
.
.
.
.
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Dans les solutions électrolytiques, toutes les espèces chargées participent à la circulation du courant. Les cations circulent dans le sens conventionnel et anions négatives dans l'autre sens.
( Expérience 3 : Le cas du sel
On réalise lexpérience suivante :
Indice : le sel est un solide ionique de formule NaCl.
Questions :
Le sel conduit-il le courant ?
.
Que contient le sel ?
.
Proposer une hypothèse quant au fait que leau salée conduise le courant et pas le sel.
.
.
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Le cristal de sel contient des ions mais ils doivent être fixes et ne peuvent donc assurer le passage du courant.
ACT. DOC : LA STRUCTURE DU CRISTAL DE SEL
Larrangement des ions dans le cristal de sel est à l'origine de la forme régulière des cristaux que nous pouvons observer à notre échelle (voir photos) : une organisation régulière en cubes. On peut en déduire que le cristal de chlorure de sodium est constitué de cations Na+ et danions Cl- régulièrement disposés dans lespace selon un réseau cubique.
Mais quelle est précisément la structure de la maille élémentaire du cristal (la plus petite partie de lespace qui se reproduit identique à elle-même dans tout le cristal) ?
En 1895, le physicien allemand Wilhelm Röntgen (1845-1923) découvre un rayonnement possédant des propriétés inhabituelles qu'il nomme rayons X.
En 1912, un autre physicien allemand, Max von Laue (1879-1960), reconnaît la nature électromagnétique de ce rayonnement et constate une étrange propriété des rayons X. Lorsquun faisceau de rayons X entre dans un solide cristallin, les rayons sont dispersés dans toutes les directions par la structure du cristal. Or, dans certaines directions, ces rayons dispersés interfèrent pour se détruire ce qui produit des minima dintensité et dans dautres directions, ils interfèrent pour « se renforcer » ce qui donne des maxima dintensité.
Il reconnait là un phénomène analogue à la diffraction de la lumière et en déduit que les rayons X sont diffractés par le solide cristallin qui forme un « réseau de diffraction en trois dimensions ». Von Laue parvient alors à mesurer la longueur d'onde de ce rayonnement grâce aux interférences obtenues par diffraction à travers un cristal de blende (Sulfure de zinc ZnS). Il obtient le prix Nobel en 1914 pour cette découverte qui va permettre le développement rapide d'une nouvelle discipline : la radiocristallographie. En effet, grâce à la diffraction des rayons X, on peut maintenant étudier la structure des cristaux.
Ainsi, dès 1912, la structure du cristal de chlorure de sodium est découverte par les australiens William Henry Bragg (1862-1942) et son fils William Lawrence Bragg (1890-1971) qui obtinrent le prix Nobel en 1915 pour leurs travaux. Les deux physiciens établissent que le chlorure de sodium est un assemblage dions sodium et chlorure basé sur une structure cubique à faces centrées (CFC) :
Les ions chlorures sont rangés suivant une structure cubique à faces centrées de côté a : les anions occupent les sommets du cube et les centres des faces.
Les ions sodium sont aussi rangés suivant cette structure mais ils sont translatés suivant une arête de EMBED Equation.3 par rapport aux anions.
Crédits : wikipédia common (illustrations libres de droits) et F. Trouillet pour les photos des cristaux de sel.
Le cristal de chlorure de sodium
Dessinez en perspective un cube de côté a = 10 cm et placez-y les ions Cl- de sorte quils soient disposés suivant une structure CFC. On les représentera par de petites boules vertes de sorte à obtenir un modèle éclaté.
Disposez ensuite les ions Na+ (en gris) pour représenter une maille du cristal de chlorure de sodium. En cas de blocage, demandez un coup de pouce !
En fonction de sa position dans la maille un ion peut « se partager » avec les mailles voisines. Exemple : un ion chlorure au centre dune face du cube compte pour moitié dans la maille car il appartient aussi à la maille « dà côté ». Compter le nombre dions Cl- et le nombre dions Na+ dans une maille et expliquer la cohérence entre la structure cristalline microscopique et la formule du chlorure de sodium NaCl (cette formule statistique indique la nature et la proportion des ions présents sans en mentionner les charges).
On donne a = 556 pm. Calculer la plus petite distance entre les centres de :
deux ions Cl- ;
deux ions Na+ ;
un ion Cl- et un ion Na+.
En cas de blocage, demandez « un coup de pouce ».
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Nous avons établi que le sel à létat solide ne conduit pas le courant électrique. Nous avons émis lhypothèse que les ions Na+ et Cl- devaient être fixe dans le cristal. Nous allons tenter de le vérifier et dexpliquer la cohésion de ce cristal.
La cohésion du cristal de chlorure de sodium
Quelles sont interactions qui sexercent entre les ions ?
Calculer la valeur de la force dinteraction électrostatique qui sexerce entre :
deux ions Cl- les plus proches ;
un ion Cl- et un ion Na+ les plus proches.
En cas de blocage, demandez « un coup de pouce ».
Représentez ces forces sur un schéma dune des faces du cube (échelle : 1 cm pour 10-9 N).
La masse de lion Cl- est de 5,85.1026 kg et celle de lion Na+ est de 3,84.10-26 kg. Calculer la valeur de la force gravitationnelle sexerçant entre un ion Cl- et un ion Na+ les plus proches.
Comment interpréter la cohésion du cristal ?
Lhypothèse proposée pour lexpérience 3 (act. 2) est-elle validée. Précisez.
Données : Constante de la force de Coulomb : k = 9,0.109 N.C-2.m2 ;
Constante de gravitation : G = 6,67.10-11 N.kg-2. m2 ;
Charge élémentaire : e = 1,6.10-19 C ;
1 pm (picomètre) = 10-12 m
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A distribuer si besoin
Coup de pouce n°1 : Au secours, je narrive pas à dessiner la maille !
La maille est formée :
dun ion Cl- placé à chaque sommet de la maille ;
dun ion Cl- au centre de chaque face de la maille ;
dun ion Na+ au centre de la maille ;
dun ion Na+ au milieu de chaque arête de la maille.
Coup de pouce n°2 : Au secours, je ne sais pas calculer les distances !
Pythagore peut peut-être vous aider ! Regardez donc sur cette vue de face du cristal
un triangle rectangle !
Coup de pouce n°3 : Au secours, je ne sais pas comment calculer la force dinteraction électrostatique
Rappelez-vous
. EMBED Equation.3 QUOTE . Attention les distances sont exprimées en m !
Il suffit de chercher maintenant la charge électrique portée par chaque ion
Un autre coup de pouce ?
Coup de pouce n°4 : Au secours, je ne sais pas comment déterminer la charge portée par un ion
Un ion monoatomique est formé par un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
Il nest pas électriquement neutre car son nombre de protons est différent de son nombre délectrons.
Un exemple : la formation de lion magnésium EMBED Equation.2 ( Z = 12
Calcul de la charge électrique de lion formé : q = 12( (+e) + 10 ( (-e) = + 2 e
On note donc cet ion Mg2+.
Correction de la partie 1:
1 et 2. En vert : ions chlorures
En bleu : ions sodium
Image : crédit = HYPERLINK "http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sodium_chloride_crystal.jpg"wikipedia
Chaque ion Cl- disposé à chaque sommet appartient à 8 mailles (il y en a 8). Chaque ion Cl- disposé à au centre de chaque face est partagé avec 2 mailles (il y en a 6). Ce qui fait 4 ions Cl- par mailles ( EMBED Equation.3 ) QUOTE .
Chaque ion Na+ au milieu de chaque arête est partagé avec 4 mailles (il y en a 12). Il y a un ion Na+ au centre de la maille. Ce qui fait 4 ions Na+ par mailles ( EMBED Equation.3 ) QUOTE .
Il y a donc autant dions chlorure que dions sodium dans une maille doù la formule NaCl.
a) dCl-/Cl- = ½ diagonale D d'une face du cube d'arête a
D2 = a2 + a2 = 2a2 (Pythagore) donc EMBED Equation.3 .
dCl-/Cl- = EMBED Equation.3 = 393 pm
b) De même : dNa+/Na+ = EMBED Equation.3 QUOTE = 393pm
c) dNa+/Cl- = EMBED Equation.3 = 278 pm
Correction de la partie 2:
Les interactions électrostatiques et gravitationnelles sexercent entre les ions.
a) qCl- = -e = -1,6.10-19 C Þð ðFCl-/Cl- = EMBED Equation.3 QUOTE = 1,5.10-9 N
b) qNa+ = e = 1,6.10-19 C Þð ðFNa+/Na+ = EMBED Equation.3 QUOTE = 1,5.10-9 N
Þð ðFNa+/Cl- = EMBED Equation.3 QUOTE = 3,0.10-9 N
En rouge : forces répulsives entre 2 ions Cl-
En noir : forces attractives entre les ions Cl- et Na+
Fg = EMBED Equation.3 QUOTE
Fg = 1,94.10-42 N
(négligeable devant les forces électrostatiques)
Dans un cristal ionique, il existe des forces d'interaction électrostatique répulsives et attractives entre les ions. Les ions sont répartis de telle façon que les attractions lemportent sur les répulsions. Lensemble des interactions électrostatiques assure la cohésion du cristal ionique.
Chaque ion est fixe car les forces électrostatiques qui sexercent sur lui se compensent deux à deux : le chlorure de sodium est donc un isolant électrique.
Ampère : «Action mutuelle des courants électriques et des aimants» in «Exposé des Nouvelles Découvertes sur lÉlectricité et le Magnétisme, par MM. Ampère, Membre de lAcadémie Royale des Sciences, Professeur à lÉcole Polytechnique et Babinet, Professeur au Collège royal de Saint-Louis. Paris 1822, page 4.
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Solution
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Sel
gemme
W. Röntgen
W. L. Bragg
12
protons
12 électrons
12
protons
10 électrons
Perte de 2 électrons
