La chimie dans le second degré

LES SCIENCES DE LA MATIÈRE DANS LE SECOND DEGRE EN FRANCE PREMIER CYCLE : LE COLLEGE Durée : 4 années ( 11 à 14 ans)

Niveau Horaire de

physique-chimie

par semaine

Horaire cumulé de chimie

sur l’année scolaire

(environ 36 semaines)

Contenus disciplinaires en

chimie

Sixième

815 000 élèves

Cinquième

780 000 élèves

1,5 h 27 h L’eau et les solutions ; notion de

corps pur et de mélange ; états

physiques :modèle particulaire.

Quatrième

777 000 élèves

1,5 h 27 h L’air et les combustions ;

première approche de la réaction

chimique

Troisième

705 000 élèves

2 h 36 h Les matériaux : leurs réactions

avec l’air et les solutions

Total : 90 heures

LES SCIENCES DE LA MATIÈRE DANS LE SECOND DEGRE EN FRANCE

DEUXIEME CYCLE : LE LYCEE GENERAL ET TECHNOLOGIQUE

Durée : 3 années ( 15 à 17 ans)

Niveau Cours de chimie TP de chimie Horaire de chimie sur l’année

(environ 30 semaines)

Seconde générale

505 000 élèves

1 h / semaine 1,5 h / quinzaine 54 heures

dont 24 heures de TP

Première scientifique

152 000 élèves

1 h / semaine 2 h / quinzaine 60 heures

dont 30 heures de TP

Terminale scientifique

Tronc commun

152 000 élèves

1,5 h / semaine 2 h / quinzaine 65 heures

dont 30 heures de TP

Spécialité physique-

chimie 46 000 élèves

2 h / quinzaine 30 heures de TP

Total : 209 heures

dont 114 h de TP (54 % TP)

Les objectifs de l’enseignement des sciences

physiques et chimiques au lycée

• Fournir une représentation cohérente des sciences physiques

et chimiques ;

• Étudier les grands principes gouvernant la structure et

l’évolution des systèmes ;

• Acquérir un double regard, macroscopique et microscopique ;

• Aborder la dimension sociale et culturelle ;

• Approcher quelques éléments d’histoire des sciences ;

• Favoriser l’orientation vers des filières scientifiques ;

• Développer le questionnement et la pratique expérimentale.

La chimie en classe de Seconde

• Public :

classe de détermination, dernière année de chimie pour certains

élèves, programme conçu comme un tout.

• Fil conducteur :

premières explorations de la matière du macroscopique (espèces

chimiques) au microscopique (entités) et de ses transformations

chimiques.

• Contenus :

culture scientifique commune,

implication dans la vie quotidienne et importance socio-économique

de la chimie,

identité disciplinaire : dimension expérimentale, aspects historiques,

modèles de description et langage spécifique.

Seconde• Enseignement fondamental (80%)

• Partie I : Chimique ou naturel ? Approche expérimentale : notion macroscopique d ’espèce chimique.

Réponse aux préjugés : « naturel bénéfique, chimique suspect » et

justification de la chimie de synthèse et de l ’industrie chimique.

• Partie II : Constitution de la matière Modélisation microscopique ; notion d ’entité, structure et géométrie

d ’entités simples. Classification périodique des éléments

• Partie III : Transformation de la matière Va et vient macroscopique-microscopique, expérience-modélisation pour

valider le processus d ’une transformation : la réaction chimique

• Enseignement thématique (20 %) Approfondissement de l ’enseignement fondamental autour d ’un thème

libre et adapté à la classe.

La chimie en classe de Première S • Présentation de deux activités importantes du chimiste :

analyser la matière (la mesure en chimie)

créer des espèces nouvelles (la chimie créatrice)

• Exploration de différents aspects des transformations chimiques :

échanges de particules entre entités (protons, électrons),

évolution de paramètres physiques macroscopiques pour suivre

l’évolution d ’un système au cours d ’un dosage,

aspects énergétiques associés aux changements de structure des

espèces mises en jeu.

• Relation structure-propriétés :

une formule chimique a du sens pour un chimiste ; évocation des

propriétés physiques et chimiques ; analogie de comportement des

espèces vis à vis d ’un même réactif associé à des analogies de

structures des entités...

PREMIÈRE S

Interactions et énergie•CHIMIE

• I. La mesure en chimie (16 h, 8/9TP)A. Pourquoi mesurer des quantités de matière ?

B. Grandeurs physiques liées aux quantités de

matière : masse, volume, pression, concentration

C. Comment déterminer des quantités de matière

en solution à l ’aide d ’une mesure physique ?

L’exemple de la conductimétrie

D. Comment déterminer des quantités de matière

en solution à l ’aide de la réaction chimique ?

• II. La chimie créatrice (11h, 4/5TP)A. La chimie organique: de sa naissance à son

omniprésence dans le quotidien

B. Apprendre à lire une formule chimique :

squelettes carbonés et groupes caractéristiques

• III. L ’énergie au quotidien: la

cohésion de la matière et les aspects

énergétiques de ses transformations

(4h, 1/2TP)

•PHYSIQUE

• I. Les interactions fondamentales (3h,1TP)

• II. Forces, travail et énergie (18h, 6TP)A. Forces et mouvements

B. Travail mécanique et énergie

• III. Électrodynamique (15h, 5TP)A. Circuit électrique en courant continu

B. Magnétisme. Forces électromagnétiques

• IV. Optique (9h, 3TP)

La chimie en classe de Terminale S

• Fil directeur du programme :

l’évolution des systèmes chimiques

• Contenus :

l’évolution temporelle,

la relaxation vers l’équilibre,

la prévision du sens d’évolution (à l’aide du quotient de réaction),

le contrôle possible de l’évolution ; de nombreux exemples sont

pris en chimie organique, dans les grandes synthèses industrielles

et dans le monde du vivant.

TERMINALE S

Introduction à l ’évolution temporelle des systèmes• CHIMIE

• Introduction: les questions qui se posent au

chimiste (1h)

• A. La transformation d ’un système chimique

est-elle toujours rapide? (2TP,9h)

• B. La transformation d ’un système chimique

est-elle toujours totale? (4TP,9h)

• C. Le sens « spontané» d ’évolution d ’un

système est-il prévisible? Le sens

d ’évolution d ’un système chimique peut-il

être inversé? (3TP,9h)

• D. Comment le chimiste contrôle t-il les

transformations de la matière? (4TP, 7h)

• PHYSIQUE

• Introduction à l ’évolution temporelle des

systèmes (1TP)

• A. Propagation d ’une onde; ondes

progressives (2TP, 9h)

• B. Transformations nucléaires (2TP, 7h)

• C. Évolution des systèmes électriques

(3TP,10h)

• D. Évolution temporelle des systèmes

mécaniques (5TP, 22h)

• E. L ’évolution temporelle des systèmes et la

mesure du temps (2h)

TERMINALE S

Enseignement de spécialité

•CHIMIE

• Le chimiste et le quotidien : mise en relief des

activités du chimiste et des techniques ou procédés

utilisés au laboratoire ou dans l’industrie

A. Extraire et identifier des espèces

chimiques (2 TP)

B. Créer ou reproduire des espèces

chimiques (2 TP)

C. Effectuer des contrôles de qualité (4

TP)

D. Élaborer un « produit » de

consommation : de la matière première à

la formulation (3 TP)

•PHYSIQUE

A. Produire des images, observer (

5 TP)

B. Produire des sons, écouter (5

TP)

C. Produire des signaux, communiquer

(4 TP)

Quels fondamentaux de la chimie devraient être acquis à

l’issue des classes de Seconde, Première S et Terminale S ?

• Fondamentaux intégrés sur 3 ans essentiellement identiques à ceux d’aujourd’hui

Bilans de matière (en utilisant l’avancement)

L’évaluation des quantités de matière (dosages par étalonnage et par titrage)

Quelques éléments de structure et de réactivité

Le rôle du facteur temps

État d’équilibre chimique d’un système

Dépasser les contraintes thermodynamiques et cinétiques

• Quelques acquis supplémentaires

Prévisions du sens d’une transformation à partir de la connaissance des conditions initiales du système

et de la constante d’équilibre (en comparant le quotient de réaction à la constante d’équilibre)

Double regard macroscopique – microscopique

• Quelques notions en moins

Potentiel standard d’un couple oxydant réducteur

Notions de stéréochimie liées à présence d’un carbone asymétrique et à l’existence de conformères

Aucun mécanisme réactionnel n’est abordé

Quelques aspects importants des programmes de chimie au lycée

• L’introduction dès la classe de seconde de l’outil « avancement » et son utilisation

jusqu’en terminale S dans l’analyse des systèmes chimiquesUne approche pédagogique nouvelle des transformations de la matière pour lutter contre

certaines représentations fausses des élèves dans leur perception de la réaction chimique ;

Une réponse méthodologique à l'analyse d'obstacles rencontrés par les élèves dans la mise en

œuvre des bilans de matière (problème lié entre autre à des difficultés avec la proportionnalité) et

dans l'établissement des relations à l'équivalence.

• La dimension expérimentale de cet enseignementUne condition permettant l’émergence des concepts et la pratique de la démarche expérimentale

autour d’expériences de cours ou en travaux pratiques.

• La pratique du questionnementUne mise en situation accordant une place privilégiée aux activités de réflexions scientifiques

construites autour de situations-problèmes ; • acquisition de maturité vis à vis des apprentissages et dans l’appropriation des savoirs

• mise en oeuvre autonome de la démarche scientifique

• responsabilisation de l’élève

L’introduction dès la classe de seconde de l’outil « avancement » et

son utilisation jusqu’en terminale S dans l’analyse des systèmes

Analyse des difficultés rencontrées par les élèves lors de l’étude de la

réaction chimique :• Distinction non faite entre la transformation chimique (registre des phénomènes) menant un

système d’un état initial à un état final et la réaction chimique responsable de cette

transformation qui est un modèle (registre des modèles) à l’échelle macroscopique des

évènements ayant lieu au niveau microscopique. Cette réaction est écrite de façon symbolique

par l’équation chimique (registre des représentations symboliques),

•Difficulté à utiliser l’équation chimique et les nombres stoechiométriques pour faire

un bilan de matière ; problème avec les relations de proportionnalité, confusions entre les

quantités de matière présentes et celles ayant réagi : introduction du tableau décrivant

l’évolution du système et de l’outil avancement,

•Difficulté de compréhension des titrages et d’établissement de la relation entre quantité de

matière à l’équivalence : progressivité dans l’apprentissage du titrage, utilisation du tableau

pour appréhender les différentes phases du tirage et faire émerger l’équivalence (changement

de réactif limitant) introduction de la conductimétrie comme technique de suivi de suivi des

titrages (G proportionnel à c)

• A propos de l’évolution vers un état final du système, état d’équilibre chimique : utilisation du

tableau d’évolution avec Xfinal = xeq et Qreq = K

L’analyse de l’évolution des systèmes chimiques au lycée :

concepts et outils

-Registre des phénomènes :-la transformation chimique (ce que j’observe…)

-Registre des modèles : -la réaction chimique (comment cela semble se transformer au niveau macroscopique : tout se passe comme si…)

-Registre des symboles : -l’écriture symbolique de la réaction : l’équation chimique

Outils de description

mis en place dès la classe de Seconde• Un système chimique évolue au cours d’une transformation d’un état initial à un état final.

P, T

Magnésium (solide)

Acide chlorhydrique (H+, Cl-)

Eau

Air

P’, T’

Dihydrogène (gazeux)

Ions magnésium, Mg2+

Ions H+, ions Cl-

Eau

Air

• La réaction modélise le passage des réactifs aux produits : le magnésium réagit avec les ions H+(aq) pour former du dihydrogène et des ions magnésium

• L’équation est l’écriture symbolique de la réaction, elle rend compte de la conservation des éléments par l’ajustement des nombres stoechiométriques : + 2+

2Mg(s) + 2H (aq) Mg (aq) + H (g)

Le tableau descriptif de l’évolution du système au cours d’une transformation chimique et

l’avancement

Outils d’analyse proposés

A partir de la classe de seconde Pour effectuer les bilans de matière

Compétences en cours d’acquisition en seconde et exigibles en première S

Equation Mg(s) + 2H+(aq) H2(g) + Mg2+(aq)

quantité de matière dans l'état initial (mol)

n0 n0’ 0 0

quantité de matière au cours de la transformation (mol)

n0 - x n0’ - 2.x x x

quantité de matière dans l'état final (mol)

n0 - xfinal n0’ - 2.xfinal xfinal xfinal

L’état final est atteint lorsqu’un réactif a entièrement disparu (réactif limitant) : l’avancement final est égal à l’avancement maximal. On considère les transformations comme totales en seconde et première S.

En classe de première SPour comprendre le principe des titrages

Solution de permanganate de potassium

Solution d’ions fer(II)

5 F e 2 + (a q ) + -4M n O (a q )

q u a n tité d e m a tiè re d a n s l 'é ta t in it ia l (m o l)

n (F e 2 + , d a n s le b e c h e r) 0 -4(M n O ,v e rs é à la b u re t te )n

q u a n tité d e m a tiè re a u c o u rs d e la tra n s fo rm a tio n (m o l)

2 +0(F e ) 5 .n x -

4(M n O )n x

q u a n tité d e m a tiè re d a n s l 'é ta t f in a l (m o l)

2 +0(F e ) 5 . 0n x -

4(M n O ) 0n x

2+ - + 3+ 2+4 25 Fe MnO 8 H 5 Fe Mn 4 H O

Réaction support du titrage

L’état initial considéré est alors : le volume V0 de solution d’ions fer(II) à titrer et volume V de solution titrante versée

En phase d’apprentissage, plusieurs tableaux sont établis pour comprendre l’évolution des quantités de matière de réactifs présentes dans le becher au cours de l’addition de la solution titrante.

Démarche mise en place pour faire émerger

la notion d’équivalence

• Par l’écriture des quantités de matière à l’état final, il résulte du tableau trois cas : quand les

ions permanganate sont le réactif limitant, quand les ions fer(II) sont le réactif limitant et à

l’équivalence (quand les deux réactifs sont limitants).

• On peut représenter l’évolution des quantités de matière des espèces présentes dans le becher

au cours du titrage en fonction de la quantité d’ions permanganate versée et mettre ainsi en

évidence deux domaines et un point singulier. L’équivalence acquiert là un sens chimique et

n’est plus seulement un point particulier d’une courbe pHmétrique ou autre.

n Fe2+

n MnO4-

n MnO4- versééquivalence

MnO4- limitant Fe2+ limitant

A partir de la classe de première S

Pour déterminer rapidement la relation à

l’équivalence du titrage

•Le tableau descriptif n’est plus ensuite établi qu’à l’équivalence E

5 Fe2+(aq) + MnO4-

quantité de matière dans l'état initial (mol)

n(Fe2+, dans le becher)0 n(MnO4- , versé à l'équivalence E)

quantité de matière au cours de la transformation (mol)

n(Fe2+, dans le becher)0 - 5 x n(MnO4- , versé à E) - x

quantité de matière dans l'état final (mol)

n(Fe2+, dans le becher)0 - 5xmax = 0 n(MnO4- , versé à E) - xmax = 0

• n(Fe2+, dans le becher)0 - 5xmax = n(MnO4- , versé à E) - xmax = 0

• Soit 5 n(Fe2+, dans le becher)0 = n(MnO4- , versé à E)

En classe de terminale S pour suivre l’ évolution temporelle d’un système

• Il convient de relier l’évolution d’une grandeur physique (P, G, v, m…) à une quantité de matière de réactif ou de produit puis à l’avancement x(t)• Par le suivi manométrique de l’oxydation du magnésium, on mesure la pression P = n(H2) RT/V puis on détermine x(t) = n(H2)

Equation Mg(s) + 2H+(aq) H2(g) + Mg2+(aq)

quantité de matière dans l'état initial (mol)

n0 n0’ 0 0

quantité de matière au cours de la transformation (mol) à un instant t

n0 - x(t) n0’ - 2.x(t) x(t) x(t)

quantité de matière dans l'état final (mol) au bout d'un temps très grand, t infini

n0 - xfinal n0’ - 2.xfinal xfinal xfinal

•Qu’en est-il de l’état final du système constitué à l’état initial d’un litre de solution d’acide dichloroacétique de concentration molaire apportée c = 0,1 mol/L ?

CHCl2CO2H(aq) + H2O = CHCl2CO2-(aq) + H3O+ KA = 10-1,3

Équation : CHCl2CO2H + H2O = CHCl2CO2- + H3O+

Quantité de matière

dans l’état initial (mol)0,10 0 0

Quantité de matière au

cours de la

transformation (mol)

0,10 - x x x

Quantité de matière

dans l’état final (mol)0,10 - xéq. xéq. xéq.

En classe de terminale S pour déterminer l’état d’équilibre final d’un système

• On a l’avancement final qui est égal à l’avancement à l’équilibre

À l’équilibre :

Soit :

Résolution de cette équation du second degré :

xéq. = 0,050 mol (et xéq. = - 0,10 mol impossible)

Calcul du taux d’avancement de la transformation :

La transformation n’est pas totale

NB : pour une concentration apportée c’ = 1,0 10-4 mol/L, le taux d’avancement est = 99,8 %, la transformation peut alors être considérée comme totale

• C’est la transformation qui est totale ou non, pas la réaction !

• Le caractère total ou non d’une transformation dépend à la fois :

de la constante d’équilibre ;

des conditions initiales (comme en Physique) : c’est à dire des

quantités de matière présentes dans l’état initial.

• Le critère K > 104 pour considérer une transformation comme totale

est donc insuffisant, on utilise le taux d’avancement final dans le

nouveau programme.

En classe de terminale S

pour déterminer le sens d’évolution d’un système

Soit la pile de concentration suivante :

Cu / (Cu2++SO42-) 0,01 mol.L-1 // Na++NO3

- // (Cu2++SO42-) 1,0 mol.L-1 / Cu

Utilisation du critère d’évolution : comparaison de Qri et de K 

Équation de la réaction :

Cu + Cu2+ = Cu2+ + Cu K = 1

2+

r 2+

[Cu ]0,01

[Cu ]Q

jk

Qr < K : le critère prévoit donc une évolution dans le sens direct

que l'on peut observer à l'aide d'un ampèremètre

Les potentiels standard ne permettent pas de prévoir l'évolution d'un tel système.

La chimie organiqueAu collège :

Les matériaux d’emballage (le papier et les divers plastiques) ; action de l’air et des

solutions.

En classe de seconde :

Extraction d’espèces organiques présentes dans les produits de la nature, synthèse

d’espèces organiques (importance de la chimie de synthèse) et caractéristiques

physiques (carte d’identité),

Structure et géométrie de quelques molécules organiques simples.

En classe de première S :

Chimie créatrice : importance du champ de la chimie organique, squelettes carbonés et

groupes caractéristiques, familles de composés, réactivité (tests et passage d’un

groupe à un autre) et pétrochimie,

Combustion des matières organiques ; aspects énergétiques et pollution.

En classe de terminale S :

Exemples de transformations lentes (tests, bouteille bleue…),

Transformations non totales (les acides carboxyliques et les amines dans l’eau….),

Contrôle des transformations : ester, esterification, hydrolyse et saponification d’ester,

utilisation d’anhydrides d’acide, synthèse de molécules d’usage courant,

applications industrielles.

Les apports culturels

Dimensions sociale, économique, citoyenne et historique

• En classe de seconde :

Chimique ou naturel ? Exploitation des ressources de la nature par l’homme. Évolution

historique des techniques. Nécessité de la chimie de synthèse.

La démarche historique de Mendeleiev…

• En classe de première S :

Nécessité des analyses chimiques dans différents domaines de la vie courante ; exemples…

Histoire de la chimie organique, omniprésence de la chimie organique dans le quotidien,

pétrochimie…

Applications des effets thermiques des transformations au quotidien : moteurs à explosion,

centrales thermiques…

• En classe de terminale S :

Les activités du chimiste et les enjeux de la chimie dans la société

Préoccupations du chimiste dans la société :rendement, coût de production, impact sur

l’environnement, recyclage, élimination des déchets…

Le questionnement

•Une place privilégiée des activités de réflexions scientifiques construites

autour de situations-problèmes permet l’acquisition de maturité vis à vis

des apprentissages et dans l’appropriation des savoirs. Elle favorise la

mise en oeuvre autonome de la démarche scientifique.

•Deux exemples pris dans le programme de Terminale S :

-A propos des transformations non totales : autour

d’une expérience de cours pour faire émerger le concept d’équilibre.

-A propos des réactions compétitives et du contrôle exercé par le

chimiste dans les opérations d’analyse : séance de travaux pratiques

sur le titrage direct de l’aspirine.

La dimension expérimentale de l’enseignement de chimie

Pourquoi un enseignement expérimental ?

L’expérience de cours permet d’établir un premier rapport entre le réel et sa représentation.

Les travaux pratiques sont le seul moyen d’appropriation de techniques et de méthodes, de confrontation des

modèles des sciences physiques à la réalité des phénomènes, d’établissement des liens entre le langage des

sciences physiques et le monde car la seule maîtrise des symboles ne permet pas l'action sur le monde. .

Quelles conditions pour que cet enseignement expérimental remplisse pleinement son rôle ?

Les élèves doivent savoir ce qu’ils cherchent, anticiper (quitte à faire des erreurs) un ou des résultats possibles, agir,

expérimenter, conclure et ainsi élaborer leurs connaissances. L’enseignant doit veiller à bien définir les objectifs de

contenus et à limiter le nombre des compétences mises en jeu dans une séance de TP afin de bien dégager les

notions qu’il veut faire acquérir.

Une grille de suivi des compétences mises en jeu lors des séances de travaux pratiques ; outil

pour aider le professeur à construire les séances de TP et à les diversifier mais pas pour procéder à l’évaluation des

élèves. Les compétences liées au comportement de l’élève n’apparaissent pas dans la grille car elles interviennent en

permanence : précision, soin, organisation (rangement et anticipation), et plus largement rigueur.

Deux versions de TP autour d’un même thème

Une évaluation des capacités expérimentales intégrée dans l’épreuve de sciences physiques et

chimiques du baccalauréat

Pour nous résumer

• Une cohérence dans le discours et la démarche

• De l’observation au modèle et non l’inverse

• Du simple au complexe et non l’inverse

• Rendre aux modèles leur rôle : interpréter le phénomène et non se substituer à lui

• Placer le questionnement au centre de la progression

• Privilégier le raisonnement qualitatif, limiter le calculatoire et le détail pour aller à

l’essentiel

• Réfléchir sur la métrologie et l’analyse des résultats

• Montrer que la maîtrise des concepts permet d’appréhender le rôle du chimiste

• Montrer en quoi le chaos microscopique conduit (souvent) au déterminisme

macroscopique

En conclusion

De l’aléatoire au déterministe,

de la structure à la réactivité,

de l’expérimental au modèle,

du réel à la simulation,

du cours magistral au questionnement

,… autant de pistes pour investir des découvertes, des

théories, des techniques et des pratiques pédagogiques

nouvelles.