Chimie et savoir
Introduction au cours de spécialité Master didactiques et interactions
jflmNovembre 2006
(en présence de Cécilia CASTRO de Lyon1)
Qu’est-ce que la chimie
• Science concernée par – La structure de la matière– Ses propriétés– Ses transformations
• Plus précisément– La structure au niveau atomique (et pas sub
atomique, ni cellulaire par ex.)– Ses transformations faisant intervenir une
modification au niveau atomique
Outil de description
• Modèles– Description d’une liaison chimique– Description de l’acidité
• Représentations– Symbolique– Langage de la chimie
• Théories empruntés à la physique– Electrostatique– Mécanique quantique
Intérêt de la chimie
• Satisfaire aux questions relatives à la description du monde qui nous entoure.
• Prévoir– Des propriétés de substance n’existant pas
forcément– Des transformations qui se font, ou pas– Produire les corps et les matériaux qui
change notre environnement
Événement et phénomène
• « Phénomène »• Au sens large. Ce qui apparaît, ce qui se manifeste aux sens
ou à la conscience, tant dans l'ordre physique que dans l'ordre psychique, et qui peut devenir l'objet d'un savoir.
• Ce que l'on observe ou constate par l'expérience et qui est susceptible de se répéter ou d'être reproduit et d'acquérir une valeur objective, universelle.
• Je distinguerai l’événement (= phénomène au sens large) du phénomène.
• Le phénomène requiert un choix dans l’observation• Le fait que lors d’un mélange de deux liquides il y ait un
trouble blanc ou de couleur sera pour moi un événement.• Sa description en termes de « précipitation » sera un
phénomène.• La distinction entre les mots n’est pas très utilisée, mais il est
essentiel de distinguer les notions correspondantes
Événement – Phénomène - modèle
• Le passage de l’événement au phénomène requiert un modèle– Pourquoi s’intéresser au précipité, et pas à la
couleur, si on n’a pas un modèle derrière la tête ?
Dualité macro – micro
• C’est une spécificité de la chimie
• La relation entre deux niveaux est générale en science– Le niveau micro explique les phénomènes
macro en chimie– Le niveau des cellules explique les
observations macro en bio– Le niveau théorique explique les phénomènes
en physique
Micro – macro - symbolique
• On peut expliquer la chimie avec les niveaux micro, macro et symbolique
Jonhstone, 1993, J. Chem Educ.
Micro(ou submicro)
Macro
Symbolique
Recherche d’analogies
• Les connaissances au niveau micro peuvent se construire par analogie– Par analogie avec ce qui est connu du niveau
macro• Que l’analogie soit correcte ou pas
– A l’aide de règles de fonctionnement du niveau symbolique
• Les règles peuvent être ou nom justifiée par des lois
– Etc.
Résultat de la création des K sur les modèles en chimie
• Ce qui résulte du processus de création des K en chimie s’exprime par des représentations– Concrètes (modèles moléculaires)– Visuelles (graphes)– Mathématiques– En langage naturel– Par des symboles spécifiques de la chimie
Transformation entre modes de représentations
• Le chimiste sais passer d’un mode (registre) de représentation à un autre.– Ex. CH4 , méthane,
– Il faut des K pour cela– Ces K doivent s’enseigner
Langage de la chimie
• Représenter les corps par des symboles est permanant dans l’histoire de la chimie
• Pourquoi H2O s’est-il imposé pour l’eau ?
terre eau air feu
Comment enfermer l’immensité du monde dans la prison de quelques traits ?
• Il ne suffit pas d’étiqueter ou de dénommer. Il faut inventer ou construire un substantif qui coïncide avec la substance.
• Forme du triangle alchimique, symbole de Lavoisier
• Aspect voco-structural : il ne s’agit pas de conférer un nom à une chose, mais il faut que la réalité puisse se traduire, se refléter dans une appellation transparente qui ne la déforme pas et ou chacun puisse la reconnaître.
• Quelle réalité se traduit, et qui se reconnaît dans les symboles de l’eau ?
– Dagonet F. (2002). Tableaux et langages de la chimie Essais sur la représentation Coll. milieux – Champ Vallon – LeSeuil
Du mot au symbole
• Aspect pictural : si le mot échoue, comment le remplacer ?
• La formule : parfois insuffisant• L’arrangement et les relations secrètes entre les parties• L’analogie avec les proches, les semblables et les dérivés• Il faut condenser toutes les propriétés tout en restant léger
• Ex. C6H4Cl2• Pourquoi la formule est-elle insuffisante ?• Quelles sont les relations entre les parties• Quelle analogie y a-t-il avec les proches
Dagonet (p.7)
• Il faut partir de Lavoisier, qui alluma l’incendie de la révolution chimique sémantique et ordinatrice.
• Quelle révolution ?• Pourquoi sémantique et ordinatrice ?
Révolution chimique sémantique et ordinatrice
• Changement de principes• Suppression du phlogistique,• Introduction de la notion d’élément chimique• Fondation de la thermochimie (Mémoire sur la chaleur 1780)
• Introduction de lois de conservation• Introduction d’une nouvelle nomenclature
• Sel de mer / chlorure de sodium• Huile de vitriol / acide sulfurique• Esprit de sel / acide chlorhydrique• Sel polychreste de Glaser• Teinture de Ludovic• Liqueur de Libavius
Critique du système Lavoisien
• Sa rigueur est aussi une raideur, par ce que de nature associationniste (cation anion)
• Le système a des erreurs (il place l’oxygène au centre, les métaux à l’origine des acides)
• Un système de K qui possède des erreurs permet-il de construire des K correctes ?
Développement des K en chimie et production de modèles
Nature des modèles
• Les modèles sont des productions de la science.
• Les modèles sont des connaissances d’un type particulier– Ils permettent la définition de concepts– Ils organisent les observations– Etc.
Ex. Modéliser l’acidité
• A l’origine• acide = qui a un goût acide, piquant (acidus = aigre, acide).
• Dans la théorie de Bronsted (1923)• Un acide libère H+, et une base capte H+.
• Ce modèle est un ensemble de K produit par la science.
• Il permet de définir :• ce qui est un acide et ce qui n’en n’est pas un.• Ce qui est une base ce qui n’en n’est pas une.• Il fournit une relation entre l’acide et la base
Produire des K en chimie nécessite des modèles
• Ex. Acide• Modèle de Liebig : Un acide déplace les métaux des sel (Na+
du sel CH3COONa est remplacé par H+ (et donne CH3COOH) en présence de l’acide HCl).
• Modèle d’Arrhenius (Prix Nobel 1903): tout acide libère H+, toute base libère HO-.
• Modèle de Bronsted (1923) : tout acide libère H+, toute base capte H+.
• On ne produit pas les même K avec les trois modèles
• Ex. Ammoniac : NH3 pour Bronsted, et NH4OH pour
Arrhenius• H2O est une base pour Bronsted, pas pour Arrhenius.
Communiquer des K nécessite des modèles
• Que peut-on dire du gaz chlore sans modèle ?• Il est vert, toxique, avec une odeur âcre.• Il réagit avec le fer, mais pas avec l’or.
On reste au niveau des faits.
• Avec des modèles• On peut donner sa formule (Cl2 et non Cl) – modèle
atomique.
• On peut dire pourquoi il est coloré alors que N2 ne l’est pas – modèle des orbitales moléculaire.
• On peut dire pourquoi il réagit avec le fer et pas avec l’or – modèle de l’oydoréduction.
Évolution des modèles
• Les modèles ne sont pas figés• Ex. Modèles sur l’acidité
• Le modèle se transforme avec :• Des observations plus nombreuses et plus
précises• L’accès à d’autres champs expérimentaux• Le besoin de généraliser• La modification des paradigmes de la physique
(physique quantique).
Augmentation du nombre d’observations
• Ex. Substitution en chimie organique• CH3 Br + HO- → CH3OH + Br-
• La substitution est un remplacement (observations analytiques)
• La substitution peut être d’ordre 1 ou 2 (observations cinétiques)
• Des groupes proche de C peuvent modifier le déroulement de la substitution (observation sur de nouveau substrats).
Effet de la modification des paradigmes de la physique
• Description classique• On représente la substitution avec des flèches courbes
• Description quantique• On explique pourquoi tel ou tel facteur influe sur le
déroulement de la substitution• Possibilité de calculer l’énergie du système
H
C
H
H Br C
H
HO
H
H + Br-HO- +
Juste ou faux
• Il n’est pas pertinent de dire qu’un modèle est juste ou faux.
• Certains modèles « faux » au regard du savoir de référence actuel on permis de grande découverte.
• Ex. La classification périodique a été établie en partant sur la base de la relation de classement avec la masse atomique (alors que c’est in correct), c’est avec le numéro atomique qu’il faut effectuer le classement.
Modèles et chimistes
Les modèles sont omniprésents
• Le chimiste ne se rend pas compte qu’il est tout le temps en train d’utiliser des modèles.
• Pour évoquer les molécules• Pour parler des réactions• Pour effectuer des mesures• Pour prévoir• Etc.
• Toutes les explications des chimistes possède un haut niveau d’abstraction
Utilisation des modèles par les chimistes
• Visualisation des entités
• Descriptions des propriétés des entités
• Visualisation des processus impliquant ces entités
• Planification des activités expérimentales
• Support des raisonnements
• Construction des K
Modèle et théorie
• Grâce au modèle, le chimiste peut appliquer les théories de la physique sur les systèmes étudiés
• Ex. en oxydoréduction• Modèle du transfert d’électron entre couples redox
et de potentiel (relation de Nernst)• Théorie de l’électricité sur le courant circulant
quand deux points ne sont pas au même potentiel.• Cette théorie n’est pas utilisable si l’on modélise la
réaction redox comme un transfère d’oxygène.
Besoins du chimiste
• Le chimiste a besoin de représenter ses idées :– Sous forme visuelle (représentations symbolique,
graphique, etc.)– Sous forme mathématique (fonction d’onde, relation
de Nernst, etc.)– Sous forme de langage naturel
• De nombreux modèles (abstraits) de la chimie ont eu des contreparties concrètes, notamment avec les modèles moléculaires
Modèles moléculaires
• Les modèles moléculaires sont indispensables pour communiquer la chimie (entre experts, et dans l’enseignement) mais aussi pour le chimiste lui-même dans sa réflexion dans nombreux domaines de la chimie.
• Stéréochimie• Propriétés de la matière• Réactivité
Types de modèles moléculaires
Sphère durs Boules et bâtons
Modèles squelettes Modèles polyédriques Modèles informatiques
Modèles polyèdres
Modèles informatiques
• L’animation résulte de l’optimisation d’un chemin réactionnel
• Nouvelle possibilité d’utilisation des modèles moléculaires en recherche et surtout dans l’enseignement
Modèles - Théories et programme de recherche
Lakatos
Évolution des théories scientifiques
• Les scientifiques ne décrivent pas la réalité telle qu'elle est. Si c'était le cas, il n'y aurait plus lieu de réviser leurs théories et de les faire évoluer ; elles seraient achevées.
• Or, un simple regard sur l'histoire des théories dites scientifiques met plutôt en évidence leurs régulières remises en question.
http://revue.de.livres.free.fr/cr/lakatos.html
Qu’est ce qui distingue théorie scientifique des autres théories ?
• Critère de réfutabilité (une théorie est scientifique si elle est réfutable).
• Le scientifique fonctionnerait par une succession de conjectures / réfutation
Faiblesse de l’approche conjecture / réfutation
• A leur début, les théories scientifiques sont mal construites dont facilement réfutables.
• Il se trouve qu’on préfère négliger les résultats expérimentaux qui conduirait à la réfutation des théories. (cas de l’établissement de la classification périodique)
• Sinon, on n’avancerait pas.• L’observation à la source de la réfutation peut
elle-même être incorrecte et qu’on ne le découvre que plus tard.
Programme de recherche - Lakatos
• Si l'activité scientifique ne consiste pas uniquement à réfuter des théories ou à les corroborer, qu’est-ce qui la caractérise ?
• Imre Lakatos introduit la notion de programme de recherche : = principe heuristique basé sur un noyau dur déclaré irréfutable et qui définit des règles méthodologiques sur les voies de recherche à éviter (heuristique négative) ou à poursuivre (heuristique positive).
Heuristique positive et négative
• L'heuristique négative essaye d'éliminer les anomalies que peut rencontrer une théorie en modifiant certaines hypothèses auxiliaires tout en se gardant bien de changer le noyau dur.
• L'heuristique positive s'occupe peu des anomalies mais développe autour du noyau dur des modèles de plus en plus sophistiqués afin de rendre compte de mieux en mieux de la réalité.
Heuristique = qui sert à la découverte
Cas du développement du modèle quantique en chimie
• Au début : les moyens de calculs étaient modestes, les prédictions souvent fausses.
• On conserve les postulats de la mécanique Q,• on supprime certaines notions (heuristique
négatives) • et on améliore les techniques de calcul
(heuristique positive) profitant de l’augmentation de la puissance des ordinateurs
• Les prédictions sont de plus en plus proches de la réalité.
Modélisation en didactique de la chimie
Point de vue de l’élève
Importance dans l’enseignement
• Les modèles ont un tel rôle en chimie qu’il est essentiel de les considérer dans l’apprentissage.
• Apprendre la chimie requiert:• La présentation des principaux modèles produits
par les chimistes, leur portée, leurs limites;• D’apprécier leur rôle dans la validation et la
disséminations des résultats des recherches en chimie;
• De créer et de tester des modèles produit pas un groupe ou un individu.
Principaux modèles produits
• De nombreux modèles sont devenus obsolètes– Vision mécanique des atomes.
• Ex. Atomes d’acide de forme piquante
– Phlogistique.• Un des éléments contenu en plus ou moins grande
quantité dans les substances et qui se transmet lors de certaines réaction chimique
• C + oxyde de fer → CO2 + Fe• C perd sont phlogistique, et Fe en gagne, puis le
perdra en s’oxydant.
Portée et limite d’un modèle
• Pour Lavoisier, l’oxygène est un élément constituant des acides– Oxygène = oxy (acide) gène (propre à générer)– Lavoisier désigne l'air vital sous le nom de principe
«oxygène» ou propre à engendrer les acides
• HNO3, H3PO4, H2SO4 résulte de l’oxydation de l’azote, du phosphore ou du soufre.– Limite : Ca en brûlant donne CaO (la chaux) qui est
une base.– Les théories de l’acidité de Arrhenius ou Bronsted
dépasseront cette limite.
Rôle dans la validation des résultats des recherches
• Si un résultat ne peut être interprété par un modèle il faut remettre en question :– Le résultat– Le modèle
• Structure du carbone (Vant’ Hoff)
A SUGGESTION LOOKING TO THE EXTENSION INTO SPACE OF THE STRUCTURAL FORMULAS AT PRESENT
USED IN CHEMISTRY. AND A NOTE UPON THE RELATION BETWEEN THE OPTICAL ACTIVITY AND THE CHEMICAL CONSTITUTION OF ORGANIC COMPOUNDS.
Jacobus Henricus van 't HoffArchives neerlandaises des sciences exactes
et naturellesvolume 9, p. 445-454 (September 1874)
Van’t Hoff (1852 - 1911 ) il a 22 ans !
Premier prix Nobel de Chimie en 1901
Problématique de l’article
• Que peut-on dire (du point de vue de la modélisation) de :
It appears more and more that the present constitutional formulas are incapable of
explaining certain cases of isomerism; the reason for this is perhaps the fact that we need a more definite statement about the
actual positions of the atoms.
• If we suppose that the atoms lie in a plane, as for example with isobutyl alcohol (Figure I) where the four affinities are represented by four lines in this plane occupying two directions perpendicular to one another, […]
• Van’t Hoff arrive au fait qu’il y a 2 isomères (optiques) de cet alcool.
• Or 1 seul est connu […] thus far
CH3
C
CH3
CH2OHH
CH3
C
H
CH2OHH3C
• The theory is brought into accord with the facts if we consider the affinities of the carbon atom directed toward the corners of a tetrahedron of which the carbon atom itself occupies the center. The number of isomers is then reduced and will be as follows …
Limite du modèle
• Thus far we have considered the influence of the hypothesis upon compounds in which the carbon atoms are united by a single affinity only, (leaving out some aromatic bodies )…
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Nécessite une extension du modèle(formule de résonance)
Créer et tester des modèles comment ? Pourquoi ?
• Comment : rédiger un « Texte du modèle » (ex en 1S)– La matière est électriquement neutre. Lorsqu’elle est constituée
d’ions, les charges positives des cations et des anions se compensent.
– Une solution aqueuse ionique, est constitués d’anions et de cations dispersés parmi les molécules d’eau. Les ions ne peuvent pas être séparés du solvant par filtration.
– …
• Pourquoi– Limiter la réflexion lors de l’introduction d’un concept– Apporter des définitions (à apprendre) aux élèves– Forcer la relation prof – élève autour de règles partagées.
Mise en œuvre en classe du texte d’un modèle
• Lecture difficile pour l’élève.
• A associer à une activité qui utilise le texte
• A réutiliser souvent (autres activités, exercices, explications).
• Ne pas expliquer avec d’autres arguments que ceux du modèle
• Difficile pour le professeur
Comment les élèves voient les modèles
Trois niveaux
1. Le modèle est une copie de la réalité / certains aspects de la réalité sont retirés.
2. Le modèle est créer avec un but / beaucoup d’aspect de la réalité sont retirés / Le fait que le modèle est copie de la réalité domine
3. (expert) Le modèle est créé pour tester des idées / il a un rôle actif dans la construction des K / il peut être testé et changé
Conséquences
• La copie de la réalité conduit à donnée aux objets du modèle des propriétés qu’il n’a pas :– Une couleur pour les atomes– Une taille croissante avec le nombre
d’électrons qui le constituent
Évolution du rayondes atomes dans la
classificationpériodique
(bloc S et P)
Origine des difficultés
• Le modèle décrit la réalité (sans être une copie), il n’y a qu’un pas pour penser que « c’est la réalité », ou que c’est un « modèle réduit » de la réalité.
• Le vocabulaire utilisé peut être une difficulté– Couche électronique– Neutralisation d’un acide– Etc.
Secondary students' mental models of atoms and molecules:
Implications for teaching chemistryAllan G. Harrison *, David F. Treagust
Science Education 509 - 534
• This interview-based study probed 48 Grade 8-10 students' mental models of atoms and molecules and found that many of these students preferred models that are both discrete and concrete.
• Most younger science students have difficulty separating models from reality.
• Several students concluded that atoms can reproduce and grow and that atomic nuclei divide.
• Electron shells were visualized as shells that enclosed and protected atoms, while electron clouds were structures in which electrons were embedded.
• It is recommended that teachers develop student modeling skills and that they discuss analogical models, including shared and unshared attributes, with their students
Variété des modèles
• Différents modèles sont utiliser pour décrire un même objet / phénomène– Difficulté pour s’y retrouver– Difficultés pour passer des uns aux l’autres
• Ex. Modélisation d’un cristal– Modélisation en termes mathématique (réseau,
maille, etc.)– Modélisation en termes de sphère dures– Modélisation énergétique– Théorie des bandes
Variété des représentation pour un même modèle
Exemple avec NaCl
Modèle 3D / 2D
• Voir l’article de Laurence Viennot dans le dernier Didaskalia
Modèles hybrides
• L’enseignant peut utiliser des attributs de différents modèles (historique) pour constituer son modèle (d’enseignement)
(Justi, Gilbert)
• Ex en cinétique chimique (voir partie suivante)
Les modèles de la vitesse de réaction chimique
Lexique utilisé pour la présentation
• J’utilise des termes modernes
• Le sens de ces mots a changé avec les théories
Le modèle anthopomorphique de la cinétique chimique
• Les choses sont comme les personnes.– Elles aiment, elles détestent– C’est la théorie des affinités chimiques
– Le terme est resté (A = -rG) mais a changé de sens
• Pour les philosophes grecs, il devait y avoir quelque chose comme de l’amour entre les choses.
• L’affinité est une sorte de force sélective entre les choses qui s’aiment
Modèle corpusculaire des affinités
• Boyle et Newton relient l’affinité à des particules microscopiques
• Formes particulière des particules pour adhérer ou non les unes aux autres
• Il ne s’agit pas de force entre particules
• C’est la première fois que ce qui conduit à la réaction chimique est interprété en termes de propriétés de corpuscules
• La vitesse de réaction est lié à la différence d’affinité entre corpuscule.
• On montre que la température modifie l’affinité entre les corpuscules.
• Des tables d’affinités sont établies• Berzelius (1779 – 1848) introduit le terme de catalyseur (1837)
• Pas de traitement mathématique entre énergie et vitesse de réaction
Au début du XIXe
– Premières synthèses organiques– 1828, par chauffage du cyanate d’ammonium
(NH4+ OCN-) Whöler obtient l’urée O=C(NH2)2
– Réactions lentes– Le problème de la vitesse de la réaction se
pose
Premier traitement quantitatif
• On se pose la question de l’interprétation de la variation exponentielle de la vitesse
• 1850 : mathématisation par Wihlkelmy de l’interprétation de l’inversion su saccharose
Inversion du saccharose
• Saccharose + H2O → Glucose + fructose
• Nécessité d’une grandeur pour suivre la réaction– angle de rotation de la lumière polarisée)
• et d’une loi pour relier la grandeur à la concentration– loi de Biot : = [i] ci
• saccharose 66,5°
• glucose 52°
• Fructose -93°
O
O
C
H
2
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
2
C
O
H
O
H
C
H
2
O
H
Premier traitement quantitatif (suite)
• Mathématisation par Wihlkelmy – Première loi de vitesse– C’est la première interprétation non empirique– C’est le début de la chimie-physique
• Puis Berthelot et De Saint Gilles étudie l’estérification
• La vitesse de réaction est considérée comme dépendant de la quantité de matière à réagir
• Rien n’est dit sur la catalyse
Mécanismes réactionnels
• Collaboration entre Harcourt - chimiste - et Hesson - mathématicien (1865)
• Pour Harcourt, il y a des interactions par étape.• Recherche d’analogie entre réaction et lois de la mécanique• Réaction du 1er et 2e ordre ; étapes réactionnelles.• Intégrations d’équations différentielles
• Modèle prédictif• Relation empirique entre la température et la vitesse de réaction• Influence de la température sur le mouvement des molécules• Les réactions chimiques ne peuvent avoir lieu à 0 K
• Ostwald interprète le phénomène de catalyse avec ce modèle (1909)
• Existence d’un autre chemin réactionnel emprunté par le catalyseur• Possibilité de catalyse négative (inhibiteur)• Absence de preuves expérimentales sur l’observation des
intermédiaires réactionnels
Modèle thermodynamique
• On reprend les hypothèses de la réaction par étape• On ajoute la notion de collisions entre molécules ayant une
énergie suffisante
• Effet de la température• Ce n’est pas l’origine de la réaction, mais l’origine du changement
de vitesse.• L’énergie de la réaction (rH°) n’est pas forcément indépendant de
la réaction (Van’t Hoff, 1896). Etude de réactions directes et inverses.
• La température n’est pas seulement responsable de la plus grande fréquence des chocs mais de l’énergie plus grande des chocs Arrhénius, 1889)
• Notion de barrière d’énergie.
• Point non abordés :• Comment les molécules acquièrent-elles leur énergie ‘suffisante’.• La barrière d’énergie n’est pas accessible à la théorie
Barrière d’énergie
réactif
énergie
produit
Barrière d’énergie : Ea k = A exp(Ea / RT)
Le calcul de la valeur de la barrière d’énergie est pas accessible à la théorieC’est une valeur empirique
Modèle cinétique
• Comment les collisions ont-elles lieu ?• Cadre du modèle cinétique des gaz• Molécule = sphère dure• La fréquence et l’énergie des collisions est
accessible au calcul• L’orientation des molécules au moment du choc
est prise en compte (facteur stérique « A » dans l’équation d’Arrhénius). Seule une fraction des chocs sont efficaces
k = A exp(Ea / RT)
Modèle de la mécanique statistique
• Distribution statistique des vitesses moléculaires
• Energie critique à partir de laquelle la réaction a lieu
• Surface d’énergie potentielle
Surface d’énergie potentielle
Coordonnée de réaction
Énergie potentielle
État initial
État final
État activé
Energie potentielle de quoi ?
Etude de l’énergie du système
Cl + H2 = HCl + H
Cl H H Cl H H Cl H H
Etat initial Etats intermédiaires Etats finals
Résultats de la théorie
• La théorie retrouve la dépendance en température d’Arrhénius
• Notion de réaction en chaîne (Bodenstein)
• Des atomes (Nernst) ou des radicaux (Taylor) peuvent être des intermédiaires
Modèle du complexe activé
• Articulation de la thermodynamique, de la cinétique et de la physique statistique.
• La connaissance de la vitesse de réaction permet de comprendre comment la réaction se déroule.
• Seules une partie des molécules sont au col de la surface d’énergie potentielle.
• Prise en compte simultanée de répartition statistique et de mécanisme microscopique (Evans, Polanyi, Eyring 1935 - 1938).
• Pour la première fois, les grandeurs thermodynamiques et cinétiques sont en relation.
Hypothèse de base de la théorie L’état activé est en équilibre avec E.I. et
E.F.
C.R.
Ep
A + BCAB + C
ABC
Avancement
Énergie (macroscopique)
A + BCAB + C
ABC
G‡
G0
Expression de la constante de vitesse
Avancement
E
A + BCAB + C
ABC
G‡
K‡ = [ABC] / [A] [BC]
traitement statistique :k = kBT K‡ / h
K‡ = exp (-G‡ / RT) = exp (S‡ / R) exp (-H‡ / RT)
k = kBT/h eS‡ / R e -H‡ / RT
Modèle du complexe activé
• Prise en compte simultanée de répartition statistique et de mécanisme microscopique (Evans, Polanyi, Eyring 1935 - 1938).
• Pour la première fois, les grandeurs thermodynamiques et cinétiques sont en relation.
Analyse du programme de 2nde
• II - Constitution de la matière (4 TP, 8 h en classe entière) Objectifs
• Cette deuxième partie donne une description microscopique de la matière à l’aide de modèles simples pour la constitution des atomes, des ions et des molécules et introduit le concept d’élément et de sa conservation au cours d’une transformation chimique. L’enseignant sensibilise l’élève à la notion de modèle et à ses limites : modèle de l’atome, modèle du cortège électronique pour l’atome et modèle de Lewis de la liaison covalente pour les molécules. Les modèles mis en place permettent de rendre compte de la formule et de la géométrie des molécules (et éventuellement de les prévoir). Dans une molécule la disposition relative des atomes est interprétée comme résultant de la minimisation des interactions répulsives entre paires d’électrons autour d’un atome central.
Question sur le texte précédent
• Combien de modèles sont envisagés ?
• Quelle interaction y a-t-il entre les différents modèles ?
• Quels rôles sont donnés aux modèles.
Modèles dans l’enseignementPoint de vue de l’enseignant
• On peut penser que l’enseignant doit avoir un point de vue large et clair sur – La nature des modèles– La façon dont les étudiants construisent leur
propres modèles mentaux– La façon dont on peut introduire les modèles
scientifiques en classe– La façon de développer des modèles
pédagogiques en classes
Enquête sur les professeur
• Tous reconnaissent que les modèles sont des outils essentiels en science.
• La moitié seulement pense que les modèles sont des produits de l’activité scientifique.
• Les enseignants sont souvent au niveau 1 et 2 de modélisation (vus précédemment)
Professeurs et manuels
• Les professeurs peuvent citer peu de modèles alors qu’ils y en a de grandes quantités dans les manuels des élèves.