Plan de Cours | Méthodologie Traditionnelle | Électrochimie : Lois de Faraday

Objectifs

Durée: 10 à 15 minutes

L'objectif de cette étape est de fournir une vision claire et objective sur les objectifs du cours, en veillant à ce que les étudiants comprennent l'importance de maîtriser les lois de Faraday et leurs applications pratiques. En établissant ces objectifs, l'enseignant guide l'attention du cours et prépare le terrain pour un apprentissage structuré et efficace.

Objectifs Principaux

1. Expliquer les lois de Faraday et leurs formules mathématiques.

2. Démontrer comment appliquer les lois de Faraday pour calculer la masse déposée sur une électrode pendant l'électrolyse.

3. Orienter les étudiants dans la résolution de problèmes impliquant le temps nécessaire pour déposer une masse spécifique sur une électrode.

Introduction

Durée: 10 à 15 minutes

L'objectif de cette étape est d'attirer l'attention des étudiants et de contextualiser l'importance du sujet, montrant comment l'électrolyse et les lois de Faraday sont présentes dans diverses applications quotidiennes. Cela aide à susciter l'intérêt et la motivation des étudiants, les préparant au contenu théorique qui sera abordé par la suite.

Contexte

Pour commencer le cours d'aujourd'hui sur Électrochimie : Lois de Faraday, considérez le rôle crucial de l'électrolyse dans la vie moderne. L'électrolyse est un processus vital dans diverses industries, comme la production d'aluminium, de cuivre et d'autres métaux, ainsi que dans la fabrication de produits chimiques tels que le chlore et la soude caustique. Présenter ce contexte aide les étudiants à percevoir l'importance pratique et économique du contenu qu'ils vont apprendre.

Curiosités

Saviez-vous que l'électrolyse est fondamentale dans la production d'hydrogène, qui est une source d'énergie propre et renouvelable ? De plus, grâce à l'électrolyse, il est possible de réaliser la galvanoplastie, un processus utilisé pour recouvrir des objets métalliques d'une couche d'un autre métal, comme l'argent ou l'or, leur conférant ainsi une plus grande résistance et esthétique.

Développement

Durée: 45 à 50 minutes

L'objectif de cette étape est d'approfondir les connaissances des étudiants sur les lois de Faraday, en leur offrant une compréhension solide des formules et des concepts impliqués. À travers des explications détaillées et des exemples pratiques, les étudiants seront capables d'appliquer les lois de Faraday dans divers problèmes d'électrolyse, renforçant ainsi leurs compétences en calcul et en résolution de problèmes.

Sujets Couverts

1. Première Loi de Faraday : Expliquez que la quantité de substance (m) déposée ou libérée sur une électrode est directement proportionnelle à la quantité de charge électrique (Q) qui passe par la solution. La formule de base est m = kQ, où k est la constante de proportionnalité. 2. Deuxième Loi de Faraday : Détaillez que la masse de différentes substances déposées ou libérées par une quantité égale d'électricité est proportionnelle à leurs équivalents chimiques. La formule est m = (M/F) * (Q/z), où M est la masse molaire, F est la constante de Faraday, Q est la charge et z est le nombre d'électrons impliqués dans la réaction. 3. Calcul de la charge électrique (Q) : Expliquez comment calculer la charge électrique en utilisant la formule Q = I * t, où I est le courant en ampères et t est le temps en secondes. 4. Exemples Pratiques : Présentez des exemples pratiques de calculs utilisant les lois de Faraday, comme calculer la masse de cuivre déposée lorsqu'un courant de 2A est passé par une solution de CuSO₄ pendant 30 minutes.

Questions en Classe

1. Calculez la masse d'argent déposée sur une électrode lorsqu'un courant de 3A est passé par une solution de AgNO₃ pendant 20 minutes. (Donné : M_Ag = 107,87 g/mol, F = 96500 C/mol, z = 1) 2. Déterminez le temps nécessaire pour déposer 0,5g de nickel sur une électrode à partir d'une solution de NiSO₄ en utilisant un courant de 1,5A. (Donné : M_Ni = 58,69 g/mol, F = 96500 C/mol, z = 2) 3. Un courant de 2A est passé par une solution de CuSO₄ pendant 45 minutes. Calculez la masse de cuivre déposée sur l'électrode. (Donné : M_Cu = 63,55 g/mol, F = 96500 C/mol, z = 2)

Discussion des Questions

Durée: 20 à 25 minutes

L'objectif de cette étape est de revoir et de consolider les connaissances acquises par les étudiants pendant le cours, en s'assurant qu'ils comprennent comment appliquer les lois de Faraday dans différents contextes. En discutant des solutions aux problèmes présentés et en engageant les étudiants avec des questions réflexives, l'enseignant facilite la rétention du contenu et promeut un environnement d'apprentissage actif et participatif.

Discussion

• Question 1 : Calculez la masse d'argent déposée sur une électrode lorsqu'un courant de 3A est passé par une solution de AgNO₃ pendant 20 minutes.

Déterminez la charge électrique (Q) :

Q = I * t = 3A * (20 * 60s) = 3600 C

Utilisez la Deuxième Loi de Faraday :

m = (M/F) * (Q/z) = (107,87 g/mol / 96500 C/mol) * (3600 C / 1) ≈ 4,03 g

Réponse : La masse d'argent déposée est d'environ 4,03 g.

• Question 2 : Déterminez le temps nécessaire pour déposer 0,5g de nickel sur une électrode à partir d'une solution de NiSO₄ en utilisant un courant de 1,5A.

Utilisez la Deuxième Loi de Faraday pour trouver Q :

m = (M/F) * (Q/z)

Q = m * (F * z / M) = 0,5 g * (96500 C/mol * 2 / 58,69 g/mol) ≈ 1644,82 C

Calculez le temps (t) :

Q = I * t

t = Q / I = 1644,82 C / 1,5 A ≈ 1096,55 s ≈ 18,28 min

Réponse : Le temps nécessaire est d'environ 18,28 minutes.

• Question 3 : Un courant de 2A est passé par une solution de CuSO₄ pendant 45 minutes. Calculez la masse de cuivre déposée sur l'électrode.

Déterminez la charge électrique (Q) :

Q = I * t = 2A * (45 * 60s) = 5400 C

Utilisez la Deuxième Loi de Faraday :

m = (M/F) * (Q/z) = (63,55 g/mol / 96500 C/mol) * (5400 C / 2) ≈ 1,78 g

Réponse : La masse de cuivre déposée est d'environ 1,78 g.

Engagement des Élèves

1. Quelle est l'importance pratique des lois de Faraday dans l'industrie moderne ? 2. Comment l'électrolyse peut-elle être utilisée dans des processus durables ? 3. Pouvez-vous penser à d'autres applications pratiques des lois de Faraday en dehors de celles mentionnées dans le cours ? 4. Comment la quantité de courant électrique influence-t-elle la quantité de substance déposée sur une électrode ? 5. Quelle est la relation entre le temps d'électrolyse et la masse déposée ?

Conclusion

Durée: 10 à 15 minutes

L'objectif de cette étape est de revoir et de consolider les points principaux abordés pendant le cours, en veillant à ce que les étudiants aient une compréhension claire et complète du contenu. En récapitulant les sujets et en discutant de leurs applications pratiques et de leur pertinence, l'enseignant renforce l'apprentissage et prépare les étudiants à utiliser les concepts de manière autonome.

Résumé

• Les lois de Faraday ont été expliquées, y compris la Première Loi, qui relie la quantité de substance déposée ou libérée sur une électrode à la quantité de charge électrique passée par la solution.
• La Deuxième Loi de Faraday a été détaillée, montrant comment la masse de différentes substances déposées ou libérées par une quantité égale d'électricité est proportionnelle à leurs équivalents chimiques.
• La formule pour calculer la charge électrique (Q) a été présentée, en utilisant la relation entre courant (I) et temps (t).
• Des exemples pratiques ont été résolus pour illustrer l'application des lois de Faraday dans des calculs de masse déposée et de temps d'électrolyse.

Le cours a connecté la théorie à la pratique en présentant des exemples pratiques de calculs utilisant les lois de Faraday. Cela a permis aux étudiants de voir comment les formules mathématiques et les concepts théoriques s'appliquent directement à des situations réelles d'électrolyse, facilitant la compréhension et l'application pratique du contenu.

Le sujet présenté est d'une grande importance pour la vie quotidienne, car l'électrolyse est un processus essentiel dans diverses industries, de la production de métaux à la fabrication de produits chimiques. De plus, des techniques comme la galvanoplastie, qui utilise l'électrolyse pour recouvrir des objets métalliques, ont des applications pratiques allant de la bijouterie à la protection contre la corrosion.