1.1) Utilisation de l’équation chimique

Dans ce paragraphe nous cherchons à déterminer si les élèves vérifient que les espèces chimiques présentes peuvent effectivement entrer en réaction en leur proposant des situations où ce n’est pas le cas. Cette vérification s’effectue en

consultant l’équation chimique. En 2003 une seule question portait sur le rôle de l’équation chimique. L’énoncé faisait intervenir deux acides, avec donnée de la constante d’équilibre. En 2004 et 2005 deux énoncés étaient proposés, l’un identique à celui de 2003, l’autre mettant en jeu deux oxydants, sans que la constante d’équilibre soit fournie.

IV-1.1.1) Dans le cas où deux acides sont présents dans l’état initial, la constante d’équilibre étant donnée

L’énoncé décrit une situation où deux acides ROH et NH4+ sont mis en présence et

où l’on demande si les concentrations sont susceptibles de changer après mélange. L’équation de réaction figurant dans l’énoncé met en jeu les deux acides et leurs bases conjuguées, tous solutés.

Soit l’équation chimique _{+ =} − ₊ + ) aq ( 4 ) aq ( ) aq ( 3 ) aq ( NH RO NH

ROH de constante d’équilibre associée K= 0,20.

On dispose des quatre solutions aqueuses suivantes :

solution de phénol (ROH(aq)), solution de phénolate de sodium (RO₍−_aq) +Na₍+_aq)), solution d’ammoniac

(NH3(aq)), solution de chlorure d’ammonium.(NH+_4(aq)+Cl−_(aq)).

A partir de ces solutions, on réalise différents mélanges de volume total égal à 100 mL.

On se demande si les concentrations des espèces chimiques dans chaque mélange vont changer. Dites ce que vous prévoyez dans chaque cas et expliquez pourquoi.

c) Dans le troisième mélange, les espèces chimiques en présence initialement sont telles que n(NH4+)=1,0.10-3 mol ; n(ROH)=1,0.10-3 mol. Il ne comporte ni ROֿ, ni NH3.

Les deux espèces ne peuvent réagir ensemble car ce sont deux acides, l’équation chimique montre qu’elles ne peuvent pas réagir ensemble. De ce fait il n’est pas pertinent de calculer un quotient de réaction.

Les catégories de réponses

Les réponses ont été classées de la façon suivante :  celles qui concluent à une absence d’évolution  celles qui indiquent une évolution

 celles qui n’évoquent pas ces possibilités : autre réponse

Puis dans chaque catégorie, une nouvelle classification a été faite selon la nature des arguments avancés. Dans la catégorie « pas d’évolution », deux justifications correctes ont été identifiées, soit référant à l’équation de réaction, soit disant que deux acides ne peuvent réagir ensemble. Dans la catégorie « évolution » certaines justifications s’appuient sur le calcul du quotient de réaction, éventuellement en

modifiant son expression littérale, c’est-à-dire en enlevant la concentration des espèces absentes, d’autres ne mentionnent pas le quotient de réaction.

Les résultats

Tableau 10 : Résultats par catégories de réponses

catégories de réponses Année pas d’évolution évolution autre

réponse absence de réponse effectif

2003 31% (17) 36% (20) 13% (7) 20% (11) N=55 2004 55% (47) 16% (14) 8% (7) 20% (17) N=85 2005 50% (51) 33% (34) 8% (8) 9% (9) N=102

Catégorie pas d’évolution

Les réponses comportant une justification correcte s’appuient
sur l’équation de réaction,

F65 : Il manque un réactif de chaque côté de l’équation donc la réaction n’est pas possible dans les 2 sens.

I8 : On peut prévoir qu’il n’y aura aucun changement puisqu’il faut du ROH et NH3 pour former

du RO- et NH4+ or ici on se propose de mélanger du ROH avec du NH4+ donc il n’y aura aucune

réaction.

ou sur la présence de deux acides.

I87 : Puisqu’il y a 2 acides dans le mélange, aucune réaction (acido-basique) n’est possible. F41 : La réaction ne peut pas avoir lieu car l’on met en présence 2 acides donc la concentration

en NH4+ et en ROH ne changera pas et il n’y aura pas formation de RO–et de NH3.

Tableau 11 : Justifications des réponses de la catégorie « pas d’évolution »

catégorie de réponses justifications

année (effectif) pas d’évolution équation 2 acides autre ou absente

2003 (N=55) 31% (17) 9% (5) 6% (3) 16% (9) 2004 (N=85) 55% (47) 39% (33) 5% (4) 12% (10) 2005 (N=102) 50% (51) 30% (31) 4% (4) 16% (16)

Catégorie évolution

Parmi les élèves prévoyant une évolution du système, certains calculent un quotient de réaction. Des élèves écrivent 0

] ROH [ x 0 ] NH [ x 0 Q 4 r = = + (justification « Qr nul »).

I45 : Qr,i= [NH4+]x0/[ROH] x0 =0 Qr,i <K donc la réaction évolue dans le sens indirect.

Quelques uns suppriment de l’expression du quotient les concentrations des deux espèces absentes (justification « Qr modifié »).

A 28 : Qri=[NH4+]i/[ROH]i =1 donc Qri>K donc l’évolution se fait dans le sens indirect il se

formera donc du NH3 ainsi que du RO–.

F47 : On a Qr,i=[NH4+]/[ROH]=(1,0.10-3)/(1,0.10-3)=1 Soit Qr,i/K=1/0,20=5 on a donc Qr,i>>K, la

réaction a donc eu lieu dans le sens inverse. Les concentrations dans le mélange vont donc changer. En effet les ions RO– et NH4+ vont être consommés donc leurs concentrations vont

diminuer tandis que du phénol et de l’ammoniac seront formés, la concentration de ceux-ci va donc augmenter. On en déduit donc que les concentrations des espèces chimiques présentes dans ce mélange vont donc changer.

Un élève va plus loin et supprime dans l’équation de réaction les espèces absentes du mélange. Cependant il fait preuve d’une certaine perplexité devant sa propre conclusion.

A49 :Qr,i=n(NH4+)/n(ROH)=1 Qr,i>K sens indirect donc NH4+ =ROH c’est pas possible d’écrire

ça !!!

D’autres élèves expriment l’idée que le système évolue sans toujours fournir une raison claire (justification « sans Qr »).

A4 : [ROH] et [NH4+] vont diminuer pour former RO- et NH3.

Tableau 12 : Justifications des réponses de la catégorie « évolution »

catégorie de réponses justifications

année (effectif) évolution sans Qr Qr nul Qr modifié

2003 (N=55) 36% (20) 7% (4) 7% (4) 22% (12)

2004 (N=85) 16% (14) 7% (6) 0% 9% (8)

2005 (N=102) 33% (34) 7% (7) 18% (18) 9% (9)

Catégorie autre

Parmi les autres réponses, qui ne disent pas s’il y a une évolution ou s’il n’y en a pas, on trouve aussi des réponses où le quotient de réaction est modifié ou faux.

F42 : comme il n’y a ni RO– et ni NH3 alors on peut dire que Qr=0

F31 : Qri=1

Résumé des résultats

Les absences de réponses sont assez nombreuses en 2003 et 2004, deux fois plus environ qu’en 2005, vraisemblablement parce que cette question était la dernière du questionnaire durant les deux premières années.

En 2004 et 2005, la moitié environ des élèves interrogés ne prévoit pas d’évolution, l’argument avancé n’est pas correct pour tous. Ils étaient 31% à prédire une absence d’évolution en 2003 avec une justification correcte pour moins de la moitié.

Parmi ceux qui prévoient une évolution, en 2003 et 2005, 29% et 27% des élèves interrogés calculent un quotient de réaction, ce qui n’a pas lieu d’être. Ils sont moins

nombreux (9%) à raisonner de cette manière en 2004. Certains (22%, 9%, 9%) également modifient l’expression de ce quotient de réaction, en faisant disparaître la concentration des espèces absentes au lieu d’écrire que cette concentration est nulle.

IV-1.1.2) Dans le cas où deux oxydants sont présents dans l’état