3.2) Cohérence entre prévision et données empiriques

Les élèves vérifient-ils qu’un sens d’évolution prévu par l’application du critère est cohérent avec la situation empirique initiale ? La situation concerne un système pour lequel un « produit » solide est absent initialement alors que les quantités des solutés sont telles que le quotient de réaction est supérieur à la constante d’équilibre. Cela conduit à une incohérence, le système devrait évoluer dans le sens inverse d’après le critère, mais la situation expérimentale ne le permet pas. L’incohérence n’est mise à jour que si l’on confronte la prévision à la composition du système. Dans le schéma résumant le fonctionnement du modèle thermodynamique (voir page 32), cela correspond à l’étape 4 qui confronte le sens conditionnel et la composition.

Un énoncé, celui dont les réponses ont été analysées au paragraphe IV-1.2.3.4 (p.103), correspond à cette situation. 13% des élèves interrogés en 2004, 11% en 2005, (aucun élève en 2003) disent qu’il n’y a pas d’évolution possible puisqu’il manque de l’argent, espèce nécessaire à une transformation du système dans le sens inverse. On constate donc que les élèves qui font une distinction entre ce qu’ils prévoient et ce qui est possible sont peu nombreux. Que le calcul du quotient soit exact ou pas, une proportion importante d’élèves selon les années17 (47%, 15%, 33%) prévoit une évolution dans le sens inverse, alors que ce n’est pas réalisable. Ces résultats sont à rapprocher de ceux obtenus dans les énoncés où un « produit » soluté est absent (cf § IV-1.2.3.3). Certains élèves (qui modifient l’expression du quotient de réaction) prévoient une évolution dans le sens inverse en dépit de l’absence d’un soluté nécessaire pour la réaliser (§ IV-1.2.3.3.1 : 13%, 11%, 11% ; § IV-1.2.3.3.2 : 26%, 1% ,9%).

Cette absence de confrontation entre la prévision issue de l’application du critère et les données expérimentales était attendue dans le cas de la situation comportant un « produit » solide absent ; notons qu’il s’agit d’une situation à la limite du programme. Dans le cas d’un soluté absent, l’erreur commise par certains élèves a conduit à une difficulté du même type. Ces résultats révèlent que ces élèves ne prennent pas en compte les données expérimentales pour s’assurer que leur prévision est réalisable. Cet oubli des données expérimentales montre qu’ils n’ont pas conscience que la prévision issue du modèle peut être incompatible avec la réalité parce qu’ils n’ont pas réalisé que les faits diffèrent d’un modèle qui permet de les interpréter.

IV-3.3) Expression du quotient de réaction

Dans ce paragraphe nous nous intéressons à l’expression du quotient de réaction, à sa définition. Écrire l’expression du quotient de réaction est une étape qui peut être entièrement située dans le registre du modèle, puisqu’il suffit de connaître l’équation chimique (dans laquelle figure la mention des états physiques des espèces) pour le faire. Cependant nous avons fait l’hypothèse (cf § II) que certains élèves peuvent être influencés par la présence ou l’absence d’un solide, donc par la situation expérimentale et ne pas appliquer le code de modélisation correctement. Ils pourraient introduire une « concentration » aussi pour le solide et de ce fait modifier la définition, l’expression du quotient de réaction. Cela constitue alors une erreur lors

17 _{la proportion bien inférieure en 2004 est à mettre sur le compte d’un plus petit nombre d’élèves}

de l’étape 2 du fonctionnement du modèle thermodynamique, l’étape expression et calcul du quotient.

Cette modification est présente de façon assez variable dans les réponses des élèves comme l’examen du tableau récapitulatif 48 le montre. La question présentée au paragraphe IV-1.2.3.5 semble favoriser cette erreur.

Tableau 48 : Modification du quotient de réaction par ajout de la « concentration » ou de la quantité de matière d’un solide

2003 2004 2005

§ intitulé critère dont MQr critère dont MQr critère dont MQr IV-1.2.3.5 Hétérogène, toutes _{espèces présentes} 72% 21% 47% 9% 72% 14% IV-1.2.3.4 Hétérogène, produit _{solide absent} 68% 4% 36% 1% 69% 10% IV-1.2.3.3.2 Hétérogène, produit _{soluté absent} 68% 0% 47% 1% 71% 4%

IV-1.2.3.1 Hétérogène, deux _{sens décrits} 40% 0% 48% 6% 56% 6% IV-1.2.2 Hétérogène, absence _{d’évolution annoncée} 62% 6% 61% 6% 61% 8% Les pourcentages repérés par la même couleur concernent la même population d’élèves.

Une autre modification de l’expression du quotient, a priori inattendue, a été révélée par l’analyse des réponses d’élèves. Dans le cas de systèmes où un soluté « produit » est initialement absent, certains élèves écrivent une expression du quotient de réaction où ne figure pas la concentration du soluté absent. Le soluté étant absent du milieu réactionnel (du registre empirique), ils l’éliminent aussi dans le quotient (dans le registre du modèle). Cette erreur, comme la précédente, fait dépendre la définition d’un élément du modèle de la composition du registre empirique. Cela constitue une erreur dans l’étape expression et calcul du quotient, étape 2 du fonctionnement du modèle thermodynamique.

Cette modification du quotient de réaction dans le cas de l’absence d’un soluté est présente dans les réponses à deux questions (voir tableau 49).

Tableau 49 : Modification du quotient de réaction par omission de la concentration d’un soluté absent

2003 2004 2005

§ intitulé critère dont MQr critère dont MQr critère dont MQr IV-1.2.3.3.1 _{produit soluté absent} Homogène, un 58% 33% 48% 20% 63% 15% IV-1.2.3.3.2 Hétérogène, produit _{soluté absent} 68% 43% 47% 11% 71% 18%

Ces deux questions ont été traitées chaque année par deux populations d’élèves différentes. L’erreur est fréquente en 2003, diminue un peu les années suivantes, mais reste présente. Si l’on rapporte le nombre d’élèves qui commettent cette erreur au nombre d’élèves qui mettent en œuvre le critère, on obtient les valeurs suivantes (tableau 50).

Tableau 50 : Proportions d’élèves qui commettent l’erreur MQr soluté parmi les élèves mettant en œuvre le critère

MQr soluté 2003 2004 2005

IV-1.2.3.3.1 57% 42% 24%

IV-1.2.3.3.2 63% 23% 25%

Cela montre une diminution de cette erreur au fil des années, néanmoins plus d’un élève sur cinq qui met en œuvre le critère d’évolution commet l’erreur de modifier l’expression du quotient de réaction dans le cas d’un soluté absent.

IV-4) Appropriation des modèles

Dans ce paragraphe nous répondons à notre dernière question de recherche qui porte sur la façon dont les élèves expliquent l’arrêt d’une transformation chimique, nous cherchons notamment à savoir s’ils font appel aux modèles cinétiques et au modèle thermodynamique et comment.