Après nous avoir donné leur définition d’une réaction chimique, nous avons demandé aux élèves de nous donner un exemple de réaction chimique afin d’avoir une base sur laquelle travailler. Nous allons
166
tout d’abord détailler les différentes réactions proposées par les élèves avant de parcourir les différentes explications données par ceux-ci lorsqu’on leur demande ce qu’il se passe au cours de la réaction qu’ils ont proposée.
Les élèves proposent des réactions
Voici les différentes réponses proposées par les élèves lorsqu’on leur demande d’écrire un exemple de réaction chimique :
« HCl (aq) -> H+ + Cl- » - E01 « Un acide plus un métal » - E02
« NaCl + H2O. Ça va donner des ions de Na et des ions de Cl » - E03 « 4 H + O2 -> 2 H2O » - E04
« H2 + O -> H2O » - E05, E06, E07, E08, E09 « NH3 + H2O -> NH5O » - E10
« H2 + 1/2 O2 -> H2O » - E11 « [pas de réaction] » - E12
« H + Cl -> HCl » - E13
« C2H6 + 7/2 O2 -> 2 CO2 + 3 H2O » - E14 « NaCl (dans H2O) -> Na+ + Cl- » - E15
Nous avons été assez surpris de constater que la réaction la plus citée par les élèves est la formation de l’eau, à divers degrés de justesse (E04, E05, E06, E07, E08, E09, E11). Un seul élève propose spontanément une réaction faisant intervenir un réactif organique (E14). Trois élèves proposent une réaction de dissociation afin de former des ions (E01, E03, E15). Seuls cinq élèves écrivent une réaction correcte (E01, E10, E11, E14, E15). Nous considérons la réaction proposée par l’élève E10 comme étant correcte bien que le produit ne soit pas écrit de manière totalement correcte (NH5O plutôt que NH4OH). Bien qu’ils soient occupés depuis plusieurs années à jongler avec différentes réactions chimiques, la majorité des élèves n’est toujours pas capable d’écrire spontanément une réaction chimique correcte.
Les élèves expliquent leur réaction par toute une série de notions
Lorsqu’on demande aux élèves d’expliquer comment se fait la transformation des réactifs en produits, ils font appel à beaucoup de notions différentes pour répondre à cette question. Beaucoup d’élèves parlent d’une manière ou d’une autre de liaisons qu’il faut casser et former, mais les notions retenues par les élèves pour expliquer pourquoi et comment on casse certaines liaisons pour en reformer d’autres sont variées ; on passe par la règle de l’octet, la valence des atomes, l’électronégativité, la stabilité des composés, les électrons, l’énergie nécessaire à la réaction, l’équilibre de la réaction ou encore la polarité des molécules. Cette liste de notions montre déjà que les élèves ne savent pas vraiment dans quel cadre il leur faut faire appel à toutes ces notions, et lesquelles sont réellement pertinentes pour expliquer pourquoi et comment une réaction chimique a lieu.
Le fait de se baser sur la règle de l’octet ou sur la notion de valence des atomes pour expliquer comment transformer les réactifs en produits met en évidence une incompréhension du domaine d’application de ces règles. En effet, ils appliquent des règles concernant la construction de structure moléculaire à des réactions chimiques. Nous observons ici une conception alternative qui semble
167
présente chez beaucoup d’élèves, à savoir qu’une réaction chimique est une réaction au cours de laquelle il y a formation d’une molécule au départ de ses éléments.
Certaines réactions peuvent effectivement servir à créer des molécules à partir d’ions ou d’atomes, mais ce n’est pas le cas de toutes les réactions. On observe que la moitié des réactions proposées concernent en effet la formation d’une molécule au départ des éléments qui la composent. Les élèves ont alors du mal à savoir à partir de quels réactifs la molécule peut être formée, les réactions proposées démarrent des différents atomes composant la molécule finale, qui ont été séparés les uns des autres pour se retrouver sous forme d’atomes ou de molécules monoatomiques dans les réactifs.
Voici deux exemples très démonstratifs :
« H2 + O -> H2O » - E09 « H + Cl -> HCl » - E13
L’explication de l’élève portant sur la formation de HCl démontre qu’il se base sur les notions déterminant la formation d’une molécule pour expliquer la réaction :
« Donc, on a les […] atomes d'hydrogène et de chlore, qui sont proches, qui sont en contact, qui ne sont pas vraiment en contact parce qu'il y a du vide entre etc, mais... Et autour il y a des nuages d'électrons, enfin qui sont, qui tournent pas, qui sont juste un peu partout à la fois, de ce que j'ai compris en gros, et le chlore n'a pas de volonté, mais on dit qu'il aimerait bien avoir l'électron unique
de l'hydrogène, du coup ils vont partager cet électron et créer un lien, et la même chose se passera pour l'autre, je suppose. » - E13
Dans le même ordre d’idée, certains élèves se basent sur la valence de chaque atome pour justifier le fait que certaines liaisons se brisent :
« Comme ils ont droit qu'à deux liaisons, et qu'elles sont toutes les deux prises, celle-là elle ne peut plus exister forcément, du coup ils se séparent. » - E09
Certains élèves se rendent compte qu’il faut fournir de l’énergie à des réactifs pour qu’ils réagissent ensemble et forment des produits.
« Généralement je pense pas que ça se fait tout seul, genre comme ça il faut rajouter de l'énergie. Parce que genre, là, il y a du dihydrogène et de l'oxygène, pourtant on n'a pas spécialement une pièce
remplie d'eau. Du coup, il faut de l'énergie, et en gros, si je me rappelle bien, l'oxygène, les oxygènes sont toujours par deux, et il faut qu'on les incite à se séparer, pour qu'il y ait un oxygène tout seul et
un oxygène tout seul. » - E11
« Souvent il faut quelque chose, de l'énergie ou quoi, pour casser les liens. » - E05
Plusieurs élèves vont faire appel à la notion de stabilité d’une molécule pour expliquer pourquoi une réaction a lieu. Ils sont plusieurs à avoir compris qu’une réaction chimique va générer des produits plus stables que les réactifs que l’on avait au départ.
« Ils vont s'accrocher l'un avec l'autre par bénéfice, pour être plus stables et donc s'il y a une réaction ça veut dire que un élément sera plus stable avec un autre et que c'est pour ça qu'ils se séparent. » -
168
« Un atome cherche toujours à avoir le niveau énergétique le plus bas, le plus stable, enfin au plus il est bas au plus ça sera stable, et donc en mettant plusieurs éléments ensemble, ils auront peut-être un niveau énergétique plus bas et donc plus stable qui serait différent que s'ils étaient chacun tout seul, et donc ils vont s'agencer pour être le plus stable possible et donc avoir un niveau énergétique
plus bas. » - E04
« Le H2O est plus stable que H2 et O2, donc quand ils se rencontrent ils se séparent et ils se mettent ensemble et voilà. » - E07
Une bonne partie des élèves mentionne le fait qu’il faut casser des liaisons durant une réaction chimique.
« La liaison qu'il y a entre les deux hydrogènes va devoir se casser, pareil entre les deux oxygènes. » - E04
La notion d’électrons est utilisée par quelques élèves. Leur explication est alors basée sur la notion d’électronégativité. La rupture et la formation de liaisons, ou de molécules, est expliquée par le fait que l’atome le plus électronégatif va capter des électrons vers lui, et l’atome le moins électronégatif va en perdre, ce qui résulte en la rupture d’une liaison.
« NaCl est attaché par, enfin a en lien certains électrons, et par l'H2O certains électrons vont aller plus d'un côté, enfin vont se séparer. » - E03
« En mettant les deux ensemble, […] ils vont être attirés par leur électronégativité, [l’hydrogène et l’oxygène] vont assez bien ensemble, et donc ils vont être bien collés. » - E04
Un élève a tenté d’expliquer la formation de nouvelles molécules par la polarité. Une molécule polaire va être attirée par une autre molécule polaire, le pôle positif attirant le pôle négatif de l’autre molécule, ce qui va permettre de créer de nouvelles liaisons. Pour cet élève, le fait qu’il existe une liaison est expliqué par l’attirance entre un pôle positif et un pôle négatif.
« Dans une molécule il y avait plus et moins, et du coup il y avait le plus qui était attiré par le moins de l'autre composé et inversement. […] Je pensais que c'était juste, vu qu'il y avait une liaison entre les
deux, ça voulait dire qu'il y avait un pôle négatif et un pôle positif, que les deux s'attirent. » - E14
Les élèves dessinent la structure des molécules impliquées dans leur réaction
Afin de les aiguiller dans leur explication du « mécanisme » de la réaction qu’ils m’ont écrite, nous leur proposons ensuite de représenter la structure des réactifs et des produits de leur réaction. En général, cette étape se passe relativement bien, ils se souviennent des règles à suivre pour dessiner une molécule correctement (règle de l’octet, utilisation des valences). Ils ont parfois besoin que nous leur rappelions la valence de tel ou tel élément, ou simplement leur place dans le tableau périodique. Le fait d’avoir la structure des molécules sous leurs yeux semble leur permettre une meilleure visualisation de ce qui se passe au cours de la réaction. Avec leurs propres mots, ils expliquent que des liaisons doivent être brisées et que d’autres liaisons doivent être formées.
169 Les élèves n’utilisent pas un langage chimique correct
Le vocabulaire chimique ne semble pas ancré dans l’esprit des élèves. Ils n’ont pas réussi à définir la réaction chimique en utilisant les termes de réactifs et de produits, et ils n’utilisent pas non plus les termes corrects pour parler de liaisons. Certains se souviennent du terme « valence » mais nous devons le rappeler à d’autres. Et une partie des élèves ne parle pas spontanément de « liaison », ils en restent aux « barres », aux « bras » ou aux « bras de valence ».
« Il y a ces deux bras, mais là il n'en reste plus qu'un. […] J'imagine que les barres vont s'enlever et elles vont aller se rajouter, comme ici avec les H, mais comme il y en a deux je ne sais pas. » - E08