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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.

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1 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.

2 Le sujet de cette conférence ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.2

3 QUEL EST NOTRE PROPOS ? Lapprentissage de la chimie présente des difficultés quon ne rencontre pas dans dautres disciplines. Comment optimiser lapprentissage ? Notre travail se fonde sur le postulat que lapprentissage de la chimie est une entreprise complexe nécessitant une approche systémique. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.3

4 QUEL NEST PAS NOTRE PROPOS ? La conférence na pas pour but dimposer une démarche didactique qui serait générée par le nouveau programme. La conférence na pas pour but de décrire un « produit fini » mais plutôt de proposer des pistes pour optimiser lapprentissage de la chimie. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.4

5 Exemples de difficultés spécifiques Le quotidien de lélève est fort différent de la manipulation de laboratoire. La pratique régulière par les élèves de lexpérimentation est indispensable mais difficile à mettre en œuvre. Un gros effort dimagination 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. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.5

6 Exemples de difficultés spécifiques La chimie nest pas une succession de recettes indépendantes les unes des autres. La chimie ne peut pas se limiter à létude de modèles abstraits « quil suffit dincarner dans chaque situation ». ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.6

7 Approche systémique ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.7

8 Organisation dun système La systémique distingue Une organisation structurelle dun système en niveaux hiérarchiques. Une organisation fonctionnelle dun système en modules ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.8

9 Analogie: en médecine Système = corps humain Organisation structurelle Anatomie Organisation fonctionnelle Physiologie ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.9

10 En chimie Système = phénomène chimique Organisation structurelle Niveaux hiérarchiques Organisation fonctionnelle modules ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.10

11 Etude dun phénomène chimique Lorganisation structurelle cerne les objets (atome, ion, molécule, métal, solution, gaz, … ) qui interviennent dans un phénomène chimique Lorganisation fonctionnelle étudie les interactions entre ces objets, « ce qui fait évoluer le système » ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.11

12 Lorganisation structurelle ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.12

13 Organisation structurelle Répartition en niveaux hiérarchiques Exemple: médecine – anatomie ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.13

14 Les niveaux hiérarchiques en chimie ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.14 Micro Equation chimique Réaction chimique Macro Transformation chimique Quotidien

15 Conclusion: lors de lapprentissage lélève doit savoir à quel niveau hiérarchique il se situe ce quil peut attendre comme informations à ce niveau comment et pourquoi « voyager » vers un autre niveau ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.15

16 Organisation fonctionnelle ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.16

17 Organisation fonctionnelle ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.17 Système But Flux Entrées Sorties Impact Phénomène chimique des réactifs des produits Profil de la réaction Gestion de la réaction Frontière

18 PROFIL DES RÉACTIFS Je dois choisir et conditionner des réactifs ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.18

19 Profil des réactifs Comment les reconnaître ? Comment les conditionner ? – Quel état physique ? – Pur ou dissous? En quelle concentration ? Quels sont les risques ? ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.19

20 Profil des réactifs: exemples Comment reconnaître les réactifs ? Les métaux se reconnaissent à leur éclat et à leur couleur mais liode présente un aspect métallique et est un non-métal. Quel est leur état physique ? Solide, liquide, gaz ? A létat naturel ou en phase aqueuse ? ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.20

21 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 lenvironnement sont signalés par des pictogrammes, complétés par des mentions de danger et des conseils de prudence. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.21

22 Profil des réactifs Les réponses aux questions précédentes napprennent rien quant à la réactivité des substances mises à réagir. Le chimiste doit sinterroger sur la nature de la fonction chimique des substances quil compte faire réagir ; il devra reconnaître les fonctions acide – base – ligand - électrolyte fort et peu soluble – oxydant - réducteur ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.22

23 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 sunir avec un cation métallique (ion positif) pour former un ion complexe Des ions peuvent sunir et précipiter Un réducteur et un donneur de-, un oxydant est un accepteur de-. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.23

24 PROFIL DE RÉACTION Je dois déterminer à quelle classe appartient la réaction ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.24

25 Profil de la réaction Réactions sans variation détage doxydation : – réactions acide-base – réaction déchange de ligand – réactions de précipitation Réactions avec variation détage doxydation (Redox) Réseaux réactionnels (réactions concurrentes ou consécutives) ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.25

26 Les réactifs présentant la fonction acide – base sont susceptibles de réagir acide 1 base 2 acide 2 base 1 dissociation : acide H 2 O acide base CH 3 COOH H 2 O H 3 O CH 3 OO - neutralisation : acide base sel H 2 O H 3 O + Cl - Na + OH - Na + Cl - 2H 2 O hydrolyse : sel H 2 O acide base NH 4 Cl - H 2 O H 3 O NH 3 Cl - déplacement :sel acide acide H 2 O CH 3 COO - Na H 3 O + Cl - CH 3 COOH H 2 O Na + Cl - ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.26

27 Les réactifs présentant les fonctions oxydant ou réducteur sont susceptibles de réagir Ces réactions se font par variation du nombre doxydation des espèces engagées Toutes les espèces présentes ne réagissent pas, il existe des ions spectateurs ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.27

28 Démarche de résolution des grands types de réactions chimiques D. Guillaume, Raymonde Mouton – ABPPC n°175, 2007 ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.28 Quelles sont les espèces majoritaires ? Quelles sont les fonctions de ces espèces majoritaires ?Possibilité dune réaction ACIDE-BASE ? Possibilité dune réaction dOXYDO-REDUCTION ? Equation ionique de la réaction acide-base Quel est lavancement 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 dun type de milieu ? Demi-équations ioniques Equation ionique Equation moléculaire Calcul de E 0 Des ions peuvent-ils former un précipité ? Equation ionique Equation moléculaire Conditions de la précipitation

29 COMMENT CONDUIRE LA RÉACTION? De quoi dois-je tenir compte pour que léquation chimique se traduise en une transformation chimique qui fonctionne ? ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.29

30 Comment conduire la réaction ? Aspect thermodynamique Une étude thermodynamique de la réaction chimique est souvent nécessaire pour déterminer sous quelle forme et en quelle quantité lénergie 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 risques ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.30

31 Gestion des produits de la réaction Extraction de la substance souhaitée – Comment la purifier ? – Comment lidentifier – Comment calculer le taux davancement ? – Comment déterminer le rendement ? La chimie analytique gère ces questions à partir des propriétés physiques et chimiques des substances recherchées. Gestion des déchets Gestion de lénergie ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.31

32 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, …. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.32

33 Conclusions Lattitude du chimiste relève de la démarche scientifique qui vise à observer et à comprendre les phénomènes et à les replacer dans une dynamique englobante ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.33

34 Conclusion: lors de lapprentissage Lélève 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 ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.34


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