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

Objectifs

Durée: 10 - 15 minutes

Cette étape vise à éclairer les élèves sur les objectifs du cours. En précisant ce qui sera étudié et en soulignant les compétences attendues, ils seront mieux armés pour comprendre les notions abordées et saisir l'intérêt pratique de l'équation de Nernst. Cela permet d'établir des bases solides pour les apprentissages à venir et d'assurer que chacun sache précisément ce qu'on attend de lui.

Objectifs Utama:

1. Présenter l'équation de Nernst et détailler chacune de ses composantes.

2. Montrer comment utiliser cette équation pour déterminer le potentiel d'une pile dans des conditions non standards.

3. Proposer des exemples concrets et pas à pas pour faciliter l'assimilation de l'application pratique de l'équation de Nernst par les élèves.

Introduction

Durée: 10 - 15 minutes

L'objectif de cette introduction est de capter l'attention des élèves et de mettre en perspective l'importance d'étudier l'équation de Nernst. En offrant un aperçu ainsi que quelques anecdotes, les élèves comprennent mieux l'intérêt concret de cette notion, ce qui stimule leur curiosité et leur motivation à apprendre.

Le saviez-vous ?

Saviez-vous que le principe de l'équation de Nernst est exploité dans les capteurs de pH, utilisés dans des domaines aussi variés que l'industrie agroalimentaire ou le traitement des eaux ? Ces capteurs permettent de maintenir le pH des solutions dans une plage optimale, garantissant ainsi le bon déroulement des processus chimiques et biologiques.

Contextualisation

L'électrochimie est une branche de la chimie qui étudie les interactions entre l'électricité et les réactions chimiques. Un des concepts clés dans ce domaine est l'équation de Nernst, qui permet de déterminer le potentiel d'une électrode dans des conditions non standards. Ce concept est essentiel pour comprendre le fonctionnement des batteries et des cellules, comme celles qui alimentent nos téléphones portables, ordinateurs ou autres appareils quotidiens.

Concepts

Durée: 50 - 60 minutes

Cette phase de développement vise à offrir une compréhension approfondie et pratique de l'équation de Nernst afin que les élèves puissent appliquer la théorie à des exercices concrets. En décomposant l'équation et en résolvant des problèmes pas à pas, les élèves consolideront leurs acquis et développeront les compétences nécessaires pour utiliser l'équation dans divers contextes. Les questions posées permettront aussi de vérifier leur autonomie dans l'application des concepts.

Sujets pertinents

1. Introduction à l'équation de Nernst

2. Présenter l'équation de Nernst en expliquant qu'elle permet de calculer le potentiel d'une électrode dans des conditions qui sortent du cadre standard. L'équation se présente ainsi : E = E° - (RT/nF) * ln(Q), où E représente le potentiel de l'électrode, E° celui du potentiel standard, R la constante universelle des gaz, T la température en Kelvin, n le nombre d'électrons transférés, F la constante de Faraday et Q le quotient réactionnel.

3. Les composantes de l'équation de Nernst

4. Analyser chacune des composantes de l'équation : la constante des gaz (R = 8,314 J/(mol·K)), la constante de Faraday (F = 96485 C/mol), la température (T) et son passage en Kelvin, ainsi que le nombre d'électrons (n) impliqués dans la réaction redox. Il s'agit également d'expliquer la notion de quotient réactionnel (Q) et son calcul à partir des concentrations des réactifs et produits.

5. Application pratique de l'équation de Nernst

6. Démontrer comment mettre en œuvre l'équation de Nernst dans des calculs concrets. À l'aide d'exemples précis – par exemple, le calcul du potentiel d'une pile galvanique avec des concentrations ioniques variables – détailler chaque étape du processus de remise en forme des valeurs dans l'équation et leur résolution.

7. Exemples concrets

8. Proposer des exemples guidés en présentant différents scénarios. Par exemple, calculer le potentiel d'une pile Daniell dans ces conditions : [Zn^2+] = 0,1 M et [Cu^2+] = 0,01 M, en illustrant comment déterminer chaque terme de l'équation et finaliser le calcul.

9. Importance et applications concrètes

10. Discuter de l'intérêt de l'équation de Nernst dans des applications réelles, comme dans le fonctionnement des capteurs de pH, des batteries ou encore des piles à combustible. Souligner l’aspect indispensable de cette équation pour comprendre et développer des technologies en électrochimie.

Pour renforcer l'apprentissage

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

2. 2. Pour une cellule électrochimique ayant pour réaction Ag^+(aq) + Cl^-(aq) -> AgCl(s), avec E°(Ag^+/Ag) = +0,80 V et E°(Cl^-/Cl2) = +1,36 V, déterminez le potentiel lorsque [Ag^+] = 0,01 M et [Cl^-] = 0,1 M à 25°C.

3. 3. Évaluez le potentiel d'une cellule composée des demi-équations 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, sachant que [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 phase de feedback a pour but de vérifier que les élèves ont bien compris comment utiliser l'équation de Nernst de manière autonome. La discussion détaillée de chaque question permet d'éclaircir les éventuels doutes et de renforcer la compréhension. Par ailleurs, les questions posées encouragent la réflexion critique et incitent à appliquer les connaissances dans des situations concrètes, favorisant ainsi un apprentissage plus approfondi.

Diskusi Concepts

1. 1. Pour la première question : Pour déterminer le potentiel de la pile galvanique, on applique l'équation de Nernst comme suit : 2. Données : E°(Zn^2+/Zn) = -0,76 V et E°(Cu^2+/Cu) = +0,34 V. 3. Réaction globale : Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s). 4. Potentiel standard de la cellule (E°cell) : E°(Cu^2+/Cu) - E°(Zn^2+/Zn) = 0,34 V - (-0,76 V) = 1,10 V. 5. Quotient réactionnel (Q) : [Zn^2+]/[Cu^2+] = 0,5/0,01 = 50. 6. Application de l'équation : E = E° - (RT/nF) * ln(Q), avec T = 298 K, R = 8,314 J/(mol·K), F = 96485 C/mol, n = 2. 7. Calcul : E = 1,10 V - (8,314 * 298 / (2 * 96485)) * ln(50) ≈ 1,10 V - 0,0296 * 3,91 ≈ 0,99 V. 8. Ainsi, le potentiel de la pile est d'environ 0,99 V. 9. 2. Pour la deuxième question concernant la cellule Ag^+(aq) + Cl^-(aq) -> AgCl(s) : 10. Données : E°(Ag^+/Ag) = +0,80 V et E°(Cl^-/Cl2) = +1,36 V. 11. Réaction globale : Ag^+(aq) + Cl^-(aq) -> AgCl(s). 12. Potentiel standard de la cellule (E°cell) : E°(Ag^+/Ag) - E°(Cl^-/Cl2) = 0,80 V - 1,36 V = -0,56 V. 13. Quotient réactionnel (Q) : [Ag^+][Cl^-] = 0,01 * 0,1 = 0,001. 14. Application de l'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. 15. Calcul : E = -0,56 V - (8,314 * 298 / 96485) * ln(0,001) ≈ -0,56 V - 0,0257 * (-6,91) ≈ -0,38 V. 16. Le potentiel de la cellule est donc d'environ -0,38 V. 17. 3. Pour la troisième question, avec les demi-équations : 18. Données : E°(Fe^3+/Fe^2+) = +0,77 V et E°(Cr^3+/Cr) = -0,74 V. 19. Réaction globale : 3Fe^2+(aq) + Cr^3+(aq) -> 3Fe^3+(aq) + Cr(s). 20. 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. 21. Quotient réactionnel (Q) : ([Fe^3+]^3) / ([Fe^2+]^3 [Cr^3+]), soit (0,1)^3 / ((0,01)^3 * 0,01) = 10^3 / 10^-2 = 10^5. 22. Application de l'équation de Nernst : E = E° - (RT/nF) * ln(Q), avec T = 298 K, n = 3. 23. Calcul : E = 1,51 V - (8,314 * 298 / (3 * 96485)) * ln(10^5) ≈ 1,51 V - 0,0257 * 11,51 ≈ 1,22 V. 24. Ainsi, le potentiel de la cellule est d'environ 1,22 V.

Engager les étudiants

1. Quelles difficultés avez-vous rencontrées lors de l'utilisation de l'équation de Nernst ? 2. En quoi la température modifie-t-elle les résultats obtenus grâce à l'équation ? 3. Dans quelles autres situations concrètes voyez-vous l'application de l'équation de Nernst ? 4. Pourquoi est-il important de bien prendre en compte les concentrations des réactifs et des produits ? 5. Comment l'équation de Nernst peut-elle être intégrée dans le développement de technologies modernes telles que les batteries lithium-ion ou les capteurs ?

Conclusion

Durée: 10 - 15 minutes

L'objectif de cette conclusion est de récapituler les points clés du cours, de lier la théorie à la pratique et de lever les derniers doutes. Les élèves repartent ainsi avec une vision claire et cohérente de la notion étudiée.

Résumé

["L'équation de Nernst permet de déterminer le potentiel d'une électrode dans des conditions non standards.", 'Les différentes composantes (E, E°, R, T, n, F, et Q) y sont abordées.', 'Le calcul du quotient réactionnel à partir des concentrations des réactifs et produits est illustré.', 'Des applications concrètes et des cas pratiques permettent de mettre en œuvre la théorie.', "L'importance de cette équation se justifie dans de nombreux domaines, notamment pour les capteurs de pH, les batteries et les piles à combustible."]

Connexion

Ce cours fait le lien entre la théorie et la pratique en montrant comment l'équation de Nernst est directement utilisée pour évaluer le potentiel des électrodes dans des conditions réelles, à travers des exemples détaillés tels que le calcul du potentiel de piles galvanique avec des concentrations variées.

Pertinence du thème

Maîtriser l'équation de Nernst est essentiel pour comprendre les réactions électrochimiques qui interviennent dans des technologies du quotidien, que ce soit dans l'alimentation de nos dispositifs électroniques ou dans le contrôle de la qualité de l'eau. Ce savoir est ainsi un atout majeur pour envisager des évolutions technologiques dans divers secteurs.