Archéologie d`une science

Archéologie d’une science
CHIMIE 2de
Place dans les programmes
Le programme de chimie en classe de 2de est constitué
de trois parties:
« Chimique ou naturel ? » , « Constitution de
la matière »
et « Transformations de la matière » .Les docu-
ments et activités proposés s’intègrent dans les deuxième et
troisième parties de ce programme.
La deuxième partie (« Constitution de la matière ») permet
de revoir l’évolution du modèle de l’atome abordée au collège
afin d’en connaître la constitution, la représentation symbolique
et le calcul de la masse;d’acquérir la notion d’élément chi-
mique, celle de sa conservation, et la notion d’isotopie; de savoir
écrire la structure électronique d’un atome; de comprendre et
acquérir les règles du duet et de l’octet pour établir les représen-
tations de Lewis et de Cram des molécules; de connaître la
démarche de Mendeleïev lors de la conception de sa classifi-
cation périodique et de savoir utiliser ce tableau.
La troisième partie
(« Transformations de la matière »)
permet de mettreen place des outils de description macrosco-
pique du système impliquant la définition de la mole; de déter-
miner une masse molaire et une quantité de matière à partir
de la masse d’un solide ou du volume d’un liquide ou d’un
gaz ; de savoir écrire et équilibrer une équation chimique ;
de connaître le matériel usuel en chimie et de savoir l’utiliser
pour réaliser des dissolutions et dilutions;d’utiliser la notion
d’avancement pour construire un tableau descriptif de l’évolu-
tion du système afin de dresser un bilan de matière; de savoir
si les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiomé-
triques et, le cas échéant, pouvoir déterminer le réactif limitant.
Objectifs et démarche
L’enseignement des sciences physiques en 2de apour but
de mettreen forme,de compléter et d’approfondir les notions
de base étudiées au collège ; d’acquérir la méthode de la
démarche scientifique; d’utiliser le matériel usuel de chimie;
de donner une culturescientifique,et notamment d’appréhen-
der la notion d’évolution de la science; d’acquérir les notions
fondamentales nécessaires qui seront approfondies en classe
de 1re et de Tle.
L’objectif est de donner aux élèves le goût
des sciences et d’éveiller leur curiosité scientifique.
L’enseignant s’appuiera donc, tout d’abord, sur leurs connais-
sances en chimie issues de leur enseignement antérieur,
des médias et de leur environnement quotidien. Puis, grâce à des
activités variées (extraits de livres, d’articles de journaux ou de
magazines, vidéos, manipulations simples en classe, etc.), ainsi
que des séances de travaux pratiques, le cours sera l’aboutisse-
ment d’une discussion impliquant les élèves.
Le
DOC illustre l’histoire du modèle de l’atome ,qui a
évolué au cours des siècles. L’Activité ,quant à elle,pro-
pose une séance de travaux pratiques qui consiste à avoir une
approche expérimentale de la notion d’élément chimique et
de sa conservation. Elle permettradonc de savoir reconnaître
et nommer le matériel utilisé, de mettre enœuvre un protocole
simple, de schématiser une expérience, de consigner les obser-
vations et d’en tirer des conclusions, d’acquérir la notion de
conservation de l’élément chimique.
Le
DOC aborde l’histoire de la classification pério-
dique des éléments chimiques
.Quant à l’Activité (p. 37),
elle propose une séance de travaux pratiques illustrant expéri-
mentalement la notion de famille chimique ; elle sera donc pro-
grammée après le cours. Elle permettra notamment de savoir
réaliser des expériences simples, de revoir les représentations
de Lewis des molécules, d’utiliser la classification périodique
afin de prévoir la charge des ions monoatomiques, d’écrire et
d’équilibrer des équations chimiques, d’acquérir la notion de
famille chimique.
Le
DOC offrela possibilité de vérifier l’acquisition des notions
abordées dans la troisième partie du programme en utilisant
comme support une activité sur quelques expériences réalisées
par Lavoisier et une activité expérimentale complémentaire
(Activité ,p.37). Ces activités ont pour objectif d’
évaluer les
acquis
en ce qui concerne l’écriture d’une équation chimique
équilibrée, l’avancement de la réaction, le réactif limitant, le tableau
descriptif de l’évolution du système et le bilan de matière.
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SÉQUENCE PÉDAGOGIQUE 1
l
BAUDET Jean. Àla découverte des éléments de la matière. Paris:
Vuibert, 2009.
l
BENSAUDE-VINCENT Bernadette, KOUNELIS Catherine. Les
Atomes: une anthologie historique. Paris: Ellipses, 1994.
l
LAFONT Olivier.D’Aristote à Lavoisier :les étapes de la naissance
d’une science. Paris: Ellipses, 1994.
l
«Lavoisier », in Les Cahiers de Science & Vie, hors série no14,
1er avril 1993.
SAVOIR
>PAR CHRISTINE BOUILLET, PROFESSEURE DE PHYSIQUE-CHIMIE
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La représentation de l’atome au cours des siècles
lChristine Bouillet pour TDC, 2009.
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DOCUMENTS>>
Hydrogène
Azote
Carbone
Oxygène
lJoseph John Thomson (1856-1940) mit en évidence la présence dans l’atome de particules chargées
négativement (les électrons).
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© MP/LEEMAGE
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SÉQUENCE PÉDAGOGIQUE 1
lTableau de 1925. La classification de Mendeleïev fut complétée au fur et à mesure des découvertes.
La classification périodique des éléments chimiques
lDmitri Mendeleïev (1834-1907) et sa classification périodique des éléments chimiques, élaborée en 1869.
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© RUE DES ARCHIVES/RDA
© RIA NOVOSTI/SPL/COSMOS
©WERNER/PHOTOTAK/BSIP
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Les expériences de Lavoisier
lLe verre ardent de l’Académie des sciences, à Paris, réalisé sous la direction de Lavoisier. Gravure tirée du livre
d’Amédée Guillemin, Les Applications de la physique, 1874.
C
En mars 1775, Lavoisier réalise sa fameuse expérience des 12 jours et des 12 nuits sur l’oxyde rouge de mercure :
«J’ai renfermé dans un appareil convenable 50 pouces cubiques (0,8 L) d’air ; j’ai introduit dans cet appareil 4 onces
(122,3 g) de mercure très pur, et j’ai procédé à la calcination (chauffage) de ce dernier, en l’entretenant 12 jours. »
Il obtient 2,38 g d’oxyde de mercure et le volume d’air a diminué de 0,14 L. Le gaz restant n’entretient pas la
combustion et ne permet pas la respiration des animaux ; il s’agit donc de diazote. Puis il calcine les 2,38 g d’oxyde
de mercure obtenu (de formule chimique HgO) et il récupère 2,19 g de mercure et 0,14 L de gaz qui entretient
la combustion. Il s’agit donc de dioxygène.
lL’oxydation du mercure (première ligne) et la réduction de l’oxyde de mercure (deuxième ligne).
© HERITAGE IMAGES/LEEMAGE
©VINCENT LANDRIN
122,3 g
de mercure 0,8 l d’air
2,38 g d’oxyde de mercure
+ mercure
2,38 g d’oxyde de mercure
2,19 g
de mercure 0,8 l d’air
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SÉQUENCE PÉDAGOGIQUE 1
Qu’est-ce qu’un atome ?
La séance proposée ici permet d’étudier l’évolution de
la conception de l’atome au cours des siècles. Des travaux
pratiques pourront être organisés ensuite comme décrits
dans l’Activité (p. 36) pour introduire la notion d’élément
chimique,ainsi que sa conservation. Ce travail sera donc
réalisé avec les élèves au début de la deuxième partie de
chimie, en 2de :«Constitution de la matière.»
Au
V
esiècle av. J.-C., les philosophes grecs énoncent
une théorie selon laquelle tout objet de la nature est une
combinaison des quatre éléments: air, feu, eau et terre
(figure
1 ). Au IV
esiècle av. J.-C., Démocrite la remet en cause
en donnant forme à la notion d’atome. D’après lui, la matière
peut être divisée jusqu’à l’obtention de particules insécables:
les atomes. Ceux-ci peuvent être ronds ou crochus, lisses
ou rugueux (figure
2 ), et ils s’associent afin de former les
objets qui nous entourent. Ce concept est abandonné
pendant plusieurs siècles au profit de la théorie des quatre
éléments, jusqu’à ce qu’il soit repris par John Dalton. Celui-
ci postule qu’il existe plusieurs types d’atomes et en propose,
en 1808, la premièreliste de symboles (figure
3 ). Àla fin du
XIX
esiècle, Joseph John Thomson met en évidence la pré-
sence dans l’atome de particules chargées négativement
(les électrons) grâce aux expériences réalisées par William
Crookes. Le modèle de Thomson consiste à représenter
l’atome par une sphère pleine et positive, parsemée de par-
ticules chargées négativement (figure
4 ).
En 1911, Ernest Rutherford, àla suite de ses travaux
(il bombarde une feuille d’or très fine avec des particules
émises par un corps radioactif), imagine un modèle de
l’atome formé d’un noyau dense et positif autour duquel
gravitent des électrons à de grandes distances:l’atome est
essentiellement constitué de vide, sa structure est lacu-
naire (figure
5 ). Ce modèle ne permettant pas d’expliquer
toutes les propriétés des atomes, Niels Bohr, en 1913, pro-
pose une amélioration en introduisant la notion de niveaux
d’énergie (figure
6 ). Les électrons se déplacent autour du
noyau sur des « orbites » de rayon déterminé (couches
électroniques comprenant un nombre limité d’électrons),
mais, sous l’effet d’une excitation extérieure (apport
d’énergie), la distance noyau-électron peut augmenter,en
adoptant des valeurs bien définies. Ce modèle convient
parfaitement à l’atome d’hydrogène, mais comporte des
insuffisances pour les autres atomes. En effet, les électrons
sont constamment en mouvement autour du noyau; ils se
déplacent à grande vitesse et de façon désordonnée. Les
travaux de Louis de Broglie,Erwin Schrödinger et Werner
Heisenberg ont permis d’établir le modèle actuel: il n’est
pas possible de définir la trajectoire d’un électron, mais uni-
quement sa probabilité de présence;le noyau est chargé
positivement et il est entouré d’un nuage électronique
contenant les électrons, représenté par des points de den-
sité d’autant plus grande que la présence des électrons est
probable (figure
7 ). Enfin, le neutron (électriquement neutre
et de masse proche de celle du proton) a été découvert en
1932 par James Chadwick (figure
8 ).
Les atomes sont donc constitués d’un noyau contenant
les protons et les neutrons (l’ensemble s’appelle « les
nucléons») autour duquel gravitent les électrons chargés
négativement. Chaque proton porte une charge + e (charge
élémentaire) et chaque électron porte une charge – e; il y a
donc autant de protons que d’électrons dans un atome, car
il est électriquement neutre. Le noyau de l’atome est défini
par son nombrede protons, appelé «numéro atomique Z»
et l’atome de symbole chimique X est représenté par:
AX,Aétant son nombre de nucléons.
Z
Les stratégies de classification
Cette séance permet d’apprendre à utiliser la classifi-
cation périodique des éléments chimiques. À la suite de ce
cours, une séance de travaux pratiques sera organisée
(voir Activité , p. 36) afin d’illustrer la notion de famille
d’éléments chimiques.Ce travail sera donc réalisé avec les
élèves à la fin de la deuxième partie de chimie,en 2de :
«Constitution de la matière».
Dmitri Ivanovitch Mendeleïev est né en 1834 à Tobolsk,
en Sibérie. Il fut nommé professeur de chimie générale
àl’université de Saint-Pétersbourg en 1866. En 1869, il publia
la première version de ce qui deviendra le tableau pério-
dique, et en 1871, il en publia une version améliorée, laissant
des cases vides pour des éléments encoreinconnus.Son
travail fut d’autant plus reconnu que l’on découvrit suc-
cessivement trois éléments dont il avait envisagé l’exis-
tence: gallium, germanium et scandium. Les recherches de
Mendeleïev portèrent également sur les solutions, la dilata-
tion thermique des liquides et la naturedu pétrole. En 1893,
il devint directeur du Bureau des poids et mesures de Saint-
Pétersbourget occupa ce poste jusqu’à sa mort en 1907.
La classification périodique est l’aboutissement de nom-
breuses recherches et avancées, qui furent regroupées
sous une forme graphique simple. En 1817, le chimiste
allemand Johann Döbereiner remarqua que beaucoup
d’éléments pouvaient être rangés, selon leur similarité, en
groupes de trois: les triades (exemple: chlore, brome, iode).
Il montra également que, dans une triade, la masse ato-
mique de l’élément central est proche de la moyenne de
celles du premier et du troisième éléments. Cela encou-
ragea les chimistes à chercher des corrélations entre les
propriétés chimiques des éléments et leur masse atomique.
Durant les années 1860, plusieurs autres chercheurs mirent
au point leurs propres versions d’un tableau périodique.
Le 17 février 1869, Mendeleïev termina son tableau pério-
dique: les 63 éléments connus étaient disposés dans une
classification par masse atomique croissante, ce qui
faisait apparaître une périodicité de leurs propriétés chi-
miques. Cela lui permit de prévoir la présence d’éléments
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ANALYSE DES DOCUMENTS>>
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