Plan de Cours | Méthodologie Active | Thermochimie : Enthalpie

Hypothèses: Ce Plan de Cours Actif suppose : une durée de cours de 100 minutes, une étude préalable des élèves à la fois avec le Livre et le début du développement du Projet, et qu'une seule activité (parmi les trois suggérées) sera choisie pour être réalisée pendant le cours, car chaque activité est conçue pour occuper une grande partie du temps disponible.

Objectif

Durée: (5 - 10 minutes)

Cette étape du cours est primordiale pour asseoir une compréhension théorique solide de l'enthalpie. En explicitant clairement les objectifs, l'enseignant oriente les élèves sur les acquis attendus à la fin du cours, favorisant ainsi une préparation autonome préalable et stimulant les échanges en classe sur des cas concrets.

Objectif Utama:

1. Permettre aux élèves de maîtriser le concept d'enthalpie ainsi que son calcul en prenant en compte les transferts de chaleur à pression constante.

2. Distinguer et repérer les différents types d'enthalpie (formation, réaction, combustion) et comprendre leurs valeurs caractéristiques.

3. Savoir identifier si une réaction est exothermique ou endothermique grâce aux notions d'enthalpie.

Objectif Tambahan:

1. Favoriser la participation active lors des travaux en groupe et la résolution de problèmes pratiques, tout en développant les compétences en travail collaboratif et en communication.

Introduction

Durée: (20 - 25 minutes)

Cette introduction a pour but de replonger les élèves dans les notions précédemment abordées en les engageant dès le début grâce à des situations-problèmes concrètes. Elle met en lumière la pertinence pratique et théorique de l'étude de l'enthalpie, tout en éveillant la curiosité des élèves et facilitant l'assimilation des concepts.

Situation Basée sur un Problème

1. Prenez l'exemple de la combustion d'une mole de carbone (C) en présence d'oxygène (O₂) pour former du dioxyde de carbone (CO₂) sous pression constante. Si l'enthalpie de formation du CO₂ est de -393,5 kJ/mol et que celle du C est nulle, quel est le changement d'enthalpie associé à cette réaction ?

2. Un élève a tenté de produire de l'eau à partir de ses éléments, l'hydrogène et l'oxygène, tous deux gazeux à température et pression ambiantes. Sachant que l'enthalpie de formation de H₂O est de -285,8 kJ/mol et que celles de H₂ et O₂ valent 0, calculez l'enthalpie de la réaction.

Contextualisation

L'enthalpie est une grandeur thermodynamique essentielle dans de nombreux processus chimiques, allant de la combustion des carburants à la synthèse de nouveaux matériaux en laboratoire. Par exemple, connaître l'enthalpie de combustion permet d'estimer l'efficacité énergétique d'un combustible et son impact environnemental. De même, l'enthalpie de formation est indispensable pour évaluer l'énergie nécessaire à la production d'une substance à partir de ses éléments de base, ce qui revêt une importance capitale dans l'innovation industrielle.

Développement

Durée: (65 - 75 minutes)

La phase de développement vise à faire passer les élèves de la théorie à la pratique en les impliquant dans des activités interactives et ludiques. En manipulant concrètement des réactions chimiques, ils peuvent visualiser et comprendre les concepts d'enthalpie tout en développant leur esprit d'équipe et leur aptitude à résoudre des problèmes complexes, autant d'atouts pour leur parcours académique et professionnel.

Suggestions d'Activités

Il est recommandé de ne réaliser qu'une seule des activités suggérées

Activité 1 - Aventure culinaire : Calcul de l'enthalpie des recettes

> Durée: (60 - 70 minutes)

- Objectif: Appliquer de manière concrète le concept d'enthalpie de formation et développer des compétences en calcul et en analyse pour mieux comprendre les réactions chimiques.

- Description: Lors de cette activité, les élèves endossent le rôle de « chefs de laboratoire » et doivent calculer l'enthalpie associée à la préparation de trois recettes : un gâteau aux carottes, une omelette et un jus d'orange. Chaque groupe reçoit une fiche recette détaillée ainsi que les valeurs d'enthalpie de formation des principaux ingrédients, et devra déterminer le changement d'enthalpie pour chaque plat.

- Instructions:

• Divisez la classe en groupes de 5 élèves au maximum.

• Distribuez à chaque groupe la fiche recette ainsi que les enthalpies de formation des ingrédients.

• Chaque groupe calcule l'enthalpie totale de la recette en additionnant celle des ingrédients utilisés.

• Présentez ensuite vos résultats et discutez des variations observées entre les différentes préparations.

• Rédigez une courte justification permettant de classer les réactions en endothermiques ou exothermiques.

Activité 2 - Défi des carburants : Étude expérimentale de l'enthalpie de combustion

> Durée: (60 - 70 minutes)

- Objectif: Permettre aux élèves de comprendre et de calculer expérimentalement l'enthalpie de combustion de divers matériaux, en appliquant les principes de la calorimétrie.

- Description: Par groupes, les élèves expérimentent avec différents carburants (alcool, essence, charbon) pour mesurer leur enthalpie de combustion. Munis d'un calorimètre simple, ils réalisent des combustions contrôlées et enregistrent les variations de température de l'eau environnante afin d'effectuer les calculs correspondants.

- Instructions:

• Aménagez la classe en différents postes de travail, chacun équipé d'un type de carburant et d'un calorimètre.

• Expliquez aux élèves les règles de sécurité pour manipuler le calorimètre et les carburants.

• Enregistrez la masse initiale du carburant et de l'eau ainsi que la température de l'eau avant combustion.

• Réalisez la combustion et notez les variations de température relevées.

• Utilisez l'équation q = mcΔT pour calculer l'enthalpie de combustion à partir des données obtenues.

Activité 3 - Cinéma chimique : Analyse des réactions endothermiques et exothermiques

> Durée: (60 - 70 minutes)

- Objectif: Renforcer les compétences d'observation et d'analyse critique tout en appliquant concrètement la notion d'enthalpie.

- Description: Les élèves visionneront des séquences vidéos présentant diverses réactions chimiques préalablement sélectionnées par l'enseignant. Leur tâche sera d'identifier si les réactions sont endothermiques ou exothermiques, en se basant sur les signes de libération ou d'absorption de chaleur observés. Ils effectueront ensuite des calculs pour estimer l'enthalpie correspondant aux réactions visionnées.

- Instructions:

• Organisez la salle pour qu'elle soit propice à la projection des vidéos.

• Distribuez une fiche d'observation afin que chaque élève note ses observations.

• Visionnez les vidéos et discutez en groupe des observations.

• Calculez l'enthalpie des réactions à partir des données présentées dans les vidéos.

• Présentez vos résultats et argumentez sur la classification des réactions.

Retour d'information

Durée: (15 - 20 minutes)

Cette étape de retour permet de consolider les savoirs en donnant l'occasion aux élèves d'exprimer et d'échanger sur leurs apprentissages. Elle contribue aussi à clarifier les points encore obscurs et à renforcer la compréhension globale de l'enthalpie à travers le partage d'expériences et de perspectives variées.

Discussion en Groupe

À l'issue des activités, rassemblez l'ensemble des élèves pour une discussion collective. Commencez par rappeler brièvement l'importance de partager les découvertes et les apprentissages. Demandez à chaque groupe de présenter un résumé des travaux réalisés et des conclusions tirées. Encouragez les échanges sur les similitudes et différences entre les résultats obtenus, et discutez comment ces variations s'expliquent au regard des concepts d'enthalpie abordés. Cet échange permettra de renforcer les acquis et de dissiper les éventuels doutes.

Questions Clés

1. Quelles difficultés principales avez-vous rencontrées lors du calcul de l'enthalpie dans les différentes activités ?

2. De quelle manière avez-vous utilisé les notions d'enthalpie pour distinguer les réactions endothermiques et exothermiques ?

3. En quoi les activités pratiques vous ont-elles aidé à mieux comprendre la théorie de l'enthalpie ?

Conclusion

Durée: (10 - 15 minutes)

La conclusion a pour vocation de renforcer et de solidifier les acquis, en s'assurant que les élèves maîtrisent bien les concepts clés de l'enthalpie et leurs applications concrètes. En reliant théorie et pratique et en discutant de l'importance du sujet, les élèves sont motivés à poursuivre leur exploration et leur application de ces connaissances.

Résumé

Pour conclure, reprenez les points essentiels abordés : la définition de l'enthalpie, les différents types (formation, réaction et combustion) ainsi que les méthodes de calcul associées. Il demeure important de bien distinguer les réactions exothermiques des réactions endothermiques et d'en saisir les manifestations en termes d'enthalpie.

Connexion avec la Théorie

Montrez aux élèves comment les activités pratiques, telles que l'« Aventure culinaire » et le « Défi des carburants », ont permis de relier la théorie à la pratique. Expliquez que les calculs réalisés en laboratoire illustrent parfaitement les concepts théoriques, rendant ainsi plus concrète l'application de ces notions dans des situations quotidiennes.

Clôture

Enfin, insistez sur l'importance de comprendre l'enthalpie, non seulement pour la chimie en tant que discipline académique, mais également pour ses applications pratiques dans l'industrie, l'environnement et la vie de tous les jours. Une bonne maîtrise de l'enthalpie permet de mieux prévoir et contrôler les réactions chimiques, favorisant ainsi l'innovation dans divers domaines.