Comment structurer l'apprentissage de la chimie … … afin de rendre cette discipline plus proche de l'élève. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.1 Pierre

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.

Le sujet de cette conférence


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.


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.


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.


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 ».


Approche systémique


Organisation d’un système

La systémique distingue

• Une organisation structurelle d’un système en niveaux hiérarchiques.

• Une organisation fonctionnelle d’un système en modules


Analogie: en médecine


En chimie


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 »


L’organisation structurelle


Organisation structurelle

• Répartition en niveaux hiérarchiques• Exemple: médecine – anatomie


Les niveaux hiérarchiques en chimie


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


Organisation fonctionnelle


Organisation fonctionnelle


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


Profil des réactifs

• Comment les reconnaître ?

• Comment les conditionner ?– Quel état physique ?– Pur ou dissous? En quelle concentration ?

• Quels sont les risques ?


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 ?


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.


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


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-.


PROFIL DE RÉACTION

Je dois déterminer à quelle classe appartient la réaction


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)


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-


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


Démarche de résolution des grands types de réactions chimiquesD. Guillaume, Raymonde Mouton – ABPPC n°175, 2007


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 ?


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


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, … .


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


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


Documents

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