HGT - SCB - enseignement Catholique

SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425
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AUTEURS : Philippe Capelle, Caroline Destrée, Pascale Sartiaux
14 décembre 2014
Clarification conceptuelle à l’usage du professeur
Difficulté spécifique aux apprentissages en chimie
La chimie est la science de la matière et de ses transformations. Le monde de la chimie englobe donc
tous les matériaux qui nous entourent – les cailloux que nous foulons, la nourriture que nous mangeons,
la chair dont nous sommes faits et le silicium que nous introduisons dans les ordinateurs.
L’établissement de connexions entre les phénomènes que nous observons autour de nous et les
explications qu’en donne le chimiste en termes d’atomes, de molécules et d’énergie est l’une des
difficultés rencontrées lors des apprentissages. La difficulté est donc de développer l’aptitude à relier ce
que nous voyons à ce que nous pouvons imaginer sur la façon dont les choses se passent au niveau
microscopique.
Lors d’un exposé présenté au Congrès des sciences, en 2012, Jeremy Dehon et Philippe Snauwaert
(UNamur) ont clairement montré l’existence, en chimie, de 3 niveaux de savoirs entre lesquels on
demande à l’élève de naviguer de façon explicite mais souvent également de façon implicite (et il ne
sait pas alors à quel niveau on se situe ...).
Le schéma ci-dessous montre ces 3 niveaux de savoirs. Il s’inspire librement du schéma proposé lors
du Congrès des sciences de 2012.
Il serait pertinent, pour chaque situation d’apprentissage, d’expliciter, pour les élèves, le niveau dans
lequel on se situe.
Monde perceptible
Domaine concret des
expériences
Niveau macroscopique
Phénomène chimique,
transformation chimique
Mode de représentation : image,
film, tableau, description ...
Monde construit
Domaine abstrait de la modélisation
Niveau microscopique
Réaction chimique faisant
intervenir molécules, atomes, ions
…
Mode de représentation : écriture
nominative de la réaction
chimique, icones …
Niveau symbolique
Equation chimique pondérée
faisant intervenir des formules
chimiques
Mode de représentation : symboles
(chimiques et mathématiques)
HGT - SCB
Chimie
UAA1 et UAA2

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Phénomène chimique et phénomène physique
L’habitude existe de débuter un cours de chimie par la distinction entre ces deux types de phénomènes.
Et pourtant, ce n’est pas si simple : dire que, lors d’un phénomène chimique, les substances impliquées
voient leurs propriétés modifiées ne suffit pas pour le distinguer d’un phénomène physique puisque cela
peut également avoir lieu lors d’un phénomène physique (la glace formée à partir de l’eau liquide, par
exemple, n’a pas les mêmes propriétés que l’eau liquide).
Pour les scientifiques, la distinction se fait au niveau microscopique, par l’ordre de grandeur des
énergies mises en jeu. Ainsi, le domaine propre de la chimie concerne l’ordre de grandeur des énergies
de formation et de rupture des liaisons entre atomes alors que la physique est concernée par l’ordre de
grandeur des énergies mises en œuvre :
 dans des phénomènes intermoléculaires, comme les changements d’état,
 au sein même des atomes (physique nucléaire)
1
.
Dans le cadre de ce cours, ce qu’il faut savoir, c’est qu’un phénomène (ou une transformation
2
) chimique
est un phénomène au cours duquel les substances qui entrent en jeu « disparaissent » et donnent
naissance à de nouvelles substances. Cette « disparition » est souvent accompagnée de signes
perceptibles révélant qu’il « se passe quelque chose » :
 une production ou une absorption d’énergie,
 un changement de couleur,
 une émission d’odeur,
 …
Par exemple, quand on mélange de la poudre de fer et une solution de
sulfate de cuivre II, une transformation chimique a lieu : la solution
devient vert pâle (couleur des ions Fe2+) et du métal cuivre rouge
apparaît.
Lors d’une transformation chimique, il y a réaction entre certaines
espèces chimiques : celles-ci sont les réactifs. D’autres espèces se
forment : ce sont les produits.
Lors d’un phénomène physique, par contre, les substances qui entrent en jeu restent identiques, même
si elles peuvent changer de propriétés, d’aspect … C’est bien sûr le cas des changements d’état qui
seront envisagés lors de cette UAA : quand de l’eau liquide bout et se transforme en vapeur d’eau, la
substance reste bien la même (c’est de l’eau) mais l’aspect et les propriétés sont bien différents.
Note concernant la terminologie utilisée en chimie
Un phénomène (une transformation) chimique se situe au niveau de ce que l’observateur peut voir (c’est
le niveau macroscopique). On le représentera à l’aide d’une phrase qui décrit ce que l’on voit, par
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Les scientifiques expriment ces ordres de grandeur en électron-volt (eV) : 1 eV correspond à l’énergie acquise par un électron
soumis à une tension de 1 V. La chimie est concernée par des énergies comprise entre 1 et 10 eV alors que la physique étudie
les phénomènes dont l’énergie est de l’ordre de 10-1 eV (changements d’état) ou de l’ordre de 108 eV (physique nucléaire).
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Les deux mots sont ici considérés comme synonymes.
Produits (p = 1 bar
et t = 25 °C)
Solution incolore
d’ions sulfate
Métal cuivre rouge
Solution d’ions fer II
verts
Métal fer gris restant
Réactifs (p = 1 bar et
t = 25 °C)
Métal fer gris
Solution incolore
d’ions sulfate
Solution bleue d’ions
cuivre

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exemple : après une mise à feu, le charbon de bois réagit avec l’air pour former des cendres, de la
fumée et libérer de la chaleur et de la lumière.
Une réaction chimique concerne les événements qui ont lieu au niveau des espèces chimiques
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qui
entrent en jeu lors de la transformation chimique (c’est le niveau microscopique). On la représentera à
l’aide d’une phrase qui décrit ce qui se passe à ce niveau (écriture nominative), par exemple : le carbone
et le dioxygène de l’air réagissent pour former du gaz carbonique en dégageant de l’énergie.
Objets macroscopiques
Corps purs et mélanges
Toute matière est formée d’espèces microscopiques (atomes, molécules, ions).
Un corps pur est une matière formée d’espèces identiques, un mélange est une matière formée de deux
ou plusieurs espèces distinctes.
Un corps pur simple est un corps pur dont les espèces constituantes sont composées d’un seul type
d’atome. Il existe des corps purs métalliques (symbolisés par M) et des corps purs non métalliques
(symbolisés par X).
Un corps pur composé est un corps pur dont les espèces constituantes sont composées de deux ou
plusieurs types d’atome. Généralement, on classe le corps purs composés en corps minéraux (eau,
acides, bases ou hydroxydes, oxydes et sels) et en corps organiques.
Un mélange est un ensemble formé de deux ou plusieurs corps purs, chacun des constituants
conservant ses propriétés de départ.
Scientifiquement, un mélange est dit homogène s’il possède les mêmes propriétés en tout point. A ce
niveau, on considèrera un mélange comme homogène si ses constituants ne sont pas visibles à l’œil
nu.
Scientifiquement, un mélange est dit hétérogène s’il ne possède pas les mêmes propriétés en tout point.
A ce niveau, on considèrera un mélange comme hétérogène si ses constituants sont visibles à l’œil nu.
Solution, soluté, solvant
Une solution est le mélange homogène obtenu par dissolution d’une substance
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, appelée soluté dans
une autre, appelée solvant. Généralement, le solvant utilisé est l’eau : on parle alors de solution
aqueuse.
Le soluté est la substance qui se dissout.
Le solvant est la substance qui dissout.
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Les chimistes désignent par « espèce chimique » toute entité microscopique (atome, ion molécule, électron, proton) susceptible
d’intervenir dans une réaction chimique.
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On peut considérer les termes « corps pur » et « substance » comme synonymes.
Corps pur
Corps pur simple
Corps pur composé
Corps pur
simple
métallique (M)
Corps pur
simple non
métallique (X)
Corps pur
composé
minéral
Corps pur
composé
organique

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Concentration massique
La concentration massique d’une solution est la masse m de soluté dissoute dans un volume V de
solution. Cette grandeur physique, notée γ, est une grandeur caractéristique d’une solution donnée : si
l’on verse un peu de cette solution dans deux récipients différents, la concentration massique de la
solution n’aura pas varié.
Formule de la concentration massique : γ = m/V (Unité SI : kg/m3, unité généralement utilisée en chimie :
g/L)
Pour faire varier la concentration massique d’une solution, il y a deux possibilités :
 augmenter la masse de soluté (on considère généralement que, dans ce cas, le volume de la
solution ne varie pas) et la concentration massique de la solution augmente (dans ce cas, on a : V=
cte = m / ρ = m’ / ρ’);
 augmenter le volume de solvant (d’eau) et la concentration massique de la solution diminue (dans
ce cas, on a : m = cte = ρ . V = ρ’ . V’).
Remarque
La notion de concentration est difficile à comprendre pour les élèves, par exemple pour les raisons
suivantes :
 la valeur d'une concentration est le résultat d'un quotient de 2 nombres, l'un exprimant la valeur de
la masse, l'autre la valeur du volume ;
 la concentration d’une solution reste identique même après qu’on en ait prélevé une partie.
Notion d’élément
La notion d’élément renvoie au niveau macroscopique et au niveau microscopique.
C’est une substance chimique pure composée d’atomes ayant le même nombre de protons dans le
noyau atomique. Dans ce sens, l’élément est une entité macroscopique, il a la même signification
que corps pur simple.
C’est une sorte d’atome : tous les atomes qui ont le même nombre de protons au sein du noyau
atomique sont le même élément. Dans ce sens, l’élément est une entité microscopique : on parlera ainsi
du tableau périodique des éléments.
Objets microscopiques
Une molécule est l’espèce chimique que l’on obtient à la limite de partage d’une substance. Une
molécule a des propriétés propres (par exemple liées à sa forme ou à sa composition) mais elle n’a,
en tous cas pas, les propriétés de la substance dont elle est une composante : si la substance est
colorée, inodore et conductrice de l’électricité, ce n’est pas le cas d’une molécule composant cette
substance.
Une molécule a généralement une dimension ultra petite, de l’ordre de 10-9 m : il faut toujours se rappeler
que, dans 18 g d’eau, il y a environ 6.1023 molécules d’eau !
Un atome est l’espèce chimique composant la molécule. Bien entendu, un atome est encore plus petit
qu’une molécule : sa dimension est de l’ordre de l’Å (angström), soit 10-10 m.
Depuis très longtemps, l’être humain se pose la question: de quoi est constituée la matière ? et
finalement, de quoi est constitué un atome ? Les scientifiques ont alors élaboré des modèles
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de l’atome
qui ont beaucoup évolué en fonction du contexte historique et des développements technologiques (voir
annexe 1).
Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou des électron(s). Dans le cas d’un gain d’électrons, l’ion
est négatif, c’est un anion. Dans le cas d’une perte d’électrons, l’ion est positif, c’est un cation.
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Un modèle est une représentation simplifiée d’un objet, d’un phénomène ou d’un processus. En fonction de l’objectif poursuivi,
le scientifique décide quelles caractéristiques il va négliger pour construire son modèle. Un modèle peut être descriptif, explicatif
ou prédictif.

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Caractéristiques de l’atome
Chaque atome est caractérisé par :
 un nombre atomique, noté Z, qui correspond au nombre de protons de son noyau et au nombre
d’électrons (c’est aussi le numéro d’ordre de l’atome dans le tableau périodique) ;
 une masse atomique relative, notée Ar, qui est le rapport entre la masse de cet atome et la masse
de l’atome d’hydrogène, choisie comme référence
6
. C’est le rapport de deux grandeurs (deux
masses) de même unité : c’est un nombre ;
 une valence, qui correspond au nombre d’atomes d’hydrogène auquel cet atome peut se lier (on
désigne la valence par un chiffre romain);
 une électronégativité, notée ε, qui correspond à la capacité de cet atome d’attirer des électrons.
L’électronégativité est un nombre compris entre 0 et 4, pour l’atome le plus électronégatif, le fluor.
Ecriture symbolique des atomes et des molécules
Les atomes sont désignés par une lettre majuscule (C pour le carbone, par exemple) ou par une lettre
majuscule suivie d’une minuscule (Ca, pour le calcium par exemple).
Les molécules, étant constituées d’atomes, sont désignées par la suite des symboles des atomes dont
elles sont constituées. Les atomes sont toujours placés dans l’ordre des électronégativités croissantes.
Quand une molécule contient plusieurs atomes identiques, le nombre de ces atomes est désigné par
un indice : par exemple, la molécule de CaCl2 contient 1 atome de calcium et 2 atomes de chlore.
Quand une molécule contient plusieurs fois un groupement d’atomes identiques, ce groupement est
placé entre parenthèses auxquelles on ajoute un indice pour désigner le nombre de groupements : par
exemple, la molécule Ca3(PO4)2 contient 3 atomes de calcium et 2 groupements PO4 (phosphate).
Quand on souhaite mentionner plusieurs molécules, leur nombre est désigné par un coefficient, placé
devant le symbole de la molécule : par exemple 2 KOH désigne 2 molécules de KOH.
Les ions sont porteurs d’une charge électrique. Celle-ci est désignée par un exposant placé en haut à
droite du symbole de l’atome dont est issu l’ion : par exemple, l’ion Mg2+ est l’ion magnésium porteur
d’une double charge électrique positive
7
.
Remarque
Il peut arriver que l’on souhaite indiquer, pour un atome déterminé, son nombre atomique Z et son
nombre de masse A. Ceux-ci seront placés avant le symbole de l’atome, respectivement en exposant
et en indice : par exemple 612C désigne l’atome de carbone de nombre atomique égal à 6 et de nombre
de masse égal à 12.
La réaction de combustion
Pour les chimistes, une réaction de combustion est une réaction exothermique d'oxydoréduction.
 Réaction exothermique, c’est-à-dire une réaction au cours de laquelle il y a dégagement de chaleur.
 Réaction d’oxydoréduction, c’est-à-dire une réaction au cours de
laquelle les espèces chimiques impliquées échangent des électrons.
L’espèce chimique qui gagne des électrons (et devient donc
généralement négative) est appelée oxydant (dans ce cas, c’est le
comburant, généralement l’oxygène). L’espèce chimique qui perd des
électrons (et devient donc généralement positive) est le réducteur
(dans ce cas, c’est le combustible).
Dans le cadre de ce cours, ce qu’il faut savoir, c’est qu’une réaction de
combustion est à l’origine des feux et des incendies. Cette réaction ne peut
se produire que si trois éléments sont réunis en quantités suffisantes : un
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A ce niveau, la masse atomique relative est souvent arrondie à l’unité : on désigne alors cette grandeur comme étant le nombre
de masse A, qui est en fait la somme du nombre de protons et de neutrons du noyau.
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A noter cette notation particulière : + ou – pour une charge électrique simple, 2+ ou 3- pour une charge électrique multiple.