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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.

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1 La chimie dans le second degré

2 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 lannée scolaire (environ 36 semaines) Contenus disciplinaires en chimie Sixième élèves Cinquième élèves 1,5 h27 h Leau et les solutions ; notion de corps pur et de mélange ; états physiques :modèle particulaire. Quatrième élèves 1,5 h27 h Lair et les combustions ; première approche de la réaction chimique Troisième élèves 2 h36 h Les matériaux : leurs réactions avec lair et les solutions Total : 90 heures

3 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) NiveauCours de chimie TP de chimie Horaire de chimie sur lannée (environ 30 semaines) Seconde générale élèves 1 h / semaine1,5 h / quinzaine 54 heures dont 24 heures de TP Première scientifique élèves 1 h / semaine2 h / quinzaine 60 heures dont 30 heures de TP Terminale scientifique Tronc commun élèves 1,5 h / semaine2 h / quinzaine 65 heures dont 30 heures de TP Spécialité physique- chimie élèves 2 h / quinzaine 30 heures de TP Total : 209 heures dont 114 h de TP (54 % TP)

4 Les objectifs de lenseignement des sciences physiques et chimiques au lycée Fournir une représentation cohérente des sciences physiques et chimiques ; Étudier les grands principes gouvernant la structure et lévolution des systèmes ; Acquérir un double regard, macroscopique et microscopique ; Aborder la dimension sociale et culturelle ; Approcher quelques éléments dhistoire des sciences ; Favoriser lorientation vers des filières scientifiques ; Développer le questionnement et la pratique expérimentale.

5 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.

6 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.

7 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 lévolution 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...

8 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 ? Lexemple 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)

9 La chimie en classe de Terminale S Fil directeur du programme : lévolution des systèmes chimiques Contenus : lévolution temporelle, la relaxation vers léquilibre, la prévision du sens dévolution (à laide du quotient de réaction), le contrôle possible de lévolution ; de nombreux exemples sont pris en chimie organique, dans les grandes synthèses industrielles et dans le monde du vivant.

10 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)

11 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 lindustrie 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)

12 Quels fondamentaux de la chimie devraient être acquis à lissue des classes de Seconde, Première S et Terminale S ? Fondamentaux intégrés sur 3 ans essentiellement identiques à ceux daujourdhui Bilans de matière (en utilisant lavancement) Lévaluation des quantités de matière (dosages par étalonnage et par titrage) Quelques éléments de structure et de réactivité Le rôle du facteur temps État déquilibre chimique dun système Dépasser les contraintes thermodynamiques et cinétiques Quelques acquis supplémentaires Prévisions du sens dune transformation à partir de la connaissance des conditions initiales du système et de la constante déquilibre (en comparant le quotient de réaction à la constante déquilibre) Double regard macroscopique – microscopique Quelques notions en moins Potentiel standard dun couple oxydant réducteur Notions de stéréochimie liées à présence dun carbone asymétrique et à lexistence de conformères Aucun mécanisme réactionnel nest abordé

13 Quelques aspects importants des programmes de chimie au lycée Lintroduction dès la classe de seconde de loutil « avancement » et son utilisation jusquen terminale S dans lanalyse des systèmes chimiques Une 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 enseignement Une condition permettant lémergence des concepts et la pratique de la démarche expérimentale autour dexpériences de cours ou en travaux pratiques. La pratique du questionnement Une 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 lappropriation des savoirs mise en oeuvre autonome de la démarche scientifique responsabilisation de lélève

14 Lintroduction dès la classe de seconde de loutil « avancement » et son utilisation jusquen terminale S dans lanalyse des systèmesloutil « avancement » Analyse des difficultés rencontrées par les élèves lors de létude de la réaction chimique : Distinction non faite entre la transformation chimique (registre des phénomènes) menant un système dun état initial à un état final et la réaction chimique responsable de cette transformation qui est un modèle (registre des modèles) à léchelle macroscopique des évènements ayant lieu au niveau microscopique. Cette réaction est écrite de façon symbolique par léquation chimique (registre des représentations symboliques),Distinction Difficulté à utiliser léquation 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 lévolution du système et de loutil avancement,un bilan de matière Difficulté de compréhension des titrages et détablissement de la relation entre quantité de matière à léquivalence : progressivité dans lapprentissage du titrage, utilisation du tableau pour appréhender les différentes phases du tirage et faire émerger léquivalence (changement de réactif limitant) introduction de la conductimétrie comme technique de suivi de suivi des titrages (G proportionnel à c)titrages A propos de lévolution vers un état final du système, état déquilibre chimique : utilisation du tableau dévolution avec X final = x eq et Q req = Kétat final du système, état déquilibre chimique

15 Lanalyse de lévolution des systèmes chimiques au lycée : concepts et outils -Registre des phénomènes : -la transformation chimique (ce que jobserve…) -Registre des modèles : -la réaction chimique (comment cela semble se transformer au niveau macroscopique : tout se passe comme si…) -Registre des symboles : -lécriture symbolique de la réaction : léquation chimique

16 Outils de description mis en place dès la classe de Seconde Un système chimique évolue au cours dune transformation dun état initial à un état final. P, T Magnésium (solide) Acide chlorhydrique (H +, Cl - ) Eau Air P, T Dihydrogène (gazeux) Ions magnésium, Mg 2+ 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 Léquation est lécriture symbolique de la réaction, elle rend compte de la conservation des éléments par lajustement des nombres stoechiométriques :

17 Le tableau descriptif de lévolution du système au cours dune transformation chimique et lavancement Outils danalyse proposés

18 A partir de la classe de seconde Pour effectuer les bilans de matière Compétences en cours dacquisition en seconde et exigibles en première S Létat final est atteint lorsquun réactif a entièrement disparu (réactif limitant) : lavancement final est égal à lavancement maximal. On considère les transformations comme totales en seconde et première S.

19 En classe de première S Pour comprendre le principe des titrages Solution de permanganate de potassium Solution dions fer(II) Réaction support du titrage Létat initial considéré est alors : le volume V 0 de solution dions fer(II) à titrer et volume V de solution titrante versée En phase dapprentissage, plusieurs tableaux sont établis pour comprendre lévolution des quantités de matière de réactifs présentes dans le becher au cours de laddition de la solution titrante.

20 Démarche mise en place pour faire émerger la notion déquivalence Par lécriture des quantités de matière à létat 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 léquivalence (quand les deux réactifs sont limitants). On peut représenter lévolution des quantités de matière des espèces présentes dans le becher au cours du titrage en fonction de la quantité dions permanganate versée et mettre ainsi en évidence deux domaines et un point singulier. Léquivalence acquiert là un sens chimique et nest plus seulement un point particulier dune courbe pHmétrique ou autre. n Fe 2+ n MnO 4 - n MnO 4 - versé équivalence MnO 4 - limitantFe 2+ limitant

21 A partir de la classe de première S Pour déterminer rapidement la relation à léquivalence du titrage Le tableau descriptif nest plus ensuite établi quà léquivalence E n(Fe 2+, dans le becher) 0 - 5x max = n(MnO 4 -, versé à E) - x max = 0 Soit 5 n(Fe 2+, dans le becher) 0 = n(MnO 4 -, versé à E)

22 En classe de terminale S pour suivre l évolution temporelle dun système Il convient de relier lévolution dune grandeur physique (P, G, v, m…) à une quantité de matière de réactif ou de produit puis à lavancement x(t) Par le suivi manométrique de loxydation du magnésium, on mesure la pression P = n(H 2 ) RT/V puis on détermine x(t) = n(H 2 )

23 Quen est-il de létat final du système constitué à létat initial dun litre de solution dacide dichloroacétique de concentration molaire apportée c = 0,1 mol/L ? CHCl 2 CO 2 H(aq) + H 2 O = CHCl 2 CO 2 - (aq) + H 3 O + K A = 10 -1,3 Équation : CHCl 2 CO 2 H + H 2 O = CHCl 2 CO H 3 O + Quantité de matière dans létat initial (mol) 0,10 00 Quantité de matière au cours de la transformation (mol) 0,10 - x xx Quantité de matière dans létat final (mol) 0,10 - x éq. x éq. En classe de terminale S pour déterminer létat déquilibre final dun système On a lavancement final qui est égal à lavancement à léquilibre

24 À léquilibre : Soit : Résolution de cette équation du second degré : x éq. = 0,050 mol (et x éq. = - 0,10 mol impossible) Calcul du taux davancement de la transformation : La transformation nest pas totale NB : pour une concentration apportée c = 1, mol/L, le taux davancement est = 99,8 %, la transformation peut alors être considérée comme totale

25 Cest la transformation qui est totale ou non, pas la réaction ! Le caractère total ou non dune transformation dépend à la fois : de la constante déquilibre ; des conditions initiales (comme en Physique) : cest à dire des quantités de matière présentes dans létat initial. Le critère K > 10 4 pour considérer une transformation comme totale est donc insuffisant, on utilise le taux davancement final dans le nouveau programme.

26 En classe de terminale S pour déterminer le sens dévolution dun système Soit la pile de concentration suivante : Cu / (Cu 2+ +SO 4 2- ) 0,01 mol.L -1 // Na + +NO 3 - // (Cu 2+ +SO 4 2- ) 1,0 mol.L -1 / Cu Utilisation du critère dévolution : comparaison de Q ri et de K Équation de la réaction : Cu + Cu 2+ = Cu 2+ + Cu K = 1 Q r < 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.

27 La chimie organique Au collège : Les matériaux demballage (le papier et les divers plastiques) ; action de lair et des solutions. En classe de seconde : Extraction despèces organiques présentes dans les produits de la nature, synthèse despèces organiques (importance de la chimie de synthèse) et caractéristiques physiques (carte didentité), 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 dun 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 leau….), Contrôle des transformations : ester, esterification, hydrolyse et saponification dester, utilisation danhydrides dacide, synthèse de molécules dusage courant, applications industrielles.

28 Les apports culturels Dimensions sociale, économique, citoyenne et historique En classe de seconde : Chimique ou naturel ? Exploitation des ressources de la nature par lhomme. 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 lenvironnement, recyclage, élimination des déchets…

29 Le questionnement Une place privilégiée des activités de réflexions scientifiques construites autour de situations-problèmes permet lacquisition de maturité vis à vis des apprentissages et dans lappropriation 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 dune expérience de cours pour faire émerger le concept déquilibre.dune expérience de cours -A propos des réactions compétitives et du contrôle exercé par le chimiste dans les opérations danalyse : séance de travaux pratiques sur le titrage direct de laspirine.travaux pratiques

30 La dimension expérimentale de lenseignement de chimie Pourquoi un enseignement expérimental ? Lexpérience de cours permet détablir un premier rapport entre le réel et sa représentation. Les travaux pratiques sont le seul moyen dappropriation de techniques et de méthodes, de confrontation des modèles des sciences physiques à la réalité des phénomènes, détablissement 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 quils cherchent, anticiper (quitte à faire des erreurs) un ou des résultats possibles, agir, expérimenter, conclure et ainsi élaborer leurs connaissances. Lenseignant 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 quil 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 lévaluation des élèves. Les compétences liées au comportement de lélève napparaissent pas dans la grille car elles interviennent en permanence : précision, soin, organisation (rangement et anticipation), et plus largement rigueur.grille de suivi Deux versions de TP autour dun même thème Deux versions de TP Une évaluation des capacités expérimentales intégrée dans lépreuve de sciences physiques et chimiques du baccalauréatévaluation des capacités expérimentales

31 Pour nous résumer Une cohérence dans le discours et la démarche De lobservation au modèle et non linverse Du simple au complexe et non linverse 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 lessentiel Réfléchir sur la métrologie et lanalyse des résultats Montrer que la maîtrise des concepts permet dappréhender le rôle du chimiste Montrer en quoi le chaos microscopique conduit (souvent) au déterminisme macroscopique

32 En conclusion De laléatoire au déterministe, de la structure à la réactivité, de lexpérimental 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.


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