Comment structurer l'apprentissage de la chimie … … afin de rendre cette discipline plus...

Comment structurer l'apprentissage de la chimie …

… afin de rendre cette discipline plus proche de l'élève .

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Pierre Hautier& coll.

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

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

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

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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