C Nom et formule chimique

Article scientifique et pédagogique

Nom et formule chimique

Une double interprétation macroscopique et microscopique : une difficulté pour les élèves

par Sophie CANAC Laboratoire de didactique André Revuz (LDAR) - Université Paris-Est Créteil 94000 Créteil [email protected]

C

examine la particularité des noms et des formules utilisées en chimie : repré- senter à la fois l’espèce chimique et les entités la constituant. Il présente certaines des difficultés rencontrées par les élèves dans l’interprétation de ces deux registres sémiotiques, notamment le fait d’associer majoritairement des critères microscopiques aux noms et aux formules, et la non-prise en compte explicite de ces difficultés dans les programmes et dans les ouvrages scolaires.

INTRODUCTION

Le premier paragraphe du nouveau programme de chimie en seconde est inti- tulé : « Constitution de la matière de l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique ». Une espèce chimique peut en effet s’interpréter à deux niveaux : un niveau macroscopique correspondant aux données expérimentales permettant d’élaborer sa carte d’identité et un niveau microscopique correspondant aux entités chimiques (atomes, molécules, ions) qui lui sont associées. Pour représenter une espèce et les entités qui la consti- tuent, le chimiste utilise le même nom et la même formule. Après une présentation historique de l’élaboration de la nomenclature et des formules chimiques, puis des différentes interprétations que ces deux représentations permettent, nous interrogeons les difficultés des élèves quant à l’utilisation de ces registres sémiotiques, notamment ce double aspect macroscopique - microscopique. Nous examinons ensuite comment les programmes et les ouvrages scolaires tiennent compte de cet aspect polysémique du langage utilisé en chimie.

1. L’ÉLABORATION DE LA NOMENCLATURE ET DES FORMULES CHIMIQUES

La nomenclature et les formules chimiques, brutes ou développées, permettant de

représenter les espèces chimiques se développent à partir de la fin du xviii

siècle de

concert avec l’expansion des connaissances empiriques macroscopiques et des modèles

microscopiques permettant d’interpréter les résultats observés. Trois temps forts se dégagent dans ce processus d’élaboration :

♦ une nomenclature s’appuyant sur le concept macroscopique de corps simple, consi- déré par Antoine Lavoisier comme les substances indécomposables, et sur les expé- riences en laboratoire de composition et de décomposition des substances (l’eau perd ainsi son statut d’élément) ;

♦ des symboles et des formules brutes proposés par Jöns Jacob Berzelius, en lien avec la théorie atomique de John Dalton et le développement de la chimie analytique menée dans les laboratoires européens ;

♦ des formules développées proposées par les chimistes organiciens en lien avec la notion d’arrangement des atomes au sein des molécules, modèle devenant nécessaire avec l’explosion des synthèses organiques et la découverte de nombreux isomères.

La structure chimique devient la source des propriétés chimiques des composés pour les chimistes organiciens (Alexandre Boutlerov, Archibald Couper, Friedrich Kékulé, Auguste Laurent, Adolphe Wurtz…).

Dès leur élaboration, les formules de Berzelius sont reprises par l’ensemble de la communauté des chimistes alors que deux groupes s’opposent au xix

siècle, cha- cun ayant sa propre interprétation de la formule. Les équivalentistes refusent la vision atomiste de la matière. Ils voient dans la formule uniquement l’espèce chimique dans laquelle on indique les proportions des corps simples qui la constituent. Les atomistes interprètent de leur côté la formule comme celle de la molécule dans laquelle on indique la composition atomique. Les formules, langage commun à tous les chimistes, vont alors être bien plus qu’un outil de représentation. Elles vont permettre le déve- loppement de la chimie. L’écriture sur une feuille de papier des structures moléculaires planes va servir d’auxiliaire puissant dans l’interprétation des réactions chimiques [1]. Des expériences chimiques vont sembler impossibles parce qu’interdites par les formules développées et inversement, ces dernières vont permettre d’imaginer des réactions que les chimistes n’auraient jamais pensé réaliser [2]. Les formules sont de véritables « outils de papier » [3].

2. UN LANGAGE AUX MULTIPLES INTERPRÉTATIONS

Le langage se développe donc avec cette double interprétation microscopique et macroscopique. Ce qui pourrait être considéré comme une imprécision (un même registre de représentation pour plusieurs interprétations) est en fait une richesse [4].

L’équation chimique dans sa forme symbolique peut être lue et utilisée par l’expert

à la fois au niveau de l’expérience ainsi qu’au niveau des particules [5]. Ce système

de représentation unique favorise le travail du chimiste en lui permettant de travailler

simultanément dans les deux niveaux (cf. figure 1). Les noms, les symboles et les for-

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mules chimiques constituent une passerelle entre le macroscopique (les substances) et le microscopique (les particules) [4].

Figure 1 - Deux niveaux de concepts reliés par une même représentation symbolique d’après Keith Taber [4].

Plusieurs signifiés sont donc associés à un signifiant

. Seul le contexte permet à l’expert de dire si la formule H

O représente une molécule ou une quantité quel- conque, un gaz, un liquide ou un solide, un acide ou une base, un nucléophile ou un électrophile [7]. Le même symbole C, qui apparaît deux fois dans l’équation de com- bustion du carbone (C + O

= CO

), prend deux significations différentes. Le « C » seul dans la partie gauche de l’équation représente le solide graphite et il représente l’atome de carbone dans la formule « CO

». Dans les deux cas, la lettre représente l’élé- ment chimique, signification permettant d’ajuster l’équation de la réaction.

Quand un enseignant de chimie utilise la lettre C, il y voit alors immédiatement le carbone, et suivant le contexte, sa signification macroscopique ou microscopique. Le novice risque de n’y voir que la troisième lettre de l’alphabet en écriture d’imprimerie sans aucun lien avec le phénomène chimique observé [8]. On peut alors s’interroger sur les significations qu’un élève donne aux différentes représentations utilisées en chimie.

3. LES DIFFICULTÉS DES ÉLÈVES FACE AU LANGAGE DU CHIMISTE

Vahide Taskin et Sascha Bernholt [9] ont fait un bilan des recherches au cours de ces trente dernières années dans les pays anglo-saxons relevant à la fois des difficultés d’ordre syntaxique et d’ordre conceptuel dans l’utilisation des symboles. Des travaux plus récents ont été menés en France autour de la compréhension des noms et des for- (1) « Pour Ferdinand de Saussure, le signe linguistique est pour ainsi dire double et se compose

d’un élément conceptuel (signifié) et d’un élément “expressif ” ou d’expression (signifiant) »

([6], p. 1).

mules brutes chez les élèves français [10]. Ces différentes recherches montrent notam- ment que les élèves éprouvent des difficultés pour coder ou décoder les différents types de représentation ou pour interpréter le modèle sous-jacent à la représentation utilisée, comme on peut le constater dans les exemples suivants :

♦ Certains élèves considèrent CH

O comme constitué d’un carbone lié à de l’eau, ou SiO

comme équivalent à Si

O

[11] ou encore CH

équivalent C

H

même pour des étudiants de licence de chimie [10].

♦ Les symboles chimiques peuvent être compris comme une simple abréviation du nom de la substance [12].

♦ L’utilisation des formules brutes se rapporte parfois à une simple manipulation arith- métique dans les équations chimiques [13], ceci pouvant expliquer que des élèves valident une équation telle que H

+ O " H

O ou acceptent dans une équation la formule H

O

pour l’eau à la place de 2H

O [10].

♦ Pierre Fillon [14] montre comment les élèves établissent l’équation de réaction en recherchant à la fois dans les noms scientifiques et dans les formules des effets de per- mutation par symétrie (monoxyde de cuivre + carbone " monoxyde de carbone + cuivre ou CuO + C " Cu + CO), plutôt qu’en s’appuyant sur les descriptifs de l’état initial (présence de carbone et de dioxyde de cuivre) et de l’état final (formation de dioxyde de carbone).

♦ La syntaxe du nom ou la composition atomique dans la formule peut constituer une source d’erreur chez les élèves pour choisir entre corps pur et mélange (le nom

« dioxyde de carbone » et la formule « CO

» sont plus souvent considérés comme un mélange que respectivement le nom « dioxygène » ou la formule « O

») [10]. Cela révèle une confusion entre ces deux concepts qui ne sont pas maîtrisés par les élèves, et confirme un résultat obtenu lors de la présentation de schémas particulaires (sché- mas « microscopiques » où les espèces chimiques sont représentées par des boules, de différentes couleurs ou tailles, qui figurent les particules constituant l’espèce) [15].

Les élèves éprouvent des difficultés pour passer d’un niveau d’interprétation macroscopique à un niveau microscopique dans le cas des équations chimiques. Nous détaillons dans le paragraphe suivant les réponses des élèves à un questionnaire cher- chant à mettre en évidence l’interprétation microscopique ou macroscopique que les élèves font des noms et des formules chimiques [10].

4. INTERPRÉTATION MICRO OU MACRO DES NOMS ET DES FORMULES CHIMIQUES PAR LES ÉLÈVES ?

Cinq cent cinquante-huit élèves de la quatrième à la terminale scientifique de

(2) Formule de plus incorrecte chimiquement.

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différents établissements en France ont répondu en 2016 à un questionnaire papier- crayon. Pour analyser les réponses, les élèves sont regroupés en trois groupes de niveau :

♦ les élèves de quatrième et troisième rassemblés sous le nom de groupe « Collège » ;

♦ les élèves de seconde rassemblés sous le nom de groupe « Seconde » ;

♦ les élèves de première et terminale scientifiques rassemblés sous le nom de groupe

« Première et terminale ».

Les questions posées font appel à des connaissances de cycle 4 et l’ensemble des noms et des formules proposées dans le questionnaire sont issus des ouvrages scolaires du cycle 4. Le questionnaire comportait sept questions

. Deux sont ici détaillées.

Dans les deux questions (cf. annexe 1), les élèves doivent choisir, pour différents noms et différentes formules, un ou plusieurs critères parmi les quatre propositions suivantes : corps pur, mélange, atome et molécule. Nous examinons ici uniquement si les élèves choisissent un critère d’un seul niveau, soit macroscopique (corps pur ou mélange) soit microscopique (atome ou molécule), ou un critère dans chaque niveau.

Le pourcentage d’élèves qui choisissent deux critères dans le même niveau est quant à lui totalement négligeable (inférieur à 1 % quel que soit le nom ou la formule). Pour cette analyse, nous ne tenons pas compte de l’exactitude des réponses des élèves. Nous établissons alors trois catégories de réponses pour construire les graphiques :

♦ « Macro seul » correspondant aux élèves qui sélectionnent uniquement un critère macroscopique ;

♦ « micro seul » correspondant aux élèves qui sélectionnent uniquement un critère microscopique ;

♦ « Macro + micro » correspondant aux élèves qui sélectionnent à la fois un critère macroscopique et un critère microscopique.

Dans le cas du dioxygène et de O

(cf. figure 2, page ci-après), nous observons un profil de graphique identique pour le nom et pour la formule. Moins d’un tiers des élèves sélectionnent à la fois un critère macroscopique et un critère microscopique.

Il n’y a aucune évolution significative avec le niveau scolaire. La majorité choisit un critère microscopique seul. Ce choix augmente avec le niveau scolaire pour arriver à 63 % dans le groupe « Première-Terminale », à la fois pour le nom et pour la formule.

Le pourcentage d’élèves qui choisissent uniquement un critère macroscopique diminue avec le niveau scolaire pour arriver à 10 % pour le nom ou 8 % pour la formule. Nous obtenons des résultats totalement similaires pour le carbone et le dioxyde de carbone, nom et formule (cf. annexe 2).

(3) L’ensemble du questionnaire et des résultats sont issus des travaux d’une thèse [16] accessible

en ligne : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01969361/ et disponible sur le site de l’UdPPC.

Figure 2 - Critères macroscopiques ou microscopiques choisis par les élèves pour le dioxygène (nom ou formule).

Dans le cas de l’eau (cf. figure 3), nous remarquons une différence significative avec les groupes « Collège » et « Seconde ». Les élèves choisissent pour le nom principa- lement le critère macroscopique seul : 47 % pour le groupe « Collège » et 40 % pour le groupe « Seconde ».

Figure 3 - Critères macroscopiques ou microscopiques choisis par les élèves pour l’eau (nom ou formule).

L’ambiguïté du nom « eau », nom scientifique, mais également terme du langage

courant, pourrait expliquer cette divergence de résultats avec la formule H

O ainsi

qu’avec les autres espèces chimiques. Nous pourrions aussi penser que cette préfé-

rence des élèves pour les critères microscopiques provient d’une mauvaise maîtrise

des concepts de corps pur et de mélange. Mais en analysant les réponses données

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pour « charbon » et « pétrole » (cf. figure 4), nous constatons que les élèves choisissent de façon majoritaire le critère macroscopique seul et que ce choix augmente avec les années d’études.

Figure 4 - Critères macroscopiques choisis pour les noms « charbon »,

« pétrole » et « eau ».

Les résultats que nous obtenons pour le nom « eau » (cf. figure 4), proches des résultats obtenus pour du charbon et du pétrole en collège et seconde (cf. figure 4), puis se rapprochant des résultats obtenus pour le dioxygène en première et terminale (cf. figure 2), nous conduisent à penser que, dès qu’un composé est rattaché à une for- mule chimique, ou étudié en cours de chimie, le critère pertinent pour les élèves est d’abord microscopique, à l’inverse des termes « charbon » ou « pétrole ».

Le fait que peu d’élèves choisissent à la fois un critère macroscopique et un critère microscopique pour caractériser un nom ou une formule semble donc indiquer que le langage symbolique ne joue pas pour une majorité d’élèves le rôle de passerelle entre le macroscopique et le microscopique [4]. De plus, le nombre d’élèves faisant ce choix semble augmenter avec les années d’étude. Que proposent alors les programmes et les ouvrages scolaires en cycle 4 au moment de l’introduction des registres sémiotiques, nom et formule de cette double interprétation microscopique-macroscopique ?

5. PROGRAMMES ET OUVRAGES SCOLAIRES 5.1. Dans les programmes

Dans les programmes, le double aspect microscopique et macroscopique du lan-

gage n’est jamais évoqué. Le terme nomenclature n’apparaît jamais. Aucune connais-

sance et aucune compétence ne sont exigées à propos des noms « scientifiques » des

espèces chimiques. La formule chimique et les symboles semblent être uniquement

représentatifs du niveau microscopique, que ce soit dans le programme du cycle 4 où on peut lire : « Interpréter une formule chimique en termes atomiques », ou dans les rappels de cycle 4 indiqués dans le programme de seconde :

Notions étudiées au collège (cycle 4)

♦ Échelle macroscopique : espèce chimique, corps purs, mélanges, composition de l’air, masse volumique, propriétés des changements d’état, solutions : solubilité, misci- bilité.

♦ Échelle microscopique : molécules, atomes et ions, constituants de l’atome (noyau et électrons) et du noyau (neutrons et protons), formule chimique d’une molécule, formules O

, H

, N

, H

O, CO

.

La polysémie des symboles et des formules est donc totalement passée sous silence.

5.2. Dans les ouvrages scolaires

Dans les ouvrages scolaires de cycle 4 analysés, au total quatre ouvrages, aucun travail n’est proposé autour du nom scientifique. Les ouvrages utilisent les noms usuels aussi bien que les noms scientifiques sans jamais faire de distinction ni de mise en rela- tion. Les formules sont introduites comme étant celles des molécules et donc unique- ment comme une représentation du niveau microscopique. Dans tous les ouvrages de cycle 4, la présentation proposée des équations à partir des formules chimiques insiste sur l’interprétation microscopique et occulte en général le caractère macroscopique de la réaction chimique qui n’est ni défini ni mentionné. Pourtant très rapidement dans les activités et dans les exercices proposés, aucune précaution langagière n’est prise pour spécifier le niveau de référence. Les formules chimiques sont alors utilisées de façon implicite pour représenter les espèces chimiques, comme dans l’exemple ci-après : « Le butane, de formule C

H

, est un gaz… » ([17], p. 76).

Les équations chimiques sont toujours introduites et interprétées à partir des entités chimiques, atomes ou molécules. On leur associe explicitement un bilan microscopique pour ajuster les nombres stœchiométriques. On observe alors à nouveau dans les exercices un glissement vers le niveau macroscopique, notamment quand les élèves doivent faire le bilan des espèces chimiques réactives et produites à partir de la lecture d’une équation de réaction. On retrouve ce même glissement implicite quand on fait appliquer aux élèves la conservation de la masse toujours à partir de la lecture de l’équation.

Les ouvrages scolaires, en cohérence avec les programmes, ne disent donc rien du

double aspect microscopique - macroscopique du langage du chimiste. L’élève débutant

doit comprendre par lui-même que les noms scientifiques et les formules chimiques

peuvent être utilisés à la fois pour représenter le niveau empirique et le niveau des

modèles : macroscopique et microscopique. Une réflexion entre le passage du nom et

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de la formule de l’entité élémentaire microscopique à celle du nom et de la formule de l’espèce macroscopique n’est jamais évoquée. Est-ce si évident d’avoir une repré- sentation identique alors que l’on différencie les concepts entité et espèce  ? On ne trouve aucun exercice permettant de travailler cet aspect polysémique. L’apprentissage du langage du chimiste semble finalement aller de soi et ne pas présenter de difficultés particulières.

CONCLUSION

L’équation chimique, au centre des programmes français, est un concept polysé- mique et intégrateur entre le symbolique, l’identification des composés chimiques et le passage du microscopique au macroscopique. L’enseignant passe aisément d’un niveau à l’autre, mais cela reste invisible pour un élève [18-19]. Cette non-prise en compte de l’enseignement du langage n’est pas spécifique à la France [20-21]. Roger Barlet et Dominique Plouin [19] en 1994 proposaient déjà pour améliorer l’enseignement de la chimie de travailler autour des représentations symboliques « de façon à réduire les zones d’ombres et d’imprécisions et à permettre une meilleure appropriation des concepts utilisés ».

Il nous semble que cet aspect polysémique du langage, niveau macroscopique et niveau microscopique, devrait être introduit dès le cycle 4 de façon explicite aux élèves. Au moment où l’on introduit le modèle qu’une espèce chimique est consti- tuée d’un nombre gigantesque de la même entité, il serait sans doute nécessaire de faire réfléchir les élèves au fait que les chimistes associent le même nom et la même formule, à l’espèce et à l’entité. Pour permettre aux élèves une meilleure identification du niveau dans lequel il est en train de travailler, l’état physique, ou celui de l’entité, pourrait systématiquement être ajouté devant le nom (par exemple  :  le gaz dioxyde de carbone ou la molécule de dioxyde de carbone). On pourrait faire de même en indiquant l’état physique après la formule de l’espèce chimique pour la différencier de celle de l’entité (par exemple : CO

(g) pour le gaz dioxyde de carbone ou CO

pour la molécule dioxyde de carbone). Cette explicitation du langage utilisé en chimie pour- rait peut-être aider les élèves à mieux appréhender ce double niveau d’interprétation macroscopique-microscopique, toujours présent dans les notions étudiées en chimie au collège ou au lycée.

Face aux difficultés des élèves à la fois syntaxiques et conceptuelles quand ils utilisent des formules chimiques, nous proposons d’introduire ces dernières au collège à partir d’une ressource fondée sur l’histoire des sciences

. La première partie de la (4) La ressource est décrite dans un article [22] accessible en ligne à l’adresse :

http://docs.irem.univ-paris-diderot.fr/up/IPS18002.pdf

et disponible sur le site de l’UdPPC.

ressource, en montrant que les chimistes ont utilisé plusieurs symboles avant de choisir les lettres, devrait aider les élèves à élaborer et mieux comprendre les règles syntaxiques des formules. La deuxième partie de la ressource s’appuie sur les problèmes que les chimistes se sont posés, à un moment où la structure électronique de l’atome était encore inconnue, et les raisons qui les ont amenés à choisir notamment O

et non O pour la formule du gaz oxygène, H

O et non HO pour la formule de l’eau

. Nous pensons que montrer en cycle 4 que les formules chimiques ne sont en rien arbitraires, et ont été élaborées à partir de contraintes issues à la fois du registre empirique et du registre des modèles, pourrait favoriser une meilleure compréhension de ces dernières.

BIBLIOGRAPHIE ET NETOGRAPHIE

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(5) Les formules O pour le gaz oxygène et HO pour l’eau sont celles proposées par John Dalton

en 1808.

Article scientifique et pédagogique

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[22] S. Canac et I. Kermen, Conception d’une ressource didactique fondée sur l’histoire des sciences pour introduire les formules chimiques au collège, Paris : IREM de Paris, 2018.

Compléments de l’article

Cet article comporte des compléments nommés :

♦ Thèse « Le langage symbolique… ».pdf

♦ Article « Conception d’une ressource ».pdf

L’ensemble est disponible sur le site de l’UdPPC sous la forme d’un fichier zippé 10320261.

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Annexe 1

Enquête sur les représentations utilisées en chimie

Ce questionnaire n’est pas un contrôle, il est anonyme. Il s’agit d’une enquête dans le cadre d’un travail de recherche visant à mieux connaître ce que vous comprenez. Ne cherchez pas à donner la « bonne » réponse. Pour nous, la « bonne » réponse est « ce que vous pensez » réellement !

1. Indiquez ce que chaque nom représente pour vous (vous pouvez cocher une ou plusieurs ré- ponses par ligne) :

Corps pur Mélange Molécule Atome Ne sais pas

Dioxygène ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Eau ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Cyclohexane ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Charbon ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Méthane ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Carbone ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Pétrole ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Dioxyde de carbone ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

2. Indiquez ce que chaque formule ou chaque symbole représente pour vous (vous pouvez cocher une ou plusieurs réponses par ligne) :

Corps pur Mélange Molécule Atome Ne sais pas

O

❏ ❏ ❏ ❏ ❏

H ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

H

O ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

C ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

CO

❏ ❏ ❏ ❏ ❏

C

H

O ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Fe ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Annexe 2

Critères macroscopiques ou microscopiques choisis par les élèves

Figure 5 - Critères macroscopiques ou microscopiques choisis par les élèves pour le carbone (nom ou formule).

Figure 6 - Critères macroscopiques ou microscopiques choisis par les élèves pour le dioxyde de carbone (nom ou formule).

Sophie CANAC Enseignante-chercheure

Laboratoire de didactique André Revuz (LDAR) Université Paris-Est Créteil

Créteil (Val-de-Marne)