LE CONCEPT DE REACTION CHIMIQUE
Hélène STAVRIDOUGREDISPEN, ENS St Cloud et LlRESPT Paris 7
MOTS CLEFS:r~action chimique.processu6,r~6ultat.6ubstance.modile6.
RESut·1E:
Evolution historique du concept de r~action chimique à travers 6es rapport6 avec le champs empirique et les diff~rent6modAles microsco-piques.Investissement didactique pour l'enseignement du concept au collège.
SUr·1MARY:
Historical evalution of the concept of chemical reactian through hi6 relations with data of the empirical domain and the different micro-scopie models.Implications for instruction of the concept at the
1.EVOLUTION HIS'l'ORIQUE DU CONCEI"l' D8 HIo:ACTION CIIHlHîUE
Dans le texte qui suit nous allons essayer d'éclairer certains as-pects de l'évolution historique du concept de ré~ction chimique, dans ses rapports avec le champ empirique d'une part et les différents modè-les microscopiques d'autre part.Notre intér~t étant centré sur l' en-seignement de la chimie, nous voyons dans l'étude de son histoire un moyen qui pourra nous fournir des éléments susceptibles d'~tre investis dans l'enseignement de cette discipline.~tantdonné l'étendue du sujet et l'espace limité dont nous dioposons, nous avons conscience du cara~ tère partiel, incomplet et souvent schématique de l'exposé dont la ri-chesse ne peut pas s'épuiser en quelques lignes.
Les réactions chimiques s'inscrivent dans le cadre général des trans-formations de la matière dont elles constituent une classe spéciale. Dien qu'une problématique considérable soit développée depuis l'antiquité grecque au sujet des transformations de la matière(atomistes, Aristoteh la spécificité du fait chimique ne commence à être reconnue qu'au 17e siècle.C' est l ' époque o~ les savants commencent à se détacller de la théorie 'aristotélicienne en faveur des théories corpusculaires.
La manipulation d'un petit nombre de substances et l'observation de leur comportement amènent Doyle(Sceptical Chymlst. l661)à distinguer deux sortes de processus: il s'agit d'un mélange quand il y a conser-vation des propriétés caractéristiques des constituants qui sont facileu à séparer; par contre,dans une combinaison lus constituants perdent leurs qualités primitives tJt sont inséparables."lIi le feu, ni aucun autre moy-en connu d'analyse ne peut plus la diviser de manière à séparer les corpuscul es qui ont concouru à la former" (in Dultem Il.21,).Cct te dernière phrase donne à la distinction un caractère purement opérationnel dépen-dant des moyens d'analyse que le chimiste a à sa diüposition.Le proces-sus de renversabilité(ou pas) du vhénolllène constitue 10 critère essenti-el d'a:ppartenance à une des duux classes(lIlélange ou comlJinaison).Le nOIl1-bre ùe substances étant très limité, le chimiote do l'époque procède à leur reconnaissance par le Inoyen d'une luctUl'LI sensoriellu de leurs propriétés(aspect extérieur, goût. odour).
Le champ empirique SI élargi t ltmtoment <lU 18e Eiiècle. Iles substancos
nou vell es Gont décou verteG et parlili ulles, les ga:!.. Lus cllimistus coropa-rent le comportemont des diverses substances et établissent des tables d'affinités chimiques.DeEi moyens dl analyse nouveaux sont utilisés(ana-lyse par voie humide).
réorgani-sation conceptuelle profonde des données empiriques de son époque,en po-sant ainsi les fondements de la chimie moderne.A l'origine de ce que les historiens ont qualifié de "révolution scientifique" en chimie, se trouve la coordination par Lavoisier, des aspects suivants:
1.1a valorisation du concept de la masse mesurable par la balance
2.1' étude quantitative des réactions chimiques; les gaz sont aussi pris en compte pour faire le bilan total(la conservation dë la masse devient une loi de la chimie)
3.1a démonstration du rôle de l'oxygène pour la combustion
4.1a définition opérationnelle de l'élément qui verd ùéfinitivement son caractère métaphysique, pour devenir le corps simple, dernière limite à laquelle l'analyse chimique peut parvenir
Pour Lavoisier, la combustion est la combinaison de l'oxygène de l ' air avec le combustible. Le concept de réaction chimique prend une autre signification: c'est la (re)combinaison des éléments/corps simples pour donner un corps composé.
Lav6isier inaugure l'ère quantitative de la chimie et fait des élé-ments/corpa simplea les entités réelles d'une combinatoire chimique macroscopique dont les chimistes pourraient ensuite explorer toutes les possibilités. Quelques années plus tard,Proust et llichter commencent ~ étudier les rapports pondéraux des substances participant à des réac-tions chimiques et ils formulent les deux lois chimiques qui porLent respectivement leurs noms. Les conséquences sont irliporLantes.
La loi de Proust :a)entraine une reformulation du concept ùe réac-00 tion chimique; ainsi chaque fois que deux corps se combinent entre eux en proportions pondérales stables et définies, il s'agit d' unu réac-tion chimique;b)permet une distincréac-tion entre mélange et réacréac-tion chimi-que , dans le sens chimi-que dans un mélan~e ies constituants peuvent 6e trou-ver à n'importe quelles proportionii;c)donne pour la première fois en chimie un critère de pureté d' une Gubut~ncequi perm~t une distinction eutre mélange et corps pur, il une époque où les clliroiGteG .confrontés avec le besoin de mesures de plus en plus précises, prennent conscience du rôle perturbateur que les impuret6s jouent dans leurs expériences. Ce critère de pureté, il faut avouer qu'il est peu pratique, puisque le chimiste peut se rendre compte seulement 11 pouteriori si l~s Gubstances qu'il a utilisées pour une réaction chimique étaient pures 011 pas.
Notons pour l' histoire que nerthollet,étudivnt l'influence des con-ditions sur le d&roulement de la rêaction chimique,arrivu il la conclu~ sion que la composition d'un corps composé peut variùr infiniment, fait qui l'oppose à J'roust."La cause do son erreur ré::Üde dans cette vieille confusion, que les cllilolifjLeu n' aper,;oivcnt pas encore entre 10:';
phé-nomènes physiques tels les mélanges ou la dissolution acqueuse et les réactions chimiques comme la saturation d'une base par un acide(in Dau-mas p.79).On peut dire cependant que Berthollet a ouvert un nouveau cha-pitre en chimie. Le sujet sera repris et étudié avec succès cette fois-ci pendant la deuxième moitié du 1ge siècle(équilibre chimique etc.).
A l'issue de la loi de Richter le concept des poids équivalents est introduit en chimie. Dalton en prolongeant la combinatoire chimique au
nive~umicroscopi~ue(hypothèseatomique) introduit le concept de poids atomique. Atomistes et équivalentistes,quoiqu' opposés au niveau théori-que, armés de deux nouveaux concepts(poids atomiques pour les uns, poids équivalents pour les autres) se lancent à la découverte de la compositi~ Gn quantitative de diverses substahcesDes formules chimiques apparais-sent.Le concept de réaction chimique change l'our une nouvelle fois: c' est la modification,au moins d'une substance,impliquant un changement dans sa composition. A l'époque il est généralement admis que les pro-priétés d'une substance dépendent directement de sa composition quanti-tative.
Mais voilà qu'un autre problème fait son apparition:deux corps, is-sua de deux réactions chimiques différentes, peuvent avoir exactement la même composition.mais d~propriétéstout à fait différentes.CI est le
cas de l ' isomérie.ar,connaître la composition d'un corps, ce n'est pas suffisant pour l'identifier.
Les chimistes,après avoir exploré jusqu'à un certain degré "le processus" de la combinatoire chimique,sont forcés de s'occuper de son "résultat".Le nombre des substances connues augmente rapidement et les chimistes commencent à chercher les paramètres qui permettront les cara-ctériser, les identifier.
Un tel paramètre est pour la première fois introduit en chimie en 1824 quand Chevreul a fait du point de l'ébullition et du point de fu-sion d'une substance, un critère de son identité et de sa pureté.(les changements d'état commencent à être étudiés de façon systématique i
la môme époque)Le problème de la distinction entre la réaction chimique et les phénomènes physiques(changements d'état, mélanges/solutions) peut alors être abordé sous un nouvel angle: la réaction chimique est la transformation de la matière lors de laquelle l'identité des substances de départ chango, on opposjtion avec un phénomène phYGique,lors duquel l'identité des substances dB départ se conserve.
Le concept de substance commence â prendre Bon statut moderne:clest de la matière définie et identifiée par ses propriétés.Mais il ne s'agit plus de propriétés exclusivement phénoménologiques et d'une lecture sen-sorielle de ces propriététi.Là 011 s' intérelHw il des propriétés dont la
manifestation et la lecture s'effectuent à l'aide d'un-appareillage de laboratoirej on peut dire qui on procède à une lecture "instrumenta.. le" des propriétés de la matière. La chimie continuera dans ce sens. en développant des méthodes de plus en plus performantes pour identifier les 6ubstances(spectres Il~.UV.RNM.demasse etc.) et pour assurer leur pureté(ex. la chromatographie). le point de fusion et le point dl ébul-lition restant un moyen largement utilisé.
En ce qui concerne les (re)formulations du concept de réaction chi-mique sous l'influence de modèles microscopiques. nous allons situer notre point de départ au début du 1ge siècle. Dans le cadre de la théorie atomique de Dalton. le concept de réaction chimique traduit un réarran-gement des atomes des corps du départ.
La recherche de relations entre matière et électreité entraine une nobvelle formulation du concept. en termee du niveau microscopique:la réaction chimique est le fait dl attraction entre particules portant des charges électriques opposées. Les forces chimiques sont assimilées à des forces électriques.Mais la substitution du chlore(élément électronégatif) 'par 11 hydrogène(élément électropositif) fait défaut à cette théorie
du-alistique(Berzelius). qui s'écroule vers le milieu du 1ge siècle. Au début du 20e siècle. 11 atome n'est plus une entité hypothétique; la science démontre. son existence réelle et découvre progressivement sa structure fine.De différents modèles sont élaborés pour l'atome. Le dé-veloppement des théories concernant les liaisons chimiques affecte le concept de réaction chimique pour une fois de plus:c' est le processus de formation et de coupure des liaisons c1dlOiques se réa.lisant par un transfert d'électrons entre les atomes. Actuellement on trouve dans la littérature chimique des formulations plus générales du concept: c'est un processus de changement radical des positions des atomes suivi par une modification du nua15e électronique qui les entou)'(,.lIl1e définition sl générale peut englober d'autres IJhûnomènes que la réaction cllimi.que.
f'.J.azlo pense qu "'il vaut mieux définir la réaction cllilllique par un en-semble de mécaniDrlles"(p,6o).
2.IrIVJ,;~TISSErlE:m'mnAC'l'HIU8
Si pour là chimie actuelle/qui raisonne en turmes d'illteractions mi-croscopiques une diotinction entre pllénoroène physique et pllénomène
chi-1
mique n' a pas tellement d' intérit, pour 11 élève qui débute en chimie la construction du(des) concept(s) de r&action chimique sUI,pose et exigu une telle différenciationjd l autant plus que l ' histoire montre qu'une distinction entre ces deux catégoriuG do pliénOllluues ni est pas évidente.
Vu l'évolution historique du concept, les formulations en termes de "processus" masquent l' asp"ct le plus essenti.el du phénomène, celui de la production des substances nouvelles,et elles ne sont pas susceptibles de fournir un moyen facile de distinction entre réaction chimique et phé-nomène physique.De plus, elles reposent sur un savoir techniqué considé-rable qu'on ne peut pas espérer transmettre au débutant sans créer un
c~rcle.vicleux,nouvellesource de confusion.
A nos yeux,pour une initiation en chimie, il est très essentiel que l'accent soit mis sur le "résultat" d'une transformation de la matière physique ou chimique. Mais pour que l'élève puisse se prononcer sur le "résultat", il a besoin de points de repère concrets:a)pour identifier une substance;b)pour appréhender et vérifier le changement ou la conser-vation de son identité.C"s points de r"père sont les propriétés de la substance:a)propriétés immédiates(couleur,aspect extérieur etc.) à par-tir desquelles on peut établir "la carte d'identité" de la substance; b)propriétés "construites" dont la manifestation est provoquée à travers l'utilisation d'un appareillage de laboratoire et qui peuvent jouer le rôle des "empreintes digitales" de la substance.Le point de fusion et Le point d'ébullition d'une substance seront alors d'une grande utilité. Suivant cette problématique, l'enseignement doit commencer par une étude des c hangemen ts d'état, ayant 1e souci de faire du ,p. de f. et du p.d'éb. d'une substance un critère de son identité et de sa pureté.En-suite une étude de mélanges et de solutions va initier l'élève aux mé-thodes élémentaires de récupération de. leurs constituants.On vérifie la conservation de l'identité des constituants à l'aide du p.de f. ou du p.d'éb.On pourra après aborder les réactions chimiques: des substances se transforment en d'autres substances;leur identité a changé.On vérifie
à l ' l'ide du p.de f. ou du p.d'éb.Un tel cheminement nous semble très cohérent et intéressant de point de vue didactique, mais il faut ie tes-ter auprès des élèves pour voir sa portée réelle.
Ajoutons encore cela:c' est seulement après la construction du con-cept de réaction chimique au niveau macroscopique, que l'enseignement doit envisager l'introduction d'un modàle atomique, pour tenter une 1lI0déliL;ation élémentaire des processuG physiques et chimique6.A notre avis, la modélisation n' a pas d' intérGt pour l'élève,si Celui-ci ~e maîtrise pas suffisamment un phénomène au niveau macroscopique. ln BI.IOGRi\PIll lè
1.II.Daumas:L' acte chimique-Edo du Sablon-l'J/,6
2.P.Duhürn:Le mixte et la cOI"binaisoll clilrnique-Fayard-1C)(',5 :>.l'.),&zlo:l,a réaction chililique-l-:d. lIerlllann-197/j
