3- les principaux éléments de mathématiques et la culture

• Par Nadège Bigot
Document professeur
Exemple d’évaluation d’une connaissance du pilier 3 Sciences physiques et chimiques palier 4
3- les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique
Connaître les principales caractéristiques de la matière (l’inerte et le vivant) du point de vue physique et
biologique.
Cet exemple d’évaluation doit être proposé en fin de chimie en classe de troisième.
Les questions sont orientées de façon à faire un réel bilan des connaissances acquises dans les 3 années de
collèges.
Notons que la dernière question est totalement hors programme, mais permet de déceler chez des élèves
des connaissances qu’ils auraient pu acquérir par ailleurs.
Consignes pour le professeur :
L’introduction de l’étude documentaire est lue par le professeur, la question 1 est lue et explicitée et le
professeur vérifie que la consigne : « Pour la suite du questionnaire, n’utilisez que les deux modèles restants
donc vus au collège. » est comprise par tous les élèves.
Le professeur précise bien qu’il est important d’indiquer tout ce que l’on se rappelle des autres années à
chaque réponse, le but étant de vérifier les connaissances qui restent à la fin de 3 années de chimie sur la
structure de la matière.
Il est important de circuler et de remotiver des élèves perdus et d’oraliser les questions pour les élèves
dyslexiques.
La durée prévue est de 30 min mais on n’arrête que lorsque tous on finit.
L’évaluation est faite en classe et non à la maison.
Elle n’est pas obligatoirement notée.
Consignes de correction et de validation voir page 4
On relèvera dans la copie les mots ( ou synonymes) , idées ou expressions données dans la correction page
4
A chacun d’eux est associée une croix dans la marge.
Il y a un total de 23 croix .
On pourra admettre que la compétence est validée lorsque l’élève a fait un score d’au moins 18 croix.
Notons, que l’on ne peut utiliser uniquement ce test pour valider l’acquisition de cette connaissance sur la
classe entière.
Pour ceux qui l’on réussi, on peut valider la compétence, mais cela ne prouve pas que les autres ne l’ont
pas…
Pour ces derniers, il faudra faire un repérage oral lors d’expériences ou d’activités car il se peut que la
lecture soit un handicap dans ce test.

Document élève
ETUDE DOCUMENTAIRE : LES MODELES UTILISES EN CHIMIE
Dans l'histoire des sciences, plusieurs modèles de l'atome ont été développés, au fur et à mesure des
découvertes des propriétés de la matière. Aujourd'hui encore, on utilise plusieurs modèles différents ; en
effet, le modèle le plus récent est assez complexe, l'utilisation de modèles « anciens » ou partiellement faux,
mais plus simples, facilite la compréhension, donc l'apprentissage et la réflexion.
1. Le modèle de J.J. Thomson ou modèle du far aux pruneaux (plum-pudding)
Le pudding de Thomson, la charge positive est répartie dans un tout petit volume qui est
parsemée d'électrons
Avec la découverte de l'électron en 1897, on savait que la matière était composée de
deux parties : une négative, les électrons, et une positive, le noyau. Dans le modèle
imaginé alors par Joseph John Thomson, les électrons, particules localisées, baignaient
dans une « soupe » positive, à l'image des pruneaux dans le far breton (ou dans le plum-
pudding pour les Britanniques ou encore comme des raisins dans un gateau).
2. Le modèle des sphères dures
Le modèle le plus simple pour représenter un
atome est une boule indéformable. Une
molécule peut se voir comme plusieurs boules
accolées, un cristal comme des boules
empilées. On utilise parfois une représentation
« éclatée » : les atomes sont représentés
comme des petites boules espacées, reliées
par des traits, permettant de faire ressortir les
angles et de visualiser le nombre des liaisons.
3. Le modèle de Bohr
Dans ce modèle, développé par Niels Bohr en 1913, l'atome est composé d'un
noyau chargé positivement, et d'électrons tournant autour, les rayons des orbites
des électrons ne pouvant prendre que des valeurs bien précises.
Le noyau est très compact, d'un diamètre d'environ 10-15 à 10-14 m, c'est-à-dire
que le noyau est cent mille à un million de fois plus petit que l'atome ; il porte une
charge électrique positive. C'est aussi la partie la plus lourde de l'atome, puisque
le noyau représente au moins 99,95% de la masse de l'atome. Les électrons sont
ponctuels, c'est-à-dire que leur rayon est admis quasi nul (tout du moins plus petit
que ce que l'on peut estimer). Ils portent une charge négative. Pour des raisons
de lisibilité, le schéma ci-dessous n'est donc pas à l'échelle, en ce qui concerne les dimensions du noyau et
des électrons, ni aussi pour les rayons des différentes orbites.
4. Le modèle actuel : modèle de Schrödinger
Dans ce modèle, les électrons ne sont plus des billes localisées en orbite, mais des nuages de probabilité de
présence.
Ce que l'on connaît de l'électron ne repose que sur des manifestations indirectes : courant électrique, tube
cathodique (télévision)… Et pour représenter fidèlement les propriétés de l'électron, on ne dispose que des
fonctions mathématiques compliquées. Cette
abstraction rebute encore bien des physiciens.
Nous allons essayer de donner une image de
cette notion de fonction d'onde, image
nécessairement imparfaite : Imaginons que hors
de l'atome, l'électron soit une petite bille. Lorsque
l'électron est capturé par l'atome, il se « dissout »
et devient un nuage diffus, il s'« évapore ».
Quand on l'arrache de l'atome, il redevient une
petite bille, il se « recondense ». Il existe d'autres
exemples d'objet qui changent de forme, par
exemple, hors de l'eau, le sel est sous forme de
cristaux ; mis dans l'eau, il se dissout, et si l'on fait s'évaporer l'eau, on retrouve des cristaux. Le sel change de
forme (cristal compact ou dissous dans l'eau), mais on a tout le temps du sel.
http://www.ilemaths.net/encyclopedie/Atome.html Cet article est issu de l'encyclopédie libre Wikipedia.
Les textes et les images sont disponibles sous les termes de la Licence de documentation libre GNU.
Image simplifiée de l'arrachement d'un électron du
nuage électronique dans le modèle de Schrödinger
L'ionisation de l'atome (l'arrachement d'un électron
de l'atome) peut alors être représentée par le
schéma simplifié ci
-
dess
us.

Document élève
Questionnaire associé au texte :
I. Dans votre scolarité, au collège, deux modèles, parmi ceux cités dans le texte, n’ont jamais été
utilisés pour expliquer un résultat d’expérience, lesquels, pourquoi ?
Pour la suite du questionnaire, n’utilisez que les deux modèles restants donc vus au collège.
II. Quel modèle a permis d’expliquer ce qu’est le courant électrique dans un métal ? Justifiez.
III. En classe de 4°, vous avez étudié les propriétés de l’air, voici deux expériences qui les illustrent, l’une
effectuée à l’école élémentaire et une autre qui m’est arrivée.
IV.
V.
VI.
a. Un des deux modèles à permis d’expliquer ces observations, lequel ?
b. Expliquez chaque expérience à l’aide de ce modèle.
IV. Quel modèle a permis d’expliquer comment se forme un ion ? Justifiez
V. En classe de 4°, vous avez étudié les combustions, en particulier celle du
méthane.
L’équation de la transformation chimique est :
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Les nombres surlignés sont appelés coefficients stœchiométriques, ils
montrent combien il faut de molécules pour que la réaction vérifie la loi de
conservation des atomes (donc de la matière).
a. Quelle différence il y a entre un atome et une molécule ?
b. Quel modèle de l’atome permet de vérifier la conservation de la matière ?
c. Utilisez-le pour vérifier que le nombre d’atomes se conserve dans cette équation
de la combustion du méthane
VI. Connaissez-vous Nicolas Flamel ? Si vous êtes un lecteur attentif des aventures d'Harry Potter,
vous avez déjà croisé son nom ! Dans le roman, il est censé être l'ami de Dumbledore et
possède la Pierre Philosophale. Pure invention ? Pas tout à fait puisque Nicolas Flamel a bel et
bien existé et qu'il est considéré comme l'un des grands alchimistes de son temps. Le 25 avril
1382 à 5 heures du soir il parviendrait enfin, d'après ses dires, à transmuter du mercure en or. Il
raconte en effet :« Je fis la projection avec de la pierre rouge sur semblable quantité de
mercure [...] que je transmutais véritablement en quasi autant de pur or, meilleur certainement
que l'or commun plus doux et plus ployable. » .
a. Sachant que le numéro atomique du mercure est Z=80 et celui de l’or : Z= 79, que
s’est-il passé entre ces deux atomes ?
b. Quel modèle permet de l’expliquer ?
c. Est-ce une réaction chimique ? Une réaction nucléaire ? Justifiez.
Expérience des enfants du primaire :
Problème posé : Y a-t-il quelque chose dans la
bouteille vide ?
Les enfants ont alors imaginé d’appuyer sur
une bouteille plastique avec un ballon de
baudruche au-dessus, et ils ont noté les
résultats suivants :
http://www ac
Expérience vécue :
J’ai pris une bouteille vide (pleine d’air)
bien bouchée dans ma maison chauffée à 18°C.
Je la porte dans ma voiture le matin,
une belle gelée avait givré mon pare-brise.
Je regarde la température de l’intérieur de la voiture : -2°C.
Et là, j’entends un gros « clac »,
c’était ma bouteille qui c’était complètement
ratatiné sur elle-même.
http://www.agglo-arcdeseine.fr/dechets-et-
p
ro
p
rete/rec
y
cler/
q
ue-deviennent-nos-dechets
;

Document professeur (consignes pour valider la compétence)
On relèvera dans la copie les mots ( ou synonymes) , idées ou expressions suivantes :
A chacun d’eux est associée une croix dans la marge
I. Le modèle de JJ THOMSON trop éloigné de la réalité, il a été abandonné
et le modèle actuel de SCHRÖDINGER, actuel mais trop complexe pour être utilisé en classe de 3°.
II. Le courant électrique dans un métal est une circulation d’électrons libres. Le modèle de Bohr
explique bien la présence d’électrons et d’un noyau, il ne renseigne pas cependant sur le
pourquoi il existe des électrons libres dans les matériaux conducteurs d’électricité mais c’est
une première approche où on voit bien que les électrons sont situés à plusieurs niveaux
autour du noyau.
III. Sur les expériences,
a. Le modèle des sphères dures est plus pratique ici pour expliquer ces expériences car
nous n’avons pas besoin d’utiliser les électrons ou le noyau pour expliquer.
b. Dans la première expérience, les enfants comprennent que l’air est une matière, en
4° on a vu que le modèle que l’on pouvait utiliser est :
Une proportion de 4 molécules de dioxygène et d’une de dioxygène.
Comme le ballon de baudruche est élastique, en appuyant sur la
bouteille, les molécules se déplacent et gonflent le ballon. L’air est bien
une matière.
Dans la deuxième expérience, la température a fortement diminué,
donc les molécules s’agitent beaucoup moins, la pression diminue,
comme la bouteille est bouchée, aucune molécule ne peut entrer pour
équilibrer la pression. Donc à l’extérieur de la bouteille, la pression est
plus grande qu’à l’intérieur, étant légèrement élastique, elle s’écrase.
http://www.ac-orleans-tours.fr/physique/phyel/quatr/chimie-4eme/AIR/air2.htm
IV. Les ions sont des entités chargées électriquement, ils se forment soit par la capture, soit par
la perte d’un ou plusieurs électrons de l’atome ou du groupe d’atomes. Le modèle de Bohr
explique bien la présence d’électrons et d’un noyau, les électrons sont négatifs, le noyau
est positif et l’atome est électriquement neutre, donc si l’atome gagne un électron, l’espèce
deviendra globalement chargé négativement et forme donc un ion négatif, et si l’atome
perd un électron, l’espèce deviendra globalement chargé positivement et forme donc un
ion positif.
V. Sur la transformation chimique :
a. Une molécule est constituée de plusieurs atomes.
b. Le modèle des sphères dures, plus facile à dessiner, permet rapidement de vérifier la
conservation de la matière ici.
c.
+ +
http://www.dorianedraus.com/cours4/C-chapitre2.htm
On retrouve bien dans les réactifs puis dans les produits : 1 atome de carbone (sphère noire), 4
atomes d’oxygène (sphère rouge) et 4 atomes d’hydrogène (sphère blanche).Il y a donc
conservation des atomes de chaque type donc de la matière.
VI. Sur l’alchimie
a. Le numéro atomique indique le nombre de charges positives dans le noyau, Pour se
transformer, l’atome de mercure a donc perdu une charge positive donc ce n’est
plus du mercure, le numéro atomique a changé, cela devient de l’or.
b. Le modèle de Bohr précise le nombre de charges positives dans le noyau et le
nombre d’électrons, cela explique donc que
c. C’est une réaction nucléaire, car on a vu que dans toute transformation chimique, le
nombre d’atomes de chaque type était conservé, il ne peut donc y avoir de
modification du numéro atomique.
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