Chapitre 2 : Prévoir et expliquer l’évolution des systèmes chimiques ; analyse
IV- 4.1) Explication de l’arrêt d’une évolution
Cette question a été posée chaque année avec quelques variations dans la formulation. La partie commune de l’énoncé commence par l’équation chimique avec la constante d’équilibre associée, la description du mélange effectué, se poursuit avec la donnée d’un tableau où figurent la composition de l’état initial et celle de l’état final, en quantités de matière. Il s’agit d’un mélange de deux acides et bases conjugués, toutes les espèces chimiques étant présentes dans les deux états du système.
En 2003 et 2005 la question est « comment expliqueriez-vous que la transformation cesse ? ». Compte tenu du nombre important de réponses exprimant l’idée que la transformation est totale en 2003, la question a été reformulée en 2004 selon « comment expliquez-vous que les concentrations gardent une valeur constante après un certain temps ? ».
En 2003, cette question figure dans les questionnaires A et B. Dans le questionnaire A la transformation a lieu dans le sens inverse de l’équation chimique, tandis que dans le questionnaire B elle a lieu dans le sens direct. En 2004 et 2005, cette question concerne une transformation ayant lieu dans le sens inverse.
Catégories de réponses
La catégorisation des réponses obtenues a pour objectif de répertorier les réponses qui utilisent le modèle thermodynamique et, ou les modèles cinétiques, ainsi que les raisonnements alternatifs. Plusieurs types de réponses sont attendus. On attend que les élèves prouvent, par un calcul du quotient de réaction dans l’état final, l’égalité de ce quotient avec la constante d’équilibre pour en déduire que le système est en état d’équilibre chimique. On attend également qu’ils parlent de l’égalité des vitesses des réactions inverses simultanées ou de la fréquence des chocs efficaces qui ne modifient pas la composition du système. Il s’agit donc de repérer les réponses qui mettent en œuvre le critère d’évolution, celles qui mentionnent les vitesses des réactions inverses ou la fréquence des chocs efficaces entre particules.
Les réponses fournies ont été d’abord classées en deux grandes catégories :
celles qui font appel au critère d’évolution en calculant le quotient de réaction dans l’état final et vérifiant qu’il est égal à la constante d’équilibre ou bien qui disent que le quotient de réaction est égal à la constante d’équilibre, réponses codées critère.
celles qui ne mentionnent pas l’égalité entre le quotient de réaction et la constante d’équilibre, réponses codées pas critère.
Un deuxième examen des réponses conduit à distinguer des sous-catégories exclusives en s’intéressant particulièrement aux éléments des modèles cinétiques mis en jeu. Les trois premières sous-catégories sont directement issues de l’analyse des modèles cinétiques (voir pages 33, 34) ; les sous-catégories suivantes « équilibre », « TT », « plus réaction » ont par contre émergé de l’examen des données.
• réponses qui mentionnent l’état d’équilibre et font allusion à deux réactions inverses, éventuellement avec la même vitesse ou utilisent l’expression équilibre dynamique, codées équilibre
dynamique
• réponses où le mot équilibre n’est pas mentionné, mais deux réactions sont évoquées ou « la réaction dans les deux sens », éventuellement avec la même vitesse, codées 2réactions
• réponses où il est question de chocs efficaces entre particules, codées chocs
• réponse mentionnant le terme équilibre sans autre argument, réponses codées équilibre
• réponses exprimant l’idée que la transformation est totale ou mentionnant un réactif limitant, codées TT
• réponses exprimant l’idée qu’il n’y a plus de réaction, il ne se passe plus rien, sans qu’il soit question de réactif limitant, codées
plus réaction
• réponses autres
Les résultats
Tableau 51 : Résultats par catégories de réponses et par année
catégories Année 2003 Année 2004 Année 2005
critère Qr = K 18 18% 18 17% 24 17%
Pas critère 75 74% 85 79% 103 73%
Absence de réponse 9 9% 4 4% 14 10%
effectif total N=102 N=107 N=141
Remarquons que la réponse mentionnant l’égalité du quotient de réaction et de la constante d’équilibre (Qr = K) est largement minoritaire durant les trois années, fournie par moins d’un élève sur cinq. Les réponses n’utilisant pas cet argument sont les plus nombreuses, environ trois quart des élèves chaque année.
Les résultats tenant compte des différents arguments qui viennent d’être présentés figurent dans le tableau récapitulatif (tableau 52) ci-après.
Tableau 52 : Répartition des réponses par sous-catégories
catégorie Sous-catégorie 2003 2004 2005 critère Qr=K (dont Qr calculé) 18% (10%) 17% (3%) 17% (6%)
Équilibre dynamique 3% 7% 1% 2 réactions 1% 0 0 Équilibre 10% 7% 9% dont chocs 0 0 0 Pas critère 74% 79% 73% Équilibre dynamique 9% 17% 8% 2 réactions 5% 6% 4% Équilibre 18% 23% 18% TT 31% 7% 28% Plus réaction 4% 15% 7% chocs 0 0 0 dont Autre 7% 11% 9% absence de réponse 9% 4% 10% effectif N=102 N=107 N=141 Catégorie critère
Notons que la somme des pourcentages des sous-catégories est inférieure au pourcentage de la catégorie « critère » car certains élèves n’ont donné aucun autre argument que l’égalité du quotient de réaction et de la constante d’équilibre.
Parmi les élèves qui répondent Qr = K, la plupart n’effectuent pas le calcul. Certains en restent à ce stade et d’autres complètent en disant que de ce fait le système est à l’équilibre chimique.
E40 : Les concentrations gardent une valeur constante lorsque le quotient de réaction =K. H94 : La transformation cesse car le système a atteint l'équilibre :
Qreq=K=[A-]e[BH]e/[AH]e[B-]e=0,10.
Peu d’élèves évoquent deux réactions qui continuent à se produire et parmi eux certains font mention de la vitesse.
D28 : Qrf=([B–]fx[AH]f)/[BH]fx[A-]f) =0,0646x0,115xV²/(0,0364x0,0204xV²)=10,00 On a Qrf=K
donc la réaction a atteint le niveau d'équilibre, dit dynamique, car les réactions se font toujours dans les deux sens , mais elles se compensent.
Enfin aucun élève ne fait mention de chocs entre particules.
Par ailleurs les réponses des élèves révèlent des difficultés d’expression qui font craindre des confusions de registre.
B34 : La transformation cesse car elle atteint son équilibre c'est à dire qu'elle se fait dans les deux sens mais elle ne varie plus.Á l'état final : Qrf=(0,87x1,1)/(0,33x0,58)=5 Qrf=K.
L’élève écrit que la transformation cesse puis qu’elle se fait dans les deux sens puis qu’elle ne varie plus. On peut penser que cet élève a conscience que quelque chose est terminé, mais que cependant il se passe encore autre chose, et comme il emploie le même terme « transformation » dans les deux cas il est difficile de dire s’il situe ces deux « choses » dans des registres différents. Dans la réponse précédente (D28) on peut considérer que c’est le mot « réaction » qui est employé dans deux sens différents et là aussi il est difficile de déterminer si l’élève distingue les deux registres.
Catégorie pas critère
Parmi les réponses d’élèves qui ne mentionnent pas l’égalité du quotient de réaction avec la constante d’équilibre, certaines expliquent la fin de l’évolution en mentionnant deux réactions inverses (ou « la réaction dans les deux sens ») pour évoquer le caractère dynamique de l’état final (« 2reactions »). Lorsque ces réponses précisent en outre qu’il s’agit d’un état d’équilibre, elles sont classées dans la sous-catégorie « équilibre dynamique ».
Sous-catégorie « équilibre dynamique »
B 22 : On ne peut pas dire que la transformation cesse, elle arrive à un état d'équilibre. Les réactions directes et indirectes se font à la même vitesse et les réactifs disparaissent aussi vite qu'ils se créent donnant l'impression d'un système figé.
D30 : Au bout d'un certain temps, l'état d'équilibre est atteint, les concentrations ne varient plus, cependant des réactions se font encore mais elles se compensent. On parle d'équilibre dynamique.
Sous-catégorie « 2reactions »
D13 : Les concentrations gardent une valeur constante après un certain temps car la réaction se fait dans les 2 sens.
H54 : Les deux réactions AH +B-
A- +BH et A- +BH AH+B- se compensent. Il n'y a alors
aucun changement de concentration.
Bien que les formulations employées ne soient pas toujours rigoureuses18, ces
réponses montrent cependant que ces élèves dépassent la description empirique de la situation (l’immobilité, l’absence d’évolution) ; ils fournissent une explication qui relève du registre des modèles, en privilégiant des arguments cinétiques par rapport à des arguments thermodynamiques.
18 Il est préférable de parler de réactions opposées ou inverses ayant des vitesses égales que de
Sous-catégorie « équilibre »
Certaines réponses comportent le terme d’équilibre (ce peut être le système mais aussi « la réaction », « la transformation ») sans autre argument.
A17 : La transformation cesse car la réaction atteint son état d'équilibre. H32 : La transformation a atteint son équilibre donc elle n'évolue plus. H120 : On a atteint un état d'équilibre.
Sous-catégorie « TT »
D’autres élèves considèrent que la transformation s’arrête parce qu’elle est totale, parce qu’il manque une espèce (le réactif limitant), en dépit de la donnée de l’état final dans lequel toutes les espèces sont présentes.
B 45 : La transformation cesse au bout d'un certain temps car il n'y a plus assez de mol d'un des réactifs pour réagir avec l'autre.
H89 : Si la transformation cesse c'est dû à un manque d'un des composants. H105 : La transformation cesse par épuisement du réactif limitant.
Sous-catégorie « plus réaction »
Une autre raison fournie par les élèves consiste à dire que l’arrêt de la transformation est dû au fait « qu’il n’y a plus de réaction ». Cet argument a été fourni par certains élèves comme seule explication à l’arrêt de la transformation.
D9 : Après un certain temps, la réaction est terminée ce qui explique que les concentrations gardent une valeur constante.
D12 : Après un certain temps, les concentrations des solutions gardent une valeur constante car elles ne réagissent plus ensemble.
Toutes catégories confondues (« critère » et « pas critère ») aucune réponse ne mentionne de chocs entre particules. Un très petit nombre (3 en 2003, 1 en 2004, 2 en 2005) évoque pourtant le niveau microscopique mais en plaçant à ce niveau des éléments macroscopiques tels que la réaction chimique, la vitesse de réaction.
A37 : La transformation cesse à l'échelle macroscopique car, au bout d'un certain temps, le mélange se stabilise c'est-à-dire que les quantités des réactifs ainsi que des produits restent constante. Cependant, à l'échelle microscopique, la réaction continue, mais avec la même vitesse dans le sens direct que dans le sens inverse et par conséquent les quantités de matière des espèces chimiques se stabilisent.
Discussion des résultats
Ces résultats montrent que peu d’élèves (moins de 20%) utilisent le critère d’évolution pour expliquer l’arrêt de la transformation. Les deux grandes catégories de réponses (critère et pas critère) apparaissent avec des fréquences comparables
chaque année ; les différences entre l’année 2004 et les deux autres ne sont pas significatives (2003-2004, p=0,30, χ²=2,4 ; 2004-2005, p=0,17, χ²=3,5).
Les principales explications de l’arrêt de la transformation sont l’épuisement d’un réactif (31% en 2003, 28% en 2005) ou l’annonce d’un équilibre sans autre argument (23% en 2004).
Si on regarde la répartition des réponses par sous-catégories, on ne trouve pas de différences significatives entre les années 2003 et 2005 (p=0,95, χ²=2,1) pour lesquelles la question posée est la même. En 2004, la question est formulée autrement et les différences sont très significatives (2003-2004 p=0,00015, χ²=30 ; 2004-2005 p=0,00053, χ²=25,9). Peut-on attribuer ces différences à la formulation de la question ?
Parmi les réponses qui n’utilisent pas le critère d’évolution, on peut regrouper les sous-catégories de réponses de la catégorie « pas critère » en trois thèmes :
cinétique pour « équilibre dynamique » et « 2réactions », équilibre pour « équilibre »
plus rien pour « TT » et « plus réaction ». On obtient le tableau suivant.
Tableau 53 : Réponses de la catégorie « pas critère » regroupées par thème catégorie « pas critère » 2003 2004 2005
cinétique (équilibre dynamique et 2 réactions) 14% 23% 12%
équilibre 18% 23% 18%
plus rien (TT et plus réaction) 35% 22% 35%
La formulation de la question peut être corrélée à ces résultats. En 2003 et 2005, pour une même formulation de la question posée, 35% des élèves donnent une réponse équivalente à « plus rien ne se passe » tandis que 14% et 12% répondent au contraire que les processus chimiques continuent (cinétique) et 18% fournissent une réponse assez neutre, « c’est l’équilibre ». En 2004 les élèves répondant que les processus chimiques continuent (23%), sont en proportion quasi identique à ceux qui répondent le contraire (22%) et aussi nombreux que ceux qui ne sont pas explicites (23%). Il semblerait que demander « comment expliqueriez-vous que la transformation cesse ? » génère davantage de réponses disant qu’il ne se passe plus rien ; alors que demander « comment expliquez-vous que les concentrations gardent une valeur constante après un certain temps ? » favoriserait les réponses
qui prennent en compte les nouvelles connaissances de la classe de terminale (équilibre, réactions inverses).
Si l’on effectue les mêmes regroupements d’arguments sur les deux grandes catégories de réponses on obtient le tableau suivant.
Tableau 54 : Réponses toutes catégories regroupées par thème catégories « critère » et « pas critère » confondues 2003 2004 2005
cinétique (équilibre dynamique et 2 réactions) 18% 30% 13%
équilibre 28% 30% 27%
plus rien (TT et plus réaction) 35% 22% 35%
Un test statistique ne montre pas de différences significatives entre les résultats des années 2003 et 2005 (p=0,72 ; χ²=0,64).
Ces trois thèmes pourraient correspondre à trois stades de compréhension des transformations chimiques. « plus rien » correspondrait au stade des classes antérieures, « équilibre » à une prise en compte des nouvelles situations présentées en classe de terminale sans toutefois chercher à dépasser l’apparente contradiction entre une absence d’évolution et la présence de toutes les espèces chimiques, ce que réaliseraient ceux qui répondent « cinétique ».
IV-4.2) Utilisation des différents modèles
Nous effectuons une synthèse des résultats examinés au paragraphe précédent qui concerne l’arrêt d’une transformation non totale et ceux du paragraphe IV-1.2.2 portant sur un système qui n’évolue pas.
Comme l’analyse précédente l’a montré, l’utilisation du critère d’évolution, donc le recours au modèle thermodynamique pour justifier l’arrêt d’une évolution est peu fréquent chaque année. Ces résultats sont particulièrement stables d’une année sur l’autre (18%, 17% et 17%). Les mêmes élèves ont fait appel au critère d’évolution à 40% en 2003 et 50% en 2004 pour expliquer le sens d’une transformation (question précédant celle sur l’arrêt, cf § IV-1.2.1). Ils savent donc l’utiliser mais ils sont une minorité à le mettre en œuvre pour expliquer l’arrêt de l’évolution (moins de 20%). Ce résultat est inattendu dans la mesure où savoir que Qr,éq=K dans l’état
d’équilibre est une compétence exigible du programme. Lorsqu’on demande d’expliquer pourquoi un système n’évolue pas (cf § IV-1.2.2), plus de 60% des élèves interrogés chaque année mettent en œuvre le critère d’évolution.
Le recours au modèle cinétique macroscopique pour expliquer l’arrêt de la transformation correspond à 18% des élèves interrogés en 2003, 30% en 2004 et 13% en 2005. Même si la formulation de la question, « comment expliquer l’absence de changement des concentrations » au lieu de « comment expliquer que la transformation cesse », accroît le taux de réponses à caractère cinétique, les réponses mobilisant le modèle cinétique macroscopique restent en proportion inférieure à 30% alors que « savoir que l’état d’équilibre est dynamique » est également une compétence exigible du programme. Lorsqu’on demande d’expliquer pourquoi un système n’évolue pas (cf § IV-1.2.2), moins de 10% des élèves évoquent l’idée des réactions inverses se déroulant à la même vitesse.
Aucun élève ne mentionne des chocs ou chocs efficaces entre particules, que ce soit pour expliquer l’arrêt de la transformation ou l’absence d’évolution d’un système. Le modèle cinétique microscopique n’est pas mobilisé par les élèves.
Si l’on revient sur l’utilisation des deux modèles macroscopiques, le contraste est net pour le modèle thermodynamique (moins de 20% d’utilisation pour expliquer l’arrêt d’une transformation contre plus de 60% pour expliquer l’absence d’évolution) beaucoup moins marqué pour le modèle cinétique (autour de 15% ou 30% d’utilisation pour l’arrêt selon la formulation de la question contre moins de 10% pour l’absence d’évolution). La question de l’arrêt d’une transformation ne génère pas un fort taux d’explications à caractère thermodynamique et cinétique alors que cela correspond à deux compétences exigibles du programme, tandis que la question portant sur l’absence d’évolution suscite une majorité d’utilisation du modèle thermodynamique et très peu du modèle cinétique.
V- Conclusion
Nous rappelons nos questions de recherche.
1) Comment les élèves expliquent–ils ou prévoient–ils l’évolution d’un système chimique (ou une absence d’évolution) dans différentes situations ? Mettent-ils en œuvre le modèle thermodynamique ?
2) Les élèves utilisent-ils pour prévoir ou expliquer le sens d'évolution d'un système des raisonnements qui ne font pas intervenir le quotient de réaction ?
3) Les élèves distinguent-ils modèles et registre empirique ?
4) Comment les élèves expliquent-ils l'arrêt d’une transformation chimique ? Font-ils appel aux modèles cinétiques ou au modèle thermodynamique ?
Rappelons que le fonctionnement du modèle thermodynamique a été décomposé en 5 étapes (voir chapitre 2 figure 4 p.32) :
• étape 1 confrontation entre la composition du système et l’équation chimique, • étape 2 expression et calcul du quotient de réaction,
• étape 3 détermination du sens conditionnel d’évolution,
• étape 4 confrontation entre la composition du système et le sens conditionnel, • étape 5 détermination de la composition finale.
Un certain nombre de questions posées aux élèves avait pour objet de tester la réalisation des quatre premières.
Usages de l’équation chimique et du critère d’évolution
Considérons les questions où l’on teste la capacité des élèves à confronter la situation expérimentale à l’équation chimique (étape 1). L’analyse des réponses montre que moins de la moitié des élèves interrogés comprend bien le rôle de l’équation chimique et que la donnée de la constante d’équilibre incite une proportion non négligeable d’élèves à mettre en œuvre le critère d’évolution dans un cas où il n’est pas utilisable.
La grande majorité des questions posées aux élèves nécessitait la mise en œuvre du critère d’évolution. Si la constante d’équilibre n’est pas fournie dans l’énoncé19, plus de 85% des élèves ne songent pas à faire appel au critère d’évolution pour argumenter leur réponse. Dans les situations où la constante d’équilibre est fournie, selon la nature de la question, (demande de prévision, explication d’une absence ou d’un arrêt d’évolution, choix d’un sens d’évolution parmi deux décrits, explication d’une évolution décrite) les proportions d’élèves qui utilisent le critère d’évolution sont variables. Le résultat le plus caractéristique est la proportion inférieure à 20% chaque année d’utilisation du critère d’évolution pour expliquer l’arrêt de l’évolution d’un système.
Raisonnements alternatifs
Le raisonnement consistant à prévoir un sens d’évolution d’après la seule valeur de la constante d’équilibre est en voie d’extinction. Les raisonnements alternatifs à l’utilisation du critère d’évolution sont principalement de deux types : raisonnement avec l’équation de réaction et raisonnement mentionnant les quantités.
19 Rappelons que l’énoncé offrait la possibilité de dire qu’il n’était pas possible de répondre faute de
L’analyse qui a été conduite (cf § IV-2) a montré que dans le cas de situations où il manque une espèce « produit », le raisonnement alternatif le plus fréquent consiste à annoncer la formation de l’espèce absente en s’appuyant sur l’équation de réaction (15% ou plus), il est parfois accompagné de l’idée que la transformation est totale. Ce raisonnement qui était mené dans les classes précédentes ne conduit pas à une prévision erronée lorsqu’il s’agit d’un soluté. Dans les classes antérieures, le sens d’évolution était toujours le sens direct, ce qui a généré une habitude. Cette habitude explique sans doute pourquoi moins d’élèves prévoient que le système peut évoluer dans le sens inverse lorsque les « réactifs » sont manquants (cf § IV-1.2.3.6.3). De façon minoritaire (de 2% à 10%) on rencontre le raisonnement « évolution sans formation de l’espèce absente initialement », qui trouve probablement sa source dans des difficultés à comprendre que les modifications d’espèces chimiques s’effectuent avec conservation de la matière, accentuées par l’utilisation fréquente des demi-équations protoniques et électroniques.
Le raisonnement prévoyant une absence d’évolution en raison de l’égalité des quantités en présence est présent mais peu répandu (autour de 10%, cf § IV-2.2).
Relations entre registre empirique et modèles
Nos interrogations à ce sujet ont donné lieu à trois questions (voir p. 58). Nous répondons aux deux premières :
Les élèves font-ils la différence entre une transformation chimique et les réactions chimiques qui permettent de la modéliser ?
Les élèves vérifient-ils qu’un sens d'évolution prévu par l’application du critère est cohérent avec la situation empirique initiale ?
Puis nous revenons sur la troisième question en nous intéressant à la modification de l’expression du quotient de réaction non seulement dans le cas des solides mais aussi dans celui de l’absence d’un soluté (cf § IV-3.3).
Dans le paragraphe IV-3.1.3, nous avons conclu à l’incapacité des élèves à distinguer les termes transformation et réaction, nous nous sommes demandé s’il s’agissait d’un simple problème de vocabulaire ou d’une absence de distinction entre le registre du modèle et le registre empirique.
Dans de nombreuses réponses d’élèves le terme réaction est employé à la place de