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

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

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. 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 est notre propos ? Nous avons consulté plusieurs ouvrages sur l’approche systémique. Vous pourrez les consulter à la fin de la conférence. Nous en avons extrait des fragments pour concevoir cette conférence. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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. Quel n’est pas notre propos ? Le nouveau programme développe une pédagogie conforme au décret mission et laisse des espaces de liberté. Nous occupons un de ces espaces. Nous pensons avoir observé suffisamment de bénéfices à notre démarche pour avoir le souhait de relire l’enseignement de la chimie « avec des lunettes de systémistes ». ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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. Le phénomène chimique le plus connu des élèves est la cuisson du poulet. C’est trop compliqué pour être étudié dans un laboratoire du secondaire. Le chemin est long entre l’observation: «je plonge un métal dans une solution bleue » et le réarrangement moléculaire entre le zinc et le sulfate de cuivre hydraté. L’équation chimique ne suffit pas pour maîtriser un phénomène chimique sur le terrain. Le physicien qui parle des poulies et leviers, le biologiste qui parle du système nerveux adopte un langage plus proche de l’élève que le chimiste qui parle des liaisons chimiques. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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 ». Il faut en permanence circuler entre différentes représentations ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. Approche systémique ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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

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

En chimie Système = phénomène chimique Organisation structurelle Niveaux hiérarchiques Organisation fonctionnelle modules On a décidé de prendre comme système le phénomène chimique, on aurait pu décider de prendre la chimie ou l’apprentissage de la chimie ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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 » ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

L’organisation structurelle ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

Organisation structurelle Répartition en niveaux hiérarchiques Exemple: médecine – anatomie Molécules du vivant Cellules Organes Organisme L’étude des molécules organiques de l’être humain ne permet pas de déduire le comportement des cellules. L’étude des cellules n’explique pas tout l’organe et l’étude de l’ensemble des organes de mon voisin ne permet pas de décrire l’entièreté de son comportement. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

Les niveaux hiérarchiques en chimie Micro Equation chimique Réaction chimique Macro Transformation chimique Quotidien L’équation chimique est un code langagier. Une formule n’est pas un objet comme une molécule ou une solution. Une équation décrit une fraction de la réaction chimique L’ancrage d’un phénomène chimique dans une société, ce n’est plus de la chimie, mais peut-on s’en passer lorsqu’on enseigne la chimie ? ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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 ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

Organisation fonctionnelle ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

Organisation fonctionnelle Impact But Système Phénomène chimique des réactifs Entrées Flux Profil de la réaction Gestion de la réaction La notion de système nous est bien connue car on ignore souvent beaucoup de ce qui se passe entre la mise en commun des réactifs et l’apparition des produits. Si je veux jouer à un jeu de société avec quelqu’un, il faut que je connaisse les règles (profil du jeu), mais connaître les règles ne fait pas de moi un bon joueur (gestion de la partie). L’impact est ici l’importance que ce phénomène peut avoir à l’extérieur du système « phénomène chimique », impact économique, social, culturel, … . Frontière Sorties des produits ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. Je dois choisir et conditionner des réactifs Profil des réactifs ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. Profil des réactifs Comment les reconnaître ? Comment les conditionner ? Quel état physique ? Pur ou dissous? En quelle concentration ? Quels sont les risques ? Les élèves ont souvent trop peu d’informations pour reconnaître un réactif (tout ce qui agresse est de l’ammoniac). L’équation chimique ne donne aucune information sur le conditionnement du réactif. Dans les réactions d’oxydoréduction, les caractéristiques de l’électrode influencent fortement la réaction. La lecture et l’interprétation systématique des étiquettes (logos et phrases) nécessiterait un important « ré-étiquetage » dans bien des laboratoires. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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 ? ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. 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 ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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-. ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. Je dois déterminer à quelle classe appartient la réaction Profil de réaction ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. 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) ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. 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  H2O H3O+Cl-  Na+OH-  Na+Cl-  2H2O hydrolyse : sel  H2O ↔ acide  base NH4  Cl -  H2O ↔ H3O  NH3  Cl - déplacement :sel  acide ↔ acide  H2O CH3COO- Na H3O+Cl- ↔ CH3 COOH  H2O  Na+Cl- ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. 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 ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

Démarche de résolution des grands types de réactions chimiques D Démarche de résolution des grands types de réactions chimiques D. Guillaume, Raymonde Mouton – ABPPC n°175, 2007 Quelles sont les espèces majoritaires ? Possibilité d’une réaction ACIDE-BASE ? Quelles sont les fonctions de ces espèces majoritaires ? Possibilité d’une réaction d’OXYDO-REDUCTION ? Equation ionique de la réaction acide-base Classement des couples Redox possibles Des ions peuvent-ils former un précipité ? Réaction possible Quel est l’avancement de la réaction ? Equation ionique Equation moléculaire Des ions spectateurs peuvent-ils former un précipité ? Nécessité d’un type de milieu ? Conditions de la précipitation Demi-équations ioniques Equation moléculaire de la réaction acide-base Equation ionique de la précipitation Equation ionique Equation moléculaire Equation moléculaire de la double réaction Zone de pH du milieu obtenu Calcul de  E0 ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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? ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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 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 risques ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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 déchets Gestion de l’énergie Le taux d’avancement est le pourcentage de produit obtenu si on travaille parfaitement. Il n’est pas de 100% à cause de l’équilibre. Le rendement est le % de produit réellement obtenu. Il n’est pas de 100% car je n’ai pas travaillé soigneusement, … . ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. 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.

ForFor 2011 Pierre Hautier & coll. 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 ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.

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 ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.