Approche systémique

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.
1
Le sujet de cette conférence
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
2
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 ?
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
3
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 ?
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
4
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.
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
5
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 ».
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
6
Approche systémique
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
7
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.
8
Analogie: en médecine
Système = corps humain
Organisation
structurelle
Organisation
fonctionnelle
Anatomie
Physiologie
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
9
En chimie
Système = phénomène chimique
Organisation
structurelle
Organisation
fonctionnelle
Niveaux
hiérarchiques
modules
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
10
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.
11
L’organisation structurelle
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
12
Organisation structurelle
• Répartition en niveaux hiérarchiques
• Exemple: médecine – anatomie
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
13
Les niveaux hiérarchiques en chimie
•Equation chimique
Micro •Réaction chimique
•Transformation chimique
Macro •Quotidien
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
14
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.
15
Organisation fonctionnelle
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
16
Organisation fonctionnelle
Impact
But
Entrées
des
réactifs
Phénomène chimique
Système
•Profil de Flux
la réaction
•Gestion de la réaction
Frontière
des
Sorties
produits
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
17
Je dois choisir et conditionner des réactifs
PROFIL DES RÉACTIFS
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
18
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
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.
20
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.
21
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.
22
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.
23
Je dois déterminer à quelle classe appartient
la réaction
PROFIL DE RÉACTION
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
24
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.
25
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+ClForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
26
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.
27
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 ?
Equation ionique de la
réaction acide-base
Quel est l’avancement de
la réaction ?
Des ions peuvent-ils
former un précipité ?
Equation ionique
Possibilité d’une réaction
d’OXYDO-REDUCTION ?
Classement des couples
Redox possibles
Réaction
possible
Equation moléculaire
Des ions spectateurs
peuvent-ils former un
précipité ?
Equation
ionique de la
précipitation
Equation
moléculaire de
la double
réaction
Conditions de la
précipitation
Equation
moléculaire de
la réaction
acide-base
Nécessité d’un type de
milieu ?
Demi-équations ioniques
Equation ionique
Equation moléculaire
Calcul de  E0
Zone de pH du
milieu obtenu
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
28
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.
29
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.
30
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
ForFor 2011 Pierre Hautier & coll.
31
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
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.
33
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.
34