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L’appropriation par des élèves tunisiens débutants du langage permettant de représenter la réaction chimique

The appropriation of the language necessary to represent the chemical reaction by Tunisian beginning students
Wie tunesische Schüler sich die Sprache aneignen, die die Darstellung der chemischen Reaktion ermöglicht
La apropiación del lenguaje que permite representar la reacción química por alumnos tunisinos principiantes
Imène Mzoughi-Khadhraoui et Alain Dumon
p. 89-118

Résumés

Cette étude vise à mettre en évidence dans quelle mesure des élèves tunisiens démarrant l’apprentissage de la chimie en langue française se sont approprié le langage permettant de représenter la réaction chimique. Nous avons cherché à évaluer leur capacité à associer des noms et des symboles représentatifs des entités et espèces chimiques et à donner du sens aux représentations littérales et symboliques de la réaction chimique. Deux méthodes de collecte des données ont été utilisées : un questionnaire papier crayon et un exercice évaluatif. Les élèves semblent rencontrer des difficultés pour décrire une réaction chimique en respectant les règles orthographiques et grammaticales du langage de la chimie. Dans leur majorité, ils n’arrivent pas à coordonner les différents niveaux de connaissances à mettre en jeu pour arriver à donner du sens aux représentations de la réaction chimique aussi bien dans le niveau macroscopique que microscopique. Trois sources de difficultés conduisant à l’utilisation de raisonnements alternatifs ont été identifiées : l’impossibilité d’application des conventions où règles enseignées ; l’absence de connaissances chimiques suffisantes car elles ne sont pas enseignées à ce niveau ; la non perception de la conservation à travers le changement.

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Texte intégral

Introduction

La modélisation de la transformation chimique

1La modélisation du changement de nature des composés/substances/espèces chimiques est une des finalités de l’enseignement de la chimie de première année de lycée en Tunisie. Modéliser, c’est passer d’une première description des objets et évènements perceptibles appartenant, suivant les auteurs, au champ expérimental de référence (Robardet & Guillaud, 1994 ; Tiberghien, 1994) ou au référent empirique (Martinand, 1995), à une seconde description faisant appel au monde des théories et modèles (concepts, modèles, lois, formalisme, etc.) (Tiberghien, 1994). En ce qui concerne la chimie, on peut représenter par un tétraèdre, en s’inspirant du schéma proposé par Kermen et Méheut (2009), la mise en relation du champ empirique avec le monde des théories et modèles. Cela rejoint l’analyse critique de Talanquer (2011) à propos du paradigme « triplet » (macroscopique, microscopique, symbolique) proposé par Johnstone (1982, 1993, 2000) pour représenter la mise en relation des différents registres de la chimie.

Schématisation de la mise en relation du champ empirique avec le monde des théories et modèles en chimie.

Schématisation de la mise en relation du champ empirique avec le monde des théories et modèles en chimie.

2Dans le monde des théories et modèles, le triangle MmS du tétraèdre (Cf. la figure), un langage spécifique est utilisé pour communiquer les informations permettant de rendre compte des transformations de la matière observées. Il repose sur des règles et/ou des conventions et le registre symbolique y occupe une place importante. Ces informations portent aussi bien sur les aspects qualitatifs que quantitatifs de la transformation et concernent les objets, évènements et propriétés du monde reconstruit dans les deux niveaux d’appréhension de la chimie :

  • Le niveau macroscopique où interviennent les concepts de substance, d’espèce chimique, de corps simple ou composé, de masse molaire, de réaction chimique, etc.

  • Le niveau microscopique correspondant aux concepts d’atome, de molécule, d’ion, de masses atomiques et moléculaires, etc.

3Le lien entre les deux niveaux d’appréhension de la chimie (le macroscopique et le microscopique) est réalisé grâce à la constante d’Avogadro qui permet de passer du nombre d’entités élémentaires à l’unité de quantité de matière ou mole.

Le cadre contextuel

4L’année précédant le lycée, les élèves tunisiens ont déjà eu une première approche, en langue arabe, de la constitution de la matière (atome, molécule, leur symbolisation et leurs représentations par des modèles moléculaires) et de la réaction chimique. Lors de la première année de l’enseignement secondaire, cette fois en français, il s’agit d’amener les élèves à intégrer, approfondir et conceptualiser les notions déjà vues afin de modéliser des phénomènes chimiques et d’en effectuer un traitement quantitatif. Les connaissances introduites en début d’année scolaire et susceptibles d’être mobilisées par les élèves pour interpréter les informations reçues lors de l’apprentissage de la transformation/réaction chimique (contrairement à l’enseignement actuel en France, la différence entre la transformation chimique et la réaction chimique, n’est pas introduite) sont les suivantes : différence entre corps purs et mélanges (homogènes et hétérogènes) ; différence entre corps simples et composés ; les objets du modèle à l’échelle atomique et moléculaire (molécule, atome, ion) ; la nomenclature de quelques corps simples ou composés et d’ions ; l’utilisation des symboles pour écrire la formule d’un corps pur ou d’un ion ; le nombre (il vaudrait mieux dire constante) d’Avogadro (NA) ; la mole (définie comme la quantité de matière d’un ensemble contenant NA particules identiques : c’est aussi l’unité de quantité de matière), la masse molaire, le volume molaire. L’enseignement de la réaction chimique est abordé environ deux mois plus tard, il est découpé en trois chapitres. Le premier chapitre consacré à la « notion de réaction chimique » est une reprise de l’enseignement de l’année qui précède le lycée. Sa finalité est d’arriver, à partir de l’interprétation d’expériences réalisées en classe, à la définition suivante : « Une réaction chimique est une transformation au cours de laquelle des corps disparaissent et des corps nouveaux apparaissent. Les corps qui disparaissent sont les réactifs et les corps qui apparaissent sont les produits de la réaction » (notons que la notion de substance chimique n’est pas mentionnée). Ces expériences seront d’abord décrites à partir des changements de propriétés perceptives, puis représentées par une équation algébrique littérale (dénommée « schéma de réaction ») mentionnant les noms des espèces chimiques réagissant et produites, séparés par une flèche traduisant le changement de nature des corps chimiques. Un deuxième chapitre consacré à l’« Étude qualitative d’une réaction chimique » est destiné à introduire les caractères qualitatifs (spontané ou amorcé, rapide ou lent, exothermique ou endothermique) d’une réaction chimique. Il permet de revenir sur la symbolisation d’une réaction à l’aide d’un « schéma de réaction ». Enfin un chapitre aborde l’« Étude quantitative d’une réaction chimique ». L’objectif de ce chapitre est tout d’abord de conduire les élèves à passer de la symbolisation de la réaction, sous forme d’un schéma de réaction, à l’écriture d’une équation, dite équation chimique, en faisant intervenir les symboles des espèces chimiques et les coefficients stœchiométriques et en utilisant le principe de conservation de la masse et des atomes (la notion d’élément n’est pas présentée à ce niveau). Il s’agit ensuite de réaliser le traitement quantitatif de réactions chimiques supposées totales où les réactifs sont mis en quantités connues et quelconques (notion de réactif limitant).

5C’est l’appropriation, par des élèves tunisiens (âge : 15-16 ans), du langage permettant de représenter la réaction chimique qui nous intéresse.

1. Le langage de la chimie

6La nomenclature des substances chimiques, du moins celle que les élèves débutants vont devoir utiliser, découle de celle proposée par Guyton de Morveau, Lavoisier, Berthollet et Fourcroy (1787), modifiée et complétée par Berzelius en 1819 puis par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) en 1970. La dénomination des substances simples repose sur des considérations diverses : noms dérivés du grec pour les premiers auteurs (par exemple oxygène et azote), noms latins (par exemple nitricum au lieu d’azote) ou noms d’usage dans certains pays (par exemple kalium pour le potassium ou natrium pour le sodium) pour Berzelius, nomenclature systématique décrivant la structure du corps dénommé pour l’IUPAC (par exemple dioxygène ou dioxyde de carbone). D’autre part la logique de passage du simple au complexe préconisée par Lavoisier, « le nom des substances simples devant constituer l’alphabet de la langue et permettre de former par simple juxtaposition les noms des substances constituants les corps composé » (Guyton de Morveau et al., rééd. Bensaude-Vincent, 1994), n’est pas toujours respectée. Par exemple, certains composés sont toujours représentés par leurs noms triviaux (comme l’ammoniac et l’eau), la combinaison de l’azote avec l’oxygène et l’hydrogène est dénommée acide nitrique (et non acide azotique), etc. Cette nomenclature ne peut donc être considérée comme une langue, c’est simplement une terminologie spécifique à la chimie reposant sur des choix plus ou moins arbitraires (Sliwka, 2003).

7On doit encore à Lavoisier la première modélisation d’une transformation chimique à l’aide d’une réaction représentée sous une forme littérale : « moût de raisin = acide carbonique + alcool ». Le signe = représentait non seulement la conservation de la masse lorsqu’on passe du réactif aux produits, mais également celle des « principes » constitutifs des composés chimiques. C’est le premier mode de symbolisation présenté aux élèves pour indiquer le changement de nature des corps chimiques lorsqu’on passe du système initial au système final. Prenons deux exemples de telles représentations, introduites en première année du lycée, où réactifs et produits sont représentés par leurs noms, sans aucune précision de l’état dans lequel ils se trouvent : carbone + dioxygène → dioxyde de carbone ; sulfate de cuivre + hydroxyde de sodium → hydroxyde de cuivre + sulfate de sodium. De telles écritures reposent sur des conventions ou « règles sémantiques » définies au cours de l’histoire par la communauté des chimistes : le signe + indique la mise en présence (ou la formation) de différentes espèces chimiques, la flèche signifie que les réactifs réagissent pour « donner » ou se « transformer » en d’autres espèces chimiques. La règle syntaxique à respecter, à ce niveau d’enseignement, pour écrire ou lire une telle représentation, est que les noms des produits formés dérivent de ceux des réactifs. Mais ce n’est pas toujours aussi simple, en particulier lorsque le nom des espèces chimiques ne donne aucune précision sur leur composition (Taber, 2009). Par exemple dans le cas d’écritures telles que, butane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau ou carbonate de calcium + acide chlorhydrique → chlorure de calcium + dioxyde de carbone + eau, des connaissances chimiques doivent être mobilisées : le butane est composé des atomes/éléments carbone et hydrogène qui par combinaison avec l’oxygène conduisent à la formation de dioxyde de carbone et d’eau ; la solution d’acide chlorhydrique contient des ions « hydrogène » et chlorure, les ions hydrogène vont se combiner avec un oxygène de l’ion carbonate (la terminaison « -ate » implique la présence de cet oxygène) pour former de l’eau. Ici aussi, nous avons plutôt affaire à un langage spécialisé reposant sur des connaissances liées à la discipline qu’à une véritable langue.

8Par contre, dans le registre symbolique, plusieurs auteurs s’accordent à dire que le langage chimique s’apparente à une véritable linguistique (Laszlo, 1993 ; Barlet, 1999 ; Jacob, 2001 ; Taber, 2009). Le langage symbolique possède un alphabet : les symboles des atomes/éléments (la première lettre de leur nom et, si plusieurs noms ont la même initiale, la deuxième lettre du nom ou la première consonance qu’ils n’ont pas en commun ; Berzelius, 1819). Les symboles des atomes/éléments peuvent se combiner pour former des « mots » (les formules des composés chimiques indiquant, non seulement la nature des atomes/éléments constitutifs des corps, mais aussi le nombre de fois que la quantité élémentaire de matière et la masse atomique de chaque atome intervient, en accord avec certaines règles orthographiques (l’ordre des symboles en fonction de l’électronégativité des atomes/éléments, NaCl et non ClNa ; les indices associés aux différents atomes/éléments en fonction de leur valence, Cu(OH)2 et non CuOH, etc.). Les mots peuvent être combinés pour former des phrases (les équations chimiques) en respectant certaines règles sémantiques (le signe + indique la présence de plusieurs espèces chimiques avant et/ou après la réaction, la simple flèche traduit l’évolution du système des réactifs aux produits, le signe = utilisé dans certains pays représente la conservation de la masse, des éléments et des charges, etc.) et grammaticales (conservation des éléments) nécessitant l’utilisation de coefficients stœchiométriques devant les formules (par exemple CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O), coefficients indiquant les proportions dans lesquelles réagissent les réactifs et se forment les produits (cf. les recommandations pour l’écriture des équations de réaction : IUPAC, 2007, p. 52).

9Mais, à la lecture du manuel officiel d’enseignement (Mzoughi-Khadhraoui, Dumon & Ayadi-Trabelsi, 2011) et à travers l’observation des situations de classes (Mzoughi-Khadhraoui, 2011) il semble que l’apprentissage du langage de la chimie ne soit pas une priorité de l’enseignement. Nous constatons en effet :

  • Tout d’abord une absence de mise en relation claire du langage quotidien (comme vinaigre, tartre, etc.) et du langage du monde reconstruit (l’acide acétique, le carbonate de calcium, etc.) (Le Maréchal, 1999). Par exemple certaines descriptions d’expériences par une équation littérale font appel à la fois à l’un (tartre, calcaire, soude, etc.) et à l’autre (acide chlorhydrique, dioxyde de carbone, sulfate de cuivre) ;

  • Puis une acquisition des règles d’écriture (les noms des produits formés découlent de ceux des réactifs) et de lecture (un ou plusieurs donnent un ou plusieurs produits) des schémas de réaction qui repose uniquement sur l’écriture de plusieurs de ces schémas. De plus, la nomenclature exacte des espèces chimiques qui réagissent n’est pas toujours précisée ;

  • Enfin un passage de l’écriture du schéma de réaction à l’équation chimique qui repose sur quelques évidences. La première est que les élèves seraient capables sans difficulté d’associer une formule représentative à une espèce chimique. La deuxième concerne la double signification de l’écriture des formules chimiques et donc de l’équation chimique.

10Comme nous venons de le voir, les symboles et la grammaire du langage de la chimie sont étroitement liés aux principes conceptuels de base de la discipline. L’apprentissage du langage de la chimie repose donc sur une base de connaissances abstraites, moins familières aux élèves que pour l’apprentissage du langage courant ou d’une langue étrangère (Taber, 2009). Il est donc demandé aux élèves tunisiens de première année qui suivaient jusqu’à ce niveau un enseignement arabisant de la discipline, de comprendre le sens des phrases de la langue française en elle-même, comprendre les concepts de la discipline et de pouvoir s’exprimer dans cette langue avec une rigueur scientifique.

2. Les élèves et la compréhension des représentations de la réaction chimique

11Une étude menée par Taber et Bricheno (2009), auprès d’élèves âgés de 13 à 16 ans, sur le sens donné aux équations littérales, par exemple en donnant le nom de l’espèce chimique manquante dans l’écriture d’une telle équation, montre que les élèves rencontrent des difficultés pour répondre. Ils doivent en effet être capables de coordonner la compréhension de cette forme de représentation avec des connaissances chimiques spécifiques (Taber, 2009). En l’absence de telles connaissances les élèves sont amenés, soit à se remémorer la réaction et sa représentation, soit à choisir des solutions alternatives. Par exemple, dans un travail sur l’interprétation de la réaction de réduction de l’oxyde de cuivre par le carbone conduisant à la formation de cuivre, Fillon (1997) a observé que les élèves recherchent un effet de symétrie par permutation, monoxyde de cuivre + carbone → monoxyde de carbone + cuivre, sans se préoccuper de la réalité de la transformation (le gaz formé trouble l’eau de chaux). Outre la difficulté à construire et interpréter ces équations littérales (Soul, 2001), les élèves ont du mal à écrire les équations de réaction à partir des équations littérales (Hines, 1990). Plusieurs compétences sont en effet indispensables pour écrire convenablement ces équations (Taber, 2009) : connaître les symboles représentatifs des éléments constituant les espèces chimiques, connaître la grammaire du langage symbolique pour construire les « mots » (les formules représentatives) et les « phrases » (équations de réaction) correctes, connaître suffisamment de chimie pour que la réaction représentée soit chimiquement faisable. Comme les élèves débutants ne disposent pas du concept de « valence », il leur est impossible de comprendre la « règle » des proportions définies et donc la composition atomique des substances (Dumon & Laugier, 2004). Ils utilisent alors des raisonnements alternatifs. Par exemple, ils représentent le chlorure de calcium par la formule CaCl (et non CaCl2), sans doute par analogie avec NaCl (Le Maréchal, Perrey & Roux, 2004).

12En ce qui concerne l’équation de réaction, plusieurs études ont mis en évidence de nombreuses difficultés de compréhension. Les études de Ben Zvi, Eylon & Silberstein (1987), Huddle & Pillay (1996) et De Jong & Van Driel (2004) font apparaître que la lecture d’une équation aussi simple que 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g) (ou de l’équation inverse) ne se fait pas sans difficulté, aussi bien par les élèves que par les étudiants, car elle demande la maîtrise d’une variété de concepts et des capacités de raisonnement formel (Ben Zvi, Eylon & Silberstein, 1987 ; Staver & Jacks, 1988 ; Savoy & Stepples, 1994). Si pour les enseignants la circulation entre la signification de l’équation de réaction dans les niveaux macroscopique et microscopique est devenue une seconde nature résultant de leur longue période d’apprentissage de la chimie, c’est loin d’être le cas pour les novices (Barlet & Plouin, 1994 ; De Jong & Van Driel, 2004 ; Taber, 2009). L’origine des difficultés qu’ils rencontrent peut découler aussi bien d’une mauvaise utilisation des informations données par les indices d’une formule chimique (Friedel & Maloney, 1992) que d’une confusion entre les indices des formules chimiques et les coefficients de l’équation (Abraham, Williamson & Westbrook, 1994 ; Sanger, 2005 ; Agung & Schwartz, 2007 ; Davidowitz, Chittleborough & Murray, 2010). Plusieurs auteurs (Ben Zvi, Eylon & Silberstein, 1988 ; Friedel & Maloney, 1992 ; Fillon, 1997 ; Chambenois et al., 2003 ; Taber, 2009) en concluent que, les élèves ignorant les lois et les théories de base qui donnent un sens aux symboles chimiques, ou que les relations sémantiques et les principes ne sont pas encore stabilisés, ils considèrent l’ajustement des coefficients des équations comme un exercice algorithmique consistant à égaliser le nombre de symboles de chaque coté de l’équation.

13Pour que l’équation de réaction remplisse le rôle de médiateur entre les niveaux macroscopique et microscopique de modélisation de la réaction chimique (Taber, 2009), il faut que les étudiants aient une idée suffisamment claire de ce que représente une réaction chimique en termes de changement de nature des substances chimiques et de la signification de sa représentation aux niveaux macroscopique et microscopique. Or, différentes études décrivent les difficultés que les élèves rencontrent : difficulté à percevoir qu’une formule chimique représente aussi bien une entité chimique du niveau microscopique qu’un grand nombre d’entités au niveau macroscopique (Ben Zvi, Eylon & Silberstein, 1988 ; Friedel & Maloney, 1992 ; Mey, Balas & Plouin, 1994 ; Sanmarti, Izquierdo, & Watson, 1995 ; Fillon, 1997 ; Dumon & Laugier, 2004 ; De Jong & Van Driel, 2004) ; difficulté à écrire ou lire une équation de réaction et à comprendre ce qu’elle représente tant au niveau macroscopique qu’au niveau microscopique (Hesse & Anderson, 1992 ; Barlet & Plouin, 1994 ; Solsona, Izquierdo & De Jong, 2003 ; De Jong & Van Driel, 2004 ; Dumon & Laugier, 2004) ; difficulté à interpréter un changement de nature des substances en termes de conservation et de réorganisation d’entités atomiques (Garnett, Garnett & Hackling, 1995 ; Solsona, Izquierdo & De Jong, 2003 ; Cokelez, Dumon & Taber, 2008).

3. Questions de recherche et méthodologie

14Des considérations précédentes on peut conclure que la représentation d’une réaction chimique est une tâche complexe, qui nécessite une forte capacité d’abstraction. Il serait illusoire de croire, alors que les scientifiques ont mis des siècles à résoudre cette tâche, que les élèves seraient capables de l’accomplir sans rencontrer de problèmes. Nous venons de voir que plusieurs travaux, majoritairement anglo-saxons, ont mis en évidence certaines difficultés, rencontrées par les élèves et les étudiants, qui sont liées à la représentation symbolique d’une réaction chimique par son équation de réaction. Par contre peu de recherches ont concerné l’appropriation par des élèves débutants des autres aspects du langage de la chimie : l’alphabet, le respect des règles orthographiques pour écrire les noms et formules des espèces chimiques, la représentation sous forme littérale d’une réaction chimique en respectant la règle grammaticale liée à la conservation. Nous cherchons dans ce travail à mettre en évidence dans quelle mesure des élèves commençant l’apprentissage de la chimie en langue française se sont approprié les différentes composantes du langage nécessaires à la représentation d’une réaction chimique. À cette fin, deux méthodes de collecte des données ont été utilisées auprès d’élèves de première année de l’enseignement secondaire tunisien : un questionnaire papier crayon et un exercice évaluatif. Cette collecte a été réalisée en fin d’année scolaire, environ trois mois après l’enseignement de la réaction chimique (cf. « le cadre contextuel » dans l’introduction).

3.1. Le questionnaire

15Le questionnaire papier crayon, constitué de six questions ouvertes (Q1 à Q6), a été soumis en fin d’année scolaire 2007-2008, en présence du chercheur et de leur enseignant, à 130 élèves de quatre classes (dans deux lycées de Tunis), en première année de l’enseignement secondaire.

16Les élèves étaient en général issus de familles de classe moyenne ; leurs enseignants ont eu des formations identiques et ont des anciennetés comparables (8 à 10 ans dont en moyenne 5 ans d’enseignement en première année).

3.2. L’exercice évaluatif

Un échantillon de 0,1 mol (ou de 3,2 g) de dioxygène réagit très vite avec dégagement d’énergie avec 0,15 mol (ou 0,30 g) de dihydrogène pour former de l’eau.

E.E.2 : donner le schéma de la réaction en précisant les réactifs et les produits

E.E.3 : donner l’équation chimique de cette réaction

17Cet exercice a été proposé à 84 élèves de deux lycées à Tunis et dans sa banlieue. Ces lycées peuvent être considérés comme des établissements fréquentés par des milieux sociaux-économiques défavorisés. Seules les réponses aux deux questions de cet exercice ayant un rapport avec le langage chimique sont analysées (E.E.2 et E.E.3). Comme pour le questionnaire le chercheur était présent en même temps que le professeur de la classe. Trente minutes ont été nécessaires pour la résolution de l’exercice. Cet exercice a été administré, sans échantillonnage (au sens de sélection), à des élèves qui avaient auparavant répondu au questionnaire. L’exercice a été proposé, lors d’un contrôle de synthèse, en fin d’année scolaire 2007-2008.

3.3. Les objectifs visés par les deux méthodes complémentaires

18O.1 – identifier si les élèves sont capables d’associer le nom d’un atome/élément à son symbole (Q.1) ;

19O.2 – identifier si les élèves sont capables d’associer le nom d’une espèce chimique à une formule et à quel niveau (microscopique ou macroscopique) l’association est réalisée (Q.2) ;

20O.3 – identifier si les élèves sont capables d’associer une formule au nom d’une espèce chimique (Q.3) ;

21O.4 – évaluer si les élèves arrivent à identifier quels sont les réactifs et les produits d’une réaction décrite sous forme langagière afin de pouvoir la représenter sous forme d’un schéma de réaction (E.E.2) ;

22O.5 – identifier le mode de représentation choisi par les élèves, compte tenu des indications qui leur sont données : schéma de la réaction ou équation chimique ? (Q.4) ;

23O.6 – identifier le sens donné par les élèves à l’équation chimique (Q.5, Q.6 c) ;

24O.7 – évaluer si les élèves connaissent la signification des indices et le rôle des coefficients stœchiométriques (Q.6 a et b) ;

25O.8 – évaluer si les élèves sont capables de traduire la description sous forme langagière d’une réaction chimique en une équation chimique, en respectant les règles grammaticales du langage symbolique (Q.4, E.E.3).

4. Analyse des résultats

26L’analyse du savoir à enseigner et de sa perception par les enseignants (Mzoughi-Khadhraoui, Dumon & Ayadi-Trabelsi, 2011) et l’observation de situations de classe (Mzoughi-Khadhraoui, 2011) ont montré que les enseignants s’appuient fortement sur le manuel officiel pour construire leur enseignement. On peut supposer que, les connaissances dont disposent les élèves pour répondre, sont identiques à celles figurant dans le manuel. Elles sont précisées avant l’analyse des réponses à chaque question. Les analyses des réponses aux questions du questionnaire (Q) et de l’exercice évaluatif (E.E.) seront regroupées sous les thèmes suivants concernant le langage chimique : l’alphabet du langage symbolique, la symbolisation des espèces chimiques, la représentation d’une réaction chimique, le sens donné à l’équation chimique.

4.1. L’alphabet du langage symbolique

27Dans le chapitre du manuel consacré à la structure de la matière on relève la convention suivante : « Le symbole d’un atome est généralement la première lettre majuscule de son nom français. Parfois la première lettre du nom est commune à deux ou plusieurs atomes, dans ce cas nous ajoutons une deuxième lettre en minuscule ». Figurent également deux tableaux dans lesquels des symboles sont associés au nom de quelques atomes.

Q1 : « Que symbolisent les lettres : H ; O ; N ; S ; Na ? » (O1)

28Signalons qu’aucune réponse ne fait référence à la symbolisation des atomes, seul le nom figure dans les réponses, et que 66 élèves sur 130 (soit 51 %) ont donné un nom correct pour tous les symboles.

Tableau 1 : association nom – symbole pour les atomes. e nombre total d’élèves concernés par le questionnaire est de 130. N.R. = non réponse.

Symboles

Nom correct

 %

Nom incorrect

N.R

Même initiale

Autres noms

H

129

99

1

O

128

98

1

1

N

Azote : 75
Nitrogène : 23

75

17

5

10

S

99

76

29

1

1

Na

95(+2)

75

17

11

7

29Si on observe (cf. tableau 1) une quasi totalité de réponses correctes pour les symboles de l’hydrogène et de l’oxygène, des difficultés apparaissent (3/4 de réponses acceptables) lorsque le symbole ne correspond pas à la première lettre du nom français (N et Na) ou quand cette première lettre correspond à l’initiale du nom de différents atomes (par exemple S pour soufre ou sodium). En ce qui concerne la symbolisation de l’azote par la lettre N, 17 élèves associent le symbole N à un nom commençant par la même initiale : nitre. Notons que la symbolisation de l’ion nitrate par la formule NO3 figure explicitement dans le chapitre consacré aux solutions. Le symbole S est associé au sodium par 22 élèves et aux ions sulfate ou sulfure par 7 élèves. C’est le symbole Na qui présente la plus grande variété de dénominations débutant par la lettre N : nitrate de sodium (9), nazote, nitrogène-azote, nitrogène, azote (7), naphtaline (1).

30On peut donc en conclure que, lorsqu’une exception se présente à la règle enseignée pour l’écriture symbolique des atomes/éléments, des difficultés apparaissent qui ne peuvent être surmontées que par la mémorisation par les élèves de la relation nom-symbole suite aux différents enseignements reçus.

4.2. La symbolisation des composés chimiques

31Dans le chapitre du manuel consacré à la structure de la matière figure la règle suivante : « La formule d’une molécule comporte les symboles des atomes qui la constituent. Le nombre de chaque type d’atomes est écrit en bas à droite (en indice) de l’atome correspondant ». Dans divers chapitres du manuel figurent les associations nom/formules des composés chimiques présents dans les questions 2 et 3. Précisons que dans l’enseignement aucune notation ne différencie les espèces chimiques en solution du corps pur simple : HCl représente aussi bien la solution d’acide chlorhydrique que le chlorure d’hydrogène.

4.2.1. Association d’un nom à une formule

Q2 : « Que symbolisent les formules suivantes : HCl ; NH3 ; CuSO4 ; NaOH ? » (O2)

32On constate (tableau 2) un nombre de non réponse plus important et un taux de réponses correctes plus faible que pour la question précédente. Dans le cas où le nom du composé chimique peut être déduit de la combinaison des noms de ses parties constitutives (HCl ; CuSO4 ; NaOH), le taux de réponse correcte est compris entre 43 % et 50 %, mais lorsque ce n’est pas le cas, comme pour l’ammoniac, le taux de réponses correctes tombe à 10 %. Ainsi, seuls trois élèves (2,5 %) associent un nom correct aux quatre formules.

Tableau 2 : association d’un nom à une formule pour les espèces chimiques. Le nombre total d’élèves concernés par le questionnaire est de 130. N.R. = non réponse.

Formules

Nom correct

 %

Nom incorrect

Décomposition formule

N.R.

En partie

autres

En ses constituants

incorrecte

HCl

65

50

21

13

5

4

22

NH3

13

10

13

44

10

2

48

CuSO4

61

47

11

13

1

6

38

NaOH

56

43

5

31

9

29

33L’application de la règle de combinaison conduit les élèves à choisir comme nom correct pour HCl de préférence « chlorure d’hydrogène » (59 citations) plutôt que « acide chlorhydrique » (6 citations), alors que le premier n’apparaît qu’à une seule occasion dans le manuel. De même pour la formule NaOH la dénomination d’hydroxyde de sodium est préférée (38 citations) à celle de soude (18 citations), dénomination privilégiée dans le manuel. C’est dans le cas de l’ammoniac que le nombre de combinaison de noms (21) conduisant à une proposition de nom de l’espèce chimique incorrecte apparaît, avec parfois une relative logique par rapport à la règle de combinaison des noms des parties constitutives suite à l’attribution de la dénomination nitrate au symbole N : azote d’hydrogène (5), trihydrogène d’azote (7), azote hydrique (1) ou nitrate d’hydrogène (6). Pour les autres formules, des propositions incorrectes de noms découlent également de façon assez logique de la symbolisation (parfois avec certaines confusions dans l’association nom-symbole) ou correspondent en partie aux règles de la nomenclature : pour HCl, hydrogène de (chlore, dichlore, chlorure) (8), chlorhydrique (seul : 10) d’hydrogène (+1), hydrochlorure (2) ; pour CuSO4 : (soufre oxyde de cuivre, cuivre de soufre oxygéné, 4 oxyde de soufre de cuivre) (3), confusion S ou SO avec sodium (5) (cuivre de sodium oxygéné, cuivre de sodium et oxygène, sodium de cuivre) et SO4 avec sulfure (3) ; pour NaOH, hydrogène oxygène (ou hydroxygène) de sodium (2), hydroxyde d’azote et oxygène (1), nitrate d’oxygène d’hydrogène (2).

34Dans la catégorie autres nomenclatures incorrectes nous avons relevé l’apparition d’une confusion : le symbole H est associé à la dénomination hydroxyde (hydroxyde de chlore/chlorure ; hydroxyde d’azote/nitrogène), vraisemblablement parce que hydroxyde a pour initiale H ; ce qui illustre la limite des règles données aux élèves. D’autres élèves n’ont pas cherché à donner un nom issu de la nomenclature mais ont essayé de décomposer la formule. Les propositions acceptables, compte tenu de la question posée, sont les suivantes : HCl, hydrogène + chlore (5) ; NH3, nitrogène ou azote + 3 hydrogènes (10) ; CuSO4, cuivre + soufre + 4 oxygènes (1) ; NaOH, sodium + oxygène + hydrogène (9). Dans les propositions incorrectes on retrouve des associations symbole/nom inadéquates : confusion entre les symboles Cl et C pour interpréter HCl ; interprétation de N comme symbolisant nitrate au lieu de azote dans NH3 ; attribution du coefficient 4 à chacun des éléments de la formule pour CuSO4 (4 cuivre, 4 soufre, 4 oxygène).

4.2.2. Association d’une formule à un nom

Q.3 : « Peux-tu utiliser les symboles chimiques pour écrire d’une autre façon : hydroxyde de sodium, chlorure de zinc, acide chlorhydrique, chlorure de sodium » (O3).

35La première constatation est qu’aucun élève n’a donné une formule correcte pour chaque nom proposé. La deuxième est que le nombre des réponses incorrectes est plus élevé que pour la question précédente, en particulier lorsqu’un des constituants est rarement utilisé dans l’enseignement (cas du zinc) ou lorsque la formule ne peut être déduite logiquement du nom de l’espèce chimique par application d’un raisonnement simple (cas de l’acide chlorhydrique) (tableau 3).

Tableau 3 : association d’une formule à un nom pour les espèces chimiques. Le nombre total d’élèves concernés par le questionnaire est de 130. N.R. = non réponse.

Nom

Formule correcte

 %

Formules incorrectes

N.R.

Erreurs d’écriture

Confusions

autres

Hydroxyde de sodium

40

31

3

42

29

16

Chlorure de zinc

1

1

28

43

38

20

Acide chlorhydrique

20

15

33

29

48

Chlorure de sodium

63

48

19

13

23

12

36Dans le cas de l’hydroxyde de sodium on passe de 43 % de réponses correctes pour l’association formule/nom à 31 % lors de l’opération inverse. En dehors des quelques erreurs liées au non respect des conventions d’écriture (NaHO, NAOH) c’est la notation du groupe hydroxyde qui semble poser problème. Elle est associée à son initiale, soit H, dans 42 propositions (environ 1/3 des élèves) : NaH, HNa ou NaH3. On retrouve là la confusion relevée dans l’analyse de la question 2. Pour l’acide chlorhydrique, seulement 15 % des élèves donnent la réponse attendue alors que 50 % avaient associé un nom acceptable à une formule. Dans ce cas, la simple application d’une règle logique est impossible puisque les élèves n’ont pas encore de connaissances sur la constitution des acides. Soit le terme acide les conduit alors à la proposition des symboles A, a ou Ac associés à Cl (33 élèves), soit ils ne donnent pas de réponses (48 élèves). En ce qui concerne le chlorure de sodium, cas où le raisonnement logique est applicable, le taux de réponse correcte est assez élevé (48 %). On relève cependant quelques erreurs (19) d’écriture (du type ClNa, NaCh, NaCl2) ou des confusions (13) dans les symboles (S, SO ou N pour sodium et Ch ou C pour le chlore). Dans le cas du chlorure de zinc, un seul étudiant donne une réponse correcte. Certains élèves (28) donnent une formule, correcte du point de vue langagier mais incorrecte sur le plan symbolique, du type ZnCl (ou ZNCl, zncl, ClZn). On peut l’expliquer par la méconnaissance de l’atomicité (la valence) ou de la charge de l’ion Zn2+. D’autres ne connaissent pas le symbole du zinc et se trouvent dans l’impossibilité de retrouver le symbole Zn en appliquant la règle apprise. C’est ainsi que dans 43 propositions ce sont les symboles Z ou Zi qui représentent le zinc dans des formules identiques aux précédentes.

37Dans de nombreuses réponses (catégories autres) figurent soit des formules où les deux symboles utilisés résultent de confusions (par exemple 14 formules avec les symboles S ou SO pour sodium et H pour hydroxyde) soit des formules pour lesquelles il est impossible d’établir un rapport entre le nom et les symboles (par exemple pour le chlorure de zinc : NH3, Cl, CuZ, etc.).

4.3. La représentation d’une réaction chimique

4.3.1. Sous forme littérale (le schéma de réaction)

38Rappelons que dans le manuel, l’acquisition des règles d’écriture du schéma de réaction (les noms des produits formés découlent de ceux des réactifs) et de lecture (un ou plusieurs réactifs → donnent un ou plusieurs produits) semble reposer uniquement sur l’écriture de plusieurs schémas de réaction, mais sans que les noms des réactifs et produits soient toujours introduits de façon adéquate, comme c’est le cas pour la réaction (acide chlorhydrique + calcaire → dioxyde de carbone + solution) où les termes « calcaire » et « solution » ne relèvent pas de la nomenclature.

39Les réponses des élèves à la question 2 de l’exercice évaluatif (E.E.2 ; 04) ont été rassemblées dans différentes catégories (tableau 4).

Tableau 4 : traduction de la description langagière d’une réaction chimique sous forme d’un schéma de réaction. Le nombre total d’élèves concernés est de 84.

Type d’écriture proposée

N

 %

Schéma de réaction correct

Avec mention réactifs et produit

24

29

Sans mention réactifs/produits

14

17

Schéma non totalement conforme

Chaleur comme réactif et/ou produit

4

5

Formule pour l’eau

2

2

Nomenclature incorrecte pour l’eau

9

11

Utilisation des formules

À la place des noms

2

2,5

Confusion schéma et équation de réaction équilibrée

2

2,5

Simple mention de la nature des réactifs et du produit

3

4

Représentation correcte des seuls réactifs

11

13

Autres représentations incorrectes

4

5

Non réponse

9

11

40On constate que 38 des 84 élèves (soit 46 %) traduisent correctement la description de la réaction chimique entre le dihydrogène et le dioxygène pour former de l’eau sous forme d’un schéma de réaction conforme au savoir enseigné. Quatre élèves (soit 5 %) font figurer dans cette description les formules des produits et/ou des réactifs ou confondent le schéma de réaction avec l’équation chimique (signalés en gras dans le tableau). Quinze élèves (soit 18 %) respectent les règles sémantiques mais en écrivant un schéma de réaction non totalement conforme : 4 ajoutent la chaleur parmi les réactifs ou les produits dans un schéma de réaction correct, 2 représentent l’eau par sa formule et 9 s’avèrent incapables d’en écrire le nom comme produit de la réaction car ils cherchent à déduire le nom du produit formé à partir des noms des réactifs. Ceci alors même que l’eau est indiquée dans le texte comme étant produit de réaction. C’est ainsi que le dioxygène et le dihydrogène donnent du : « dioxyde d’hydrogène », « dioxyde dihydrogène », « oxyde de dihydrogène », « dioxygène (de/et) dihydrogène », « hydroxygène ». Cette tendance à associer le dioxygène et le dihydrogène dans la nomenclature, à laquelle on peut ajouter la représentation de l’eau par la formule H2O2, semble traduire une conception du corps composé comme mélange/agglutination de corps simples.

41Enfin, l’utilisation des termes dioxygène, dihydrogène et eau n’est réalisée que par 32 élèves (38 %) ayant écrit l’une des représentations précédemment citées.

4.3.2. Sous forme symbolique

42Le taux de non réponse à la question 3 de l’exercice évaluatif (E.E.3 ; 08) demandant de représenter par son équation chimique une réaction décrite sous forme langagière (cf. tableau 5) est faible, ce qui semble vouloir dire que les élèves se sentent capables de répondre.

Tableau 5 : traduction de la description langagière d’une réaction chimique par une équation de réaction. Le nombre total d’élèves concernés est de 84.

Écriture équation

N

 %

Avec formules correctes

équilibrée

36

43

non équilibrée

13

15

Avec formules incorrectes

Pour les réactifs et l’eau

17

20

Nature des réactifs et/ou produits incorrecte

5

6

Ecriture partielle

5

6

Sous forme d’un schéma de réaction non conforme ou incomplet

2

2

Autres

2

2

Non réponse

5

6

43En effet, la maîtrise du registre symbolique pour représenter les réactifs et le produit de la réaction semble atteinte par 58 % des élèves. Par contre seulement 43 % des élèves respectent la conservation des atomes/éléments en donnant l’écriture d’une équation de réaction équilibrée. Dans la représentation non équilibrée de l’équation chimique, c’est l’écriture pour laquelle le nom des entités chimiques du schéma de réaction est simplement remplacé par leur formule représentative (H2 + O2 → H2O) qui est prépondérante. Viennent ensuite des coefficients stœchiométriques mal placés : H2 + O2 → 2 H2O ou H2 + 2O2 → 2 H2O. La non maîtrise du registre symbolique conduit des élèves à utiliser des formules incorrectes pour représenter l’eau (15 % des élèves), sous les formes HO, HO2 ou H2O2, ou les réactifs (8 %), 2H pour le dihydrogène et 2O pour le dioxygène. On retrouve ici la difficulté à associer une formule représentative d’une espèce chimique à son nom, en particulier lorsque le nom de l’espèce chimique (l’eau) ne peut être logiquement mis en relation avec la symbolisation de ses parties constitutives (l’hydrogène et l’oxygène). Ce que constatent divers auteurs (Ben Zvi, Eylon & Silberstein, 1987 ; Huddle & Pillay, 1996 ; De Jong & Van Driel, 2004) : la lecture de l’équation chimique 2 H2 + O2 → 2 H2O ne se fait pas sans difficultés.

44Dans cinq équations on trouve des produits et des réactifs ne correspondant pas à la description de la réaction chimique : l’eau comme réactif ; H2 et/ou O2 et CO2 dans les produits.

4.3.3. Sous une forme choisie par l’élève

Q.4 : « Comment peut-on représenter la réaction entre le fer (Fe) et le dichlore (Cl2) qui forment le chlorure de fer III (FeCl3) ? » (O5 et O8)

45Dans le tableau 6 le taux de non réponse est relativement faible, les élèves se sentent donc en mesure de répondre. On constate que le choix d’une représentation par une équation de réaction est nettement supérieur (87 %) à la seule représentation par le schéma de réaction (4 %), même si certains élèves (7, soit 5 %) font précéder l’écriture de l’équation, équilibrée ou non, par un schéma correct. Le taux de représentations prenant en compte la conservation des atomes/éléments en faisant intervenir des coefficients stœchiométriques convenables est de 40 %. Par compte, 28 % des élèves ne tiennent pas compte de cette conservation, soit en remplaçant simplement dans le schéma de réaction les noms des substances par leur symbole, Fe + Cl2 → FeCl3 (23 %), soit en utilisant des coefficients stœchiométriques incorrects (5 %) (Par exemple : 2 Fe + 3 Cl2 → FeCl3). Il convient enfin de noter que, bien que les symboles des réactifs et des produits soient donnés dans l’énoncé, nombreux sont ceux qui font figurer dans l’équation des symboles incorrects (15 %) aussi bien pour les réactifs (surtout F2 à la place de Fe) que pour les produits (F2Cl3, F2Cl, F2C2, F2 + Cl3 ou ClFe et FeCl2).

Tableau 6 : représentation d’une transformation chimique décrite sous forme langagière.
Le nombre total d’élèves concernés par le questionnaire est de 130.

Représentation utilisant

N

 %

Schéma de réaction uniquement

5

4

Équation de réaction équilibrée

avec schéma de réaction

2

40

Seule

50

Équation de réaction non équilibrée

Non considération des coefficients stœchiométriques

avec schéma

5

23

seule

25

Mal équilibrée (coefficients incorrects)

7

5

Équation avec symboles incorrects

F2 à la place de Fe

équilibrée

2

15

Non équil.

10

autre symbolisation incorrecte

7

Autres

3

2

N.R.

14

11

4.4. Le sens donné à l’équation chimique

Q. 5. : « Que représente pour toi cette écriture C + O2 → CO2 » (06)

Tableau 7 : le sens donné à l’écriture d’une équation chimique. Le nombre total d’élèves concernés par le questionnaire est de 130.

Sens exprimé en termes de

N

 %

Équation chimique (sans commentaire)

23

25

Équation chimique (équilibrée) d’une/qui représente une réaction

9

Réaction chimique

équilibrée

28

33

Entre le carbone et le dioxygène/oxygène

15

Le schéma de la réaction (souvent représenté) ou réactifs → produits

16

12

divers

L’équation/la formule/l’équilibre du CO2

7

21

En termes de mélange

6

Autres

14

N.R.

12

9

46À la lecture du tableau 7 on constate que pour 32 élèves (25 %) l’écriture proposée correspond bien à une équation chimique, mais seulement 9 d’entre eux sont capable de préciser que cette équation est une représentation d’une réaction chimique. Par contre, le tiers des élèves (33 %) confondent le phénomène du domaine empirique (la réaction chimique) avec sa représentation dans le registre des modèles (l’équation chimique). Le principe appris de conservation des atomes (en réalité des éléments) est signalé par 37 élèves (soit 28 %) qui incluent dans leur réponse le terme « équilibrée » ; 5 d’entre eux effectuent la lecture de l’équation (ou de la réaction) en termes d’atomes ou de molécules et un seul en termes de mole. Pour 16 élèves (12 %) l’équation est lue comme un schéma de réaction faisant intervenir le nom des espèces chimiques. Dans les 21 % de propositions classées « diverses » on relève deux catégories de propositions qui peuvent laisser penser que les élèves ont une conception de type mélange/conservation de la transformation chimique : 6 élèves disent « On mélange le carbone et le dioxygène pour fabriquer le dioxyde de carbone » et parmi les propositions qui parlent uniquement du dioxyde de carbone figure par deux fois de façon explicite, l’expression : « le dioxyde de carbone, C et O».

Q.6. « La réaction entre le méthane et le dioxygène est représentée par l’équation chimique CH4 + 2 O2 → 2 H2O + CO2,
a) Que signifient les nombres en indices dans les symboles CH4 ; O2 ; H2O et CO2 ?
b) Que représentent les coefficients 2 devant les formules de dioxygène et l’eau ?
c) Traduire, en utilisant les coefficients et les noms des composés chimiques, cette écriture de l’équation de réaction ».

47Cette question relative à la lecture de l’équation de réaction symbolisant la combustion du méthane, prise comme exemple dans le manuel pour introduire l’écriture d’une équation chimique, est constituée de 3 sous-questions dont les réponses sont rassemblées dans les tableaux 8, 9 et 10 (Le nombre total d’élèves concernés par le questionnaire est de 130).

4.4.1. Signification des indices (question 6a, 07)

Tableau 8 : signification des indices figurant dans les formules.

En termes de

N

 %

Nombre d’atomes (sans explication)

27

21

Nombre d’atomes constituant la molécule + atomicité

Sans détail

19

25

Avec détails

13

Nombre de molécules

12

9

Nombre de molécules constituant la molécule

4

3

Nombre de molécules et nombre d’atomes

4

3

Pour l’équilibre

2

2

Association nomenclature-formule

6

5

Divers

8

6

Non réponse

35

27

48On note un taux de non réponse assez important (27 %). Cela peut s’expliquer, soit parce que ces élèves ne se sentent pas en mesure de répondre, soit parce que cette question est la dernière du questionnaire. On observe que les indices sont bien associés au nombre d’atomes par 46 % des élèves. On peut toutefois regretter que seulement le quart des élèves précisent que l’indice associé à un atome est le nombre d’atomes de ce type constituant la molécule, et qu’ils soient peu nombreux (13) à illustrer leur réponse en précisant explicitement le nombre d’atomes, de chaque type, présents dans les molécules.

49La référence au nombre de molécules apparaît dans 15 % des réponses, mais dans des formulations variées pas toujours valides. Pour les 12 élèves qui disent simplement que « c’est le nombre de molécules », en précisant parfois « représentées dans la réaction chimique », et éventuellement pour deux de ces élèves affirmant que ces indices servent « pour l’équilibre », on peut penser qu’ils confondent les indices et les coefficients stœchiométriques. Ceux qui parlent du nombre de « molécules constituants la molécule » confondent manifestement atome-molécule alors que ceux qui pensent que c’est « le nombre de molécules et le nombre d’atomes » n’ont pas une vision claire de la différence entre indices et coefficients. Enfin, pour 6 élèves, c’est simplement un moyen de remplacer par une formule le nom d’une espèce chimique.

4.4.2. Signification des coefficients (question 6b, 07)

50Le savoir à enseigner tel qu’il figure dans le chapitre consacré au traitement quantitatif de la réaction chimique est le suivant : « Les coefficients qui précèdent les formules et les symboles dans une équation chimique sont appelés coefficients stœchiométriques. » ; « Pour respecter la conservation des atomes on fait précéder la formule par le coefficient… » ; « une équation chimique dans laquelle la conservation des atomes est respectée est dite équilibrée ».

Tableau 9 : signification des coefficients figurant devant les formules.

En termes de

N

 %

Coefficients/nombres stœchiométriques

23

18

Pour équilibrer

L’équation

6

10

La réaction

7

Nombre d’atomes

5

4

Nombre de molécules

7

5

Nombre de moles

21

16

Multiplie une formule (2O2 = O4 ; 2H2O = H4O2)

12

9

divers

2

2

Non réponse

47

36

51Bien que les réponses ne soient pas toujours complètes par rapport au savoir à enseigner, et que certains identifient l’équation à la réaction, on peut estimer que 41 élèves (32 %) ont une conception acceptable (surlignés en gris dans le tableau) de ce que représentent les coefficients figurant devant les formules : ce sont des coefficients stœchiométriques (18 %) dont le rôle est d’égaliser (d’équilibrer) le nombre des atomes dans les deux membres de l’équation chimique (14 %). Pour d’autres, ces coefficients représentent des nombres de moles (16 %) ou de molécules (5 %). C’est vraisemblablement la référence à la lecture de l’équation de réaction, telle qu’elle figure dans le manuel (cf. question 6c), qui induit ce type de réponse. Enfin 9 % des élèves ont une vision purement mathématique de ces coefficients, en considérant qu’ils servent à multiplier les molécules, ce qui les conduit à en déduire une autre formule que celle figurant dans l’équation (par exemple 2 H2O = H4O2).

4.4.3. Lecture de l’équation de réaction (Question 6c, 06)

52La double signification de l’équation de réaction est introduite dans le manuel sous la forme : « 1 mole de molécules de méthane réagit avec 2 moles de molécules de dioxygène pour donner 1 mole de molécules de dioxyde de carbone et 2 moles de molécules d’eau. » et « 1 molécule de méthane réagit avec 2 molécules de dioxygène pour donner une molécule de dioxyde de carbone et 2 molécules d’eau. » Notons dans ce cas, l’incorrection consistant à utiliser le concept de réaction entre un atome et une molécule. Certes il existe des réactions dites « élémentaires » entre un atome et une molécule, mais à ce niveau d’enseignement, une réaction chimique représente le bilan global de la transformation à l’échelle macroscopique. Il serait préférable de dire « une molécule de méthane et deux molécules de dioxygène se transforment en une molécule de dioxyde de carbone et deux molécules d’eau ». D’autre part, au niveau macroscopique, les coefficients (on devrait parler de nombres stœchiométriques) servent à indiquer les proportions dans lesquelles réagissent les réactifs et se forment les produits et non pas des « nombres de moles ».

Tableau 10 : lecture d’une équation chimique.

En termes de

N

 %

Lecture macroscopique

8

6

Lecture microscopique

1

1

Schéma de réaction

correct

5

10

Erreur nomenclature

8

Formules remplacées par noms

Coefficients corrects

16

18

Ecriture incorrecte

7

Réactifs → produits

11

8

Divers

7

5

Non réponses

67

52

53On constate que seule la moitié environ des élèves répond à cette dernière partie du questionnaire. De plus le nombre d’élèves donnant une réponse conforme aux réponses possibles attendues est faible : 8 élèves seulement traduisent l’équation de réaction en termes de moles : « 1 mole de CH4 réagit avec 2 moles d’O2 pour donner 2 mol d’eau et 1 mol de dioxyde de carbone » et un autre en fait une lecture dans le registre microscopique. C’est une lecture sous la forme d’un schéma de réaction qui rencontre la faveur des élèves, soit sous la forme du schéma lui-même, soit sous une forme modifiée où les coefficients précèdent les noms des espèces chimiques, par exemple : « méthane + 2 dioxygène → 2 eau + dioxyde de carbone ». Il convient cependant de noter que de telles représentations comportent parfois, soit des erreurs dans les noms des espèces chimiques, soit des erreurs dans l’identification même des réactifs et des produits (méthane + dioxyde de carbone → dioxyde d’hydrogène + dioxyde de carbone). Enfin, 11 élèves se contentent de traduire l’équation sous la forme : les réactifs → les produits.

5. Discussion

54Nous allons maintenant essayer d’évaluer, à partir de la synthèse des analyses précédentes, dans quelle mesure des élèves tunisiens démarrant l’apprentissage de la chimie en langue française se sont approprié le langage permettant de représenter la réaction chimique.

5.1. Maîtrise de l’alphabet du langage symbolique

55On peut dire que, lorsque les symboles sont donnés, de nombreux élèves sont capables d’associer un nom à un symbole, avec cependant quelques difficultés lorsque l’association nom/symbole n’a pas été mémorisée de façon « globale » et que la convention générale de représentation apprise ne s’applique pas. En effet, la convention ne permet ni d’associer la lettre N à l’azote ou le symbole Na au sodium, puisque ce ne sont pas les noms français de ces éléments qui ont conduit aux symboles, ni le symbole Zn au zinc puisqu’elle ne précise pas quelle est la deuxième lettre en minuscule à utiliser. La connaissance de la classification périodique par les élèves est de plus insuffisante à ce niveau d’enseignement pour comprendre que la symbolisation par Z ou Zi n’est pas permise puisqu’il existe un autre élément, le zirconium, dont le nom débute par les mêmes lettres. Par contre, l’application de la convention conduirait par exemple à représenter l’azote par Az ou le chlore par Ch (symboles que l’on trouve d’ailleurs dans plusieurs livres de chimie en langue française du XIXe siècle) et le sodium par So.

5.2. Maîtrise du rapport nomenclature-symbolisation des espèces chimiques (les mots)

56Les deux règles implicites, car reposant uniquement sur des routines mises en place dans l’enseignement, que les élèves peuvent appliquer sont : « le nom d’une espèce chimique peut être déduit des noms de ses parties constitutives » ou « le nom du ou des produits formés peut être déduit des noms des réactifs ». Les élèves rencontrent plus de difficultés pour passer du nom à la formule d’une espèce chimique que de la formule au nom. Dans ce cas, une difficulté se présente lorsque le nom de l’espèce chimique ne peut être logiquement mis en relation avec la symbolisation de ses parties constitutives. C’est ainsi que par application de la première règle, NH3 est par exemple dénommé par les élèves trihydrogène d’azote, H2O oxyde de dihydrogène et HCl hydrogène de chlore. Lors du passage du nom au symbole, les difficultés ont plusieurs origines. À la difficulté que nous venons d’évoquer s’ajoutent les problèmes liés à la non maîtrise de l’alphabet et à la méconnaissance des règles orthographiques (c’est-à-dire l’ordre des symboles en fonction de l’électronégativité des atomes/éléments ; les indices associés aux différents atomes/éléments en fonction de leur valence). La première règle n’ayant jamais été enseignée, certains élèves, qui n’ont sans doute pas assimilé le sens à donner à la préposition « de », respectent dans les formules l’ordre d’introduction des atomes/éléments dans la nomenclature, par exemple ClNa pour chlorure de sodium ou ClFe pour chlorure de fer. Ce dernier exemple illustre le problème lié à la méconnaissance de la deuxième règle orthographique. Environ la moitié des élèves semble savoir que les indices sont bien associés au nombre d’un type d’atomes constituant l’entité chimique. Mais, comme le concept de valence d’un atome n’est pas connu des élèves à ce niveau d’enseignement, pour appliquer la règle ils doivent, soit se remémorer les formules qui leur ont été présentées, soit se référer à la charge des ions en utilisant des connaissances précédemment introduites dans l’enseignement. Mais comment faire avec le zinc dont l’ion Zn2+ n’est pas celui qui est le plus pris en exemple dans l’enseignement ou le fer qui existe sous les formes Fe2+ et Fe3+ ? Alors, c’est un raisonnement alternatif par analogie qui est utilisé. Puisque le chlorure de sodium a pour formule NaCl et le sulfate de zinc ZnSO4, pourquoi la formule représentative du chlorure de zinc ne serait pas ZnCl. Même dans le cas de l’eau, exemple très connu, on rencontre chez certains élèves la difficulté à respecter cette deuxième règle orthographique avec des formules telles que HO, HO2 ou H2O2. Cette dernière formule représentative de l’eau et le fait que certains élèves ont tendance à associer le dioxygène et le dihydrogène dans la nomenclature (« dioxyde dihydrogène », « dioxygène (de/et) dihydrogène », semblent traduire une conception du corps composé comme mélange/agglutination de corps simples, conception que l’on retrouve explicitement avec le dioxyde de carbone : « le dioxyde de carbone, C et O».

57Nous avons également relevé chez de nombreux élèves des incorrections dans les symboles associés aux termes « acides » et hydroxydes figurant dans la nomenclature d’espèces chimiques. Elles découlent de l’extension à ces termes de la convention relative à la symbolisation des atomes/éléments. C’est ainsi que « la (ou les deux) première(s) lettre du nom français » conduit à la proposition des symboles A ou Ac pour un acide (par exemple ACh pour l’acide [A] chlorhydrique [Ch]) et H pour le groupement hydroxyde (par exemple NaH pour l’hydroxyde de sodium). C’est un manque de connaissances chimiques qui conduit à ces incorrections. Dans le cas des acides, l’enseignement reçu à ce niveau ne leur permet pas d’associer la dénomination acide à la présence de l’élément hydrogène ; dans le cas de l’ion hydroxyde (OH-) c’est la compréhension de ce qu’est un ion polyatomique qui leur fait défaut (Smith & Metz, 1996). C’est également un manque de connaissance (de l’origine de la nomenclature) qui conduit un élève à différencier la symbolisation du suffixe « chlorhydrique » par Ch et du préfixe chlorure par Cl.

5.3. Maîtrise de l’écriture de la réaction chimique (les phrases)

58Lorsqu’il est demandé aux élèves de représenter une transformation chimique, ils choisissent majoritairement l’équation chimique lorsque la nomenclature et les formules des espèces chimiques sont données, ou le schéma de réaction lorsque les symboles à associer aux espèces chimiques ne sont pas connus. Dans ces deux écritures, la règle sémantique (le signe + indique la présence de plusieurs espèces chimiques avant et/ou après la réaction, la flèche traduit l’évolution du système des réactifs aux produits) est respectée par une grande majorité d’élèves. Mais c’est la différence entre l’écriture d’un schéma de réaction en utilisant les noms des espèces chimiques sans indication de leurs proportions et celle d’une équation chimique en utilisant les symboles organisés en formules et compatible avec des règles de conservation qui n’est pas toujours réalisée. L’équation chimique semble correspondre pour de nombreux élèves à une commodité d’écriture pour représenter une expérience en remplaçant simplement le nom des espèces chimiques figurant dans le schéma de réaction par leur formule, sans toujours respecter les règles orthographiques. Ce qui explique peut-être pourquoi elle est souvent assimilée à la réaction chimique elle même.

59Moins de la moitié des élèves (de l’ordre de 43 %) semblent respecter la règle grammaticale liée à la conservation (de la masse, des atomes/éléments ou des charges) en traduisant la description langagière d’une réaction chimique par son équation chimique correcte. Mais ils sont peu nombreux à indiquer explicitement que le rôle joué par les coefficients stœchiométrique est d’assurer la conservation des éléments dans les deux membres de l’équation chimique. On peut supposer que ces coefficients ne sont pour de nombreux élèves que des nombres utilisés de façon mécanique pour équilibrer l’équation (Fillon, 1997 ; Chambenois et al., 2003 ; Taber, 2009). En outre, la lecture que certains élèves font de l’équation chimique au niveau macroscopique en termes de moles induit chez eux l’idée qu’équilibrer une équation en introduisant des coefficients sert à ce que le nombre de moles de réactifs (avant la réaction) soit égal au nombre de moles des produits (après). Pour les élèves, ce n’est ni la masse ni les atomes qui se conservent mais la quantité de matière des espèces chimiques. De plus, comme la lecture des symboles se fait essentiellement en associant un nom à une formule, sans beaucoup de référence aux espèces chimiques ou aux entités microscopiques (atomes, molécules, ions) qui les constituent, il semble que la lecture de l’équation chimique en termes de changement de nature des espèces chimiques résultant de la conservation et de la réorganisation des atomes/éléments est difficilement réalisée par les élèves (Garnett, Garnett & Hackling, 1995 ; Solsona, Izquierdo & De Jong, 2003 ; Cokelez, Dumon & Taber, 2008). Ils ne perçoivent pas le rôle de médiateur entre les niveaux macroscopique et microscopique sensé être joué par l’équation chimique (Taber, 2009).

Conclusion

Les difficultés rencontrées par les élèves

60Les données recueillies ont permis de mettre en évidence :

61D’une part que les élèves tunisiens débutants que nous avons interrogés rencontrent des difficultés, dont certaines ont déjà été mises en évidence par plusieurs auteurs (voir le § 2), à mobiliser les conventions et les règles du langage de la chimie pour mettre en relation le registre symbolique avec les objets et évènements des deux niveaux de modélisation de la chimie (dans le triangle MSm du tétraèdre de la figure 1).

62D’autre part que ces difficultés ne peuvent être attribuées à la seule responsabilité des élèves. Trois sources de difficultés ont en effet été identifiées. Certaines difficultés apparaissent lorsque les conventions où les règles enseignées ne permettent pas la mise en relation logique d’un nom et d’un symbole (l’alphabet) ou d’une formule (la formation des mots). D’autres résultent du fait que les connaissances chimiques qui permettraient de comprendre les règles orthographiques (électronégativité et valence) ou la présence de l’élément hydrogène dans un acide ne sont pas enseignées à ce niveau, ce qui conduit alors les élèves à raisonner par analogie sans garde fou. Enfin, pour la représentation de la réaction chimique, c’est la difficulté à percevoir que le changement de nature des espèces chimiques s’accompagne du principe de conservation des atomes/éléments et de leur réorganisation qui a été mise en évidence. Cela conduit les élèves à ne pas différencier l’écriture d’un schéma de réaction de celle d’une équation chimique, à ne pas respecter la règle grammaticale d’écriture de l’équation nécessitant la combinaison des coefficients stœchiométriques et des indices et pour certains, à considérer que c’est la quantité de matière des espèces chimiques qui se conserve ou à faire figurer dans les produits de la réaction des atomes/éléments qui n’étaient pas présents dans les réactifs.

63L’apprentissage du langage de la chimie reposant sur une base de connaissances abstraites, il n’est pas étonnant que les élèves tunisiens de première année, à l’image des élèves d’autres pays, rencontrent des difficultés pour s’exprimer dans cette langue avec une rigueur scientifique. Mais l’enseignement reçu permet-il réellement d’aider à surmonter ces difficultés ? L’observation de situations de classe montre (Mzoughi-Khadhraoui, 2011) que l’enseignement de la réaction chimique repose sur certaines évidences qui laissent à la charge des élèves, par généralisation d’exemples particuliers, la compréhension du passage de la description du phénomène en langage quotidien à sa représentation par un schéma de réaction utilisant la nomenclature, puis par une équation chimique. Cela se traduit par l’absence de mise en relation claire et explicite des trois sommets du monde des théories et modèles. Les élèves se trouvent alors confrontés à un formalisme « vide de sens » et ils sont conduits à utiliser des modes de raisonnement alternatifs.

Conséquences pour l’enseignement

64Être capable de lire une formule chimique, être capable d’écrire une formule chimique à partir de la connaissance des atomes/éléments présents dans l’espèce chimique, être capable d’écrire un bilan qualitatif à partir de renseignements sur la réaction, être capable d’écrire une équation chimique en respectant les règles orthographiques et grammaticales du langage symbolique sont des compétences qui doivent être impérativement développées chez les élèves. Nous partageons le point de vue de Nahkleh & Mitchell (1993) selon lequel les compétences des élèves dépendent de la qualité de l’enseignement qu’ils reçoivent. Par exemple, la réaction chimique est définie en termes de disparition et d’apparition de corps. Mais, sous quelle forme se trouvent ces corps ? Est-ce que cette dénomination convient aussi bien à un corps pur solide ou gazeux (ou substance chimique), pouvant être simple ou composé, qu’à une solution contenant des ions ? Dans ce cas, peut-on dire que les ions disparaissent au cours de la transformation ? Ne serait-il pas préférable de la définir dans un premier temps comme étant une transformation des espèces chimiques de départ (dont des ions en solution) pour donner de nouvelles espèces chimiques (nouvelle solution contenant d’autres ions et/ou précipité formé à partir des ions) en se centrant sur les interactions entre les espèces mises en présence et en conduisant les élèves à percevoir ce qui se conserve et ce qui se transforme dans le changement ? L’enseignant, pour qui la circulation entre le registre symbolique et les deux niveaux d’interprétation de la chimie est devenue une seconde nature résultant de sa longue expérience de la chimie (Barlet & Plouin, 1994 ; De Jong & Van Driel, 2004), semble « oublier » qu’il reste encore du temps et du chemin à faire à l’élève pour y parvenir. Son rôle devrait être de favoriser cette circulation de façon explicite et progressive (Strang & Shayer, 1993 ; Mey, Balas & Plouin, 1994 ; Fillon, 1997 ; Taber, 2001, 2009). Ainsi s’imposent des activités spécifiques qui, en permettant aux élèves d’échanger leurs points de vue sur ce qui change et ce qui se conserve au cours d’une réaction chimique, auraient comme objectif le développement du langage de la chimie. (Hesse & Anderson, 1992 ; Laverty & McGarvey, 1991 ; Barlet & Plouin, 1994 ; Dumon & Laugier, 2004).

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Table des illustrations

Titre Schématisation de la mise en relation du champ empirique avec le monde des théories et modèles en chimie.
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/107/img-1.png
Fichier image/png, 147k
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Pour citer cet article

Référence papier

Imène Mzoughi-Khadhraoui et Alain Dumon, « L’appropriation par des élèves tunisiens débutants du langage permettant de représenter la réaction chimique »RDST, 6 | 2012, 89-118.

Référence électronique

Imène Mzoughi-Khadhraoui et Alain Dumon, « L’appropriation par des élèves tunisiens débutants du langage permettant de représenter la réaction chimique »RDST [En ligne], 6 | 2012, mis en ligne le 01 mars 2015, consulté le 18 avril 2024. URL : http://journals.openedition.org/rdst/107 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.107

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Auteurs

Imène Mzoughi-Khadhraoui

Université virtuelle de Tunis, institut supérieur de l’éducation et de la formation continue

Alain Dumon

Université Bordeaux 4, IUFM d’Aquitaine et université Bordeaux 2, laboratoire Cultures, éducation, sociétés

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Le texte seul est utilisable sous licence CC BY-NC-ND 4.0. Les autres éléments (illustrations, fichiers annexes importés) sont « Tous droits réservés », sauf mention contraire.

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