Plan de leçon | Plan de leçon Tradisional | Électrochimie : Équation de Nernst

Objectifs

Durée: 10 - 15 minutes

L'objectif de cette étape est de donner aux élèves une compréhension claire des buts de la leçon. En expliquant ce qui sera étudié et en soulignant les compétences à acquérir, les élèves seront mieux préparés à assimiler le contenu et à saisir l'application concrète de l'équation de Nernst. Cela établit une fondation solide pour un apprentissage futur et assure que les élèves savent exactement ce qu'on attend d'eux.

Objectifs Utama:

1. Expliquer l'équation de Nernst et ses différents éléments.

2. Montrer comment utiliser l'équation de Nernst pour déterminer la différence de potentiel d'une pile dans des conditions non standards.

3. Fournir des exemples pratiques et guidés pour aider les élèves à comprendre l'application de l'équation de Nernst.

Introduction

Durée: 10 - 15 minutes

Cette étape vise à capter l'attention des élèves et à expliquer l'importance d'étudier l'équation de Nernst. En présentant un aperçu du sujet et en partageant des informations intéressantes, les élèves peuvent mieux apprécier sa pertinence pratique, ce qui stimule leur intérêt et leur motivation pour apprendre.

Le saviez-vous ?

Saviez-vous que le principe de l'équation de Nernst est utilisé dans les capteurs de pH? Ces dispositifs sont cruciaux dans de nombreux secteurs, allant de l'industrie alimentaire à la purification de l'eau. Ils permettent de garantir que le pH des solutions demeure dans une plage sécurisée et efficace, facilitant ainsi le contrôle des processus chimiques et biologiques.

Contextualisation

L'électrochimie est une discipline de la chimie qui analyse la relation entre l'électricité et les réactions chimiques. Parmi les concepts clés dans ce domaine, l'équation de Nernst est primordiale ; elle permet de calculer la différence de potentiel d'une pile électrochimique dans des conditions autres que celles standards. Comprendre ce concept est essentiel pour déchiffrer le fonctionnement des batteries et des cellules que nous utilisons quotidiennement, comme celles de nos téléphones portables et ordinateurs portables.

Concepts

Durée: 50 - 60 minutes

Cette étape vise à fournir une compréhension détaillée et pratique de l'équation de Nernst, permettant aux élèves d'appliquer les notions théoriques à de véritables calculs. En s'attaquant à des éléments spécifiques et en résolvant des problèmes pratiques, les élèves peuvent renforcer leur compréhension et développer les compétences nécessaires pour utiliser l'équation de Nernst dans différents contextes. Les questions posées renforceront l'apprentissage et garantiront que les élèves puissent appliquer l'équation de façon autonome.

Sujets pertinents

1. Introduction à l'équation de Nernst

2. Définir l'équation de Nernst, en insistant sur sa capacité à calculer le potentiel d’un électrode dans des conditions non standards. L'équation est exprimée par : E = E° - (RT/nF) * ln(Q), où E est le potentiel de l'électrode, E° est le potentiel standard de l'électrode, R représente la constante universelle des gaz, T la température en Kelvin, n le nombre d'électrons impliqués dans la réaction, F la constante de Faraday et Q le quotient réactionnel.

3. Composantes de l'équation de Nernst

4. Analyser chaque élément de l'équation de Nernst : la constante des gaz (R = 8,314 J/(mol·K)), la constante de Faraday (F = 96485 C/mol), la température (T) à convertir en Kelvin, le nombre d'électrons (n) échangés dans la réaction redox. Élaborer sur le quotient réactionnel (Q) et son calcul à partir des concentrations des réactifs et des produits.

5. Application de l'équation de Nernst

6. Illustrer comment appliquer l'équation de Nernst à des exemples pratiques. Utiliser des cas concrets, comme le calcul du potentiel d'une pile galvanique avec diverses concentrations ioniques. Démontrer pas à pas comment insérer les valeurs dans l'équation et résoudre.

7. Exemples pratiques

8. Proposer des exemples guidés avec différents scénarios. Par exemple, estimer le potentiel d'une pile Daniell dans les conditions suivantes : [Zn^2+] = 0,1 M et [Cu^2+] = 0,01 M. Détailler comment chaque élément de l'équation est défini et comment effectuer le calcul.

9. Importance et applications de l'équation de Nernst

10. Discuter de l'importance de l'équation de Nernst dans des situations concrètes, comme les capteurs de pH, les batteries et les piles à hydrogène. Mettre en avant comment cette équation est essentielle pour comprendre et développer des technologies électrochimiques.

Pour renforcer l'apprentissage

1. 1. Calculez le potentiel d'une pile galvanique pour la réaction Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s), avec les potentiels standards E°(Zn^2+/Zn) = -0,76 V et E°(Cu^2+/Cu) = +0,34 V, à [Zn^2+] = 0,5 M et [Cu^2+] = 0,01 M, à 25°C.

2. 2. Pour la cellule électrochimique avec la réaction : Ag^+(aq) + Cl^-(aq) -> AgCl(s), sachant que E°(Ag^+/Ag) = +0,80 V et E°(Cl^-/Cl2) = +1,36 V, quel est le potentiel de la cellule lorsque [Ag^+] = 0,01 M et [Cl^-] = 0,1 M, à 25°C?

3. 3. Déterminez le potentiel d'une cellule avec les demi-réactions suivantes : Fe^3+(aq) + e^- -> Fe^2+(aq) avec E° = +0,77 V et Cr^3+(aq) + 3e^- -> Cr(s) avec E° = -0,74 V. Les concentrations sont [Fe^3+] = 0,1 M, [Fe^2+] = 0,01 M et [Cr^3+] = 0,01 M, à 25°C.

Retour

Durée: 15 - 20 minutes

Cette étape vise à s'assurer que les élèves comprennent comment appliquer l'équation de Nernst de manière pratique et autonome. La discussion des questions vise à clarifier les zones d'ombre et à renforcer la compréhension. Les questions d'engagement sont destinées à susciter la pensée critique et l'application des connaissances dans des contextes concrets, ce qui favorise un apprentissage plus efficace et significatif.

Diskusi Concepts

1. 1. Question 1 : Pour calculer le potentiel de la pile galvanique, on applique l'équation de Nernst de la manière suivante :

Données : E°(Zn^2+/Zn) = -0,76 V et E°(Cu^2+/Cu) = +0,34 V. Réaction globale : Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s). Potentiel standard de la cellule (E°cell) : E°(Cu^2+/Cu) - E°(Zn^2+/Zn) = 0,34 V - (-0,76 V) = 1,10 V. Q (quotient réactionnel) : [Zn^2+]/[Cu^2+] = 0,5/0,01 = 50. Équation de Nernst : E = E° - (RT/nF) * ln(Q), avec T = 298 K, R = 8,314 J/(mol·K), F = 96485 C/mol, n = 2. Calcul : E = 1,10 V - (8,314 * 298 / (2 * 96485)) * ln(50) ≈ 1,10 V - 0,0296 * 3,91 ≈ 0,99 V.

Ainsi, le potentiel de la pile est d'environ 0,99 V. 2. 2. Question 2 : Pour la cellule électrochimique avec la réaction Ag^+(aq) + Cl^-(aq) -> AgCl(s) :

Données : E°(Ag^+/Ag) = +0,80 V et E°(Cl^-/Cl2) = +1,36 V. Réaction globale : Ag^+(aq) + Cl^-(aq) -> AgCl(s). Potentiel standard de la cellule (E°cell) : E°(Ag^+/Ag) - E°(Cl^-/Cl2) = 0,80 V - 1,36 V = -0,56 V. Q (quotient réactionnel) : [Ag^+][Cl^-] = 0,01 * 0,1 = 0,001. Équation de Nernst : E = E° - (RT/nF) * ln(Q), avec T = 298 K, R = 8,314 J/(mol·K), F = 96485 C/mol, n = 1. Calcul : E = -0,56 V - (8,314 * 298 / 96485) * ln(0,001) ≈ -0,56 V - 0,0257 * (-6,91) ≈ -0,56 V + 0,177 ≈ -0,38 V.

Ainsi, le potentiel de la cellule est d'environ -0,38 V. 3. 3. Question 3 : Pour la cellule avec les demi-réactions suivantes :

Données : E°(Fe^3+/Fe^2+) = +0,77 V et E°(Cr^3+/Cr) = -0,74 V. Réaction globale : 3Fe^2+(aq) + Cr^3+(aq) -> 3Fe^3+(aq) + Cr(s). Potentiel standard de la cellule (E°cell) : E°(Fe^3+/Fe^2+) - E°(Cr^3+/Cr) = 0,77 V - (-0,74 V) = 1,51 V. Q (quotient réactionnel) : [Fe^3+]^3/[Fe^2+]^3[Cr^3+] = (0,1)^3 / (0,01)^3 * 0,01 = 10^3 / 10^-2 = 10^5. Équation de Nernst : E = E° - (RT/nF) * ln(Q), avec T = 298 K, R = 8,314 J/(mol·K), F = 96485 C/mol, n = 3. Calcul : E = 1,51 V - (8,314 * 298 / (3 * 96485)) * ln(10^5) ≈ 1,51 V - 0,0257 * 11,51 ≈ 1,51 V - 0,29 ≈ 1,22 V.

Ainsi, le potentiel de la cellule est d'environ 1,22 V.

Engager les étudiants

1. Quelles inquiétudes avez-vous rencontrées lors de l'application de l'équation de Nernst? 2. Comment la température influence-t-elle les résultats issus de l'équation de Nernst? 3. Dans quelles autres situations pratiques pensez-vous que l'équation de Nernst pourrait être utilisée? 4. Pourquoi est-il essentiel de prendre en compte les concentrations des réactifs et des produits dans l'équation de Nernst? 5. Discutons de l'application de l'équation de Nernst dans les technologies modernes comme les batteries au lithium et les capteurs.

Conclusion

Durée: 10 - 15 minutes

L'objectif de cette étape est de réviser les points majeurs abordés durant la leçon, consolidant ainsi l'apprentissage. En passant en revue le contenu et en reliant la théorie à la pratique, les élèves consolident leur compréhension et reconnaissent la pertinence de la matière étudiée. Cette étape aborde également les dernières questions restant en suspens et conclut la leçon de manière cohérente.

Résumé

["L'équation de Nernst nous aide à calculer le potentiel d'une électrode dans des conditions non standard.", "Éléments de l'équation de Nernst : E, E°, R, T, n, F, et Q.", 'Comment déterminer le quotient réactionnel (Q) à partir des concentrations des réactifs et des produits.', "Application de l'équation de Nernst à des calculs pratiques à travers des exemples concrets.", "Importance de l'équation de Nernst dans les capteurs de pH, les batteries et les piles à hydrogène."]

Connexion

La leçon a été un pont entre la théorie et la pratique en montrant comment l'équation de Nernst est utilisée pour calculer le potentiel de l'électrode dans des conditions non standards. Elle a permis d'illustrer des exemples pratiques et guidés montrant l'application de la théorie dans des situations réelles, comme pour déterminer le potentiel des piles galvanique avec différentes concentrations ioniques.

Pertinence du thème

L'équation de Nernst est essentielle pour saisir les réactions électrochimiques qui se déroulent dans des dispositifs quotidiens tels que les batteries et les capteurs de pH. Ces outils sont cruciaux pour nos activités quotidiennes, allant de l'alimentation de nos appareils électroniques au contrôle de la qualité de l'eau. Dominer cette équation ouvre la voie à une meilleure compréhension et à l'optimisation de ces technologies.