Výukové materiály
Název: Bilan de matière Autor: RNDr. Markéta Bludská Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: chemie a její aplikace, matematika Ročník: 3. (1. ročník vyššího gymnázia, bilingvní sekce) Tématický celek: Měření v chemii, fyzikální veličiny spojené s látkovým množstvím, aplikace a průběh chemické reakce. Stručná anotace: Výukový materiál má sloužit k pochopení průběhu chemické reakce z hlediska kvantitativních poměrů reaktantů. Žák porovnává vývoj reakce a konečný stav systému v závislosti na jeho počátečním složení, a to pomocí experimentu a jeho pozorování.
Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech ‒ inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Výukové materiály Teorie: Vývoj látkových množství jednotlivých složek systému v průběhu chemické reakce, jakož i složení systému v konečném stavu reakce je závislý na jeho počátečním kvantitativním složení. K porovnání různých průběhů reakce v závislosti na počátečním stavu může sloužit vývojová tabulka, využívající proměnnou veličinu „avancement“. Na základě pozorování experimentu (při vhodně zvoleném typu reakce, kde jeden z reaktantů je barevný a lze tedy sledovat měnící se intenzitu zbarvení systému) lze odvodit (navrhnout): jaký bude kvantitativní průběh, který počáteční reaktant je limitující, který je v nadbytku, a tedy zůstane součástí systému i na konci reakce. Správnost tohoto návrhu (odhadu) lze poté ověřit výpočtem. Klíčová slova: état initial, état final, réactif limitant, réactif en excès, avancement, avancement maximal, tableau d’avancement Metodický pokyn pro učitele pro práci s VM: Po rozdání pracovních listů necháme žáky vyplnit úvodní tři tabulky simulující vývoj a průběh kostrukce jízdních kol. Žáci pracují ve dvojicích a při doplňování si uvědomují význam nově zaváděné veličiny „avancement“. Napíší odpovědi na otázky pod tabulkami. Mají na práci ohraničený čas, např 10 minut. Poté dvojice porovnají výsledky svého doplnění, případně za pomoci učitele opraví. Pak přistoupí k realizaci experimentu dle návodu. Tato práce vyžaduje, aby žáci v průběhu počítali potřebná množství látek, která je třeba navážit/odměřit. Tím si zvykají na to, že výpočty jsou nedílnou součástí laboratorního pokusu, který bez nich realizovat nejde. Výsledky pozorování v průběhu experimentu žáci zaznamenávají do pracovního listu. Po dokončení experimentu žáci uklidí svá pracovní místa a přistoupí k vyhodnocení výsledků experimentu. Správnost výsledku ověří výpočtem. Úvodní příprava (příklad s jízdními koly) by jim měla práci usnadnit v tom, že si lépe uvědomí princip úlohy. Pro realizaci experimentu je potřeba, aby žáci již uměli správně pracovat s pipetou a váhami, aby již měli za sebou laboratorní práce na téma přípravy (a výpočty) ředěných roztoků. Další aplikace, možnosti, rozšíření, zajímavosti…: V rámci procvičování chemických výpočtů lze po určení látkových množství ve třech jednotlivých pokusech navázat výpočty hmotnosti získané sraženiny a výpočty molárních koncentrací všech zbývajících iontů v jednotlivých roztocích. Pomůcky (seznam potřebného materiálu): Kádinky, nálevka, zkumavky, kapátka, odměrné baňky, pipety, odměrné válce, navažovací lodička, váhy, filtrační papír. Síran měďnatý, hydroxid sodný.
Pracovní list pro žáka
Bilan de matière TP n°:………
Nom:……………………………………………… Classe:………….
Date:…………….
Objectif: Décrire l’évolution des quantités de matière dans un système chimique au cours d’une transformation en fonction de l’avancement x. Étudier dans trois situations l’influence des quantités initiales des réactifs sur la composition d’un système dans l’état final.
I. Pour fabriquer un vélo Une usine qui fabrique des vélos dispose d’un stock de roues et de cadres. Un vélo est formé à l’aide de 2 roues et 1 cadre, on peut schématiser la fabrication d’un vélo par l’équation suivante: 1 cadre + 2 roues → 1 vélo Compléter les tableaux correspondants aux différentes situations. (Dans chaque case écrire le nombre de cadres, de roues et de vélos présents aux dates indiquées.)
1° situation Etat initial (début de la journée) Etat intermédiaire (midi) Etat final (fin de la journée)
1 cadre
2° situation Etat initial (début de la journée) Etat intermédiaire (midi) Etat final (fin de la journée)
1 cadre
+
50
2 roues
→
100
1 vélo 0
23
50
+
2 roues 125
→
1 vélo 0 16
3° situation Etat initial (début de la journée) Etat intermédiaire (midi) Etat final (fin de la journée)
1 cadre
+
50
2 roues
→
1 vélo
88
0
26
Questions: 1. Dans quelle situation les cadres et les roues sont-ils tous „utilisés“? ……………………… 2. Dans quelle situation les roues sont-elles en défaut (en manque)?
………………………
3. Dans quelle situation les cadres sont-ils en excès?
………………………
4. Dans quelle situation les roues sont-elles en excès?
………………………
5. Pourquoi dit-on que dans la 2°situation le cadre est „le constituant“ limitant? ………………………………………………………………………………… 6. Que peut-on dire de la quantité de roues dans la 3°situation? …………………………………………………………………………………
II. Réaction entre les ions cuivre Cu2+(aq) et hydroxyde OH─ (aq) 1) Réaction étudiée a) Quels sont les ions contenus dans une solution de sulfate de cuivre?
…………………….
b) Quels sont les ions contenus dans une solution d’hydroxyde de sodium? ………………… c) Lorsqu’on mélange les deux solutions, il se forme un précipité bleu roi d’hydroxyde de cuivre: Cu(OH)2. Ecrire et équilibrer l’équation de la réaction: ……………………………………………………………………………………. Quelles sont les espèces chimiques présentes dans le mélange qui n’interviennent pas lors de la transformation? Comment les appelle-t-on? …………………………………………………………………………………….
2) Expériences Réaliser les expériences suivantes: 20 mL de (Cu2+, SO42─) à 0,10 mol∙L─1
1°situation: 20 mL de (Na+,OH─) à 0,20 mol∙L─1
2°situation: 20 mL de (Na+,OH─) à 0,40 mol∙L─1
Pour chaque bécher: - Filtrer le précipité obtenu avec le dispositif de filtrage et un morceau de papier filtre. Recueillir le filtrat dans un pot en verre. - Verser environ 2 mL du filtrat dans 2 tubes à essais. Test de présences des ions dans le filtrat après réaction: - test de présence de l’ion Cu2+: ajouter 2 mL d’hydroxyde de sodium à 0,40 mol∙L─1 dans un des tubes puis observer. - test de présence de l’ion OH─: ajouter 2 mL de sulfate de cuivre dans l’autre tube puis observer. Les tests sont positifs si vous observez un précipité.
3°situation: 20 mL de (Na+,OH─) à 0,05 mol∙L─1
Compléter le tableau suivant: 1° situation
2° situation
3° situation
couleur du précipité abondance du précipité couleur du filtrat Reste-t-il des ions Cu2+? Reste-t-il des ions OH─?
3) Exploitation des résultats – Interprétation en quantité de matière La quantité n d’une espèce en solution, exprimée en ……………, est reliée à la concentration c et au volume V de cette espèce par la relation: …………………. avec n en mol, c en mol∙L─1 et V en L. La solution de sulfate de cuivre (II) a une concentration de 0,10 mol∙L─1. 1° situation
2° situation
3° situation
ni (Cu2+) en mol ni (OH─) en mol Réactif en excès Réactif en défaut
1) Calculer la quantité initiale d’ions Cu2+, notée ni(Cu2+), présente dans les trois béchers et compléter le tableau. 2) Pour chaque bécher calculer la quantité initiale d’ions OH─ versée, notée ni(OH─) et compléter le tableau. 3) Pour chaque bécher indiquer le réactif en excès et le réactif en défaut. 4) Dans quelle situation tous les réactifs sont-ils totalement consommés? :………………… Dans cette situation particulière quelle est alors la relation entre ni(Cu2+) et ni(OH─)? Que remarquez-vous? …………………………………………………………………………………………………
5) Complétez les tableaux suivants: écrire dans chaque case, la quantité de matière (en mol) présente. 1° situation
1 Cu2+(aq)
+
2 OH─(aq)
Etat initial Etat intermédiaire
1 Cu(OH)2(s) 0
1,0∙10─3 mol
Etat final
2° situation
1 Cu2+(aq)
+
2 OH─(aq)
Etat initial Etat intermédiaire
1 Cu(OH)2(s) 0
1,0∙10─3 mol
Etat final
3° situation
1 Cu2+(aq)
+
2 OH─(aq)
Etat initial Etat intermédiaire Etat final
6) Conclusion:
1 Cu(OH)2(s) 0
0,5∙10─3 mol
