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Comment structurer l'apprentissage de la chimie …
… afin de rendre cette discipline plus proche de l'élève .
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. 1
Pierre Hautier& coll.
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Le sujet de cette conférence
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QUEL EST NOTRE PROPOS ?
L’apprentissage de la chimie présente des difficultés qu’on ne rencontre pas dans d’autres disciplines.
Comment optimiser l’apprentissage ?
Notre travail se fonde sur le postulat que l’apprentissage de la chimie est une entreprise complexe nécessitant une approche systémique.
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QUEL N’EST PAS NOTRE PROPOS ?
La conférence n’a pas pour but d’imposer une démarche didactique qui serait générée par le nouveau programme.
La conférence n’a pas pour but de décrire un « produit fini » mais plutôt de proposer des pistes pour optimiser l’apprentissage de la chimie.
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Exemples de difficultés spécifiques• Le quotidien de l’élève est fort différent de la
manipulation de laboratoire.• La pratique régulière par les élèves de
l’expérimentation est indispensable mais difficile à mettre en œuvre.
• Un gros effort d’imagination est nécessaire pour lier la manipulation de laboratoire et son interprétation moléculaire
• Les modèles théoriques sont indispensables mais ne suffisent pas pour maîtriser la réalité.
• Le jargon du chimiste est impressionnant.
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Exemples de difficultés spécifiques
• La chimie n’est pas une succession de recettes indépendantes les unes des autres.
• La chimie ne peut pas se limiter à l’étude de modèles abstraits « qu’il suffit d’incarner dans chaque situation ».
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Approche systémique
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Organisation d’un système
La systémique distingue
• Une organisation structurelle d’un système en niveaux hiérarchiques.
• Une organisation fonctionnelle d’un système en modules
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Analogie: en médecine
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En chimie
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Etude d’un phénomène chimique
• L’organisation structurelle cerne les objets (atome, ion, molécule, métal,
solution, gaz, … ) qui interviennent dans un phénomène chimique
• L’organisation fonctionnelle étudie les interactions entre ces objets, « ce qui
fait évoluer le système »
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L’organisation structurelle
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Organisation structurelle
• Répartition en niveaux hiérarchiques• Exemple: médecine – anatomie
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Les niveaux hiérarchiques en chimie
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Conclusion: lors de l’apprentissage
l’élève doit savoir • à quel niveau hiérarchique il se situe • ce qu’il peut attendre comme informations à
ce niveau• comment et pourquoi « voyager » vers un
autre niveau
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Organisation fonctionnelle
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Organisation fonctionnelle
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Système
But
Flux
Entrées
Sorties
Impact
Phénomène chimiquedes réactifs
des produits
•Profil de la réaction•Gestion de la réaction
Frontière
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PROFIL DES RÉACTIFS
Je dois choisir et conditionner des réactifs
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Profil des réactifs
• Comment les reconnaître ?
• Comment les conditionner ?– Quel état physique ?– Pur ou dissous? En quelle concentration ?
• Quels sont les risques ?
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Profil des réactifs: exemples
Comment reconnaître les réactifs ?• Les métaux se reconnaissent à leur éclat et à
leur couleur mais l’iode présente un aspect métallique et est un non-métal.
Quel est leur état physique ?• Solide, liquide, gaz ?• A l’état naturel ou en phase aqueuse ?
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Profil des réactifs: exemples
Quelle est la nature des espèces réactionnelles ? • Les réactifs sont-ils purs , hydratés, électrolytes
forts ou électrolytes faibles ?
Quels sont les risques présentés par ces réactifs ? • Des risques pour la santé ou l’environnement
sont signalés par des pictogrammes, complétés par des mentions de danger et des conseils de prudence.
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Profil des réactifs
• Les réponses aux questions précédentes n’apprennent rien quant à la réactivité des substances mises à réagir.
• Le chimiste doit s’interroger sur la nature de la fonction chimique des substances qu’il compte faire réagir ; il devra reconnaître les fonctions acide – base – ligand - électrolyte fort et peu soluble – oxydant - réducteur
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Reconnaître une fonction chimique
• Un acide est un donneur de proton, une base est un accepteur de proton.
• Un ligand est une molécule ou un ion capable de s’unir avec un cation métallique (ion positif) pour former un ion complexe
• Des ions peuvent s’unir et précipiter• Un réducteur et un donneur d’e-, un oxydant
est un accepteur d’e-.
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PROFIL DE RÉACTION
Je dois déterminer à quelle classe appartient la réaction
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Profil de la réaction
• Réactions sans variation d’étage d’oxydation :– réactions acide-base– réaction d’échange de ligand– réactions de précipitation
• Réactions avec variation d’étage d’oxydation (Redox)
• Réseaux réactionnels (réactions concurrentes ou consécutives)
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Les réactifs présentant la fonction acide – base sont susceptibles de réagir
acide 1 base 2 ↔ acide 2 base 1
• dissociation : acide H2O ↔ acide base CH3COOH H2O ↔ H3O CH3OO -
• neutralisation : acide base sel H2OH3O+Cl- Na+OH- Na+Cl- 2H2O
• hydrolyse : sel H2O ↔ acide baseNH4
Cl - H2O ↔ H3O NH3 Cl -
• déplacement :sel acide ↔ acide H2OCH3COO- Na H3O+Cl- ↔ CH3 COOH H2O Na+Cl-
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Les réactifs présentant les fonctions oxydant ou réducteur sont susceptibles de réagir
• Ces réactions se font par variation du nombre d’oxydation des espèces engagées
• Toutes les espèces présentes ne réagissent pas, il existe des ions spectateurs
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Démarche de résolution des grands types de réactions chimiquesD. Guillaume, Raymonde Mouton – ABPPC n°175, 2007
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Quelles sont les espèces majoritaires ?
Quelles sont les fonctions de ces espèces majoritaires ?Possibilité d’une réaction ACIDE-BASE ?
Possibilité d’une réaction d’OXYDO-REDUCTION ?
Equation ionique de la réaction acide-base
Quel est l’avancement de la réaction ?
Des ions spectateurs peuvent-ils former un
précipité ?
Equation ionique de la précipitation
Equation moléculaire de
la double réaction
Equation moléculaire de
la réaction acide-base
Zone de pH du milieu obtenu
Classement des couples Redox possibles
Réaction possible
Nécessité d’un type de milieu ?
Demi-équations ioniques
Equation ionique
Equation moléculaire
Calcul de E0
Des ions peuvent-ils former un précipité ?
Equation ionique
Equation moléculaire
Conditions de la précipitation
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COMMENT CONDUIRE LA RÉACTION?
De quoi dois-je tenir compte pour que l’équation chimique se traduise en une transformation chimique qui fonctionne ?
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Comment conduire la réaction ?
• Aspect thermodynamiqueUne étude thermodynamique de la réaction chimique est
souvent nécessaire pour déterminer sous quelle forme et en quelle quantité l’énergie doit être apportée au système.
• Aspect cinétique
Une étude cinétique permet de déterminer le temps requis pour obtenir un taux suffisant de transformation des réactifs engagés.
• Gestion des risquesForFor 2011 Pierre Hautier & coll. 30
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Gestion des produits de la réaction
Extraction de la substance souhaitée– Comment la purifier ? – Comment l’identifier – Comment calculer le taux d’avancement ?– Comment déterminer le rendement ?La chimie analytique gère ces questions à partir des
propriétés physiques et chimiques des substances recherchées.
Gestion des déchetsGestion de l’énergie
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Quel impact ?
Dans « la réalité hors laboratoire »
• Cette réaction est-elle présente dans un processus industriel, naturel, … .
• Cette réaction a-t-elle eu des conséquences sociales, économiques, … .
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Conclusions
L’attitude du chimiste relève de la démarche scientifique qui vise à observer et à comprendre les phénomènes et à les replacer dans une dynamique englobante
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Conclusion: lors de l’apprentissage
L’élève a avantage à fonctionner selon un canevas tenant compte des modules
• Profil des réactifs• Profil de la réaction• Gestion de la réaction• Gestion des produits, déchets• Impacts possibles
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