Projet Programme de Chimie PSI 31032014

7/25/2019 Projet Programme de Chimie PSI 31032014

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Royaume du MarocMinistre de lducation nationale de lenseignement suprieur de la

formation des cadres et de la recherche scientifiques

CLASSES PRPARATOIRES AUX

GRANDES COLES

Voie : Physique et sciences de lingnieur (PSI)

PROGRAMME DE CHIMIESeconde anne

Approche thorique PSI

1. Thermodynamique des systmes chimiques1.1 Grandeurs de raction1.2 Potentiel chimique1.3 Changement dtat des alliages mtalliques1.4 quilibres chimiques en systmes ferms1.5 Dplacement des quilibres chimiques

2. Electrochimie2.1 Aspect thermodynamique des ractions redox2.2 Approche qualitative de la cintique des ractions redox2.3 Phnomne de corrosion humide2.4 nergie chimique et nergie lectrique : conversion et stockage

Approche exprimentale PSI

3. Travaux pratiques

Approche thorique PSI

La rvision du programme de chimie de la classe de deuxime anne de la filire PSI, prcde parcelui de la premire anne, achve la rvision du programme de chimie de cette filire. Elle sinscrit dans lecadre dune dynamique continue de modernisation et de rnovation sur les plans conceptuels etpdagogiques. Cette nouvelle rforme vise garder un lien fort avec lenvironnement international, sous sesaspects scientifiques, technologiques et ducatifs, dans un contexte de mondialisation triomphante.

Ce programme attache une grande importance linstauration dune continuit suffisante entre leprogramme de chimie des classes prparatoires et celui des classes antrieures.

Lors de llaboration de ce prsent programme, la vision des coles dingnieurs quant au profil deslves forms par le systme des classes prparatoires, est prise en compte. Ce programme de chimie de laclasse de deuxime anne de la filire PSI se veut galement ouvert sur le monde de lindustrie chimique,dans le but dveiller la curiosit des lves sur limportance de la chimie dans le monde daujourdhui.

Le programme de chimie de la filire PSI tient compte du fait que les lves de cette filire durant leurformation ont acquis une capacit dabstraction. Cependantil faut garder lesprit que, cette particularit nedoit pas nuire au caractre concret et pratique de la chimie.

Dans son travail, lingnieur de demain sera forcment confront des contraintes lies au respect delenvironnement. En effet, la chimie contribue au dveloppement de toutes les activits humainesessentielles dans le monde daujourdhui. De plus, de nombreuses matires dusage quotidien sontfabriques laide de processus chimiques partir dlments provenant de ressources naturelles limites.

Enfin, la plus grande partie de lnergie consomme est dorigine chimique. Il en rsulte une pollutionchimique importante et un puisement inluctable des ressources naturelles. Il est donc primordial de

familiariser llve ds maintenant avec cette dimension, qui sera lune des proccupations majeures de


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lindustrie de demain. Les enseignants de la chimie sont vivement invits souvrir sur les impacts de lachimie sur lenvironnement. Sur le plan thorique, on exploitera, chaque fois que cest possible, lesconnaissances acquises en chimie pour donner llve une ide sur limpact de lindustrie chimique surlenvironnement. Dans lapproche exprimentale, on incitera llve tre respectueux de lenvironnementen adoptant des rflexes et des attitudes convenables : utiliser le minimum de produits chimiques pourraliser une manipulation, viter de jeter les produits toxiques ou dangereux dans lvier . . .

Les objectifs affichs restent les mmes quen premire anne : amener les lves acqurir desconnaissances et des savoir-faire tant exprimentaux que thoriques, renforcer chez les lves unevritable attitude scientifique. La qualit dune telle formation va permettre aux lves daffronterefficacement les diffrents concours qui leurs sont destins, mais surtout de russir dans leur future vieprofessionnelle ou scientifique. Une intgration de lenseignement universitaire est galement renduepossible par les ventuelles passerelles tablies entre les classes prparatoires et luniversit.

Le programme de chimie de la classe de deuxime anne de la filire PSI reprend galement lesmmes principes directeurs que ceux de la classe de premire anne : promotion de lapprocheexprimentale, valorisation de la comprhension des phnomnes chimiques tudis et rduction de latechnicit calculatoire au strict minimum.

Les logiciels de calcul formel, de reprsentation graphique ou des banques de donnes sont utilisspour faciliter la tche denseignement.

Le micro-ordinateur interfac est employ pour lacquisition et le traitement des donnesexprimentales. Le programme de chimie de la classe de deuxime anne de la filire PSI comprend les

parties suivantes :1. Thermodynamique des systmes chimiques ;2. Electrochimie.

Les deux parties sont traites imprativement dans cet ordre. Au sein de chaque partie la libertpdagogique du professeur est totale quant au choix du dcoupage des thmes ou de leurs enchanements.

Les commentaires inclus dans le programme prcisent les limites de ce dernier et visent prvenirtoute drive inflationniste.

1. Thermodynamique des systmes chimiques

Cette partie est dveloppe en relation avec le programme de thermodynamique physique vu en PCSI.

Les objectifs gnraux de cette partie sont :- choisir de manire rigoureuse et dcrire le systme physico-chimique tudi ;- illustrer sur les systmes engags dans une transformation chimique la notion de bilan enthalpique

pour accder aux effets thermiques en racteur isobare ;- apprendre calculer les grandeurs standard de raction pour une temprature quelconque ; - tablir et utiliser le critre dvolution spontane dun systme chimique;- privilgier la notion daffinit pour ltude des dplacements et ruptures dquilibre ;- Identifier les paramtres dinfluenceet leur sens dvolution pour optimiser une synthse ou

minimiser la formation dun produit secondaire indsirable ;- dcrire quantitativement lvolution dun systme prenant en compte les conditions exprimentales

choisies pour raliser la transformation.

1.1 Grandeurs de raction

Programme Commentairecriture conventionnelle de lquation bilan duneraction chimique.Modles de transformation isobare, isotherme ouadiabatique.Chaleur reue lors dune volution isobare.

Les coefficients stchiomtriques sont considrsalgbriques.Ces modles de transformations sont simplementcits pour mieux expliciter le lien avec le cours dephysique.Le programme se limite ltude destransformations isobares et privilgie lenthalpie parrapport lnergie interne.La mesure dune enthalpie standard de raction faitlobjet dun TP.

Grandeurs standard de raction : On calcule les grandeurs de raction partir destables de donnes thermodynamiques.


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- tat standard et grandeurs molaires standarddun constituant pur,enthalpie standard dechangement dtat,

- tats standard de rfrence dun lmentchimique.

Grandeurs standard de formation dun corps.- Loi de Hess, expression de rH(T) en fonction

des enthalpies standard de formation fH(T)des constituants une temprature donne.- Grandeurs standard rH(T), rS(T) et rCP(T)

de raction chimique.- Signe de rH(T) : dfinition dune raction

endothermique ou exothermique.- Signe de rS(T) et production du dsordre par

la raction.- Enthalpie standard de dissociation de liaison.

On estime lordre de grandeur dune enthalpiestandard de raction partir des nergies deliaison.

Effets thermiques en racteur isobare :- transfert thermique QPcaus par la

transformation chimique en racteur isobareisotherme : relation H = Q

P=

rH(T)

- transfert thermique caus par un changementdtat physique isobare isotherme.

- Variation de temprature en racteuradiabatique isobare : bilan enthalpique etchauffement du mlange, temprature de finde raction.

On traite sur un exemple une transformationisobare rapide et on calcule la tempraturemaximale thorique (temprature de flamme). Onse place systmatiquement dans le cadre delapproximation dEllingham.

Variation de rH avec la temprature (relation deKirchhoff) en labsence de changement dtat.Discontinuit de rH(T), rS(T) et rCP(T) lors dunchangement dtat dun constituant.Utilisation des tables thermodynamiques pour les

calculs des grandeurs de raction 298 K.

1.2 Potentiel chimique

Programme CommentairePotentiel thermodynamique ; enthalpie libre dunsystme.

G est dfinie comme une grandeur nergtique dusystme ; G = H TS. On justifie que G est lepotentiel thermodynamique adapt ltude destransformations isothermes, isobares etspontanes.

Identits thermodynamiques pour un systmemonophas de composition variable.

On tablit les expressions des diffrentielles de U,H, G.On distingue les caractres intensif ou extensif des

variables utilises.Dfinition du potentiel chimique i. iest dfini partir de G.Changement dtat du corps pur:Potentiel chimique du corps pur.Conditions dquilibre dun corps pur sousplusieursphases.

Variance.Critre dvolution dun systme sous plusieursphases.Expressions diffrentielles de G(T, P, ni).

On identifie le potentiel chimique dun corps pur son enthalpie libre molaire.On tablit lgalit des potentiels chimiques pour uncorps pur en quilibre sous plusieurs phases. Ondduit lexistence dune courbe dquilibre sur undiagramme (P, T).On dfinit et on dtermine la variance dun systmepolyphas en quilibre.

Expression de G en fonction des potentielschimiques des constituants du systme.

Lexpression de i peut tre tablie pour un gazparfait pur et admise pour les autres cas.


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Relation de Gibbs-Duhem.Expression du potentiel chimique dans chacun descas :- gaz parfait pur ou dans un mlange,- corps dans un mlange idal de liquides,- corps solide ou liquide non miscible,- solut dans une solution idale,

- solvant.

On adopte pour les potentiels chimiques uneexpression gnrale :i(T, composition) = i(T) + RTln(ai) qui faitrfrence aux expressions des activits vues enpremire anne. On se limite aux cas dune espcechimique pure, dune solution aqueuse trs dilue,ou dunmlange idal de gaz parfaits.

On justifie la faible influence de la pression sur lepotentiel chimique des corps en phase condenseen faisant appel des ordres de grandeur desvolumes molaires. ce stade, on dfinit ltat standard dun solut.

Dfinition du potentiel chimique standard i unetemprature T.

Les mlanges non idaux, les coefficients dactivit,les lois de Raoult et de Henry sont horsprogramme.

Expression de ien fonction de lenthalpie molaireet lentropie molaire standard.Expression de rG(T) en fonction des potentielschimiques standard.Enthalpie libre standard de raction. Expression de

rG(T) en fonction de rH(T) et rS(T).Influence de la temprature sur rG(T).Relation de Gibbs-Helmoltz.

1.3 Changement dtat des alliages mtalliques

Programme CommentaireDiagrammes isobares dquilibre solide-liquide :- avec miscibilit totale des solides ;- avec miscibilit nulle des solides, avec ou sans

compos dfini fusion congruente.

Thorme des moments chimiques.

On exploite les diagrammes isobares d'quilibreentre deux phases pour, composition en fractionmassique donne :- dcrire le comportement dun mlange binaire

lors dune variation de temprature en traantlallure de la courbe danalyse thermique.

- dterminer les tempratures de dbut et de finde changement dtat ;

- donner la composition des phases en prsence une temprature fixe ainsi que les massesdans chaque phase ;

- identifier les compositions relatives auxmlanges indiffrents, eutectiques et auxcomposs dfinis et leur intrt danslutilisation des alliages mtalliques.

1.4 quilibres chimiques en systmes ferms

Programme CommentaireEnthalpie libre de raction. Enthalpie libre standardde raction.Condition dquilibre chimique temprature T etpression P fixes. Constante dquilibre chimique, loidaction des masses (relation de Guldberg etWaage) :K(T) = Qqui(= qui) = exp(rG/RT )

On relie cration dentropie et enthalpie libre deraction lors dune transformation dun systmephysico-chimique P et T fixes.On prcise que la constante dquilibre est unecaractristique de la raction qui ne dpend que dela temprature et de lcriture conventionnelle delquation de la raction. Elle peut tre calcule partir des donnes des tables thermodynamiquesou dtermine exprimentalement partir duquotient de la raction lquilibre chimique et latemprature considre.Retour sur des exemples dquilibres en solution

aqueuse.


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Relation de Van't Hoff.Composition du systme l'tat final : quilibrechimique ou transformation totale.

On dtermine la composition chimique dunsystme dans ltat final, en distinguant les casdquilibre chimique et de transformation totale,pour une transformation modlise par une ractionchimique unique.

1.5 Dplacement des quilibres chimiques

Programme CommentaireAffinit chimique dune raction : dfinition. On prsente les mthodes de calcul de lenthalpie

libre standard de raction rG.Critre dvolution et dquilibre dune ractionchimique.

On exprime dG(T, P, ) partir de la dfinition de Get du second principe.

Expression A= rG(T)RTlnQ. On signale que le sens dvolution peut tre dduitde la comparaison de Q et K(T).On donne lallure de la courbe G() et A().

Caractrisation de ltat intensif dun systme enquilibre : nombre de degrs de libert (variance)d'un systme l'quilibre. Facteurs dquilibre.

Pour un systme en quilibre, le calcul de lavariance permet, via lidentification mthodique desvariables intensives de description, unecaractrisation de ltat intensif de celui-ci par la

dtermination de son nombre de degrs de libert.Lois de dplacement des quilibres :

- Influence de la temprature pression etcomposition constantes : loi de Van't Hoff.

- Influence de la pression temprature etcomposition constantes : loi de Le Chtelier.

- Influence de lintroduction dun constituant actifet dun constituant inactif (T, P) constants et (T, V) constants.

On souligne la distinction entre dplacement etrupture dquilibre chimique. On utilisera le critredvolution dune raction chimique.Ltude de linfluence de la modification dunparamtre (pression, temprature ou composition)sur un systme chimique permet daborder laproblmatique de loptimisation des conditionsopratoires dune synthse.On dfinit clairement les notions de composs actifset inactifs (ou inertes). On donne des exemples deleffet de lintroduction dun constituant.

On traite en exercice le principe de construction etlexploitation du diagramme dEllingham (fourni)pour tudier llaboration dun mtal partir de sonminerai.On signale que les procds de synthseindustriels modernes doivent concilier rentabilit etrespect de lenvironnement.

2. Electrochimie

Dans cette partie, on tudie dans une approche principalement qualitative, les aspectsthermodynamique et cintique de loxydorduction, les courbes intensit -potentiel et leur application ltude de llectrolyse, le phnomne de corrosion humide et la protection contre la co rrosion et la

conversion nergie chimique-nergie lectrique et son stockage.On exploite les courbes intensit-potentiel pour justifier ou prvoir le fonctionnement de dispositifs

dintrt industriel, conomique et cologique mettant en jeu la conversion nergie chimique-nergielectrique, quils soient siges de ractions doxydorduction spontanes (piles lectrochimiques, piles combustibles, phnomnes de corrosion humide) ou forces (lectrolyseurs et accumulateurs).

L'tudiant doit tre capable de proposer lallure qualitative de ces courbes partir dun ensemble dedonnes cintiques et thermodynamiques fournies.

Les objectifs gnraux de cette partie sont :- choisir de manire rigoureuse et dcrire le systme physico-chimique tudi ;- laborer qualitativement des outils graphiques partir dun ensemble de donnes ;- pratiquer un raisonnement qualitatif partir de reprsentations graphiques.

2.1 Aspect thermodynamique des ractions redox


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Programme CommentairePile lectrochimique.Relation entre rG et la fem dune pilelectrochimique. Potentiel rdox.Expression de rG

en fonction du potentiel standarddun couple redox.

La pile lectrochimique a t tudie en premireanne. On rappelle rapidement les notions depotentiel dlectrode et de ractions aux lectrodes.On exploite cette relation, sur un exemple, pourdterminer le potentiel standard dun couple rdox.

2.2 Approche qualitative de la cintique des ractions redox

Programme CommentaireRaction lectrochimique ; vitesse de raction etintensit.Surtension.Relev exprimental des courbes intensit-potentiel.Systmes rapides et systmes lents.Palier de diffusion, courant limite de diffusion.Allures des courbes intensit-potentiel lorsquil y aplusieurs couples redox en solution, vaguessuccessives, mur du solvant.

On dcrit le montage trois lectrodes permettantde mesurer une surtension.On souligne limportance de la nature et de ltat desurface de llectrode.On cite les trois processus de transport de matire :diffusion, migration et convection.

Application des courbes intensit-potentiel la

prvision des vitesses de ractions en solution,potentiel mixte, cmentation, action des acides surles mtaux.

On pourra tudier laction de lacide chlorhydrique

sur le plomb et sur le zinc.

2.3 Phnomne de corrosion humide

Programme CommentaireCorrosion humide, dfinitions.Domaines dimmunit, de passivation et decorrosion d'un mtal.Raction de corrosion : ractions partielles anodiqueet cathodique.

On dfinit ces notions, laide dexemples dediagrammes E-pH.On signale la corrosion sche dun mtal parloxygne.

Potentiel de corrosion, intensit de courant de

corrosion, densit de courant de corrosion.Corrosion uniforme en milieu acide, basique ouneutre (ar ou dsar).Corrosion diffrentielle.

On interprte qualitativement un phnomne de

corrosion uniforme laide de donnesexprimentales, thermodynamiques et cintiques.On cite des facteurs aggravants de la corrosion.On interprte qualitativement un phnomne decorrosion diffrentielle faisant intervenir deuxmtaux laide de courbes courant-potentiel.

Protection contre la corrosion : protection parrevtement (rle dun film de peinture . . .),revtements chimiques (phosphatation,chromatation, lectrozingage . . .), protectionscathodiques et anodiques (protection par anodesacrificielle, protection lectrochimique parpassivation, protection lectrochimique par courantimpos).

On exploite des tracs de courbes courant-potentielpour expliquer qualitativement :- la qualit de la protection par un revtementmtallique ;- le fonctionnement dune anode sacrificielle.

2.4 nergie chimique et nergie lectrique : conversion et stockage

Programme CommentaireConversion dnergie chimique en nergielectrique :Approche thermodynamique.Approche cintique.

On tablit lingalit reliant la variation denthalpielibre et le travail lectrique.On cite la relation entre la tension vide dune pileet lenthalpie libre de raction.On dtermine la capacit dune pile en Ah.On utilise les courbes courant-potentiel pourexpliquer le fonctionnement dune pile

lectrochimique et prvoir la valeur de la tension


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vide.On cite les paramtres influenant la rsistanceinterne du dispositif lectrochimique.

Conversion dnergie lectrique en nergiechimique :Caractre forc de la transformation.lectrolyseur. Gnralits sur llectrolyse : montage

exprimental, anode, cathode, tension de seuildlectrolyse.Surtension anodique, surtension cathodique.

Relation entre la tension anode-cathode (UAC) etlintensit I.

Prvision des ractions aux lectrodes.

Dpt lectrolytique : loi de Faraday.

Recharge dun accumulateur.

Les courbes intensit-potentiel permettentd'expliquer le fonctionnement dun dispositif sigedune lectrolyse, de prvoir la valeur de la tensionde seuil et de visualiser les facteurs cintiques et

thermodynamiques qui interviennent lors dellectrolyse.On signale que les ractions lectrochimiques sontlocalises la surface des lectrodes.Les courbes intensit-potentiel permettent dedgager la relation entre le courant dlectrolyse etla partie non ohmique de la tension (UAC).On montre sur un exemple comment les courbesintensit-potentiel permettent dinterprter lesdiffrentes ractions observes exprimentalement.On value lpaisseur dun dpt lectrolytique oula masse de produit form pour une dure donnedlectrolyse.

On utilise les courbes courant-potentiel pourexpliquer la recharge dun accumulateur et prvoirla valeur de la tension de seuil.On compare la constitution, le fonctionnement etlefficacit des accumulateurs (lithium ion, nickel-mtal hydrure,).

Approche exprimentale PSI

Le choix des thmes est dict par la volont de faire acqurir aux lves, dans le cadre du programme,une bonne connaissance des appareillages et des mthodes couramment utilises en chimie.

Lapproche exprimentale vise galement dvelopper chez llve les bases de la mthodologiescientifique dans le domaine des sciences exprimentales. Dans lapproche exprimentale, le travail ne se

limite pas uniquement la ralisation dune srie de manipulations, mais doit accorder une grandeimportance lanalyse et la rflexion sur les phnomnes tudis afin de confronter les connaissancesthoriques avec les rsultats exprimentaux.

Loutil informatique est un moyen trs commode pour tudier linfluence de la variation de certainsparamtres sur lvolution dun phnomne dans le cadre dun modle donn. La confrontation des rsultatsde calculs ou de simulations avec les mesures dtermines exprimentalement, ne peut que faciliter pourllve la comprhension du phnomne tudi. Cependant, pour concentrer tout leffort sur la chimie,aucune connaissance approfondie du matriel informatique ou des logiciels utiliss ne doit tre exige. Dansle mme ordre dide, si la rdaction dun compte-rendu est une activit primordiale, elle ne doit pas prendreune importance excessive par rapport au travail exprimental proprement dit.

Dans le laboratoire de chimie on insistera sur le respect des rgles gnrales de scurit. Chaque foisquun produit chimique est utilis, son pictogramme est prcis et sa signification est clairement indique,ainsi que les phrases H(Hde Hazard/danger) et les phrases P(prvention).

Les phrases H remplacent les anciennes phrases R et dcrivent les risques dune substance.Lesphrases P(prvention) remplacent les anciennes phrases Set spcifient les mesures de scurit qui doiventtre suivies lors de la manipulation de ces substances.

Les activits exprimentales permettent lacquisition de comptences spcifiques, ainsi que dun relsavoir et savoir-faire dans le domaine des mesures, des incertitudes et des techniques associes :ralisation, analyse du protocole, choix des instruments de mesure, mesures, valuation de la prcision,validation et analyse critique des rsultats obtenus.

Les tudiants doivent avoir conscience de la variabilit des rsultats obtenus lors dun processus demesure, en connatre les origines, et comprendre et sapproprier ainsi les objectifs viss par lvaluation desincertitudes. Ils dtermineront ensuite ce quil faudrait faire pour amliorer la prcision dun rsultat

En fin, il est essentiel que les notions sur les mesures et incertitudes diffusent dans chacun des thmesdu programme, thorique et exprimental, tout au long des deux annes prparatoires et quelles soientrgulirement values.


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Le TP-cours intitul " Mesures et incertitudes" trait dans le programme de physique de premireanne explicite les notions exigibles sur le thme mesures et incertitudes .

3. Travaux pratiques

Les thmes des travaux pratiques, dont le programme fixe le nombre et les thmes, ne sont pasexigibles. Leurs contenus et leur progression sont entirement fixs par lenseignant.

Compte-rendu

Il est impratif d'exiger de l'lve la rdaction d'un compte-rendu pendant une sance de travauxpratiques. Cette aptitude constitue un des objectifs de la formation scientifique. Les activits exprimentalessont aussi loccasion de travailler lexpression orale lors dun point de situation ou dune synthse finale parexemple. Le but est de bien prparer les lves de CPGE la prsentation des travaux et projets quilsauront conduire et exposer au cours de leur formation en cole dingnieur et, plus gnralement, dansle cadre de leur mtier de chercheur ou dingnieur.

La structure dun compte-rendu de travaux pratiques comprend : un titre, une introduction, une partiethorique, une partie de mise en uvre, les rsultats, leur interprtation et une conclusion.

D'autre part, les diffrentes activits pratiques doivent tre couronnes par l'valuation des capacits etcomptences exprimentales.

Si lintrt du compte-rendu est vident, en revanche il faut veiller ce quil ne prenne pas uneimportance considrable, en temps, par rapport au travail exprimental proprement dit.

TP N Titre du TP1 Diagramme potentiel - pH du fer.2 Dosage du dioxygne par la mthode de Winkler.3 Trac et tude de courbes intensit-potentiel. Protection contre la corrosion.4 Dtermination exprimentale dune enthalpie de raction.5 Dtermination exprimentale d'une constante d'quilibre en solution aqueuse.

Documents

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