Les compétences à maîtriser pour la formation

Cette partie présente l’ensemble des capacités expérimentales que les étudiants doivent avoir acquises, durant les séances de travaux pratiques, à l’issue des deux années. Une séance de travaux pratiques s’articule autour d’une problématique, que les thèmes – repérés en gras dans le corps du programme – peuvent servir à définir. Les capacités rassemblées ici ne constituent donc en aucun cas une liste de travaux pratiques qui s’organiseraient autour d’une découverte du matériel : par exemple, toutes les capacités mises en œuvre autour d’un appareil de mesure ne sauraient être l’objectif unique d’une séance, mais doivent au contraire faire l’objet d’un apprentissage progressif contextualisé où chaque élément apparaît naturellement à l’occasion de l’étude d’un problème concret. Les différentes capacités à acquérir sont, pour plus de clarté, regroupées en quatre domaines en chimie, les deux premiers étant davantage transversaux : 1. Prévention du risque au laboratoire de chimie 2. Mesures de grandeurs physiques 3. Synthèses organiques et inorganiques 4. Analyses qualitatives et quantitatives Cela ne constitue pas une incitation à limiter une activité expérimentale à un seul domaine. En effet, lors de la mise en œuvre d’une synthèse au laboratoire, il peut être utile de procéder à une analyse du produit formé ou à une mesure de grandeur physique caractéristique et, bien entendu, il est indispensable de prendre en compte les consignes de sécurité. Il convient également de favoriser l’autonomie et la prise d’initiative décrites dans la partie « Compétences expérimentales ». Le matériel nécessaire à l’acquisition de l’ensemble des capacités ci-dessous figure dans l’Appendice 1 du programme.

1. Prévention du risque au laboratoire de chimie

Les élèves doivent prendre conscience du risque lié à la manipulation et au rejet des produits chimiques. L’apprentissage et le respect des règles de sécurité leur permettent de prévenir et de minimiser ce risque. Futurs ingénieurs, chercheurs, enseignants, ils doivent être sensibilisés au respect de la législation et à l’impact de leur activité sur l’environnement.

Notions et contenusCapacités exigibles
1. Prévention du risque chimique Règles de sécurité au laboratoire. Pictogrammes de sécurité pour les produits chimiques. Phrases H et P.    Adopter une attitude adaptée au travail en laboratoire. Relever les indications sur le risque associé au prélèvement et au mélange des produits chimiques . Développer une attitude autonome dans la prévention des risques.
2. Impact environnemental Traitement et rejet des espèces chimiques.  Adapter le mode d’élimination d’une espèce chimique ou d’un mélange en fonction des informations recueillies sur la toxicité ou les risques. Sélectionner, parmi plusieurs modes opératoires, celui qui minimise les impacts environnementaux.
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2. Mesures de grandeurs physiques

Notions et contenusCapacités exigibles
Mesures de : - Volume - Masse - pH - Conductance et conductivité - Tension - Température - Pouvoir rotatoire - Indice de réfraction - AbsorbanceSélectionner et utiliser le matériel adapté à la précision requise. Préparer une solution aqueuse de concentration donnée à partir d’un solide, d’un liquide, d’une solution de concentration molaire connue ou d’une solution de titre massique et de densité connus. Utiliser les méthodes et le matériel adéquats pour transférer l’intégralité du solide ou du liquide pesé. Distinguer les instruments de verrerie In et Ex. Utiliser les appareils de mesure (masse, pH, conductance, tension, température, indice de réfraction, absorbance) en s’aidant d’une notice. Étalonner une chaîne de mesure si nécessaire.

3. Synthèses organiques et inorganiques

À l’issue des deux années de formation, l’élève devra : - maîtriser expérimentalement les différentes techniques mises en œuvre dans les synthèses : réalisation des montages et utilisation des appareillages ; - connaître les fondements théoriques de ces techniques, en lien avec les propriétés physico- chimiques concernées (à l’exception des spectroscopies d’absorption IR et de RMN) ; - être capable de proposer des stratégies de transformation des réactifs, de séparation et de purification des produits synthétisés. Les différentes techniques utilisées permettent de réaliser les opérations de : - chauffage et refroidissement ; - séparation et purification : extraction liquide-liquide ou liquide-solide, filtrations, séchage d’un liquide ou d’un solide, distillations sous pression ambiante et sous pression réduite (cette dernière étant strictement limitée à l’usage de l’évaporateur rotatif), recristallisation.

Notions et contenusCapacités exigibles
Transformation chimique Transformations à chaud, à froid, à température ambiante. Contrôle et régulation de la température du milieu réactionnel. Suivi de l’évolution de la transformation.Choisir la verrerie adaptée à la transformation réalisée et aux conditions opératoires mises en œuvre. Réaliser le ou les montages appropriés et en expliquer le principe et l’intérêt. Choisir ou justifier l’ordre d’introduction des réactifs. Réaliser et réguler une addition au goutte à goutte. Utiliser le moyen de chauffage ou de refroidissement adéquat. Suivre et contrôler l’évolution de la température dans le réacteur. Choisir un moyen approprié pour réguler une éventuelle ébullition. Utiliser un réfrigérant à reflux, contrôler et réguler le reflux. Mettre en œuvre des méthodes permettant de suivre qualitativement ou quantitativement l’avancement de la transformation.
Séparation et purification Séparation de deux liquides non miscibles. Séparation de deux espèces dissoutes dans une phase liquide.     Distillations   Séparation d’un liquide et d’un solide       Lavage d’un solide Recristallisation d’un solide           Séchage d’un solide Séchage d’un liquide Rendement  Choisir ou justifier un protocole de séparation ou de purification d’un produit, sur la base de données fournies ou issues d’observations et/ou de mesures expérimentales. Réaliser une extraction liquide-liquide. Identifier la nature des phases dans une ampoule à décanter. Distinguer extraction et lavage d’une phase. Élaborer et mettre en œuvre un protocole de séparation de deux espèces dissoutes dans une phase liquide. Mettre en œuvre différents types de distillation. Choisir ou proposer la méthode la plus adaptée au système étudié. Expliquer l’intérêt de l’évaporateur rotatif. Réaliser et mettre en œuvre une filtration simple, une filtration sous pression réduite. Choisir et justifier la méthode de filtration adaptée au système étudié. Réaliser et justifier les différentes étapes du lavage d’un solide : ajout du solvant de lavage froid ou saturé, trituration, essorage. Expliquer et mettre en œuvre la technique de recristallisation. Justifier à l’aide de données pertinentes et/ou par l’observation le choix d’un solvant de recristallisation et la quantité mise en œuvre. Mettre en œuvre «une pesée à masse constante » d’un solide humide. Choisir un desséchant solide et estimer correctement par l’observation la quantité à utiliser. À partir d’une mesure appropriée, déterminer le rendement d’une synthèse, d’une méthode de séparation.

4. Analyses qualitatives et quantitatives

On distinguera la caractérisation, le contrôle de pureté et le dosage d’une espèce chimique. À l’issue des deux années de formation, l’élève devra : - maîtriser les différentes techniques expérimentales mises en œuvre lors des analyses qualitatives et quantitatives ; - être capable de proposer une stratégie de mesures de concentrations ou de quantités de matière, une méthode de caractérisation d’un composé, tenant compte des propriétés physico-chimiques du système étudié ; - distinguer les méthodes d’analyse destructives et non destructives. Les techniques utilisées lors des analyses quantitatives sont les suivantes : - pH-métrie - Conductimétrie - Potentiométrie à intensité nulle - Spectrophotométrie UV-visible - Polarimétrie - Réfractométrie - Chromatographie sur couche mince

Notions et contenusCapacités exigibles
1. Caractérisation d’un composé et contrôle de sa pureté Chromatographies sur couche mince.     Tests de reconnaissance ; témoin.     Détermination expérimentale de grandeurs physiques ou spectroscopiques caractéristiques du composé (les principes théoriques de la RMN et de la spectroscopie d’absorption IR sont hors programme).Mettre en œuvre une chromatographie sur couche mince. Justifier la méthode de révélation utilisée. Interpréter l’ordre d’élution des différents composés en relation avec leurs propriétés physico-chimiques et les caractéristiques de la phase stationnaire et de l’éluant. Proposer à partir d’une banque de données et mettre en œuvre un test de reconnaissance pour identifier une espèce chimique présente (ou susceptible de l’être) dans un système. Extraire d’une banque de données des informations sur les propriétés physiques des produits. Relever la température d’un palier de distillation. Mesurer une température de fusion. Mesurer un indice de réfraction. Mesurer un pouvoir rotatoire. Comparer les données tabulées aux valeurs mesurées et interpréter d’éventuels écarts. Comparer les caractéristiques d’un produit synthétisé avec celles du produit commercial.
2. Dosages par étalonnage  Déterminer une concentration en exploitant la mesure de grandeurs physiques caractéristiques du composé ou en construisant et en utilisant une courbe d’étalonnage. Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer une concentration ou une quantité de matière par spectrophotométrie UV-Visible.
3. Dosages par titrage Titrages directs, indirects. Équivalence. Titrages simples, successifs, simultanés. Méthodes expérimentales de suivi d’un titrage : pH-métrie,    conductimétrie, potentiométrie à intensité nulle, indicateurs colorés de fin de titrage. Méthodes    d’exploitation    des    courbes expérimentales.Identifier et exploiter la réaction support du titrage (recenser les espèces présentes dans le milieu au cours du titrage, repérer l’équivalence, justifier qualitativement l’allure de la courbe ou le changement de couleur observé). Proposer ou justifier le protocole d’un titrage à l’aide de données fournies ou à rechercher. Mettre en œuvre un protocole expérimental correspondant à un titrage direct ou indirect. Choisir et utiliser un indicateur coloré de fin de titrage. Exploiter une courbe de titrage pour déterminer le titre en espèce dosée. Exploiter une courbe de titrage pour déterminer une valeur expérimentale d’une constante thermodynamique d’équilibre. Utiliser un logiciel de simulation pour déterminer des courbes de répartitions et confronter la courbe de titrage simulée à la courbe expérimentale. Justifier la nécessité de faire un titrage indirect. Distinguer l’équivalence et le virage d’un indicateur coloré de fin de titrage. Déterminer les conditions optimales qui permettent à l’équivalence et au repérage de la fin du titrage de coïncider.
4.    Suivi    cinétique    de    transformations chimiques Suivi en continu d’une grandeur physique. Limitation de l’évolution temporelle (trempe) d’un système par dilution, transformation chimique ou refroidissement. Régulation de la température.Choisir une méthode de suivi tenant compte de la facilité de mise en œuvre, des propriétés des composés étudiés, du temps de réaction estimé ou fourni. Exploiter les résultats d’un suivi temporel de concentration pour déterminer les caractéristiques cinétiques d’une réaction. Proposer et mettre en œuvre des conditions expérimentales permettant la simplification de la loi de vitesse. Déterminer la valeur d’une énergie d’activation.

Utilisation de l’outil informatique

L’outil informatique sera utilisé, par exemple : - dans le domaine de la simulation : pour interpréter et anticiper des résultats ou des phénomènes chimiques, pour comparer des résultats obtenus expérimentalement à ceux fournis par un modèle et pour visualiser des modèles de description de la matière ; Les domaines d’activités qui se prêtent particulièrement à la simulation sont les titrages en solution aqueuse, la cristallographie, la modélisation moléculaire, la cinétique chimique. Cette liste n’est bien entendu pas exhaustive et l'usage de toutes les animations numériques qui facilitent l'apprentissage est recommandé ; - pour l’acquisition de données, en utilisant un appareil de mesure interfacé avec l’ordinateur. - pour la saisie et le traitement de données à l’aide d’un tableur ou d’un logiciel dédié.

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Olivier

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