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Vol. 98 - Juillet / Août / Septembre 2004 Alain DUMON et André LAUGIER

L’équation de réaction : approche historique et didactiquede la modélisation de la transformation chimique

par Alain DUMONIUFM d’Aquitaine - Antenne de Pau

[email protected]

et André LAUGIERIUFM d’Aquitaine - Bordeaux

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RÉSUMÉ

À l’issue de la classe de seconde, face à une transformation de la matière, un élèvedoit savoir reconnaître une réaction chimique, quels sont les concepts qui l’organisent,comment il est possible de représenter un tel phénomène, quel langage permet de commu-niquer des connaissances à son sujet. C’est l’équation de réaction qui permet ce passagede l’observation expérimentale à la modélisation grâce au recours à l’échelle atomiqueet moléculaire. C’est un concept complexe dont la maîtrise nécessite une forte capacitéd’abstraction. Dans cet article seront analysées les différentes étapes de l’élaborationhistorique du concept d’équation de réaction ainsi que les difficultés rencontrées par lesélèves.

1. POSITION DU PROBLÈME

Les élèves qui entrent au lycée en classe de seconde (15-16 ans) ont eu au collègeun enseignement sur la transformation chimique, au cours duquel ont été abordés lesconcepts de : substance chimique identifiable par ses propriétés, molécules constituéesd’atomes, atome représenté par un noyau chargé positivement entouré d’un cortèged’électrons. Ils doivent savoir qu’au cours de la transformation chimique, la disparitionde tout ou partie des réactifs et la formation des produits correspond à un réarrangementd’atomes au sein de nouvelles molécules. La masse totale est conservée au cours de cettetransformation. L’équation de réaction a été introduite dès les premières réactions rencon-trées, et les règles pour « équilibrer » ces équations (conservation des atomes au cours dela réaction, conservation de la charge lorsqu’il y a des ions) doivent être connues (BOENn° 10 du 15 octobre 1998). Mais lorsque les élèves arrivent à maîtriser ces règles, quelsens leur donnent-ils ? Quelle représentation de la transformation chimique construisent-ils lors de leur application ?

Un questionnaire réalisé en 2000 a été posé à 112 élèves en début de seconde. Desentretiens avec dix élèves ont été conduits afin d’éclairer les réponses au questionnaire.

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L’équation de réaction : approche historique et didactique... Le Bup no 866

Nous présenterons un résumé de l’analyse qui en a été réalisée [1].♦ Les élèves sont conscients du fait que la formule chimique permet de connaître avec

précision la nature et la proportion des atomes qui constituent un corps, mais ilspensent également que la formule chimique n’est qu’une abréviation.

♦ La majorité des élèves pense savoir effectuer l’opération « d’équilibrage » (1) d’uneéquation chimique, il s’agit d’une opération qui relève d’une arithmétique comptable,mais cette compétence ne signifie pas pour autant qu’ils aient bien compris ce quereprésentait cette équation.

♦ En ce qui concerne la conservation du nombre des atomes au cours d’une transfor-mation chimique, les opinions sont partagées (54 % contre et 46 % pour).

Sur les dix élèves interrogés lors des entretiens, la moitié pense à l’équation de réac-tion pour représenter une transformation chimique. Ce résultat, relativement satisfaisant,cache le fait qu’aucun de ceux qui citent l’équation de réaction ne sait la lire correcte-ment dans les registres macroscopiques et microscopiques. Simplement, ils savent qu’elledoit être écrite, mais ils ne savent pas comment s’en servir pour représenter une réactionchimique. Cette utilisation du symbolisme chimique semble constituer, pour l’élève quientre en seconde, une véritable pierre d’achoppement : « les formules chimiques, équi-valence, rééquilibrage, ... au collège j’avais trouvé ça très dur ». C’est autour de l’utili-sation de l’équation de réaction que se focalisent les récriminations des élèves « les équa-tions de réaction, c’est trop abstrait. Pour moi, ça ne représente rien de voir des chiffres,des lettres qui bougent ».

On peut conclure que, s’ils semblent connaître les règles qui permettent « d’équili-brer » l’équation d’une réaction chimique (conservation des atomes mais pas des molé-cules), ils éprouvent effectivement de réelles difficultés à s’en servir. Le symbolismeassocié au langage chimique ne peut être mis en relation avec le champ empirique deréférence.

BARLET et PLOUIN [2] qualifient l’équation de réaction de concept intégrateur : inté-grateur en ce sens qu’il permet de rendre compte de l’observation expérimentale à l’échelled’une très grande population d’entités chimiques mais qu’il ne prend sens que grâce aurecourt à l’échelle atomique et moléculaire. Ce passage de l’observable au modélisablenécessite la maîtrise de concepts du registre microscopique (atome, élément, molécule,ion, masses atomique et moléculaire), du registre macroscopique (espèce chimique, corpssimple, corps composé, masse molaire), du registre symbolique (symboles des éléments,formules des espèces chimiques, nombres stœchiométriques) et enfin de l’opérateur quipermet de « faire le transfert de l’individu chimique non observable à une collection d’in-dividus chimiques observables ».

L’équation de réaction est donc un concept complexe dont la maîtrise nécessite uneforte capacité d’abstraction. Il serait illusoire de croire qu’alors que les scientifiques ont

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(1) Les programmes de collège ont été écrits avant ceux de lycée qui préconisent l’expression « ajuster lesnombres stœchiométriques » d’une équation chimique. Ils utilisent encore le verbe « équilibrer ».


mis des siècles à le construire, les élèves seraient capables de l’utiliser pour l’établissementde bilans en masse (compétence attendue en fin de seconde) sans rencontrer de problèmes.C’est à la recherche de ces difficultés, pouvant être des obstacles, qu’est consacré cetravail.

2. APPROCHE HISTORIQUE : LES DIFFÉRENTS NIVEAUXDE FORMULATION DE LA TRANSFORMATION CHIMIQUE

Derrière les objectifs assignés à l’enseignement de la chimie en classe de seconde,c’est toute l’activité des philosophes et des scientifiques depuis deux mille ans, autour dela matière et de ses transformations, qui se trouve concernée [3].

Le niveau macroscopique

Jusqu’à LAVOISIER, les composés n’étaient considérés que dans leur globalité etn’étaient identifiés que par quelques caractères analytiques. On se trouvait en présenced’acides, d’alcalis, de sels, d’oxydes, de composés tirés de matières végétales et/ouanimales, etc. On doit à LAVOISIER la mise en place des premiers outils méthodologiquesrigoureux pour l’étude de la transformation chimique : « On est obligé de supposer danstoute transformation chimique une véritable égalité ou équation entre les principes descorps que l’on examine et ceux que l’on retire par l’analyse. Ainsi puisque le moût deraisin donne du gaz acide carbonique et de l’alcool, je puis dire : moût de raisin = acidecarbonique + alcool ». Par contre, LAVOISIER se préoccupe peu de la symbolisation pardes formules qui sont pour lui « de simples annotations destinées à soulager les opéra-tions de l’esprit ! ».

Suite aux travaux de WENZEL, RICHTER établit en 1792 la notion de « stœchiomé-trie », ainsi que la loi dite des « nombres proportionnels » et la notion « d’équivalentchimique » qui s’y rattachent. Ces travaux sont complétés par ceux de PROUST (de 1797à 1807) sur les « proportions définies » dans lesquelles les substances chimiques secombinent. À la suite de ces travaux les chimistes acquièrent la conviction qu’il estpossible d’attribuer à chaque élément un « coefficient » tel que dans tout composé, lerapport des poids des éléments combinés sera égal au rapport de leurs « coefficients » ouà un multiple simple de ce rapport.


À ce premier niveau, la transformation chimique peut être définie comme unprocessus de modification de la nature des substances en présence. Processus durantlequel la masse se conserve ainsi que les « éléments » constituant les corps.

Les substances sont des corps purs caractérisés par leurs propriétés physiqueset chimiques.

Le niveau atomico-moléculaire

DALTON, en 1808, est le premier à faire un lien entre le macroscopique accessible à


l’expérience et le microscopique imaginé. Il fait l’hypothèse que cette fixité des propor-tions en masse est due à l’existence de « particules », les atomes, qui sont caractéristiquespour chaque élément. Pour lui à chaque corps simple est associée une « particule » et àchaque « particule » un symbole et un poids atomique. Ces symboles permettent de construiredes formules faisant apparaître le nombre de « particules » qui s’associent. Avec DALTON,les atomes deviennent d’authentiques individus matériels : il y a autant d’atomes qued’éléments et ces atomes sont indestructibles et inaltérables. Ce sont les particularités deces atomes qui communiquent à notre échelle leur spécificité aux corps.

BERZELIUS propose, dès 1813, de remplacer les symboles de DALTON par des lettresce qui le conduit à une représentation des formules des composés chimiques relativementproche de la nôtre. Un des premiers à utiliser les symboles de BERZELIUS pour symbo-liser l’écriture de la transformation chimique sera THENARD (1836), auquel nous emprun-tons l’exemple de la réaction entre l’acide sulfurique et un métal :


Cependant, le statut du concept d’atome tel qu’il est utilisé par THENARD n’est pascelui d’une « particule » microscopique. Pour lui comme pour la majorité des chimistesdu XIXe il s’agit de l’atome chimique : la plus petite quantité de matière d’un élément quientre en combinaison.

La distinction entre atome et molécule (définie comme unité de substancechimique), initiée par AVOGADRO (1811) puis reprise par GAUDIN (1833) ne deviendravéritablement effective que suite aux travaux de CANNIZZARO. Dans son cours de chimiepublié à Gènes en 1858 il propose, en adoptant l’échelle des poids atomiques deGERHARDT (1844) des formules très proches des formules utilisées aujourd’hui :

La théorie de l’atomicité (KEKULÉ, 1857 ; COOPER, 1858) et l’interprétation des phéno-mènes d’isomérie conduiront à la représentation des substances chimiques sous forme deformules développées (COOPER, 1858 ; BOUTLEROV, 1859 ; BROWN, 1861, LOSCHMIDT,1861) puis sous forme de représentations dans l’espace (PATERNO, 1869 ; LE BEL, 1874 ;VAN’T HOFF, 1874).


Le niveau physico-chimique

La fin du XIXe siècle et le début du XXe verront un rapprochement des disciplinesphysique et chimie et donc une modélisation de la transformation chimique empruntantaux deux disciplines, aussi bien dans le registre microscopique que macroscopique.

♦ Dans le registre microscopique

Ce qui manque toujours c’est la distinction entre le corps simple et l’élément et leurmise en réseau avec les concepts d’atome et de molécule. Ce travail sera réalisé parMENDELEÏEV (1879) : « Un corps simple est quelque chose de matériel, doué depropriétés physiques et capable de réactions chimiques. À l’expression de corps simplecorrespond l’idée de molécules (...). Il faut réserver le nom d’éléments pour caractériserles particules matérielles qui forment les corps simples et composés, et qui déterminentla manière dont ils se comportent au point de vue physique et chimique. Le mot élémentappelle l’idée d’atome ». L’élément est ainsi désubstantialisé, il devient un conceptremplaçant l’atome dans l’écriture des formules chimiques.

L’atome lui aussi va subir une profonde évolution. Sous l’influence des physiciensqui se préoccupent de la théorie cinétique des gaz (CLAUSIUS, 1869 ; MAXWELL, 1873 ;BOLTZMANN, 1897) et suite aux travaux de PERRIN (1909, 1913) sur la détermination dunombre d’Avogadro, il va devenir la « plus petite particule ayant une réalité matérielle ».Mais, au moment même où la réalité des atomes devient difficilement contestable, desdécouvertes vont conduire au passage de l’atome corpusculaire insécable à « l’atomepolycorpusculaire ».

C’est l’étude par THOMSON (1897) des rayons cathodiques qui va conduire à émettrel’hypothèse de l’existence de petites particules chargées d’électricité négative au sein desatomes : les électrons (2). C’est ensuite pour interpréter la déviation des rayons α par lamatière que RUTHERFORD propose une hypothèse sur la structure de l’atome selon laquellela charge positive et la masse de l’atome sont concentrées dans un très petit volume au


À ce deuxième niveau, la transformation chimique devient un processus de réor-ganisation des « atomes » (unité de matière indivisible) des substances de départ, parlequel se forment de nouvelles substances. Au cours de la transformation, la masse,le nombre et l’identité des atomes se conservent.

Cette transformation est symbolisée par une équation de réaction. Les substancespeuvent être des corps simples ou composés, constitués d’atomes (identiques ou diffé-rents) unis entre eux par des « liaisons chimiques » (dont la nature n’est pas précisée)au sein de molécules (où les atomes sont distribués suivant certaines dispositionsspatiales) ou de structures géantes (métaux, cristaux).

(2) Nom donné par STONEY (1874) à l’unité naturelle de charge électrique que porte un ion monovalent dansl’électrolyse.


centre de l’atome et les électrons occupent l’espace situé à l’extérieur du noyau : l’atomeest donc essentiellement constitué d’espace vide ! Le nombre d’unités de charge positiveest ensuite identifié (1914) au nombre atomique, terme introduit par MOSELEY (1913)lors de son étude du spectre d’émission des rayons X par les éléments (corps purs). En1919, RUTHERFORD postule que l’unité de charge positive est l’ion « H+ », qu’il dénomme« proton ». La recherche d’une réponse à l’énigme posée par les isotopes, « éléments »qui ont des propriétés identiques mais des masses différentes, conduit CHADWICK (1932)à mettre en évidence l’existence d’une particule subatomique nouvelle : le neutron.

À partir de 1916 les chimistes vont s’attacher à élaborer un modèle de l’atome enaccord avec le tableau périodique de MENDELEÏEV, capable d’interpréter la valence variabledes éléments et les liaisons entre les atomes. C’est la recherche de l’arrangement desélectrons dans l’atome qui va commencer. C’est ainsi que KOSSEL pose les premièresbases de la relation entre la structure atomique et le comportement chimique des atomes(1916). Il introduit la notion d’« électrons de valence », qui déterminent les propriétés del’atome et le remplissage successif des couches, par ajout d’un électron. Sur ces bases,KOSSEL interprète le mécanisme de l’ionisation par perte ou gain d’électrons de façon àacquérir la configuration similaire à celle du gaz rare « le plus proche » dans la classifi-cation.

La même année, LEWIS apporte des précisions au modèle de KOSSEL, en particulierla tendance d’un atome à atteindre huit électrons sur sa couche externe et le fait qu’uneliaison chimique résulte de la mise en commun de deux électrons. Il représente le cœurde chaque atome d’un composé en utilisant le symbole de l’élément et les électrons situéssur l’enveloppe extérieure par des paires de points. En 1919, LANGMUIR propose uneextension du modèle de LEWIS en introduisant les notions de couches et de sous-couches(complètes à deux électrons) et formule la règle de l’octet, selon laquelle le nombremaximum d’électrons sur la couche externe est de huit (de deux pour la première ligne).

Entre 1922 et 1924, de nombreux travaux vont être publiés sur le dénombrementdes sous-niveaux d’énergie associés aux niveaux d’énergie des spectres des rayons X queBARKLA (1911) proposera de noter K, L, M, ... Ce n’est qu’à la fin du premier quart duXXe siècle, le développement du modèle de BOHR ayant multiplié les variables quantifiéesdont dépend l’état des électrons dans les atomes (moment cinétique magnétique, spin),qu’il devient possible d’établir la structure électronique exacte de la totalité des élémentsdu tableau de MENDELEÏEV. Avec les quatre nombres quantiques n, l, m, s, les élémentspeuvent être décrits en termes de couches, sous-couches et cases quantiques.


À ce troisième niveau, et dans ce registre, la transformation chimique est unprocessus qui fait intervenir les électrons des couches de valence des atomes ; atomesunis par des liaisons covalentes au sein de molécules, ou sous forme d’ions. Durantla réorganisation des atomes des liaisons se rompent, d’autres se forment.

Les atomes sont constitués de particules subatomiques. Ils sont représentés par


♦ Dans le registre macroscopique

Avec BERTHOLLET (1803), les réactions ne sont plus totales, elles conduisent à unétat d’équilibre statique où coexistent les produits et les réactifs.

À partir des années 1850, l’attention des chimistes va se porter sur le caractèrelimité des réactions de la chimie organique et des réactions de « dissociation » des composésgazeux à haute température. SAINTE-CLAIRE DEVILLE (1855 puis 1864) et BERTHELOT etPÉAN DE SAINT GILLE (1862 et 1863), utilisant la thermodynamique, en proposent uneexplication au niveau macroscopique : deux réactions inverses et opposées conduisent aubout d’un certain temps à un état final d’équilibre chimique. Avec WILLIAMSON (1852,1854), l’état d’équilibre chimique ne sera plus considéré comme un état de repos maiscomme un état où les deux réactions inverses et opposées se produisent simultanément (3).

GULDBERG et WAAGE (1864 puis 1867), établissent que les réactions complètes(totales) sont un cas particulier des réactions limitées et proposent une loi empirique enintroduisant le concept de « masse active » (la concentration dans le langage d’aujour-d’hui). Après les travaux de VAN’T HOFF (1884) et d’ARRHENIUS (1887) cette loi va êtrevalidée et appliquée dans le cas des équilibres gazeux et des équilibres acido-basiques.

L’interprétation thermodynamique des équilibres et la prévision de l’évolution d’unsystème chimique seront données par GIBBS (1876) et HELMOTZ (1882) à partir de lafonction d’état enthalpie libre G. L’étude de l’influence des facteurs physiques (tempé-rature, pression) et chimiques (concentrations) sur le déplacement des équilibres seraréalisée par VAN’T HOFF (1884) et LE CHATELIER énoncera en 1884 son « principe demodération ».

La variable caractéristique de la quantité de matière des différentes substancescaractéristiques d’un système chimique a longtemps été la masse. En 1893 apparaît lanotion de mole. En fait, Mol., était l’abréviation du mot allemand « Molekül » utilisé parOSTWALD pour noter : « Le poids en gramme numériquement égal au poids normal oumoléculaire d’une substance donnée ». En effet les chimistes de l’époque utilisaient lanotion de « molécule-gramme » au laboratoire comme outil pour préparer les solutions.Les thermodynamiciens utiliseront ensuite la mole définie comme étant : « La quantitéde substance dont le poids exprimé en gramme est numériquement égal au poids molé-culaire ». Mais définie ainsi elle présente l’ambiguïté de représenter à la fois une masse


le symbole de l’élément correspondant, son numéro atomique, un nombre de masse,et possèdent une certaine structure électronique. Le nombre de liaisons (ou la chargedes ions) qui peuvent être formées par un atome est lié à cette structure.

L’équation de réaction symbolise le bilan de ce qui se passe à l’échelle micro-scopique lors des chocs entre molécules ou atomes.

(3) VAN’T HOFF introduira en 1884 le symbole des doubles flèches pour symboliser l’équilibre chimique.Jusque là le signe = séparait les deux membres d’une équation chimique.


individualisée et un ensemble d’unités discrètes (arbitrairement égal au nombre d’Avo-gadro) à l’échelle atomique. L’IUPAP (1958) puis l’IUPAC (1967) proposent de définirla mole comme étant la quantité de matière contenant autant d’entités élémentaires qu’ily a d’atomes dans une masse d’un isotope de référence (16 g de l’isotope 16O pourl’IUPAP ; 0,012 kg de 12C pour l’IUPAC). C’est en 1971 que la mole deviendra « l’unitéde quantité de matière ».

Pour représenter la variation de la quantité de matière au cours d’une transforma-tion chimique une autre variable de composition était nécessaire. Cette variable seradénommée « degré d’avancement » par DE DONDER (1920) puis PRIGOGINE et DEFAY

(1944). L’appellation d’avancement, traduisant l’étendue de la réaction à partir d’uneorigine arbitraire ξ = 0 à t = 0, sera plus tardive (vers 1969 ?).


À ce troisième niveau, dans le registre macroscopique, la transformation chimiques’effectue à une certaine vitesse et conduit généralement à un état d’équilibre oùcoexistent les réactifs et les produits de la réaction.

La transformation chimique, qui se produit entre des collections de particules,est modélisée à l’aide d’une équation de réaction respectant la conservation deséléments. Équation qui permet d’en effectuer un bilan en masse et/ou un bilan enterme d’énergie en utilisant la variable avancement.

La mole est l’outil qui permet de passer de la description microscopique de laréaction chimique à sa description macroscopique.

3. APPROCHE DIDACTIQUE

De nombreux chercheurs se sont intéressés aux conceptions que se font les élèves destransformations chimiques de la matière et aux difficultés qu’ils rencontrent dans les diffé-rents niveaux d’appréhension. Leurs travaux ont été analysés par différents auteurs. Seulesseront présentées ici les difficultés rencontrées en ce qui concerne l’équation de réaction.

Pour comprendre la signification de l’équation de réaction, l’élève doit être enmesure de circuler entre la situation expérimentale observée (le registre des phénomènessensibles, au niveau macroscopique : ce qui peut être vu, touché, senti) et le domaine desmodèles où le comportement des substances est interprété en termes de choses nonvisibles et moléculaires (le registre microscopique : atomes, molécules, ions, structures) ;ceci se traduit sous forme de notations et d’équations (le registre des représentationssymboliques : élément, formule, équation, mole, etc.) [4]. Mais l’élève ne peut se construireune représentation des objets du modèle à partir de sa connaissance des objets du mondesensible : une molécule d’eau n’est pas une infime partie d’une goutte d’eau. Il en résulteque beaucoup de concepts chimiques ne peuvent être appris de manière logique, dumoins pas en terme de conséquence claire déduite d’une idée initiale acceptée et/ou d’in-terprétation d’une évidence empirique. En chimie il n’existe pas de réaction chimiqueprototypique dans laquelle « le modèle affleure presque l’expérience ».


Pour illustrer les difficultés des élèves dans la compréhension de l’équation de réac-tion, prenons deux exemples de transformations chimiques étudiées au collège : lacombustion du gaz de ville et l’action entre l’acide chlorhydrique et le fer. Dans unpremier temps elles vont leur être représentées sous une forme littérale semblable à cellede LAVOISIER :

méthane + dioxygène " dioxyde de carbone + eau (1)

fer + acide chlorhydrique " dihydrogène + chlorure de fer II (2)

Si l’on adopte le modèle des « deux mondes » proposés par TIBERGHIEN [5] etLE MARÉCHAL [6] pour étudier les difficultés de la modélisation en chimie, ces repré-sentations appartiennent déjà au « monde reconstruit » des chimistes. En effet dans le« monde réel », on dirait pour la première écriture « le gaz de ville brûle en produisantune flamme et de la chaleur » et pour la seconde « le fer est attaqué par la solution, ilse produit une forte effervescence et la solution prend une couleur verdâtre ».

Pour comprendre ces premières représentations, il faut tout d’abord maîtriser leconcept de transformation chimique (des substances se transforment en de nouvellessubstances : c’est l’objectif à atteindre !), admettre que les gaz sont des substanceschimiques (ce qui est loin d’être le cas pour la majorité des élèves), savoir que l’on peutcaractériser les différentes substances par des tests caractéristiques, connaître la nomen-clature chimique ; et là on se situe déjà dans le registre des modèles. En effet, pour passerdu « gaz inflammable » découvert par VOLTA (1776) au méthane d’HOFMANN (1865) oudu « gaz sylvestre » de VAN HELMONT (1648) au dioxyde de carbone actuel, plusieursmodèles explicatifs de la chimie ont été nécessaires et les dénominations dioxygène,dihydrogène, dioxyde de carbone reposent sur la connaissance de la compositionatomique des molécules, ce qui ne s’est pas fait sans problèmes. On peut donc dire, avecLE MARÉCHAL [7], que la chimie ne se contente pas de donner une description possiblede l’interaction entre des objets du monde réel, elle change les objets et travaille sur cesnouveaux objets dans une approche théorique.

On peut se demander comment un élève de collège, qui ne dispose que du modèlede l’atome sphérique, peut saisir le sens des modèles compacts des molécules (H O2 , O2,CO2, CH4) qu’on lui présente. Pourquoi O2 pour le dioxygène (oxygène dans le langagecourant) ? Pourquoi le carbone ne se comporte-t-il pas toujours de la même façon : molé-cule tétraédrique pour le méthane CH4 et molécule linéaire pour le dioxyde de carboneCO2 ? Pourquoi une molécule coudée de formule H O2 pour l’eau ? Pourquoi existe-t-ildeux types d’ions fer, les ions fer II Fe2 + et les ions fer III Fe3 +, alors que par exemplel’atome de zinc ne donne naissance qu’à un seul type d’ion de formule Zn2 +, et l’argentAg+ ? Pourquoi écrire l’ion sulfate SO4

2 - et l’ion carbonate CO32 - ?

Rien ne leur permettant de se construire ces différentes représentations, il n’est pasétonnant qu’ils aient du mal à maîtriser les modèles et qu’ils se construisent des repré-sentations alternatives : la molécule de CO2 est parfois vue comme une juxtaposition del’atome de carbone et de la molécule de dioxygène (C...O2), l’hydroxyde de cuivre est



représenté soit par CuO, H O2 , puisque lors du chauffage on récupère les deux substancesséparées (notons que c’est la notation adoptée dans les années 1830 à partir de consi-dérations très voisines), soit par CuOH {et non ( )Cu OH 2} par analogie avec CuSO4 puis-qu’il y a des ions cuivre II dans les deux substances [8]. Le fait qu’ils ne disposent pasdu concept de « valence » (abordé seulement en seconde) leur interdit de comprendrecette « règle » des proportions définies et donc la composition atomique des substances :ils en arrivent à la conclusion que les formules chimiques ne sont que de simples abré-viations.

Passons à la représentation des transformations en utilisant les formules. Elless’écrivent alors :

CH O CO 2 H O4 2 2 2"+ + (1)

Fe (s) 2 (H Cl ) H (g) (Fe 2 Cl )aq 22

aq"+ + + ++ - + - (2)

ou Fe(s) 2 H H (g) Fe22

"+ ++ + (2’)

Ces représentations ont été utilisées pour la première fois en 1827 par THENARD (lesigne = remplaçait la flèche) pour indiquer la conservation de la matière (la masse) et desatomes (chimiques à l’époque) lors de la transformation chimique. C’est aussi l’objectifqui leur est assigné au collège. Les nombres placés devant les formules chimiquesservent, au collège, à « ajuster » le nombre d’atomes de chaque sorte contenus dans lesproduits à celui des réactifs. En seconde ils deviennent nombres stœchiométriques etindiquent les proportions (en quantité de matière) dans lesquels réagissent les réactifs etse forment les produits.

Ces équations ne doivent pas être confondues avec des équations mathématiquespuisque qu’il n’y a pas, dans la transformation, égalité entre les deux membres maisuniquement conservation des masses, des atomes et des charges électriques (et non desvolumes ou des molécules). C’est une des difficultés rencontrée par les élèves, et ajoutéeà la difficulté qu’ils ont à donner un sens aux indices présents dans les formules ainsiqu’aux « coefficients » (et à différencier ces deux nombres !), cela explique le commen-taire d’un élève : « Les équations de réaction, c’est trop abstrait. Pour moi, ça ne repré-sente rien de voir des chiffres, des lettres qui bougent ».

Le deuxième problème est que ces équations sont censées traduire la conservationdes atomes. Si pour l’équation (1) il n’y a pas de problème, ce n’est pas la même chosepour la (2). En effet l’atome de fer n’est pas conservé, son noyau n’est plus entouré de26 électrons mais de 24 lorsqu’il se transforme en ion Fe2 + (remarque du même type pourH+ et H dans H2). Comme la notion d’élément chimique, concept inclus dans une struc-ture théorique [9], ne sera introduite qu’en seconde, il y a une réelle difficulté en collège.Et même en seconde, les élèves rencontrent des difficultés à mettre en relation la matière« fer » avec les deux concepts de substance chimique et d’élément du monde reconstruit.Cela n’est pas étonnant car cette mise en réseau du corps simple, de l’élément avec lesconcepts d’atome et de molécule, effectuée par MENDELEÏEV en 1879, ne peut être réaliséeque si l’on possède une grande connaissance des transformations chimiques. L’élément



doit être désubstantialisé pour devenir un concept remplaçant l’atome dans l’écriture desformules chimiques : lourde tâche pour les élèves !

Cette non-maîtrise du registre symbolique conduit les élèves à rechercher des solu-tions alternatives. Par exemple, dans un travail sur l’interprétation de la réaction de réduc-tion de l’oxyde de cuivre par le carbone, FILLON [10] a observé que les élèves recherchentun effet de symétrie par permutation, soit à partir du langage soit à partir de l’écrituredes formules. Ainsi, au lieu d’écrire la réaction étudiée expérimentalement sous la forme,2 CuO C 2 Cu CO2"+ + , ils raisonnent de la façon suivante :

monoxyde de cuivre + carbone " monoxyde de carbone + cuivre

CuO C CO Cu"+ +

Le langage chimique fonctionne ainsi comme un obstacle pour les élèves. C’est ceque nous avons également constaté lors de l’expérience sur la déshydratation de l’hy-droxyde de cuivre [8]. Lorsqu’il s’agit de retrouver le nom de la substance de départ, unélève fait une proposition : « Et bien il y avait forcément de l’eau et de l’oxyde de cuivrepuisqu’on peut les séparer donc je pense que le précipité bleu vert c’était de l’oxydehydro cuivre ».

En outre, lorsque les élèves parviennent à ajuster les « coefficients » d’une équationde réaction, nombreux sont ceux qui ne réussissent pas à faire le lien entre les deux registres.Dans le niveau le plus élevé de compréhension l’élève perçoit les différentes significa-tions des symboles chimiques et des coefficients numériques alors que dans le niveau leplus bas il s’agit d’une simple manipulation mathématique de signes. Ce décalage entreréussir à ajuster une équation de réaction et comprendre sa signification dans les registresmacroscopique et microscopique a été largement confirmé par d’autres recherches.

Enfin, à l’issue de la classe de seconde, face à une transformation de la matière, un élèvedoit utiliser l’équation de réaction pour réaliser un bilan de matière. Avec les moyens dont ildispose, il doit, pour réussir, circuler du macroscopique au microscopique afin de déterminerdans quelles proportions les substances réagissent, puis revenir au macroscopique en utilisantle concept de mole pour déterminer les quantités de matière nécessaires. Nous avons observéla très grande résistance des élèves à cette circulation entre les registres lorsqu’il s’agit de lireune équation de réaction. Leur lecture se fait dans le registre macroscopique (volume etmasse) et quand, sous l’action d’un guidage serré de l’enseignant, ils doivent la lire au niveaumicroscopique, ils se révèlent incapables de revenir dans le registre macroscopique.

De plus, une étude suédoise (TULBERG, 1994) montre que la majorité des étudiantsne fait pas la distinction entre la masse molaire et la masse atomique et conçoit la molecomme un nombre de particules et pas comme une quantité de matière. Quand le mot « quantité » est utilisé à propos d’une équation chimique les étudiants le comprennentcomme un synonyme soit du nombre de moles, soit de la masse molaire, soit du volume.Ces confusions, auxquelles s’ajoutent des difficultés à manier les nombres, sont à l’ori-gine des erreurs des élèves lorsqu’il s’agit de lier le rapport des masses des différentséléments à la formule du composé (SCHMIDT, 1990).



4. CONSÉQUENCES POUR L’ENSEIGNEMENT

Devant cet inventaire des difficultés, doit-on être découragé ? Bien au contraire !Comme le souligne BARLET [11], ce qui fait la spécificité de la chimie, son charme seloncertains, et en même temps la difficulté de son enseignement, c’est cette dualité macro-scopique - microscopique ; observable - modélisable ; concret - abstrait. Et bien, prenonsconscience de ces difficultés et relevons le défi en faisant affronter par les élèves, par unemise en relation explicite le plus souvent possible des deux niveaux, cette dialectiquemodélisation - expérimentation.

Pour faire vivre aux élèves cette modélisation, notre première hypothèse est qu’ilfaut leur faire affronter des obstacles, parmi ceux précédemment identifiés, à travers dessituations problème. De telles situations ont été élaborées en référence au schéma de lamodélisation de MARTINAND [12] ou à la théorie des situations didactiques de BROUSSEAU

[13]. Le déroulement des activités au cours des différentes étapes est organisé en respec-tant des phases d’action permettant à l’élève, au cours d’interaction avec les autres élèvesdu groupe de travail et/ou l’expérience à réaliser, « de se construire une représentationde la situation qui lui sert de modèle pour prendre ses décisions » ; des phases de formu-lation conduisant à une mise au point d’un langage commun que tous les membres dugroupe comprennent ; de validation par confrontation des propositions du groupe à l’opi-nion des autres élèves et/ou à l’expérience. Comme il serait illusoire de croire que lesélèves sont capables de construire seuls des concepts ou modèles que les chimistes ontmis des siècles à établir, il convient d’insister avec LEMEIGNAN & WEIL-BARAIS [14] surl’importance des guidages (aides apportées aux élèves) au cours de ces activités. Ilsconsistent « à suggérer aux élèves des procédures proches de ce qu’ils savent faire etorienter vers les procédures savantes ».

Notre seconde hypothèse est qu’il s’agit de donner aux élèves le moyen de comprendrecomment fonctionne la science, à quelles questions répondent les concepts, en un mot dedonner du sens aux connaissances scientifiques.

Par exemple, le travail sur des textes historiques montrant l’évolution de modèlesproposés au cours du temps pour interpréter les transformations de la matière [15] permetde faire découvrir aux élèves :♦ à quoi correspond l’activité de modélisation : le modèle n’est pas une description du

réel au niveau microscopique mais correspond à l’idée que l’on peut s’en faire à partirdes transformations qui peuvent être observées au niveau macroscopique. Les modèles(ou concepts) ont été construits par les chimistes en réponse à des questions qu’ils sesont posées ;

♦ quels sont les caractères essentiels des modèles : capacité d’explication, de prévision,caractère hypothétique et révisable, pas de lien direct avec le réel, domaine de vali-dité limité.

Au cours de ces activités les élèves doivent rechercher les informations relatives àla modélisation qui peuvent en être extraites : quels sont les objets physiques de cette



situation ? quels sont les phénomènes que l’on observe ? quels sont les objets du modèleélaborés par le scientifique ? quelles sont les relations entre ces objets ? quelles sont lesrelations entre le champ expérimental et le champ théorique ?

Nous avons observé que, lors de telles activités, où une large place est donnée audébat dans la classe, les élèves construisent, plus que des réponses, des questions dont ilsne soupçonnaient pas l’existence : comment représenter une transformation de la matière ?Qu’est ce qu’un modèle ? Comment le chimiste choisit les objets du modèle ? En fonc-tion de quelles contraintes ? Il s’agit là de questions qui sont au cœur de l’activité scien-tifique. Pour formuler ces questions, examiner des réponses possibles, ils ont été conduitsà circuler entre les deux niveaux et le développement de cette capacité représente unpassage obligé lorsqu’il s’agit de représenter une transformation chimique.

BIBLIOGRAPHIE

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[9] MARTINAND J.-L. Connaître et transformer la matière. Berne : Peter-Lang, 1986.

[10] FILLON P. Des élèves dans un labyrinthe d’obstacles. Aster, 1997, n° 25, p. 113-141.

[11] BARLET R. (1999). L’espace épistémologique et didactique de la chimie. L’ActualitéChimique, avril, p. 23-33.



[12] MARTINAND J.-L. Introduction à la modélisation. In Didactique des disciplines tech-niques, ENS Cachan, LIREST, 1995, p. 126-138

[13] BROUSSEAU G. Théorie des situations didactiques. La pensée sauvage, Grenoble,1998.

[14] LEMEIGNAN G. et WEIL-BARAIS A. Gestion d’activités de modélisation en classe.ASTER, 1988, n° 7, p. 121-141.

[15] LAUGIER A. et DUMON A. (2000c). Histoire des sciences et modélisation de la trans-formation chimique en classe de seconde. Bull. Un. Phys., juillet-août-septembre2000, vol. 94, n° 826, p. 1261-1284.


Alain DUMONProfesseur d’UniversitéLaboratoire DAEST - Université de Bordeaux IIIUFM d’Aquitaine

André LAUGIEREnseignant-chercheurIUFM d’AquitaineBordeaux (Gironde)

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