Équilibre chimique

L'objectif de cette séquence est de permettre l'étude de différents systèmes chimiques à l'équilibre.

Différentes fiches sont proposées pour permettre aux élèves, étape par étape, d'obtenir le pH du système étudié à l'aide d'une méthode graphique, après avoir combiné les équations mathématiques décrivant les équilibres chimiques, la conservation des quantités et la neutralité électrique d'une solution. 

Description des activités proposées :

Nous allons étudier différents systèmes chimiques à l’équilibre de difficulté croissante :
• Solution d’acide acétique 0,01 M (Fiche 1)
• Solution d’acide carbonique 0,01 M (Fiche 2)
• L’eau de pluie (Fiche 3)
• L’eau du lac (Fiche 4)

Les fiches peuvent être utilisées en fonction du degré de complexité souhaité. Les Fiche 2,3,4
devraient être effectuées dans cet ordre. Le correctif des fiches est donné en fin de fichier.

Dans chaque fiche, l’élève suit une procédure guidée, étape par étape, lui permettant d’aboutir à
une équation mathématique avec une seule inconnue (la molarité [H3O⁺ ] ), après avoir combiné
les équations mathématiques décrivant :
• les équilibres chimiques présents dans le système étudié,
• la conservation des quantités (rien ne se perd, rien ne se crée …),
• la neutralité électrique d’une solution.

A l’aide de la méthode graphique, l’élève sera à même d’obtenir le pH du système étudié.

Environnement : 

Nous vous proposons l’utilisation du langage informatique Python, avec les bibliothèques Numpy
(calculs mathématiques) et Matplotlib (graphiques), via l’application web gratuite Juypter Lite
(https://jupyter.org/try-jupyter/lab/ : Octobre 2022). Cette application ne requiert aucune installation et permet la création de notebook (fichiers de type .ipynb annexés à ce document). Les fichiers python (.py) sont également annexées à ce document et peuvent être exécutés dans une IDE Python (ex. IDLE). Les séquences proposées peuvent être adaptées aux logiciels tableur (comme Excel, Classeur LibreOffice ou GoogleSheet).

Pour la création des graphiques sur Python, il est conseillé de se référer aux séquences
«Graphique Python (1) et (2)».

Pour résumer, les élèves réalisent plusieurs étapes :

• Simplification mathématique (résolution partielle d’un système d’équations mathématiques).
• Écriture d’un programme en Python permettant de quantifier le niveau d’acidité de solutions
aqueuses (calcul du pH).
• Création d’un graphique, permettant d’appliquer la méthode graphique pour la résolution
d’un système d’équations mathématiques.

Cette approche permet le calcul du pH de systèmes avec plusieurs équilibres chimiques
coexistant, dont la résolution mathématique analytique est plutôt ardue.