Introduction et balises

L’étude des systèmes chimiques fait appel à de nombreux savoirs propres à la chimie. A notre échelle, nous sommes amenés à côtoyer de nombreuses transformations chimiques (ex : combustion de l’essence dans un moteur thermique qui génère notamment du CO₂, détartrage, etc.). Pour décrire ces phénomènes macroscopiques, le chimiste se repose sur un symbolisme bien particulier (page dédiée à venir) et accède un niveau (sub)microscopique d’interprétation. En classe de secondaire, l’enseignement de la chimie implique donc des allers-retours interprétatifs entre le niveau macroscopique et le niveau microscopique. C’est là une source importante de difficultés pour les élèves et enseignants.  

Rappelons que l’évolution des systèmes chimiques fait intervenir une ou des transformations chimiques (selon un bilan macroscopique en termes d’espèces chimiques pour deux états d’un système fermé). Pour les étudier, nous avons recourt au modèle de la réaction chimique qui est une représentation (sub)microscopique du phénomène, guidée par les observations et les mesures réalisées (modification de la couleur, formation d’un précipité, changement de valeur du pH, etc.). Par ailleurs, pour modéliser la transformation chimique incomplète, trois modèles interviennent : le modèle thermodynamique (faisant intervenir notamment le quotient de réaction et la constante d’équilibre), le modèle cinétique macroscopique et le modèle cinétique microscopique.

Enfin, un enjeu d’enseignement plus large, qui concerne potentiellement tous les élèves, est d’élaborer un lien entre l’état d’équilibre dynamique et l’incomplétude d’une transformation chimique. Des difficultés ont été relevées autour de l’idée d’équilibre, qui peut signifier que « rien ne bouge », ou que la proportion des produits et réactifs ne peut être que de 50/50.

Entrées faciles

L’histoire de la chimie peut donner des exemples et des situations de questionnements scientifiques relatifs aux transformations, à faire revivre aux élèves :

• Wojtkowiak, B. (1988). Histoire de la chimie. Technique et documentation.
• Bensaude-Vincent, B. et Stengers, I. (1993). Histoire de la chimie. La découverte.
• Baudet, J. C. (2017). Histoire de la chimie. De Boeck Supérieur.

Le chapitre de Kermen (2015)[1] traite des interprétations du niveau « microscopique » pour rendre compte d’une transformation chimique.

Écrits scientifiques

L’article de Taber (2013) est un article clé pour ce qui est de la connexion entre les niveaux macroscopique et submicroscopique pour vérifier la compréhension qu’ont les élèves des phénomènes chimiques.

Plusieurs études ont été dédiées à aux difficultés des élèves à prévoir le sens d’évolution d’un système fermé en état d’équilibre chimique auquel l’on fait alors subir une perturbation (variation de pression, de volume, de température, d’un constituant, etc.) :

• Certaines concernent les conceptions des élèves et des enseignants sur l’équilibre dynamique : Banerjee (1991) ; Hackeling et Garnett (1985)
• D’autres portent plus particulièrement sur l’usage du principe de Le Chatelier et les réponses erronées engendrées : Quílez-Pardo et Solaz-Portolés (1995) ; Tyson, Treagust et Bucat (1999) ; Gorodetsky et Gussarsky (1986) ;  Voska et Heikkinen (2000)
• L’article de Kousathana et Tsaparlis (2002) porte sur les erreurs engendrées par de potentiels critères d’évolution d’un système. C’est ce que font également Kermen et Méheut (2011) à partir du modèle thermodynamique.
• Enfin, la thèse de Kermen (2007) et son ouvrage[2] présentent des études de la prévision et de l’explication par les élèves de l’évolution des systèmes chimiques. En particulier, le chapitre 5 porte sur la compréhension qu’ont les élèves de fin de secondaire de l’évolution des systèmes chimiques. Il s’agit par exemple de déterminer les raisons que les élèves donnent à l’arrêt d’une transformation chimique et le modèle utilisé.

L’article de Van Driel et al. (1998) porte sur le changement de conception des élèves, d’une conception statique vers une conception dynamique de la réaction chimique (en tant que modèle).

Des articles étudient également les difficultés des élèves ou étudiants à prévoir le sens d’évolution d’un système dont l’état initial ne résulte pas de la perturbation d’un état d’équilibre chimique : Stavridou et Solomonidou (2000) ; Niaz (1995).

Les difficultés des élèves à faire le lien entre le niveau macroscopique et le niveau microscopique a été étudié par Laugier et Dumon (2003) et Tsaparlis (2003). De manière compatible, les articles de Johnson (2000) et (2002) montrent que pour les élèves de début de secondaire, il n’est pas aisé de reconnaitre un changement d’espèces chimiques à partir des seuls critères macroscopiques (point de fusion, couleur, etc.). Le recours à un modèle particulaire se montre aidant.

Pistes de réflexion pour les TFE et mémoires

Un TFE ou un mémoire pourra s’intéresser à/aux…

• Difficultés courantes des élèves dans notre contexte scolaire.
• Conceptions des élèves associées à l’état d’équilibre et en quoi celles-ci peuvent nuire aux apprentissages.
• Moyens conceptuels de faire évoluer les conceptions courantes des élèves.
• Pratiques enseignantes courantes pour enseigner les systèmes chimiques et leurs évolutions, afin de repérer les avantages et inconvénients de chaque pratique.
• la place de l’expérimentation et de la modélisation pour ces enseignements.
• Etc.

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[1] Kermen, I (2015). Modéliser, représenter des transformations chimiques. Dans Evrard, T. et Amory, B. (dir.), Les modèles : des incontournables pour enseigner les sciences ! (pp. 193-201). De Boeck.

[2] Kermen, I. (2018). Enseigner l’évolution des systèmes chimiques au lycée. Presses Universitaires de Rennes.