Cette séquence décrite ci-dessous a été élaborée avec des enseignants de façon à faire travailler les élèves sur les concepts de base de la classification périodique, tout en les guidant à raisonner logiquement avec leurs connaissances antérieures de chimie afin d’en construire des nouvelles. Elle a été testée pendant plusieurs années avec une dizaine d’enseignants afin d’améliorer la présentation du texte de la tâche, et sa réalisation en classe.
Description de la séquence
L’activité expérimentale ci-dessous vient donc utiliser (et non introduire) les notions sur la relation entre la charge des ions monoatomiques, la place de l’élément dans la CP, et l’analogie de la réactivité dans une famille.
La première des trois parties est une étude préliminaire qui vise à faire comprendre aux élèves qu’un test à la phénolphtaléine détecte la présence des ions hydroxyde. Se limiter à donner la propriété de ce réactif (la phénolphtaléine) ne nous est pas paru suffisant et nous y consacrons un moment conséquent de la séance. Il est demandé à l’élève d’introduire deux gouttes de phénolphtaléine, d’abord à une solution de chlorure de sodium, puis à un mélange de solutions de chlorure de sodium et d’hydroxyde de sodium. Les élèves à partir de quelques tests chimiques doivent raisonner pour en déduire si une espèce chimique est, ou non, responsable d’une réaction chimique. Ils mettent donc en œuvre une démarche scientifique pour montrer que la phénolphtaléine permet de caractériser la présence des ions HO–.
Nous avons constaté à l’usage qu’il fallait engager l’élève dans toute une démarche (voir les 3 observations de la première expérience ci dessous), et lui apporter de nombreuses illustrations afin qu’il construise (sans aide de l’enseignant) suffisamment de connaissances pour arriver au fait que la phénophtaléine met en évidence la présence d’ions hydroxyde. Les élèves sont questionnés sur les ions dont la présence est détectée par la phénolphtaléine (question 5 ci-dessus). En revanche la réponse correcte n’est pas évidente pour les élèves. La difficulté d’une telle tâche provient à notre avis du fait que (i) la notion d’ion est telle que les élèves de ce niveau la maîtrisent mal et ne savent pas l’impliquer dans leur raisonnement et
(ii) les élèves ne se repèrent pas dans la suite des événements qu’ils réalisent, et leur représentation du système chimique manipulé est trop insuffisante pour être efficiente. Par exemple, pour le point (i) une erreur récurrente consiste à dire que la phénolphtaléine caractérise les ions sodium car ceux-ci sont communs aux solutions de chlorure de sodium et d’hydroxyde de sodium. Cet argument surprenant montre que pour certains élèves, il n’y a pas de relation entre la présence d’un ion dans une solution, une propriété chimique de cet ion, et une observation expérimentale. Une telle réponse montre bien l’écart entre la capacité réelle des élèves à raisonner sur des ions et ce dont nous avons besoin pour mener à bien un tel TP. Ce type de réponse nécessite une explication personnelle de l’enseignant qui doit indiquer que l’adage « les mêmes causes produisent les mêmes effets » s’applique également aux ions. Nous trouvons aussi que « L’hydroxyde de sodium est l’ion mis en évidence car grâce à celui-ci le mélange change de couleur, il devient rose ». Cette expression illustre la nécessité d’accompagner le passage de la notion d’ion définie par sa structure (en cours) à celle d’ion en solution (utilisée ici). Il semble que près de la moitié d’une classe comprenne finalement la notion de test chimique. Parmi les réponses des élèves qui n’ont pas compris une telle démarche, on trouve « C’est la phénolphtaléine qui a été mise en évidence quand on a rajouté de l’hydroxyde de sodium » ou « L’ion qui est mis en évidence lors de la transformation est l’ion phénolphtaléine ».
Un tel travail met en place non seulement les propriétés de la phénolphtaléine, indispensables pour la suite du travail, mais également un système de raisonnement de chimiste sans lequel la construction à venir est trop difficile pour être menée en autonomie réelle. Le tableau (voir dans le texte de l’activité) permet de montrer à l’élève le lien entre ce qui est perceptible et ce qui est non perceptible.
La seconde partie du TP consiste à demander aux élèves d’introduire une minuscule quantité de calcium métallique (4 à 5 mg de calcium – fraîchement acheté) dans un tube à essais bouché, initialement rempli au ¾ d’eau.
L’élève doit noter qu’il y a une transformation chimique mise en évidence par le dégagement gazeux et la disparition du calcium. Le gaz est identifié par son inflammation. Un test à la phénolphtaléine montre la présence d’ions HO– à l’élève. L’élève ne doit pas parler de transformation chimique, qui serait une forme d’interprétation des observations, mais doit se limiter, à ce stade, à énumérer ces seules observations. Quand on approche une allumette, une détonation retentit. Après ajout de quelques gouttes de phénolphtaléine, la solution devient fuchsia (ne pas dire qu’il y a des ions hydroxyde, car ce n’est plus une observation mais une interprétation). Le test à la phénolphtaléine étant positif, la solution contient au moins des ions hydroxyde.
La multiplication des illustrations guide l’élève, comme précédemment, pour se repérer dans les questions qui suivent. Cependant certains élèves ont, comme souvent, du mal à distinguer la réaction chimique étudiée (ici Calcium + eau) et celle qui en permet l’étude (OH– + Phénolphtaléine). C’est pour cela que le travail effectué avec le tableau 1 sur les états définis par les schémas est important. Le schéma et les différentes observations permettent de montrer à l’élève ce qui est perceptible et les différentes questions mettent l’accent sur ce qui est non perceptible.
Après le test à la phénolphtaléine qui montre la présence d’ions HO– à l’élève. Celui-ci doit aussi déduire de la loi de conservation que l’élément chimique calcium doit être présent, et forcément sous forme cationique puisque des anions ont été mis en évidence en solution. La position de Ca dans la classification périodique impose que ce soit l’ion Ca2+.
Certains élèves s’y prennent autrement ; ils repèrent le numéro atomique et réinvestissent la démarche qui implique la règle de l’octet. Maintenant, et seulement en s’aidant de toutes ces informations ayant mis en jeu un grand nombre de données, l’élève est capable de trouver que les réactif sont Ca et H2O et les produits Ca2+, H2 et HO–.
La plupart des champs conceptuels relatifs à l’élément chimique sont donc explicitement impliqués avec des données expérimentales, et/ou une réflexion théorique. L’originalité de notre proposition, nous le percevons, n’est pas dans la banale réaction chimique mise en œuvre, mais dans la réflexion qui l’entoure.
L’expérience qui suit met en œuvre la notion de réactivité au sein d’une famille. Il n’est pas question de démontrer cette notion, mais de l’utiliser pour prévoir/interpréter le comportement d’un système chimique et pour constater la différence entre ce qui est prévu et ce qui est réalisé. L’idée est de montrer que dans une famille il y a des similarités, mais aussi des différences. Cette dernière partie, la troisième expérience du TP, consiste à faire prévoir ce que donnerait l’introduction de magnésium dans l’eau. Les élèves repèrent rapidement que l’élément magnésium est dans la deuxième colonne de la CP et, qu’à ce titre, c’est un élément chimique. Ils transposent les observations de l’expérience avec l’élément calcium en prédictions relatives au magnésium. La présence de Ca et de Mg dans la même colonne
appelle une analogie de comportement. Cependant la réaction magnésium + eau n’étant pas aussi rapide, l’effervescence n’apparaît pas et la coloration fuchsia est faible. La comparaison entre la prédiction et l’observation permet de donner du sens au caractère « similaire » de réactions chimiques dans lesquelles sont impliquées des éléments chimiques de la même colonne. Un lien entre ce qui est perceptible et ce qui est théorique est possible de se faire avec ce type de questionnement.
Un travail sur les espèces chimiques ioniques en marge du programme officiel, mais que nous avons trouvé important a permis de trouver fréquemment dans les copies des élèves des phrases du type : « une solution est électriquement neutre, donc s’il y a des anions, il y a des cations ». L’intérêt de ce questionnement est d’avoir pu articuler toutes ces notions fondamentales théoriques dans un petit nombre de questions à la suite de l’utilisation de réactifs chimiques peu coûteux et de faire le lien entre les différentes observations perceptibles et l’aspect non perceptible des ions (formule). Les expériences bien que simples à réaliser sont cependant enrichissantes du point de vue du savoir-faire à développer chez les élèves. L’abondance des concepts fondateurs de connaissances qui sont impliqués à ce moment de l’apprentissage nous est apparue importante afin que leur mise en relation puisse intervenir. Le fait que cela se fasse en TP permet une construction des connaissances au rythme de l’élève, alors qu’il dispose de temps et d’un enseignant prêt à répondre à une question personnalisée.
La vue globale du TP est une condition nécessaire pour comprendre la séquence d’enseignement, une équation chimique est inutile à ce niveau là mais une phrase bien construite qui exprime le bilan de la séquence est bien demandée et indispensable. Comme dans toute transformation qui implique une disparition d’un solide, les élèves n’ont pas toujours les connaissances requises pour savoir si le solide se dissout ou si l’espèce chimique correspondante réagit. Par exemple, on trouve fréquemment : « Le morceau de calcium
métallique se dissout dans l’eau, il dégage du gaz » ou « En présence d’eau, le morceau de calcium métallique se dissout provoquant un précipité blanc et des bulles en surface » ou « la transformation qui a eu lieu c’est la dissolution du calcium dans l’eau. Pour un élève de seconde, à ce stade de l’année, le terme « dissout » regroupe plusieurs choses (disparition, dissolution au sens du chimiste, réaction, etc.), et le professeur manque du modèle de la réaction chimique pour en débattre.