Physique-chimie · 3ème · Organisation et transformations de la matière · 1er Trimestre

Solutions ioniques et conductivité électrique

Les élèves caractérisent les solutions ioniques et expliquent leur capacité à conduire le courant électrique, en réalisant des expériences.

• Programmes Officiels
• MEN: Cycle 4 - Caractériser les transformations chimiques
• MEN: Cycle 4 - Propriétés de la matière

À propos de ce thème

Une solution ionique contient des ions dissous capables de se déplacer librement dans l'eau. Cette mobilité des ions est la clé de la conductivité électrique des solutions aqueuses : sous l'effet d'une tension, les cations migrent vers la borne négative et les anions vers la borne positive, créant ainsi un courant électrique. Ce mécanisme est fondamentalement différent de la conduction dans les métaux, où ce sont les électrons libres qui circulent.

Pour distinguer une solution ionique d'une solution moléculaire, les élèves réalisent des tests de conductivité avec un montage simple (pile, lampe ou DEL, électrodes). L'eau distillée ne conduit pas, l'eau salée conduit : la différence tient à la présence d'ions. La concentration en ions influence directement l'intensité du courant mesuré, ce qui ouvre la voie à des mesures quantitatives. Les expériences de conductivité en binômes, où les élèves testent plusieurs solutions et classent les résultats, construisent une compréhension solide et fondée sur l'observation directe.

Questions clés

1. Analysez comment la présence d'ions libres dans une solution permet la conduction électrique.
2. Distinguez une solution ionique d'une solution moléculaire en termes de conductivité.
3. Expliquez comment la concentration en ions influence la conductivité d'une solution.

Objectifs d'apprentissage

• Comparer la conductivité électrique de solutions aqueuses de différentes concentrations en utilisant un montage expérimental.
• Expliquer le rôle de la mobilité des ions dans la conduction électrique des solutions ioniques.
• Distinguer une solution ionique d'une solution moléculaire par des mesures de conductivité.
• Analyser l'influence de la nature des ions sur la conductivité d'une solution.
• Concevoir un protocole expérimental pour tester la conductivité de diverses solutions.

Avant de commencer

Structure de l'atome et formation des ions

Pourquoi : Les élèves doivent comprendre comment les atomes gagnent ou perdent des électrons pour former des ions afin de saisir le concept de solution ionique.

Dissolution et solutions aqueuses

Pourquoi : Une compréhension de base de ce qui se passe lorsqu'une substance se dissout dans l'eau est nécessaire pour aborder la dissociation en ions.

Vocabulaire clé

Ion	Un atome ou une molécule qui a acquis une charge électrique positive ou négative par gain ou perte d'électrons.
Solution ionique	Une solution contenant des ions dissous qui peuvent se déplacer librement, permettant ainsi la conduction électrique.
Conductivité électrique	La capacité d'une substance à laisser passer le courant électrique, mesurée par la facilité avec laquelle les charges électriques se déplacent.
Électrolyte	Une substance qui, lorsqu'elle est dissoute dans un solvant polaire comme l'eau, produit une solution capable de conduire l'électricité.
Solution moléculaire	Une solution contenant des molécules neutres dissoutes qui ne se dissocient pas en ions, et qui ne conduit donc pas l'électricité.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

Le courant dans une solution est transporté par des électrons, comme dans un fil.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Dans une solution, ce sont les ions qui se déplacent et transportent les charges. L'expérience de migration d'ions colorés (permanganate de potassium) permet de voir physiquement la matière chargée se déplacer, ce qui n'est pas le cas dans un fil métallique.

Idée reçue courante

Toute solution qui dissout un solide conduit l'électricité.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Seules les solutions contenant des ions libres conduisent. Le sucre se dissout parfaitement mais ne forme pas d'ions : la solution sucrée reste isolante. Le test comparatif eau salée/eau sucrée en binôme est la démonstration la plus convaincante.

Idée reçue courante

L'eau pure conduit l'électricité.

Ce qu'il faut enseigner à la place

L'eau distillée est un très mauvais conducteur. C'est la présence de sels minéraux dissous (ions) qui rend l'eau du robinet conductrice. Tester les deux types d'eau côte à côte clarifie immédiatement cette confusion.

Idées d'apprentissage actif

Cercle de recherche: Le classement des solutions

Les élèves testent la conductivité de 6 solutions (eau distillée, eau salée diluée, eau salée concentrée, eau sucrée, vinaigre, jus de citron) avec un montage lampe/DEL. Ils classent les solutions par conductivité croissante et identifient celles qui contiennent des ions.

45 min·Petits groupes

Penser-Partager-Présenter: Pourquoi le sucre ne conduit pas ?

L'enseignant pose la question : le sucre se dissout dans l'eau, mais la solution ne conduit pas. Chaque élève formule une hypothèse, puis la confronte avec son voisin. La mise en commun permet de distinguer dissolution moléculaire et dissolution ionique.

15 min·Binômes

Rotation par ateliers: Concentration et conductivité

Trois postes proposent la même solution saline à trois concentrations différentes. Les élèves mesurent l'intensité du courant à chaque poste et tracent un graphique intensité/concentration pour mettre en évidence la proportionnalité.

40 min·Petits groupes

Enseignement par les pairs: Le voyage des ions

Chaque binôme prépare un schéma annoté montrant le trajet des cations et des anions entre les électrodes dans une solution ionique. Ils présentent ensuite leur schéma à un autre binôme en expliquant le sens de déplacement de chaque type d'ion.

25 min·Binômes

Liens avec le monde réel

• Les techniciens de laboratoire dans les stations d'épuration des eaux utilisent des conductimètres pour surveiller la qualité de l'eau traitée, s'assurant que les niveaux d'ions dissous sont conformes aux normes environnementales avant le rejet.
• Les ingénieurs en électrochimie conçoivent des batteries et des piles à combustible, où la conduction ionique dans les électrolytes est essentielle pour le stockage et la libération d'énergie électrique.
• Les agriculteurs utilisent des capteurs de conductivité pour évaluer la salinité des sols et des solutions nutritives dans les systèmes hydroponiques, optimisant ainsi la croissance des plantes.

Idées d'évaluation

Billet de sortie

Sur une carte, demandez aux élèves de dessiner un schéma simple montrant le mouvement des ions dans une solution lorsqu'un courant est appliqué. Ils doivent légender les ions positifs (cations) et négatifs (anions) et indiquer leur direction de migration.

Vérification rapide

Présentez aux élèves deux solutions inconnues dans des béchers étiquetés A et B. Demandez-leur de réaliser un test de conductivité avec un montage simple et de noter leurs observations. Ensuite, posez la question : 'Comment décririez-vous la différence entre ces deux solutions en termes de conductivité et pourquoi ?'

Question de discussion

Lancez une discussion en classe avec la question : 'Pourquoi l'eau de mer conduit-elle mieux l'électricité que l'eau du robinet ?' Encouragez les élèves à utiliser le vocabulaire clé (ions, concentration, électrolyte) pour justifier leurs réponses et à comparer les deux types de solutions.

Questions fréquentes

Pourquoi l'eau du robinet conduit-elle l'électricité alors que l'eau distillée ne conduit pas ?

L'eau du robinet contient des sels minéraux dissous sous forme d'ions (calcium, magnésium, chlorure, hydrogénocarbonate). Ces ions libres se déplacent sous l'effet d'une tension et assurent le passage du courant. L'eau distillée, dépourvue de ces ions, ne permet pas cette circulation de charges.

Comment mesurer la conductivité d'une solution au collège ?

On utilise un montage simple avec une pile, deux électrodes plongeant dans la solution et un appareil de mesure (lampe, DEL ou ampèremètre). Si la lampe s'allume ou si l'ampèremètre détecte un courant, la solution contient des ions libres. L'intensité mesurée donne une indication de la concentration ionique.

Quelle est la relation entre concentration en ions et conductivité ?

Plus une solution contient d'ions par litre, plus elle conduit le courant. C'est une relation de proportionnalité directe pour les solutions diluées. En doublant la concentration en sel, on double approximativement l'intensité du courant mesuré, ce que les élèves vérifient expérimentalement.

En quoi l'expérimentation directe est-elle efficace pour ce thème ?

Tester soi-même des solutions au lieu d'apprendre une liste oblige l'élève à formuler des hypothèses et à les vérifier. Le résultat surprenant de l'eau sucrée (dissoute mais non conductrice) crée un conflit cognitif qui ancre durablement la distinction entre dissolution moléculaire et ionique.