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Ions
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Exercices

1/ Les ions sont des atomes qui ont gagné ou perdu un/des électrons.

Comprendre

Le sodiumDissolution sel
Ions et atomes

Les atomes sont neutre, ils possèdent autant de protons que d'électrons.Les ions sont des éléments qui ont une charge électrique, qu'elle soit positive ou négative. Cela signifie qu'ils ne sont pas neutres et qu'ils n'ont pas le même nombre de charges électriques négatives(électrons) que positives(protons). On peut considérer que ce sont des atomes ayant gagné ou perdu des électrons.
Les ions positifs seront appelés cations et les ions négatifs, anions.

Appliquer

La pile Daniell et ses ions

On calcule la charge d'un ion en sachant que sa charge = particules positives - particules négatives = protons - électrons.L'ion sodium a 29 protons et 27 électrons, on fait donc 29 - 27 = 2 et on écrira la formule de l'ion Cu2+
L'ion chlore a 17 protons et a gagné un électron par rapport à son atome. Sa charge est donc de 17 - 18 = -1 et on écrira la formule de l'ion Cl- La valeur par défaut est 1. On s'épargnera donc la peine de marquer le chiffre un.

1/ Exercices

Comprendre

1/ Cristal iiiiionique 
(5 mn)

Une solution de sulfate de potassium est une solution incolore qui contient des cations potassium de formule K+ et des anions sulfate de formule SO42-.

Donne le nom et le nombre des éléments qui constitue l'ion polyatomique de cette solution ionique.

L'ion sulfate est constitué d'un élément soufre et de 4 éléments oxygènes.

Quelle est la charge de chacun des ions ?

L'ion sulfate a une charge de -2 et l'ion potassium de +1

Un solution est toujours électriquement neutre, c'est-à-dire que le nombre de charges positives est égale au nombre de charges négatives.

Combien faut-il de cations s'il y a un anion pour respecter l’électroneutralité de la solution?

Il faut deux cations pour un anion afin que la charge globale soit neutre. 2 x 1 - 2 = 0

Déduis-en la formule du cristal ionique de sulfate de potassium (avant d'être dissous).

Deux cations potassium et un ion sulfate donnent K2SO4

Refaire les mêmes questions avec :

Une solution de permanganate de potassium violette contenant des cations potassium de formule K+ et des anions permanganate de formule MnO4-

KMnO4

Une solution de sulfate d’aluminium incolore contenant des cations aluminium de formule Al3+ et des anions sulfate de formule SO42-

Al2(SO4)3

Analyse

1/ Extraction du cuivreImageMatériel et protocole 
(45 mn)->Oxydation /1
Oxydation électron charge Oxydation cuivre dans pH
cuivre
Acide nitrique ,Hotte

Par groupe
2 tubes à essai
soude diluée
poudre de fer

Quand on veut extraire le cuivre d'une roche le contenant sous forme de petits fragments, on commence par le dissoudre puis on le reforme grâce à des réactions chimiques. Mais que se passe-t-il lors de ces réactions chimiques ?

Cuivre metalliqueIon cuivreHydroxyde de cuivre
SymboleCuCu2+Cu(OH)2Cu2O
FormeOxyde de cuivre
AspectMétal rouge-orangéBleuPrécipité bleuPierre ou poudre rouge
SolubilitéInsoluble dans l'eauTrès soluble dans l'eauPeu soluble dans l'eauPeu soluble dans l'eau
Oxydation du cuivre

Le professeur pourra mettre du cuivre en contact avec de l'acide nitrique, ce qui dégagera du NO2 et semblera faire disparaître le cuivre

Sous quelle forme est le cuivre au début de l'expérience ? Entoure le sur ton diagramme.

Il est sous forme de cuivre métallique, Cu

Lorsqu'un métal réagit avec un acide, il s'oxyde.

L'atome devient-il plus positif ou plus négatif quand il s'oxyde? 

On peut voir que lorsqu'un atome s'oxyde, il perd des électrons, il devient donc plus positif.

Si l'oxydation fait perdre deux électrons au cuivre, quelle sera la formule de l'ion cuivre ?

Si l'atome de cuivre perd deux électrons, il lui restera deux charges posiives excédentaires, il deviendra Cu2+

Sur ton diagramme, met une flèche allant du cuivre metallique à l'ion cuivre.

La flèche montera de l'atome Cu à l'ion Cu2+

Réduction du cuivre

Quand on met de la poudre de fer en présence d'ion cuivre, il oxyde le fer : l'ion cuivre va arracher deux électrons au fer.

SymboleFeFe2+Fe(OH)2Fe3+Fe(OH)3
FormeFer metalliqueIon fer IIHydroxyde de fer IIIon Fer IIIHydroxyde de fer III
AspectMétal rouge-orangévertPrécipité vertrouge-orangeprécipité rouge-orange
SolubilitéInsoluble dans l'eauTrès soluble dans l'eauPeu soluble dans l'eauTrès soluble dans l'eauPeu soluble dans l'eau

Compléte les demi-équations sachant que la flèche représente la réaction chimique.

Ce qui se passe coté fer: Fe ? … + … e-

Fe ? Fe2+ +2 e-

Ce qui se passe coté cuivre: Cu2++ ... e- ? …

Cu2++ 2e- ? 2 e -

Réunit tous les réactifs des réactions précédentes ensemble et tous les produits ensemble afin de trouver l'équation-bilan de la réaction.

Cu2++ 2e- + Fe -> Fe2++ 2e- + Cu

Quelle sera la forme du cuivre ? Quelle sera la forme du fer ?

Le fer se changera sous sa forme ionique et le cuivre redeviendra sous sa forme atomique.

Que devrait-t-on observer lorsqu'on met du fer dans la solution d'ions Cu2+ ? Ecris ton hypothèse et vérifie-là en mettant 10 grains de fer dans un des deux tubes à essai.

On devrait voir apparaître le cuivre sous forme solide et le fer disparaître

Résume en un petit paragraphe comment on fait pour extraire le cuivre d'une roche.

On commence par dissoudre le cuivre à l'intérieur de la roche avec de l'acide et on le réduit avec de la poudre de fer, ce qui va faire réapparaitre le cuivre.

Différencier deux solutions
Parfois, la solution de cuivre(Cu2+) est trop diluée pour qu'on distingue clairement sa couleur. Pour être sûr de la présence du cuivre, on utilise alors de la soude, NaOH. Quand on dissout de la soude dans l'eau, le groupe HO (hydroxyde) arrache un électron à l'atome de sodium.

Quels sont les ions formés ?

Le Sodium va perdre un électron et va donc devenir positif: Na+, le groupe hydroxyde va récupérer un électron et devenir négatif HO-.

On rajoute de la soude dans le tube à essai contenant des ions cuivres.

Comment va évoluer la quantité de OH- :va-t-elle augmenter ou diminuer ?Et le pH ?

Plus une solution contient d'ions hydroxyde(OH-), plus elle sera basique et donc plus le pH sera haut.

Sur ton diagramme, trouve quelle est la transformation du Cu2+ et complète l'équation ci-contre qui explique la formation d'hydroxyde de cuivre: Cu2+ + OH- -> …..

Les ions OH- de plus en plus nombreux vont alors s'associer avec les ions Cu pour former de l'hydroxyde de cuivre.Les ions Cu2+ vont être transformé en ion Cu(OH)2

Met une flèche allant des ions cuivre à l'hydroxyde de cuivre.

La flèche va vers la droite, le pH le plus élevé

Que va-t-observer quand on versera de la soude dans la solution de cuivre ? Ecris ton hypothèse et vérifie-là en versant de la soude dans le tube à essai sans fer.

On va voir apparaître un précipité bleu qui indiquera la présence d'hydroxyde de cuivre

Verse aussi, un peu de soude dans le tube à essai contenant le fer.

Que voit-on apparaître ? Donne la formule de la molécule qui apparaît grâce à son aspect et trouve l'équation de la réaction chimique qui l'a produite.

Fe + 2OH- -> Fe(OH)2

2/ Les ions possèdent toujours une charge indiquée en exposant(exemple: Na+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Cl-)

Appliquer

Métaux et flammes colorées Test de reconnaissance des ions Fluorure de lithium

L'ion Sodium (Na+) va rendre une flamme jaune
L'ion Chlorure (Cl-)formera un précipité (un solide) blanc en présence du nitrate d'argent.
L'ion Cuivre (Cu2+) formera un précipité bleu en présence de soude.
L'ion Ferreux ou Fer(II) (Fe2+) formera un précipité vert en présence de soude.
L'ion Ferrique ou Fer(III) (Fe3+) formera un précipité rouge en présence de soude.

3/ Dans les solutions aqueuses, ce sont les ions qui transmettent le courant électrique en se déplaçant.

Comprendre

Conduction de solutionsCourant électrique dans solutions et métaux
Solution aqueuse:
mélange d'eau et d'une substance qui y est dissoute.
Courant d'ions
Le courant électrique est une circulation de charges électriques. Dans les solides, ce sont les électrons qui circulent et transportent l'énergie électrique. Il existe très peu de liquides où les électrons peuvent se déplacer librement. Mais les solutions aqueuses contiennent souvent des ions qui sont très solubles dans l'eau. L'eau pure ne conduit pas le courant électrique car elle ne contient pas d'ions. Un courant électrique n'est rien d'autre qu'une circulation de charges électriques.

3/ Exercices

Analyse

3/ Serum physiologique électriqueMatériel et protocole 
(45 mn)
1L de solutions d'eau salée à  : 0, 18, 50 et 100g/L.
Pour chaque groupe :
Cuve à électrolyse
Générateur
cuve à électrolyse
multimètre qui fonctionne ampèremétriquement
4 bechers (pour mettre les solutions)
Papier millimétré
1)Etalonnage:

Le nombre d'ions par litre est appelé concentration.On sait que plus il y a d'ions, plus la solution est concentrée, plus la solution est conductrice. On peut tracer un graphique qui décrit quelle est la concentration en fonction de la conductance afin de pouvoir retrouver la concentration pour une conductance donnée.

Trouve la concentration d'une solution si elle a une conductance de 96mS.

On veut tester des solutions allant de 0 à 100g/L, graduer l'échelle des abscisses du graphique fourni.

Pour graduer l'axe des abscisses, on doit diviser l'étendue (ici de 0 à 100 =100) par le nombre de carreaux.

2)Conductance :

La conductance est l'inverse de la résistance, c'est la capacité à laisser passer les électrons. Pour mesurer la conductance d'une solution, on doit utiliser du courant alternatif, sinon on observera une électrolyse de la solution. Il faut réaliser un circuit série contenant un générateur, un ampèremètre et une cuve à électrolyse.

Dessine le schéma électrique du circuit mentionné ci-dessus.

Sachant que la conductance (G) est l'inverse de la résistance (G = 1/R) , rappelle la loi d'Ohm et exprime G en fonction de la tension et l'intensité

U = R x I donc 1/R = I/U donc G = I/U

3)Concentration

La concentration est une grandeur qui sert à savoir quelle quantité d'ions (ou de molécules) il y a dans un litre. Cela peut-être très utile pour savoir quelle dose on doit prendre,dans le cas d'un médicament par exemple. Par exemple, un litre de lait écrémé contient 48 grammes de lactose. La concentration en lactose est donc de 48 grammes/Litre

On veut faire un gâteau avec 75g de sucre pour 250mL de pâte. Quelle est la concentration en sucre de la pâte ? (en grammes/litre)

75g/0,25L = 300g/L

Christophe Michalak, pâtissier reconnu, goûte votre pâte et vous conseille de diminuer la concentration de sucre à 150g/L. Quelle quantité de pâte sans sucre devrez-vous rajouter pour suivre son conseil ?

Pour diminuer la concentration en sucre de la pâte par 2, on doit doubler le volume => on doir rajouter 250mL de pâte. 75 g/ 0,5L = 150 g/L

Synthèse

Sérum physiologique: liquide ayant la même concentration en sel que le plasma du sang. On l'utilise pour les injections et les cathéters.
Déborah, une jeune infirmière de l'hôpital Saint-Louis, à Paris, a fait tomber un pot de sel dans le liquide physiologique qu'elle était en train de préparer. Ne voulant pas gâcher, elle se dit qu'il lui suffit de rajouter de l'eau pour diluer le sérum. Mais comment connaître la concentration de la solution qu'elle a produit par mégarde ?
Trouvez la concentration de la solution pour Déborah et indiquez-lui la quantité d'eau qu'elle doit rajouter. Vous disposez de la solution qu'a produite Deborah, de trois solutions d'eau salée de concentrations 0, 50 et 100g/L, d'un générateur, d'un multimètre.


Projets

Comment créer un fluide très conducteur? (180 mn)
Quelles espèces chimiques ajouter?
La concentration joue-t-elle un rôle?
La charge des espèces chimiques est-elle importante?
Qu'est-ce que l'électrolyse? (180 mn)
A quoi sert l'électrolyse? Comment fabriquer de la soude avec l'électrolyse? Comment produire une écume en gastronomie moléculaire? Peut-on combattre la rouille grâce à l'électrolyse.