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 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 2 h / quinzaine 60 heures dont 30 heures de TP Terminale scientifique Tronc commun 1,5 h / semaine 65 heures Spécialité physique-chimie 46 000 élèves 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.

Enseignement fondamental (80%) Enseignement thématique (20 %) 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 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 l’émergence des concepts et la pratique de la démarche expérimentale autour d’expériences 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 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 :

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

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 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.

Solution de permanganate de potassium Solution d’ions fer(II) En classe de première S Pour comprendre le principe des titrages Réaction support du titrage Solution de permanganate de potassium Solution d’ions fer(II) 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. L’état initial considéré est alors : le volume V0 de solution d’ions fer(II) à titrer et volume V de solution titrante versée

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. MnO4- limitant Fe2+ limitant n Fe2+ n MnO4- équivalence n MnO4- versé

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

En classe de terminale S pour déterminer l’état d’équilibre final d’un système 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  Quantité de matière au cours de la transformation (mol) 0,10 - x x Quantité de matière dans l’état final (mol) 0,10 - xéq. xéq. On a l’avancement final qui est égal à l’avancement à l’équilibre

xéq. = 0,050 mol (et xéq. = - 0,10 mol impossible) 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 t = 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  Les potentiels standard ne permettent pas de prévoir l'évolution d'un tel système. Utilisation du critère d’évolution : comparaison de Qri et de K  Équation de la réaction : Cu + Cu2+ = Cu2+ + Cu K = 1 Qr < K : le critère prévoit donc une évolution dans le sens direct que l'on peut observer à l'aide d'un ampèremètre

La chimie organique Au 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.