Avogadro

 

 

Détermination de la constante d’Avogadro.

 

atome-image

Résolution atomique observée sur un
monocristal d’or Image réalisée en microscopie à effet
tunnel. © CNRS Photothèque

 

img33

Manipulation d’atomes sur une surface.

Ecriture nanométrique. IBM Almaden, USA


Amadeo Avogadro (1776 – 1856) n’est pas l’inventeur de la constante qui porte son nom. C’est Jean Perrin qui, en 1912, lui rend ainsi hommage comme promoteur de la théorie atomique.

 avogadro_amedeo

 perrin

 


 La constante d’Avogadro est définie comme le nombre d’entités élémentaires qui se trouvent dans une mole. Sa valeur correspond par convention au nombre d’atomes de carbone dans 12 grammes de carbone 12.

valeur

Les premières déterminations le la valeur de la constante d’Avogadro remonte au début du XXème siècle. Jean Perrin dans son ouvrage « Les atomes » (1913), rapporte diverses méthodes : 

perrin

Jean Perrin, Les atomes 1913 p.289.

 

Entre 1910 à 1917, sir J.J. Thomson et R.A. Millikan déterminent la valeur de la charge de l’électron. Une nouvelle estimation de la valeur de la constante d’Avogadro (6,06 x 1023 mol-1) est obtenue à partir de mesures électrochimiques.

Une illustration de ces méthodes est abordée dans le travail proposé ici.

 


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier avogadro).


Objectif : déterminer l’ordre de grandeur de la constante d’Avogadro à partir de l’électrolyse à anode soluble de cuivre.

 


Consigne : étude préalable individuel puis groupe de deux (30 minutes).

 

Individuellement : établir le fonctionnement chimique de l’électrolyse en s’appuyant sur le schéma ci-dessous ; on précisera les mouvements électroniques et les demi-équations redox aux électrodes. Établir la relation entre le nombre d’électrons qui circulent et le nombre d’atomes de cuivre « déplacés ». Prolonger le raisonnement pour obtenir la relation entre la quantité d’électricité qui a circulé pendant la durée de l’électrolyse et la masse de cuivre déplacée.

 electrolyse

Mise en commun et comparaison en groupes de deux.

Animation tableau pour la mise au point.

Apport magistral : [quantite electricite.pptx]

Egalement utilisable : [electrolysis10.swf] http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/electroChem/electrolysis10.swf

 


Protocole expérimental. (1 heure)

Matériel : générateur de tension continue (12 V – 1 A), rhéostat (33 W – 1 A), multimètre ; électrolyseur : bécher de 250 mL ; solution de sulfate de cuivre (II) à la concentration 1,0 mol.L-1 deux électrodes : plaques de cuivre.

 – décapage des électrodes et pesée : polissage au papier abrasif ; dégraissage avec brosse et détergent ; décapage final sous la hotte dans l’acide nitrique à 5% pendant quelques secondes, rinçage et séchage ; numéroter et peser des deux électrodes (à 0,01 g près) ;

– préparation de l’électrolyseur et mise en fonctionnement : solution aqueuse de sulfate de cuivre (II) à la concentration molaire de 1,0 mol.L-1 dans le bécher 250 mL ; les électrodes plongent jusqu’à mi-hauteur ; agitateur magnétique en évitant que le turbulent heurte les plaques de cuivre lors de sa rotation.

electrolyseur

mettre le générateur sous tension et régler rapidement l’intensité du courant à 0,50 A.
Déclencher le chronomètre. La durée de l’électrolyse est fixée à 30 minutes. L’agitation constante de la solution est essentielle pour assurer la stabilité de l’intensité du courant ! Vérifier périodiquement.

– après l’électrolyse

Au bout de 30 minutes(ou d’une durée comparable et mesurée), ouvrir le circuit, extraire les deux plaques et les rincer à l’eau distillée. Observer l’état des deux électrodes. Sécher doucement les deux électrodes à l’aide d’un sèche-cheveux électrique. Peser à nouveau chaque électrode et calculer la variation de leur masse respective.

 


Exploitation des résultats groupes de deux (15 minutes).

A partir des mesures de masse et donc des variations de masse des plaques obtenir un ordre de grandeur de la constante d’Avogadro(On donne : qe = 1,6 x 10-19 C ; MCu = 63,5 g.mol-1).

Un exemple de résultat : [exemple resultat.pdf]


Présentation des résultats et analyse critique : animation tableau pour la mise au point  .

Listage les sources d’incertitude de mesures. 
Autre source d’incertitude : les réactions chimiques « parasites » impliquant H2O et SO42-

reactions


Documents disponibles.

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Membranes

titre

Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier membranes).


Objectif. Comprendre comment les mêmes concepts physico-chimiques permettent d’interpréter les structures de la mayonnaise, des bulles de savon, des liposomes… et des membranes cellulaires.


Consigne 1 groupes de trois (30 minutes)

Comparaison de la vinaigrette et de la mayonnaise.

Pour la vinaigrette fouettez vigoureusement le mélange d’huile et de vinaigre.

Pour la mayonnaise : mélangez une petite part de jaune d’œuf et un peu de vinaigre. Fouetter vigoureusement  en versant peu à peu l’huile.

Observations de la mayonnaise au microscope.

lame
Faire des préparations microscopiques (lame et lamelle) avec la mayonnaise obtenue à différents stades d’élaboration. Préparer également une lame avec la mayonnaise du commerce. Observer, dessiner et annoter vos observations.


Consigne 2 individuel puis groupes de trois (45 minutes)

Construire une interprétation des observations précédentes : instabilité de la vinaigrette (émulsion instable) et stabilité de la mayonnaise (émulsion stable). Réaliser une affiche avec schémas et explications nécessaires. 

Mots clés : micelles ; solubilité ; interactions ; hydrophobe, lipophobe, hydrophile, lipophile, amphiphile. Documents d’aide : [micelles.pdf] ; [interactions.pdf] ; [amphiphile.pdf].

micelle-mayonnaise

Présentation d’affiches ; animation tableau pour la mise au point et les apports magistraux.


Consigne 3 individuel (30 minutes)

 Réinvestissements sur plusieurs exemples : les bulles de savon, le lavage, les liposomes.

 1.  Les bulles de savon.

recette

Détergent anionique : SDS (dodécylsulfate de sodium) :

Na+, CH3 (CH2)11 SO4

anionique

Détergent cationique : CTAB (bromure d’hexadécyltriméthylammonium) :

(CH3)3 N+(CH2)15 CH3, Br

cationique

 Ci-dessus deux exemples de molécules contenues dans les détergents ; repérer les parties hydrophiles et hydrophobes de chacune de ces molécules. Interpréter la formation des bulles de savon. Document d’aide : [bulle.pdf].

 2.  Le lavage.


lavage

Les détergents sont utilisés comme agents nettoyants : expliquer au niveau moléculaire comment
s’effectue le lavage. Document d’aide :
[amphiphile 2.pdf].

3.  Les liposomes.

liposome

Par SuperManu — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2918818

Interpréter comme précédemment la formation et la stabilité des liposomes à partir des propriétés des phospholipidesDocument d’aide : [liposomes.pdf].

Prolongement : les membranes cellulaires.

 microscopeVue au microscope électronique. 

simulSimulation moléculaire simplifiée. 

membranePar derivative work: Dosto (talk)Cell_membrane_detailed_diagram_4.svg : https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5442398      https://fr.wikipedia.org/wiki/Membrane_plasmique

bicouche2

Questions préalables. Les liposomes peuvent-ils être des organismes vivants ? Pourquoi ? Quelles sont les fonctions principales des membranes cellulaires qui rendent la vie possible ? 

Projection du diaporama [membranes.pptx] ; discussion.
Autre diaporama :  [savon mayo membranes.pptx]. 
Formulation des nouvelles questions.

Complément : un pas de plus vers la complexité (selon le niveau des participants).

Un exemple : la pompe sodium – potassium

1. Le potentiel de membrane 

concentrations

Exemple : la différence de concentration des ions sodium Na+ crée une tension électrique entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule ; c’est l’équivalent d’une pile de concentration.

nernst
Calculer la tension U dans les conditions indiquée à 37°C. Quelle est la polarité de cette pile ? Quelle est la polarité de la pile correspondant au potassium? Que devrait-il se passer spontanément ? 

2. La pompe sodium/potassium : Na+/K+-ATP-ase.

Pour maintenir la stabilité électrique globale la membrane cellulaire dispose de diverses pompes ioniques. La pompe sodium/potassium ou Na+/K+-ATP-ase est une enzyme trans-membranaire (protéine) qui assure le transport des ions potassium et sodium. Document d’aide : [transports.pdf].
S’agit-il d’une transformation spontanée ou forcée ? Pourquoi faut-il un apport d’énergie ? Quelle est la source d’énergie ? Quel objet électrique correspond  la pompe sodium / potassium ? Schématiser par des flèches de couleurs différentes les mouvements ioniques spontanés et forcés.


echanges

Animation : [SodiumPotassiumPump.swf].


Documents disponibles.  

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Datations

36 000 ans B.P. (Before Present)

ENQUETE SUR UN HOMICIDE.


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Situation :

Agence de Presse Andorre – 27 octobre 2010 

Une découverte exceptionnelle !

 Les travaux de la future station hivernale ont révélé un site d’une richesse inattendue qui suscite l’enthousiasme des plus grands spécialistes mondiaux de la paléoanthropologie.

C’est en préparant les fondations du téléphérique trans-frontières qu’a été exhumé, le 27 septembre dernier, le premier fragment fossile : un crâne pratiquement complet apparenté au genre HOMO, de l’espèce SAPIENS NEANDERTHAL. On l’a « baptisé » du nom d’ANDER.

Les autorités ont suspendu les projets d’aménagement pour permettre l’étude de ce site. Depuis lors les équipes de fouille sont allées de surprise en surprise. On a exhumé le squelette partiel d’ANDER mais aussi d’un autre fossile inattendu, SAPIAND : un HOMO de l’espèce SAPIENS SAPIENS.

On sait que ces deux espèces d’hominidés ont cohabité en Europe entre – 60 000 et – 30 000 ans mais la découverte de ces deux individus, dans un tel état de conservation, est exceptionnelle. De plus les deux fossiles sont séparés d’à peine deux mètres de distance, à moins que des glissements de terrain (ou les travaux d’aménagement) les aient par hasard rapprochés.

Les spécialistes s’interrogent : ces deux individus se sont-ils réellement rencontrés ?

Et la question prend la dimension d’une enquête policière puisque ANDER présente manifestement les signes d’une mort violente !

SAPIAND a-t-il massacré ANDER ? L’enquête n’en est qu’à ses débuts !

ander-sapiand

congres


releve

echantillons


Consigne 1 individuel (10 minutes)

Prise de connaissance de la situation. Documents : [présentation.pdf] ; [relevé.pdf] ; [echantillons.pdf].

Présentation du diaporama : [intro.pptx]

datation1

datation2


Consigne 2 groupes de 4 (1 heure)

Chaque groupe reçoit deux méthodes de datation parmi les trois :

C14 (radioactivité Carbone 14),

U-Th (radioactivité Uranium – Thorium), 

TL (thermoluminescence),

La méthode AAR (racémisation des acides aminés) est également attribuée à tous les groupes.

Il s’agit d’exploiter le fichier de tableur pour obtenir une fourchette de datation et de composer une affiche présentant le résumé de la méthode et des résultats.

Documents disponibles pour chaque méthode : une fiche explicative et un fichier de tableur. 

fiches

Exemples : c14.xslx       c14.pdf

Egalement disponibles : les fichiers de tableur exploités :

exploites

Présentations des affiches et commentaires des résultats obtenus. Conclusion : l’homicides est-il envisageable ?

Discussion sur le contenu et le déroulement de la démarche.


Documents disponibles :

Tous les documents  nécessaires indiqués ci-dessous sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier datations).

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Spectres

feux

Ce travail porte sur les transitions électroniques et fait donc appel à la notion quantique de niveau d’énergie électronique dans l’atome, point commun d’interprétation pour deux « objets » : feux d’artifices et nébuleuses.


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier spectres).


Consigne 1 en groupe (1 séance)

Expériences et interprétations. Les raisonnements et résultats seront présentés sur affiche pour commentaire et conclusions finales.

Documents d’aide disponibles : [transitions.pdf]

transitions

transitions2

A défaut du matériel nécessaire on peut présenter directement les documents nécessaires à l’étude : [couleurs flamme.pdf] et [lumiere mercure.pdf].

 

Expérience 1 : couleurs de flamme (émissions par les ions métalliques).

Protocole : document [expérience1.pdf] 

interprétation : document [couleur flamme.pdf].

 

spectre-flamme2 

 

Expérience 2 : la lumière du mercure (émissions par la lampe à gaz de mercure).

Protocole : document [expérience2.pdf] ;
interprétation : document [lumiere mercure.pdf].

 

 emission-mercure

Présentations d’affiches et discussion.


Consigne 2 individuel (1 séance)

Couleur de nébuleuse : Orion. Il s’agit d’attribuer la couleur visible de la nébuleuse d’orion à une raie d’émission de l’hydrogène. Utiliser le document [orion.pdf] et le document d’aide [transitions.pdf].

couleur-orion

carte

Animation tableau pour la mise au point et les conclusions.

Présentation éventuelle de la vidéo : [hayden.mpeg]


Magistral en situation pour résumer et compléter les idées principales.

Quantification des niveaux d’énergie électronique ;

Transitions électroniques dans les atomes libres (gaz monoatomiques) ; émission et absorption.

Signatures atomiques (ou ioniques) et applications (astronomiques par exemple).

 

Présentations éventuelles des documents complémentaires :

[meca quantique 1 orbitales.pptx] ;

[meca quantique2 transitions.pptx] ; 

[spectres.swf].

spectro-emission

Merci à Adrien Willm pour cette magnifique animation !


Documents disponibles :

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Iridescences


iridescence

definition


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Consigne 1 groupes de trois (15 minutes)

On recherche les paramètres qui interviennent dans le phénomène .

Observation 1 : bulles et lames de savon. Éclairer sous différents angles et observer.

recette

bulle-lame

iridescence2

Observation 2 : lames d’airRéaliser et observer les franges irisées dues au film d’air ou d’eau emprisonné entre les deux lames. Agir doucement avec une pointe de stylo et observer.

lame-air

photos dues à http://www.palms.univ-rennes1.fr/PHYLAS/f_interf_fichiers/

Consigne 2 individuel puis groupes de 3 (45 minutes)

Problème : comment interpréter la formation des franges irisées ?

 schema2

Individuellement : exploiter de façon à expliquer le phénomène d’irisation et l’influence des paramètres (épaisseur, inclinaison). Document d’aide : [aide.pdf].

 

En groupe : mettre en commun et réaliser une affiche présentant les conclusions.

 

 

Présentation d’affiches et commentaires.

 

Prolongement : couleurs interférentielles diapo [papillons.pptx]

Et aussi : [calibri.pdf] ; [animal.pdf] ; [diffraction RX].


Documents disponibles :

Tous les documents  indiqués ci-dessous sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier iridescences).

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Chambre noire

image

En laissant les images des objets éclairés pénétrer par un petit trou dans une chambre très obscure tu intercepteras alors ces images sur une feuille blanche placée dans cette chambre. […] mais ils seront plus petits et renversés. Léonard de Vinci 1514.


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Ce travail est utilisable (et a été expérimenté) au niveau quatrième, en cours ou en EPI. Il fait appel à la proportionnalité et aux calculs qui en découlent. 


C’est au XIème siècle que le savant arabe El Haitham (Alhazen) donne l’explication du fonctionnement de la chambre noire. Della Porta (1535 – 1615) comprit que l’on pouvait réaliser des chambres noires en réduction en utilisant une boîte opaque munie d’une petite ouverture sur une de ses faces et d’une paroi translucide sur la face opposée. Pour obtenir des images plus lumineuses, il remplaça le petit trou par une ouverture plus grande munie d’une lentille. Dans les années 1820-1850, Nicéphore Niepce, Louis Daguerre et William Fox Talbot inventent des procédés d’enregistrement chimique des images (pellicule) : ainsi naquit la photographie.

 niepceChambre noire de Niepce.

 luminor


Construction travail en groupe de 2 (1 séance)

Document [construction.pdf]

construction


Consigne  en groupes pour les observations et individuel pour la réalisation des schémas (2 séances)

Etude expérimentale.  Document : [document travail.pdf]

1) Observation de l’image d’un objet lumineux.

 Dirigez la chambre noire vers la source (lettre F lumineuse) :schema0 Notez ce que vous observez sur le papier calque.

2) Explication.

 

schema1

Complétez le schéma par les rayons lumineux permettant d’expliquer la formation de l’image sur le calque.

3) Influence de divers paramètres : observer et expliquer

a)      Influence de la distance entre l’objet et la chambre noire (représentez dans chaque cas l’image A’B’ de AB)

schema2Conclusion : si D augmente, alors A’B’ …       

b)      Influence de la longueur de la chambre noire

schema3Conclusion : si L augmente, alors A’B’ …  

c)      Mathématisation

De quoi dépend la dimension de l’image A’B’ ?

Trouvez une formule mathématique permettant de calculer A’B’.

Documents d’aide éventuelle : dossier [calculs] ([calcul taille image.pdf] ; [thales.pdf] )

 d)      Vérifier numériquement sur un exemple à partir des mesures

Sur le banc d’optique organiser le matériel ; effectuer  les mesures nécessaires et vérifier avec la relation mathématique précédente (possibilité d’utiliser un tableur). Document : [chambre noire.xlsx].

e)       Influence de la dimension du diaphragme

 Noter les observations et expliquer par un schéma.


chambre2


Documents disponibles.

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docs
docs2


 

Bulles

archibulle

Amusons-nous sur la terre et sur l’onde
Malheureux celui qui se fait un nom
Richesses, honneurs, faux éclats de ce monde
Tout est bulle de savons.

J. Daullé (1703 – 1763).

souffleuse

 


Ce travail prend prétexte des bulles de savon, et des architectures qui s’en inspirent, pour étudier la tension superficielle des liquides, les interactions moléculaires et le rôle des tensioactifs amphiphiles. Il peut aussi donner lieu à un travail expérimental mettant en œuvre les techniques Exao pour la mesure de la tension superficielle de l’eau.


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Consigne 1 groupes de trois (15 minutes)

Réalisations et observations de bulles et lames de savon.

recette

bulles


Consigne 2 individuel puis groupes (10 minutes)

Interpréter la formation des bulles en termes d’interactions au niveau moléculaire.
Utiliser les documents d’aide : [structure.pdf] ; [amphiphile.pdf] ; [liaisons.pdf].

structure-bulle


Consigne 3 groupes de 2 ou 3 (60 minutes)

Etude de la tension superficielle de l’eau.

1. Exploitation du document [tension.pdf] avec observations (verre plus que plein, trombone qui surnage, effet d’un tensioactif…).

tension1

tension4bateau

tension2

tension3

2. Etude expérimentale de la tension superficielle (selon le matériel exploitable, le temps disponible et les objectifs…). Document : [protocole.pdf].

Rédiger le rapport d’expérience.

protocole

Animation tableau  pour les conclusions , avec présentation des rapports.

 


Consigne 4 groupes de 3 (30 minutes

bulles2

1. Retour aux lames de savon et interprétation en termes de stabilité : observer et
interpréter en exploitant le document [stabilité.pdf]

stabilite

Animation tableau pour les conclusions.

2. Architecture et bulles de savon : présentation du document [archibulle.pptx].

tente

tente

munichLe stade olympique de Munich 

watercube
weaire-phelan


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