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Enquête historique à partir d’un espace de contraintes et de nécessités adapté au langage symbolique de la chimie

Historical investigation from a space of constraints and necessities adapted to the symbolic language of chemistry
Sophie Canac
p. 101-127

Résumés

Les formules chimiques se sont développées en étroit lien avec les connaissances à la fois théoriques et empiriques de la chimie. Leur caractère polysémique est source de difficultés pour les élèves. Les enseignants sont démunis face à un programme de collège qui les introduit sans aucune justification. Pour élaborer une ressource pour l’apprentissage des formules chimiques au collège, nous présentons une enquête historique à l’aide d’un espace des contraintes et des nécessités, remanié pour la chimie. Pour cela, nous reprenons le cadre de la problématisation pour le contextualiser au domaine de la chimie en articulant registre empirique et registre des modèles avec un registre sémiotique. Cette enquête doit permettre d’analyser les raisons qui ont permis aux chimistes du XIXe siècle d’élaborer les formules chimiques.

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Texte intégral

Introduction

1Laszlo (2011) considère la chimie comme une science imprégnée de langage. Les formules chimiques font partie des représentations sémiotiques de la chimie qui, comme pour les mathématiques, sont essentielles « pour l’activité cognitive de la pensée » (Duval, 1993). En 1994, Barlet et Plouin proposaient déjà pour améliorer l’enseignement de la chimie de travailler autour de ses représentations symboliques pour une meilleure appropriation des concepts utilisés. Pour l’enseignement du concept d’espèce chimique, dont la formule chimique est une des représentations, certains travaux (Ngai, Sevian & Talanquer, 2014 ; Sevian & Talanquer, 2014 ; Solomonidou & Stavridou, 2000) proposent de partir du niveau empirique macroscopique avant de traiter les modèles microscopiques, alors que pour d’autres auteurs (De Vos & Verdonk, 1987 ; Sanger, 2000) débuter par des dessins de particules avant de passer au concept de substance est préférable. Peu de progressions signalent un travail spécifique autour du langage symbolique de la chimie. Fillon (1997), considérant que les idées erronées peuvent être renforcées par le langage chimique (les noms et formules), propose une séquence à partir de la réaction chimique en lien avec les noms et les formules. Roletto et Piacenza (1994) suggèrent d’élaborer ensemble formules et modèles microscopiques. À notre connaissance, aucune proposition de séquence n’est centrée sur l’élaboration du langage symbolique.

2Cet article vise à présenter un remaniement du cadre de la problématisation contextualisée au domaine de la chimie, à proposer des espaces de contraintes et de nécessités pour la chimie intégrant le registre sémiotique, et à les appliquer dans le cadre d’une enquête historique (de Hosson, 2011) pour rechercher les raisons qui ont permis d’élaborer les formules de l’eau et des corps simples au XIXe siècle. L’objectif de cette enquête est de permettre par la suite l’élaboration d’une séquence d’enseignement en cycle 4 (MEN, 2015) au moment de l’introduction des formules chimiques.

1.Concepts et formules chimiques : un développement conjoint

3Dans l’histoire des sciences, le langage, les connaissances empiriques et les modèles se sont développés de façon conjointe. La nomenclature de Lavoisier, à l’origine « de la révolution chimique sémantique et ordinatrice » (Dagognet, 2002, p. 7), et le symbolisme de Berzelius pour les formules chimiques, toujours utilisé de nos jours, vont être des éléments essentiels du processus de développement de la chimie du XIXe siècle. Les formules chimiques apparaissent avec la théorie atomique de Dalton en 1808. Il défend l’hypothèse de l’atome en tant qu’unité minimale des combinaisons chimiques, ce qui lui permet ainsi d’interpréter les différentes lois empiriques énoncées au début du XIXe siècle dont la loi des proportions définies de Proust et sa loi des combinaisons multiples (De Menten, 2013). Fervent défenseur de la théorie atomique de Dalton, Berzelius remplace en 1818 les symboles de Dalton par des lettres. En moins de vingt ans, ces notations sont adoptées par la communauté internationale (Crosland, 1980). Elles deviennent incontestables grâce notamment à la renommée et à l’autorité incontestée de son concepteur (Wurtz, 1864). Ce système de représentations va être à l’origine de significatives avancées entre 1820 et 1850. La composition de chaque substance chimique indiquée au moyen de lettres et de chiffres « permet la manipulation formelle des symboles indépendamment de leurs signifiés empiriques, pour autant que le chimiste suive certaines règles générales » (Laszlo, 1993, p. 12). Les chimistes peuvent traduire les expériences faites en laboratoire par des équations (Laugier & Dumon, 2001). Les formules écrites sont de véritables « outils de papier » (Klein, 2001a) permettant de réaliser des expériences sur une feuille blanche en lieu et place de la paillasse. C’est notamment en utilisant l’écriture de Berzelius que Dumas modélise « sur papier » la création du chloral à partir de chlore et d’éthanol et en vient à proposer le concept de substitution (Klein, 2001a). Le développement de la chimie organique va amener les chimistes à comprendre qu’en plus de la nature des atomes et de leurs proportions respectives, il faut aussi tenir compte de leur arrangement pour comprendre la nature de la molécule (Kluge & Larder, 1971). À nouveau, l’écriture des structures moléculaires va servir d’auxiliaire puissant pour les chimistes dans l’interprétation des réactions chimiques et dans la suggestion de nouvelles expériences (Dumon & Luft, 2008). Il y a dès lors des expériences chimiques qu’on n’aurait jamais songé à réaliser si l’on n’avait pas prévu a priori leur possibilité à partir des formules développées. Bachelard (1966, p. 57) y voit un « véritable noumène » qui permet de raisonner sur la substance chimique.

4Jacob (2001) fait le parallèle entre une langue et le symbolisme chimique qui possède, comme toute langue, un ensemble de règles syntaxiques. L’alphabet est constitué des symboles. Les formules chimiques, élaborées à partir d’associations de symboles, correspondent aux mots de la langue, avec ses règles orthographiques, par exemple la valence pour les molécules et l’électronégativité pour les ions. Les équations chimiques sont les phrases avec ses règles de grammaire : la conservation des éléments chimiques et la conservation de la charge électrique. Enfin cette langue a ses règles sémantiques basées sur l’existant, même s’il n’y a aucune ressemblance entre les signes utilisés et les molécules qui sont représentées (Edeline, 2009). À partir des règles syntaxiques, il est possible de former de nouveaux « mots » (les formules) syntaxiquement correctes mais qui n’ont pas (encore ?) un fondement empirique (Kaya & Erduran, 2013). On peut réaliser dans les équations chimiques une infinité de permutations de symboles dont certaines représentent véritablement de la chimie. D’autres respectant bien les règles sont un non-sens car ne reflétant pas de processus chimique connu (Taber, 2009). Les chimistes sont capables à partir de très peu de signes de décrire tout à la fois le réel dans son ensemble mais également de prévoir l’inconnu et l’inexistant.

2. Des spécificités pour son enseignement

5Une langue scientifique est censée être un système univoque dépouillé de connotations et de significations implicites (Mounin, 1981). Pourtant seul le contexte nous permet de dire si la formule H2O représente une molécule ou une quantité quelconque, un liquide ou un solide, un acide ou une base, un nucléophile ou un électrophile (Weininger, 1998). Dans l’équation chimique rendant compte de la combustion du carbone (C(s) + O2 (g) → CO2(g)), la même lettre C symbolise à la fois le graphite quand elle est seule et l’atome de carbone dans la formule du gaz dioxyde de carbone. Marais & Jordaan (2000) montrent que dans un problème portant sur la préparation de l’ammoniac par le procédé Haber, les étudiants doivent effectuer au moins treize étapes d’interprétation de l’ensemble des symboles de l’équation donnée dans l’énoncé avant de pouvoir répondre aux questions d’un problème. L’équation peut aussi être interprétée à un niveau microscopique, une même formule chimique pouvant aussi bien représenter l’espèce chimique que la molécule.

6En chimie peut-être plus qu’ailleurs, le langage interagit fortement avec le concept. Reprenant des travaux antérieurs (Kermen & Méheut, 2011 ; Martinand, 1998 ; Tiberghien, 1994), Kermen (2018) s’appuie sur l’articulation du registre des modèles et du registre empirique pour catégoriser le savoir à enseigner, et l’adapte à un savoir particulier, les modifications chimiques de la matière. La réalité idéalisée (Gilbert et al., 2000 ; Kermen & Méheut, 2011), description chimique de la réalité expérimentale mettant en jeu les concepts d’espèces chimiques et de transformation chimique, le modèle de la réaction chimique au niveau macroscopique et le modèle des chocs au niveau microscopique sont tous représentés par le même langage symbolique (figure 1). Les formules chimiques permettent ainsi de réaliser la passerelle entre les niveaux macroscopique et microscopique (Taber, 2013) mais aussi entre les concepts du registre empirique et du registre des modèles.

Fig. 1 : articulation entre registres et niveaux de la chimie exemplifiée par l’utilisation du langage symbolique dans la combustion du méthane (Canac & Kermen, 2020)

Fig. 1 : articulation entre registres et niveaux de la chimie exemplifiée par l’utilisation du langage symbolique dans la combustion du méthane (Canac & Kermen, 2020)

7L’apprenant ne peut mener seul ce travail entre les symboles, le registre empirique et le registre des modèles, et entre les niveaux macroscopique ou microscopique. Que peut comprendre un élève de l’équation chimique s’il n’a pas une compréhension appropriée du concept scientifique de substance et n’a pas disponible l’imagerie mentale appropriée du modèle particulaire (Taber & Bricheno, 2009) ? À l’inverse, un élève peut devenir assez compétent pour manipuler cette même équation chimique mais sans que rien ne garantisse sa compréhension des concepts sous-jacents et modèles associés (Talanquer, 2011).

8Johnstone (1993) est l’un des premiers à s’intéresser aux difficultés rencontrées par les étudiants en chimie face à un enseignant se déplaçant constamment entre le registre symbolique, les faits expérimentaux et leur interprétation en termes d’entités microscopiques. De son côté, Taber (2013) considère que le domaine symbolique ne doit pas être vu comme un niveau discret des connaissances chimiques au même titre que les domaines macroscopiques et microscopiques. Dans le cas de la réaction chimique, il considère le langage du chimiste comme un méta-niveau (Canac & Kermen, 2016) entre le macroscopique (les substances) et le microscopique (les particules). Ce qui pourrait être considéré comme une imprécision (un même registre de représentation pour plusieurs interprétations) favorise en fait le travail du chimiste en lui permettant de travailler simultanément dans ces deux niveaux (Taber, 2013). Les représentations symboliques deviennent une seconde nature pour l’enseignant de chimie ayant les connaissances et la compréhension de l’ensemble des concepts véhiculés (Taber, 2009). Ce système de représentation unique par ses multiples interprétations est un puissant facilitateur de communication pour l’expert mais qui peut devenir un obstacle pour le novice (Taber, 2009). De plus, le langage chimique véhicule un « déjà-là » conceptuel très fort par où peuvent pénétrer les ambiguïtés et se renforcer les conceptions (Barlet & Plouin, 1994).

3. Apprentissage du langage symbolique par les élèves

9Taskin et Bernholt (2014) ont fait un bilan des recherches dans les pays anglo-saxons au cours de ces trente dernières années relevant à la fois des difficultés d’ordre syntaxique et d’ordre conceptuel dans l’utilisation des symboles. Les symboles chimiques peuvent être compris comme une simple abréviation du nom de la substance (Al-Kunifed, Good & Wandersee, 1993). Les élèves éprouvent des difficultés syntaxiques pour coder ou décoder les différents types de représentation ou pour interpréter le modèle sous-jacent à la représentation utilisée. CH2O est par exemple considéré comme un carbone lié à de l’eau ou SiO2 est équivalent à Si2O4 (Keig & Rubba, 1993). Fensham (2002) reprenant les travaux de Johnstone et Kellett, indique que bon nombre d’élèves essaient de lire les formules de gauche à droite comme ils liraient habituellement. Les conventions symboliques en chimie organique présentent généralement le groupe fonctionnel, la plus importante partie de la formule, à l’extrémité droite de la formule. Avant d’arriver à la lecture de cette partie, l’élève est déjà en surcharge d’informations. Des travaux en France et en Tunisie montrent des difficultés dans l’application des conventions et des règles pour les formules brutes dans le cadre des réactions chimiques (Carretto & Viovy, 1994 ; Mzoughi-Khadhraoui & Dumon, 2012). Les élèves peuvent parfois rechercher dans les noms scientifiques et dans les formules des effets de permutation par symétrie (Fillon, 1997). L’utilisation des formules brutes peut aussi se rapporter à une simple manipulation arithmétique dans les équations chimiques (Nakhleh & Mitchell, 1993 ; Sanger, 2005), avec confusion entre les indices et les nombres stœchiométriques (Dehon & Snauwaert, 2015). Les équations, de par leur symbolique, peuvent entraîner une confusion avec l’équation mathématique (Barlet & Plouin, 1994). Certaines équations chimiques : « C + O2 » et « S + O2 » peuvent accentuer l’interprétation constatée chez les élèves d’un corps composé correspondant à un mélange de corps simples conservant leurs propriétés (Fillon, 1997 ; Furio, Bullejos & de Manuel, 1994 ; Talanquer, 2007). On peut alors penser que la non maîtrise du langage symbolique amène les élèves « à rechercher des solutions alternatives » (Laugier & Dumon, 2004).

  • 1 Formule ne correspondant à aucune molécule.

10Une enquête récente en France par questionnaire (Canac & Kermen, 2016) a été menée auprès de plusieurs centaines d’élèves à différents niveaux, allant du collège à la première année d’université, pour évaluer dans quelle mesure les élèves (et les étudiants) maîtrisent le langage symbolique élémentaire et s’ils ont conscience de son rôle de passerelle entre niveau macroscopique et niveau microscopique. Une partie des élèves interrogés peine à décoder une formule chimique hors du contexte d’une équation chimique (de 30 % à plus de 50 % selon le niveau d’étude considèrent que CH4 et C2H81 sont deux formules d’une même molécule) et la grande majorité échoue dans le contexte d’une équation chimique. Un grand nombre d’élèves considère que HOH, OH2 et H2O ne désignent pas la même molécule, alors que la connaissance de cette souplesse d’écriture est un enjeu fondamental pour le chimiste. Les élèves interrogés ne sont pas capables d’associer correctement à un nom ou une formule à la fois un critère macroscopique (corps pur ou mélange) et un critère microscopique (atome ou molécule). De plus, l’association aux noms et aux formules chimiques d’un critère exclusivement microscopique s’accroît avec le niveau d’étude. Cette difficulté à associer deux concepts (l’espèce et l’entité) à une formule brute avait déjà été repérée dans d’autres pays (Mzoughi-Khadhraoui & Dumon, 2012 ; Taskin & Bernholt, 2014). Ces résultats pourraient-ils être imputés à un enseignement qui favoriserait une vision microscopique des noms et formules ?

4. Enseignement du langage symbolique : enseignants, programmes et ouvrages scolaires

4.1. Enseignants

11Le Maréchal et Cross (2010) classent en trois catégories l’origine des difficultés des élèves et étudiants dans l’utilisation du langage du chimiste : la gestion des règles du registre, le passage d’un registre à l’autre, le choix du ou des registres qui permettent de résoudre efficacement un problème. Les élèves ne semblent pas parvenir à passer d’un niveau de signification à l’autre ou à les relier. Pourtant, comme en mathématiques (Duval, 1993), les enseignants ne semblent pas avoir conscience de ces difficultés et n’apprennent pas à leurs élèves à distinguer l’objet du signe qui le représente, les changements de registre sémiotique et le choix du bon registre (Le Maréchal & Cross, 2010). Ils ne prennent pas en compte les difficultés que peuvent rencontrer les élèves dans l’application des conventions ou des règles (Boilevin, Davous & Thibault, 1996 ; Laugier & Dumon, 2004 ; Mzoughi-Khadhraoui & Dumon, 2012). En Turquie, Kaya et Erduran (2013) relèvent que dans les ouvrages scolaires aucune utilisation explicite des fonctionnalités du langage chimique permet de distinguer les différents aspects comme la grammaire, la syntaxe et les symboles. Par exemple, l’équation chimique « 2Na + Cl2 → 2NaCl » souvent proposée dans les programmes turcs n’est jamais interrogée à partir de ses aspects linguistiques : « orthographe » (Cl2, NaCl) et « grammaire » (2Na, 2NaCl). L’intérêt d’une approche sémiologique en chimie est sans doute peu pris en compte dans la formation des enseignants.

12Au cours de l’étude de pratiques ordinaires au moment de l’introduction des formules chimiques au collège en France, Canac et Kermen (2020) constatent que les deux enseignants observés n’ont aucune conscience de la polysémie du langage symbolique. La teneur du discours ne permet pas d’associer explicitement les noms et formules aux deux niveaux, macroscopique et microscopique. La formule ou le nom ne semblent pas désigner l’espèce chimique. Seul le registre des modèles microscopiques, notamment à partir des modèles moléculaires, est mis explicitement en relation avec le registre symbolique. Le registre empirique est totalement absent pour élaborer la formule chimique. Les deux enseignants justifient auprès des élèves la composition atomique des molécules de dioxygène et de dioxyde de carbone et de la présence du préfixe « di » dans le nom. Ils ne précisent évidemment pas aux élèves que les noms ont été attribués aux molécules une fois leur composition connue. Dans le cas de l’eau, dont le nom ne donne aucune indication, ils demandent alors aux élèves de se souvenir de la formule, ce qui peut paraître paradoxal puisque nous sommes dans la séance introduisant ces formules. Leurs choix semblent liés aux contraintes institutionnelles, les enseignants expliquant qu’ils ne peuvent utiliser en cycle 4 le concept de liaison covalente, seule raison pour eux permettant de justifier les formules. Les deux enseignants semblent démunis.

4.2. Programmes et ouvrages scolaires

13Les programmes de cycle 4 (MEN, 2015) ne comportent aucune indication sur la nomenclature. Il est proposé d’introduire les formules chimiques en lien avec les concepts de molécule et d’atome, donc explicitement au niveau microscopique. Aucune indication permettant de justifier les différentes formules introduites dans le programme n’apparaît. La polysémie du langage symbolique (le double aspect microscopique et macroscopique), n’est jamais indiquée (Bosdeveix & Canac, 2021).

14Dans les manuels scolaires, rien n’indique explicitement que le langage symbolique représente à la fois les niveaux macroscopique et microscopique. Les formules sont introduites en étant associées à la molécule. Un glissement implicite vers l’espèce chimique est effectué uniquement dans les énoncés d’exercices (Bosdeveix & Canac, 2021). Par exemple, il peut être demandé aux élèves de calculer la masse de CO2 formée au cours d’une transformation chimique. On comprend alors que la formule désigne l’espèce chimique, puisqu’il n’est bien évidemment pas question de masse de molécules.

15Dans les ouvrages scolaires de cycle 4, comme dans les programmes, les formules chimiques sont données sans aucune justification aux élèves, ce qui est cohérent avec l’étude de cas de deux enseignants de collège. Aucune raison n’est proposée pour pouvoir expliquer pourquoi la formule du gaz oxygène est O2 et non O et pourquoi celle de la molécule d’eau est H2O et non HO (Bosdeveix & Canac, 2021). Les formules sont justifiées pour la première fois dans les ouvrages de lycée, à partir de la structure électronique de l’atome. Comme indiqué précédemment, la liaison covalente semblerait alors l’unique raison permettant de justifier les formules chimiques. Paradoxalement, si rien n’est donné pour justifier le langage chimique, ce dernier sert non seulement à représenter mais aussi à caractériser les atomes. Les symboles et les modèles moléculaires deviennent les attributs au sens de Barth (2001) du concept d’atome. La masse et la valence qui correspondent aux deux attributs associés à l’atome par les chimistes au congrès de Karlsruhe en 1860 n’apparaissent ni dans le programme, ni dans les livres.

5. Un espace de contraintes et de nécessités pour la chimie

16Pour justifier les formules au moment de leur introduction en cycle 4, la recherche des raisons qui ont permis leur élaboration nous semble une piste possible, ce qui nous amène au cadre de la problématisation. Tout processus de problématisation s’appuie pour Bachelard sur un dédoublement de l’expérience et de la théorie (Fabre, 2005). Il s’agit à partir d’un questionnement « d’identifier les données et les conditions du problème et à les mettre en tensions » (Fabre & Musquer, 2009, p. 113). Pour que les réponses à un problème deviennent un savoir scientifique, deux questions sont essentielles : « Comment est-ce possible ? Pourrait-il en être autrement ? » (Orange, 2005, p. 77). La recherche du « champ des possibles » va passer par celle des nécessités qui permettent de prendre conscience de ce qui est possible et de ce qui ne l’est pas (Orange, 2005). Orange (2000) propose de visualiser les contraintes et les nécessités qui sont mobilisées par les scientifiques au moment de l’élaboration des savoirs scientifiques, ou des élèves au moment de la construction des connaissances, dans un espace dit des contraintes. Il l’utilise notamment dans le cas de la construction du concept de « milieu intérieur » par Claude Bernard (figure 2).

Fig. 2 : espace des contraintes de la deuxième problématisation du milieu intérieur par Claude Bernard (Orange, 2000)

Fig. 2 : espace des contraintes de la deuxième problématisation du milieu intérieur par Claude Bernard (Orange, 2000)

17(Crépin-Obert, 2010b) utilise également ces espaces pour analyser et représenter une controverse historique sur l’origine des fossiles entre Voltaire et Guettard. Ces espaces de contraintes sont aussi repris en classe pour mettre à jour des « nécessités auxquelles les solutions du problème doivent se conformer » (Hersant & Orange-Ravachol, 2015, p. 1383) : en SVT (Crépin-Obert, 2010b, 2011 ; Lhoste, Peterfalvi & Orange, 2007 ; Lhoste & Peterfalvi, 2009 ; Orange, 2005 ; Orange Ravachol & Beorchia, 2011) mais aussi en mathématiques (Hersant & Orange-Ravachol, 2015).

18Lhoste et Peterfalvi (2009) utilisant ce cadre pour analyser les raisonnements des élèves, observent dans leurs formulations qu’il n’y a pas « de correspondance directe entre l’appartenance d’une proposition à tel ou tel registre (empirique ou des modèles) et son statut épistémique de contrainte ou nécessité ». L’usage de ces espaces fait apparaître des contraintes théoriques pour le processus de problématisation qui ne sont pas discutées. Ils proposent alors « de considérer comme nécessité un construit nouveau sur la base d’un raisonnement actuel, alors qu’une contrainte serait un déjà-là convoqué dans un tel raisonnement. » (Lhoste & Peterfalvi, 2009, p. 48-49). Les contraintes théoriques peuvent correspondre à des idées qui font obstacle à la construction des connaissances visées. Lhoste (2008) propose un espace des contraintes modifié : les espaces contraintes et nécessités (figure 3).

Fig. 3 : les « espaces contraintes et nécessités » (Lhoste, 2008, p. 79)

Fig. 3 : les « espaces contraintes et nécessités » (Lhoste, 2008, p. 79)

19Il ajoute une séparation permettant de distinguer les contraintes (partie gauche), des nécessités (partie droite). Les nécessités empiriques correspondent aux objets empiriques trouvés au sein de questionnements à partir de nécessités sur les modèles construits (Lhoste & Peterfalvi, 2009).

20Dans les différentes représentations, figure soit un registre explicatif (Orange, 2000), soit un contexte problématique (Lhoste & Peterfalvi, 2009), soit un cadre épistémique (Crépin-Obert, 2010b ; Orange, 2005). Le registre explicatif intervient pour organiser la mise en tension entre les registres et fonde une ou plusieurs grandes logiques explicatives (Orange, 2000). Pour les scientifiques, on peut comparer le registre explicatif au paradigme défini par Kuhn puisque partagé par une communauté, ce qui n’est plus le cas pour les élèves (Orange & Orange-Ravachol, 2013). Lhoste et Peterfalvi (2009) soulignent qu’à l’usage le registre explicatif semble devenir une simple caractérisation du mode de raisonnement. Le contexte problématique est « l’ensemble des ressources disponibles (conceptuelles, sémiotiques, langagières…) qui permettent d’entrer dans le processus de problématisation et de l’orienter de différentes façons » (Lhoste & Peterfalvi, 2009, p. 85). Crépin-Obert (2010) et Orange (2005) utilisent le cadre épistémique dans l’analyse des situations historiques et les registres explicatifs en contexte scolaire. Le cadre épistémique correspond à celui défini par Piaget et Garcia. L’activité intellectuelle entre le problème perçu et la solution met en jeu les connaissances de la personne mais également des aspects plus larges qui font partie de son cadre épistémique (Orange, 2005). Le terme cadre indique de plus un ensemble structuré, ce qui n’est pas nécessairement le cas pour les registres explicatifs des élèves.

21Pour Fabre et Orange (1997), un savoir scientifique est bien plus qu’une simple description de la réalité. Il doit être tout à la fois une compétence permettant de maîtriser des problèmes, et pour cela un outil de prédiction, un savoir raisonné répondant à un problème et un savoir partagé soumis à la critique. Le langage de la chimie répond à ces critères. Les formules, plus que des étiquettes, sont étroitement liées aux concepts qu’elles représentent (Taber, 2009). Elles permettent de manipuler la molécule ou l’espèce chimique à travers les équations écrites sur papier (Klein, 2001b). Elles ont été élaborées en même temps que l’évolution des modèles chimiques et des connaissances empiriques (chimie analytique et chimie organique) pour répondre aux problèmes soulevés par les chimistes au cours de la première moitié du XIXe siècle et ont été sujettes à de nombreuses controverses (Dumon & Luft, 2008). Elles ne sont donc pas de simples outils de représentation mais de véritables savoirs scientifiques. Le registre sémiotique constitué des formules chimiques est plus qu’un simple registre représentatif du registre empirique et du registre des modèles, ce que pourrait laisser penser la figure 1. Nous pensons que l’élaboration des formules chimiques passe par un processus de problématisation mettant en tension le registre sémiotique entre le registre empirique et le registre des modèles, et que cette mise en tension doit permettre de « prendre conscience de ce qui est possible et de ce qui ne l’est pas » (Orange, 2005, p. 79) dans l’élaboration des formules.

22Nous décidons de reprendre l’espace des contraintes et nécessités proposées par Lhoste (2008) en ajoutant le registre symbolique entre le registre empirique et le registre des modèle (figure 4). Nous illustrons ainsi le langage en tant que méta-niveau entre le niveau macroscopique dans le registre empirique et le niveau microscopique dans le registre des modèles. Nous remplaçons le contexte problématique par le cadre épistémique (figure 4). Ce dernier doit en effet contenir les différents registres explicatifs utilisés par chaque chimiste en tant que fondements de sa logique explicative.

Fig. 4 : espace des contraintes et des nécessités adapté à la chimie

Fig. 4 : espace des contraintes et des nécessités adapté à la chimie

Les flèches symbolisent une mise en tension du registre symbolique entre le registre empirique et le registre des modèles.

6. Problématique et méthodologie

23Suivant le point de vue des épistémologues non positivistes (Bachelard, Canguilhem, Popper), « faire des sciences c’est d’abord chercher des raisons » (Orange, 2000, p. 24). Mettre en relation des éléments du registre empirique et du registre des modèles doit permettre de construire ces raisons (Orange, 2000). En nous référant au bilan des difficultés des élèves, nous pensons que l’enseignement des registres sémiotiques en lien avec le registre des modèles et avec le registre empirique est un problème essentiel pour l’enseignement de la chimie, et qu’il reste encore à développer. Les élèves ont une lecture essentiellement microscopique des noms et des formules chimiques (Canac & Kermen, 2016) essentiellement en lien avec le registre des modèles. Cela semble cohérent avec le fait que les formules sont introduites avec les concepts d’atome et de molécule et jamais explicitement avec celui d’espèce chimique. Le constat réalisé chez deux enseignants (Canac & Kermen, 2020) montre que ces derniers n’utilisent pas le registre empirique pour justifier les formules chimiques. Faire rechercher aux élèves les raisons de l’élaboration des formules chimiques au moment de leur introduction dans les programmes de cycle 4 en France devrait permettre de convoquer le registre empirique et le registre des modèles, en lien avec le registre sémiotique.

24Les raisons élaborées au XXe siècle pour justifier une formule chimique ne sont pas accessibles au niveau collège. Nous choisissons de les chercher dans l’élaboration des premières formules chimiques au XIXe siècle. Il n’est bien évidemment pas question de penser qu’un élève de quatrième peut raisonner comme les chimistes du XIXe siècle. Ces derniers s’appuient essentiellement sur leurs connaissances empiriques et certains considèrent l’atome comme une hypothèse, ce que d’autres réfutent. Puis au début du XXe siècle, les atomes changent de statut en passant « d’objet hypothétique modélisé » au statut « d’objet existant modélisé » (Morge, 2007). À l’inverse des chimistes du XIXe siècle, les élèves de collège ont peu de connaissances empiriques et une vision réaliste des atomes. Mais un élève de quatrième découvre les formules des molécules avec le même registre microscopique explicatif que les chimistes atomistes du XIXe siècle. Ces derniers introduisent l’atome pour interpréter les combinaisons chimiques (De Menten, 2013). Les programmes français introduisent l’atome pour interpréter les transformations chimiques (MEN, 2015).

25À partir de l’enquête didactique (de Hosson, 2011) montrant les difficultés des élèves dans l’interprétation des formules chimiques (Canac & Kermen, 2016 ; Taskin & Bernholt, 2014), nous décidons de réaliser une enquête historique (de Hosson, 2011) concernant l’établissement des premières formules de l’eau et des corps simples au XIXe siècle avant le congrès de Karlsruhe. Ces formules ont été essentielles dans le développement de la chimie et font partie des premières introduites aux élèves en cycle 4. Nous faisons alors l’hypothèse que des contraintes empiriques et théoriques ont conduit à des nécessités pour le registre symbolique et que nous allons pouvoir les identifier au cours de l’enquête historique à l’aide de l’espace des contraintes et nécessités adapté à la chimie (figure 4). L’étude historique devrait suivre l’évolution d’un « construit nouveau » (Lhoste & Peterfalvi, 2009) ce qui devrait aussi mettre en évidence des contraintes sémiotiques. Les formules chimiques ont été un outil amenant de nouvelles connaissances (Klein, 2001b). Nous pensons alors que les nécessités symboliques peuvent aussi être à l’origine de nécessités dans le registre des modèles ou dans le registre empirique.

26La recherche des contraintes et des nécessités dans l’enquête historique au cours de l’élaboration des formules chimiques doit nous amener à sélectionner des faits historiques pour proposer par la suite des « problèmes féconds et/ou la création de parcours d’apprentissage appropriés » (de Hosson & Schneeberger, 2011, p. 11), permettant de créer « les conditions d’une dialectique entre des possibles et des nécessités dans un jeu d’ouverture et de fermeture mettant à l’épreuve des solutions plausibles » (Crépin-Obert, 2011, p. 47).

7. Espace des contraintes et nécessités pour l’élaboration des formules de l’eau et des corps simples

  • 2 Considéré comme le premier congrès international de chimie. Il est organisé notamment pour définir (...)
  • 3 Terme utilisé dans les ouvrages de l’époque. Il désigne un « poids » établi par rapport à un corps (...)

27L’enquête historique est centrée sur les différentes propositions pour la formule de l’eau et celles des corps simples gazeux, de Dalton jusqu’au congrès de Karlsruhe2 en 1860. Durant cette période, aucune interprétation des phénomènes chimiques ne fait l’unanimité et les termes comme atome, molécule, équivalent ne sont pas clairement définis (Grimaux, 1866). Les chimistes cherchent à déterminer les poids atomiques3 ou les équivalents. Pour cela, il est nécessaire d’associer une formule au corps composé. Or ces dernières ne sont pas stabilisées. Laurent est par exemple capable de citer onze formules pour l’acide acétique « liste interminable, qui déroule les fantaisies de chacun et l’inacceptable confusion de tous » (Dagognet, 2002, p. 76). Le problème de langage est alors central. Les chimistes doivent se mettre d’accord sur « une seule notation, sous peine de ne plus progresser » (Pigeard-Micault, 2007, p. 23). La plupart des poids des atomes, ou des équivalents, se déduisant à partir des combinaisons réalisées avec l’oxygène ou l’hydrogène, la formule de l’eau est fondamentale. Or de Dalton jusqu’au congrès de Karlsruhe, les avis divergent. Aussi bien chez les atomistes que chez les équivalentistes, on trouve alternativement les formules HO ou H2O. Les formules des corps simples vont quant à elles évoluer tardivement avec le développement de la chimie organique. Elles ne feront toujours pas l’unanimité au congrès de Karlsruhe.

28Nous choisissons d’étudier quatre groupes de chimistes dont le courant de pensée ou les formules divergent (tableau 1).

Tableau 1 : différentes propositions pour les formules de l’eau et des corps simples pendant la première moitié du XIXe siècle

Courant de pensée Scientifiques ou groupe de scientifiques Proposition pour l’eau Proposition pour les corps simples
Équivalentiste Wollaston, Regnault, HO H, O,…
Atomiste Dalton HO H, O,…
Berzelius H2O H, O,…
Atomistes organiciens (Kekulé, Wurtz, Boutlerow, etc.) H2O H2, O2,…

29Nous faisons une présentation chronologique de ces quatre groupes en recherchant les contraintes et les nécessités dans les registres empirique, symbolique ou des modèles qui les ont conduits à proposer une formule pour l’eau et pour les corps simples.

7.1. Formules de Dalton

  • 4 « Sauf si une cause contraire apparaît ».

30Dalton (1808) pose que chaque corps simple ou composé est constitué de particules ultimes, les atomes. Chaque corps simple est constitué des mêmes particules possédant leurs qualités propres : un poids invariable. Le poids d’une combinaison est alors égal à la somme des poids de chaque atome formant la combinaison. Dalton propose une série de règles générales permettant d’établir les formules des combinaisons chimiques en se référant à la fois à son hypothèse atomique et à un critère de simplicité, ce qui constitue son cadre épistémique (figures 5 et 6). Lorsque deux corps simples réagissent, et ne donnent qu’un seul composé, celui-ci doit nécessairement être binaire de formule AB, « unless some cause appear to the contrary »4 (Dalton, 1808, p. 214). S’ils donnent deux composés, l’un est binaire de type AB et l’autre est tertiaire de type ABB ou AAB, etc.

7.1.1. Formule de l’eau

  • 5 L’eau oxygénée ne sera isolée qu’en 1818 par Louis Jacques Thénard.

31La seule combinaison oxygène/hydrogène connue à l’époque où Dalton rédige son ouvrage est celle de l’eau5. La proportion en poids du gaz hydrogène et du gaz oxygène, est alors approximativement de 1 pour 7 (Contrainte du registre empirique – figure 5). En cohérence avec son hypothèse atomique, l’eau est une combinaison des atomes H et O (Contrainte du registre des modèles – figure 5). La formule de l’eau doit donc contenir les symboles H et O (Contrainte du registre symbolique – figure 5). La combinaison devant être la plus simple possible (Contrainte du registre des modèles – figure 5), la formule de l’eau ne peut être que HO (Nécessité du registre symbolique – figure 5). Dalton assimile la proportion en poids atomiques de la combinaison à celle obtenue dans la décomposition du corps composé. Le poids atomique de l’oxygène est alors nécessairement 7, celui de l’hydrogène étant pris arbitrairement à 1. Même si nous savons maintenant que cette valeur n’est pas correcte, nous l’ajoutons dans le registre des modèles comme une nécessité issue du registre symbolique (Nécessité du registre des modèles – figure 5).

Fig. 5 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau de Dalton

Fig. 5 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau de Dalton

7.1.2. Formules des corps simples

32Le cadre épistémique doit rester le même pour les corps composés et pour les corps simples. La figure 5 est intégralement transposable au cas des corps simples. Au niveau des contraintes empiriques, le gaz hydrogène et le gaz oxygène sont considérés comme corps simples, c’est-à-dire non décomposables (Lavoisier, 1801). Au niveau particulaire dans les contraintes du registre des modèles, un corps simple n’est constitué que d’un seul type d’atome. En appliquant le critère de simplicité, la formule est nécessairement H pour le gaz hydrogène et O pour le gaz oxygène (annexe 1).

7.2. Formules des équivalentistes

33En partant des tables de poids atomiques de Dalton, Wollaston propose en 1814 de renommer l’atome par équivalent qui devient le nombre qui représente « la quantité pondérale des différents corps qui peuvent se remplacer mutuellement dans les combinaisons » (Berthelot, 1860, p. 12). La théorie des équivalents reprend l’ensemble des lois qui régissent les combinaisons chimiques mais les équivalentistes refusent l’atome, les sciences ne devant consister qu’en une « série d’énoncés vérifiables expérimentalement, par des observations autorisées » (Haéri & Roche, 1999, p. 90). Nous décidons de qualifier de « positivisme » leur cadre épistémique (figure 6) en nous référant à Serres et Farouki (1997, p. 745) pour qui un positiviste correspond à « toute personne qui, dans le cadre de la recherche scientifique, souhaite éliminer du discours scientifique tout ce qui ne relève pas directement de l’observation et de l’expérience ».

7.2.1. Formule de l’eau

34Depuis la fin du XVIIIsiècle l’eau n’est plus un corps simple. Expérimentalement, les chimistes décomposent l’eau en deux corps considérés comme simples, l’oxygène et l’hydrogène (Contrainte du registre empirique – figure 6) dont les symboles sont respectivement O et H (Contrainte du registre symbolique – figure 6). Comme tout corps composé, l’eau est donc une combinaison fixe d’équivalents (Contrainte du registre des modèles – figure 6). À partir de 1818, les chimistes connaissent deux combinaisons possibles des éléments hydrogène et oxygène qui diffèrent par leurs rapports pondéraux en hydrogène et en oxygène : respectivement 1/8 pour l’eau et 1/16 pour l’eau oxygénée (Contrainte du registre empirique – figure 6). Les équivalentistes posent comme règle que le premier équivalent, ou nombre proportionnel 1, est celui qui se combine dans le composé le moins oxygéné (Contrainte du registre des modèles – figure 6). L’eau étant le composé le moins oxygéné, sa formule est alors nécessairement HO (Nécessité du registre symbolique – figure 6). L’équivalent oxygène est la référence pondérale à 100 (Contrainte du registre des modèles – figure 6). Donc la valeur pondérale de l’équivalent d’hydrogène est 12,5 ou 100/8 (Nécessité du registre des modèles – figure 6). Pour finir, la formule de l’eau oxygénée est nécessairement H1/2O ou HO2 (Nécessité du registre symbolique – figure 6), cela correspondant à un rapport de 1/16. Pour les équivalentistes, le choix de la formule HO leur semble cohérent avec le fait de considérer que tous les corps simples doivent donner une combinaison simple avec l’oxygène : HO pour l’eau, KO pour la potasse, NaO pour la soude.

Fig. 6 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau pour les équivalentistes

Fig. 6 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau pour les équivalentistes

7.2.2 Formule des corps simples

35Pour les équivalentistes, comme pour Dalton avec les atomes, le corps simple correspond à l’équivalent. Une fois l’équivalent de l’hydrogène défini à partir de l’eau et de l’équivalent oxygène, il devient le représentant du corps simple. Nous ne présentons donc pas d’espace dans ce cas.

7.3. Formules de Berzelius

36Berzelius considère l’hypothèse atomique de Dalton comme l’« un des plus grands pas que la chimie ait jamais fait vers son perfectionnement » (Berzelius, 1819, p. 12). Les décompositions électriques sont en plein développement au début de XIXe siècle. Berzelius se représente les atomes de Dalton comme des sphères mécaniquement indivisibles qui possède une polarité électrique positive ou négative. Il classe l’ensemble des atomes en fonction de leur polarité respective. Toutes les combinaisons chimiques s’interprètent grâce aux phénomènes d’attraction électrique (Berzelius, 1819) Toute la chimie de Berzelius repose sur cette vision dualistique que nous ajoutons à l’hypothèse atomique de Dalton dans son cadre épistémique (figures 7 et 8).

7.3.1. Formule de l’eau

37Comme pour Dalton, l’eau est une combinaison des atomes H et O (Contrainte du registre des modèles – figure 7). La formule de l’eau doit donc contenir les symboles H et O (Contrainte du registre symbolique – figure 7). Seule change la proportion en poids du gaz hydrogène et du gaz oxygène qui passe à 1 pour 8 (Contrainte du registre empirique – figure 7). Berzelius va reprendre les travaux de Gay-Lussac (1778-1850) à propos des substances à l’état gazeux. Ce dernier montre que les gaz se combinent dans des rapports en volume entiers et simples C’est la loi des proportions volumétriques. Dans le cas de la formation de l’eau, deux volumes d’hydrogène réagissent avec un volume d’oxygène pour donner deux volumes d’eau (Gay-Lussac, 1809) (Contrainte du registre empirique, figure 7). Pour Berzelius, les travaux de Gay-Lussac sont une preuve du fondement de la théorie atomique. Il considère que les substances se combinent d’une « manière analogue » relativement à leur poids et relativement à leur volume (Berzelius, 1819, p. 27). Raisonner en termes d’atome, dont la caractéristique est le poids, ou en termes de volume pour un gaz, revient strictement au même pour les combinaisons chimiques (Contrainte du registre des modèles – figure 7). De cette hypothèse et partant des résultats de Gay-Lussac avec deux volumes d’hydrogène, la formule de constitution de l’eau est nécessairement à H2O pour pouvoir exprimer les proportions chimiques du composé (Nécessité du registre symbolique, – figure 7). Dans ce cas, en posant comme référence 1 pour le poids de l’hydrogène, celui de l’atome d’oxygène passe à 16 (Nécessité du registre des modèles– figure 7).

Fig. 7 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau pour Berzelius

Fig. 7 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau pour Berzelius

7.3.2. Formule des corps simples

38Berzelius aboutit aux mêmes formules que Dalton pour les corps simples mais avec une différence essentielle issue de leur cadre épistémique respectif. En lien avec le dualisme électrochimique, pour Berzelius, deux atomes identiques ne peuvent s’associer (Contrainte du registre des modèles– figure 8), là où Dalton y voyait un critère de simplicité. Les corps simples sont nécessairement constitués d’un seul atome (Nécessité du registre symbolique – figure 8)

Fig. 8 : espace des contraintes et nécessités : formules des corps simples pour Berzelius

Fig. 8 : espace des contraintes et nécessités : formules des corps simples pour Berzelius

7.4. Formule des organiciens après le congrès de Karlsruhe

39Les chimistes constatent que des éléments se combinent uniquement dans certains rapports. Les atomes de Dalton ne permettent pas d’expliquer ce fait uniquement par leur poids atomique. En 1858, plusieurs chimistes dont Kekulé établissent que le carbone doit être envisagé comme un élément tétratomique. Boutlerow (1864) observe des différences de comportement pour les atomes en fonction des éléments avec lesquels ils sont combinés. Une nouvelle propriété intrinsèque est associée à l’atome : son atomicité ou valence (figures 9 et 10). L’atomicité représente l’aptitude d’un élément à former des combinaisons plus ou moins complexes avec un autre élément. Elle doit être distinguée de l’affinité qui mesure la force de combinaison.

7.4.1. Formule de l’eau

40Nous ne décrivons pas la première partie de l’espace, identique dans celui de Dalton (figure 5) et de Berzelius (figure 7), indiquant que la formule chimique de l’eau est composée des symboles H et O. Les chimistes organiciens introduisent l’importance de l’arrangement des atomes au sein de la molécule pour pouvoir rendre compte des propriétés chimiques de certains corps composés (Gerhardt, 1854 ; Laurent, 1854) (Contrainte du registre des modèles – figure 7). Pour exprimer cet arrangement, ils adoptent une nouvelle formule dite rationnelle, équivalente à la formule développée actuelle (Dumon & Cokelez, 2006). Le trait entre deux atomes représente les relations entre ces derniers, tout en indiquant l’atomicité de chacun (Wurtz, 1871). Le nombre de « liaisons » possibles pour chaque atome est déterminée en croisant les nombreux résultats expérimentaux obtenus dans les synthèses organiques, notamment les réactions de substitutions, et l’observation des isomères (Contraintes du registre empirique– figure 9). Cela permet de déterminer l’atomicité de l’hydrogène à 1 et de l’oxygène à 2 (Contrainte du registre symbolique – figure 9). Puis à partir du modèle des gaz d’Avogadro-Ampère (Contrainte du registre des modèles– figure 7), sorti de l’oubli par les organiciens en cette moitié de siècle, et les lois volumétriques de Gay-Lussac (Contrainte du registre empirique – figure 7), la formule de l’eau est alors nécessairement H2O pour la formule empirique ou HOH pour la formule rationnelle (Nécessité du registre symbolique – figure 7). Cette formule n’évoluera plus après le congrès de Karlsruhe. La valeur pondérale de l’oxygène se déduit toujours de la formule empirique en prenant pour référence l’hydrogène à 1 (Nécessité du registre des modèles – figure 9).

Fig. 9 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau pour les atomistes après le congrès de Karlsruhe

Fig. 9 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau pour les atomistes après le congrès de Karlsruhe

7.4.2. Formule des corps simples

41Le corps simple est-il constitué d’un atome comme le postulent tous les partisans de la vision dualistique de Berzelius ou de deux atomes comme le suggèrent les organiciens ? La notion d’atomicité va permettre de franchir ce dernier cap. Elle donne la possibilité d’avoir pour les corps simples des formules différentes selon l’élément chimique (Contrainte du registre symbolique – figure 10). Toujours à partir des lois de Gay-Lussac et des lois d’Avogadro-Ampère, plusieurs formules de corps simples peuvent être ainsi déterminées : Cl2, O2, H2 (Gaudin, 1873) (Nécessité du registre symbolique – figure 10). En admettant que « les volumes égaux des gaz simples ou composés renferment le même nombre de molécules » et que « les poids moléculaires sont proportionnels aux densités » (Contrainte du registre empirique et du registre des modèles – figure 10). Wurtz (1864, p. 58) effectue le calcul des poids moléculaires à partir des densités. Il peut ainsi déterminer de nouvelles formules de corps simples. Il peut mettre en évidence un nouveau corps simple qui était alors assimilé à un isomère de l’oxygène : l’ozone (Nécessité du registre empirique – figure 10).

Fig. 10 : espace des contraintes et nécessités : formules des corps simples pour les atomistes après le congrès de Karlsruhe

Fig. 10 : espace des contraintes et nécessités : formules des corps simples pour les atomistes après le congrès de Karlsruhe

Conclusion et perspectives

42Nous avons choisi d’étudier quatre « groupes » de chimistes proposant des formules différentes ou avec des courants de pensée différents (tableau 1). Nous avons cherché à travers cette enquête historique les raisons qui ont conduit les chimistes du XIXe siècle à proposer les premières formules chimiques. Les espaces de contraintes et nécessités adaptés au langage du chimiste ont guidé l’enquête historique que nous récapitulons dans le tableau 2 ci-dessous.

Tableau 2 : principales controverses autour des formules chimiques pendant la première moitié du XIXe siècle

Scientifiques ou groupe de scientifiques Formule des corps simples Formule de l’eau Cadre épistémique Données empiriques de référence Modèles de référence
Dalton H, O,… HO - Atome caractérisé par son poids
- Critère de simplicité
- Composition de l’eau - Corps composés combinaisons d’atomes
Premiers équivalentistes H, O,… HO - Refus de l’hypothèse atomique - Composition de l’eau - Corps composés combinaisons d’équivalents
Berzelius H, O,… H2O - Atome caractérisé par son poids
- Dualisme électrochimique
- Composition de l’eau
- Lois de Gay-Lussac
- Corps composés combinaisons d’atomes
- Équivalence volume/poids
- Association d’atomes de polarité opposée
Atomistes organiciens H2, O2,… H2O - Atome caractérisé par son poids et son atomicité - Composition de l’eau
- Lois de Gay-Lussac
- Synthèses organiques et isomérie
- Arrangement des atomes dans la molécule
- Modèles des gaz d’Avogadro-Ampère

43Les raisons sont issues de la mise en tension du registre symbolique entre le registre des modèles microscopiques et le registre empirique macroscopique. Nous constatons que les formules chimiques se stabilisent définitivement quand l’atome acquiert un nouvel attribut en plus de sa masse : l’atomicité. Tant que l’hypothèse atomique n’est pas suffisamment développée, les chimistes « atomistes » ont recours à un deuxième registre explicatif dans leur cadre épistémique : le critère de simplicité pour Dalton ou le dualisme électrochimique pour Berzelius. Au niveau empirique, nous retrouvons systématiquement les lois volumétriques de Gay-Lussac pour les deux groupes proposant la formule H2O (Berzelius et les atomistes organiciens). Les nouvelles connaissances expérimentales en chimie organique (les réactions de substitution, les isomères) jouent un rôle essentiel dans la détermination des formules des corps simples. Enfin l’élaboration finale des formules des corps simples correspond à l’espace le plus complexe, où contraintes et nécessités sont les plus nombreuses, alors que paradoxalement ces formules sont les premières présentées aux élèves dans leur scolarité. L’apparente simplicité symbolique de la formule des corps simples ne correspond pas à une élaboration simpliste.

44Le remaniement du cadre de la problématisation contextualisé au cadre de la chimie en articulant le registre empirique, le registre des modèles et le registre sémiotique, semble rendre compte des mises en tension possibles entre les contraintes empiriques et les contraintes théoriques amenant à des nécessités symboliques. Nous mettons de plus en évidence à plusieurs reprises la construction de nécessités dans le registre des modèles à partir des nécessités symboliques, et même une nécessité empirique. Nous pensons qu’en ne limitant pas l’enquête exclusivement à la formule de l’eau et aux formules des corps simples, nous pourrions mettre en évidence d’autres nécessités empiriques, notamment dans le domaine de la chimie organique.

45L’objectif de cette enquête historique est de pouvoir proposer une reconstruction didactique (de Hosson, 2011) en recherchant les controverses « fécondes » (Crépin-Obert, 2010a) qui permettraient la construction des raisons qui ont amené l’élaboration des formules. De l’étude réalisée, résumée dans le tableau 1, se dégage quatre controverses possibles : atomistes/équivalentistes, Berzelius/Dalton, atomistes organiciens/Dalton et atomistes organiciens/Berzelius. Le raisonnement des équivalentistes s’appuie sur un cadre épistémique et un registre des modèles complexes à interpréter à partir des connaissances des élèves en cycle 4. Utiliser une controverse avec Berzelius suppose la connaissance des phénomènes électrochimiques. Or la connaissance des structures ioniques a toujours été placée dans les programmes après l’introduction des premières formules chimiques. Un choix possible est donc une reconstruction didactique basée sur la controverse entre Dalton et les atomistes organiciens. Le critère de simplicité avancé par Dalton semble constituer un argument accessible aux élèves. D’un point de vue épistémologique, il nous semble intéressant de montrer que ce critère ne repose sur aucune théorie scientifique ni aucun fait expérimental et qu’il est donc totalement arbitraire. Malgré les nombreux travaux qui ont montré les difficultés des élèves dans l’utilisation des gaz (Fillon, 1997 ; Stavridou & Solomonidou, 1989), nous pensons que les réactions entre les différents gaz étudiées par Gay-Lussac pour établir les lois volumétriques pourraient être exploitées dès le cycle 4. Ces réactions concernent en effet des espèces chimiques connues des élèves et faisant déjà partie du programme. Les réactions dans les gaz et les lois volumétriques de Gay-Lussac pourraient apporter le registre empirique permettant de réfuter le critère de simplicité de Dalton et d’élaborer, en lien avec le modèle de l’atome et de la molécule, la formule de l’eau dans un premier temps puis celles des corps simples diatomiques dans un deuxième temps. En nous appuyant sur ces différentes analyses, nous avons pu élaborer une ressource pour le programme de cycle 4 (Canac & Kermen, 2018) qu’il reste à faire tester aux enseignants de collège.

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Bibliographie

AL-KUNIFED A., GOOD R. & WANDERSEE J. (1993). Investigation of High School Chemistry Students’ Concepts of Chemical Symbol, Formula, and Equation : Students’ Prescientific Conceptions. En ligne : <https://files.eric.ed.gov/fulltext/ED376020.pdf>.

BACHELARD G. (1966). La philosophie du non. Paris : Presses universitaires de France.

BARLET R. & PLOUIN D. (1994). L’équation-bilan en chimie un concept intégrateur source de difficultés persistantes. Aster, no 18, p. 25‑55.

BARTH B.-M. (2001). L’apprentissage de l’abstraction. Paris : Retz.

BERTHELOT M. (1860). Chimie organique fondée sur la synthèse, vol. 1. Paris : Mallet-Bachelier.

BERZELIUS J. J. (1819). Essai sur la théorie des proportions chimiques et sur l’influence chimique de l’électricité. Paris : Méquignon-Marvis.

BOILEVIN J.-M., DAVOUS D. & THIBAULT J. (1996). Modèles moléculaires et nouveaux programmes au lycée. Bulletin de l’Union des physiciens, vol. 90, no 786, p. 1289-1306.

BOSDEVEIX R. & CANAC S. (2021). Concepts scientifiques et langage : un regard sur la polysémie. Une étude en biologie et chimie. In J.-M. Boilevin & A. Jameau, Après les 10e rencontres scientifiques… Actualité des recherches en didactique des sciences et des technologies. Saint Malo 2018, ARDiST, p. 153‑163.

BOUTLEROW A. (1864). Sur les explications différentes de quelques cas d’isomérie. Bulletin de la Société chimique de Paris, vol. 1, p. 100-128.

CANAC S. & KERMEN I. (2016). Exploring the mastery of French students in using basic notions of the language of chemistry. Chemistry Education Research and Practice, vol. 17, no 3, p. 452‑473.

CANAC S. & KERMEN I. (2018). Conception d’une ressource didactique fondée sur l’histoire des sciences pour introduire les formules chimiques au collège. IREM de Paris. En ligne : <http://docs.irem.univ-paris-diderot.fr/up/IPS18002.pdf>.

CANAC S. & KERMEN I. (2020). Concepción de un recurso didáctico para introducir las fórmulas químicas en secundaria. Enseñanza de las Ciencias. Revista de investigación y experiencias didácticas, vol. 38, no 2, p. 65‑82.

CARRETTO J. & VIOVY R. (1994). Relevé de quelques obstacles épistémologiques dans l’apprentissage du concept de réaction chimique. Aster, no 18, p. 12‑26.

CREPIN-OBERT, P. (2010a). Construction de problèmes et obstacles épistémologiques à propos du concept de fossile : étude épistémologique comparative entre des situations de débat à l’école primaire et au collège et des controverses historiques du XVIIe au XIXe siècle. Thèse de doctorat, université de Nantes. En ligne : <https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00493027/>.

CREPIN-OBERT P. (2010b). Idées et raisons sur les coquilles fossiles : étude épistémologique comparée entre une situation de débat à l’école primaire et une controverse historique. Recherches en didactique des sciences et des technologies (RDST), no 1, p. 93‑120.

CREPIN-OBERT P. (2011). Raison ou obstacle en histoire de la paléontologie et en classe de collège : analogie ou analogisme ? Recherches en didactique des sciences et des technologies (RDST), no 3, p. 21‑54.

CROSLAND M. P. (1980). Historical Studies in the Language of Chemistry. Mineola, NY : Dover Publications.

DAGOGNET F. (2002). Tableaux et langages de la chimie : essai sur la représentation. Paris : Champ Vallon.

DALTON J. (1808). A new system of chemical philosophy, vol. 1. Londres : Bickerstaff.

DEHON J. & SNAUWAERT P. (2015). L’équation de réaction : une équation à plusieurs inconnues. Étude de productions d’élèves de 16-17 ans (grade 11) en Belgique francophone. Recherches en didactique des sciences et des technologies (RDST), no 12, p. 209‑235.

DE MENTEN P. (2013). Dictionnaire de chimie : une approche étymologique et historique. Bruxelles : De Boeck.

DE VOS W. & VERDONK A. H. (1987). A new road to reactions. Part 4. The substance and its molecules. Journal of Chemical Education, vol. 64, no 8, p. 692‑694.

DUMON A. & COKELEZ A. (2006). La cohésion de la matière. L’Actualité chimique, no 297, p. 49‑56.

DUMON A. & LUFT R. (2008). Naissance de la chimie structurale. Paris : EDP sciences.

DUVAL R. (1993). Registres de représentation sémiotique et fonctionnement cognitif de la pensée. Annales de didactique et de sciences cognitives, no 5, p. 37‑65.

EDELINE F. (2009). Les fonctions sémiotique et heuristique des symboles chimiques. Ou de l’icône au symbole et retour. Protée, vol. 37, no 3, p. 45‑56.

FABRE M. (2005). Deux sources de l’épistémologie des problèmes : Dewey et Bachelard. Les Sciences de l’éducation. Pour l’Ère nouvelle, vol. 38, no 3, p. 53‑67.

FABRE M. & ORANGE C. (1997). Construction des problèmes et franchissements d’obstacles. Aster, no 24, p. 37‑57.

FABRE M. & MUSQUER A. (2009). Les inducteurs de problématisation. Les Sciences de l’éducation. Pour l’Ère nouvelle, vol. 42, no 3, p. 111‑129.

FENSHAM P. J. (2002). Implications, large and small, from chemical education research for the teaching of chemistry. Química nova, vol. 25, no 2, p. 335‑339.

FILLON P. (1997). Des élèves dans un labyrinthe d’obstacles. Aster, no 25, p. 113‑141.

FURIO C. J., BULLEJOS J. & DE MANUEL E. (1994). L’apprentissage de la réaction chimique comme activité de recherche. Aster, no 18, p. 141-164.

GAUDIN M.-A. (1873). L’architecture du monde des atomes dévoilant la structure des composés chimiques et leur cristallogénie. Paris : Gauthiers-Villars.

GAY-LUSSAC J.-L. (1809). Mémoire sur la combinaison des substances gazeuses, les unes avec les autres. Mémoires de la Société d’Arcueil, vol. 2, p. 207‑234.

GERHARDT C. (1854). Traité de chimie organique. T. 4, Paris : F. Didot.

GILBERT J. K., PIETROCOLA M., ZYLBERSZTAJN A. & FRANCO C. (2000). Science and education: Notions of reality, theory and model. In J.K. Gilbert & C. J. Boulter (éd.), Developing models in science education, New York : Springer, p. 19‑40.

GRIMAUX É. (1866). Équivalents, atomes, molécules. Paris : F. Savy.

HAERI G. & ROCHE B. (1999). Introduction à la philosophie des sciences : thèmes et sujets. Paris : Presses universitaires de France.

HERSANT M. & ORANGE RAVACHOL D. (2015). Démarche d’investigation et problématisation en mathématiques et en SVT : des problèmes de démarcation aux raisons d’une union. Recherches en éducation, no 21, p. 94‑107.

HOSSON C. de (2011). L’histoire des sciences: un laboratoire pour la recherche en didactique et l’enseignement de la physique. Note de synthèse pour l’habilitation à diriger des recherches, université Paris-Diderot. En ligne : <https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00655594/>.

HOSSON C. de & SCHNEEBERGER P. (2011). Orientations récentes du dialogue entre recherche en didactique et histoire des sciences. Recherches en didactique des sciences et des technologies (RDST), no 3, p. 9‑20.

JACOB C. (2001). Analysis and synthesis. Hyle. An International Journal for the Philosophy of Chemistry, no 7, p. 31‑50.

JOHNSTONE A. H. (1993). The development of chemistry teaching: A changing response to changing demand. Journal of Chemical Education, vol. 70, no 9, p. 701‑705.

KAYA E. & ERDURAN S. (2013). Integrating Epistemological Perspectives on Chemistry in Chemical Education: The Cases of Concept Duality, Chemical Language, and Structural Explanations. Science & Education, vol. 22, no 7, p. 1741‑1755.

KEIGP F. & RUBBA P. A. (1993). Translation of representations of the structure of matter and its relationship to reasoning, gender, spatial reasoning, and specific prior knowledge. Journal of Research in Science Teaching, vol. 30, no 8, p. 883‑903.

KERMEN I. (2018). Enseigner l’évolution des systèmes chimiques au lycée. Savoirs et modèles, raisonnements d’élèves, pratiques enseignantes. Paris : Presses universitaires de Rennes.

KERMEN I. & MÉHEUT M. (2011). Grade 12 French students’ use of a thermodynamic model for predicting the direction of incomplete chemical changes. International Journal of Science Education, vol. 33, no 13, p. 1745‑1773.

KLEIN U. (2001a). Berzelian Formulas as Paper Tools in Early Nineteenth-Century Chemistry. Foundations of Chemistry, vol. 3, no 1, p. 7‑32.

KLEIN U. (2001b). Paper tools in experimental cultures. Studies in History and Philosophy of Science. Part A, vol. 32, no 2, p. 265‑302.

KLUGE F. F. & LARDER D. F. (1971). A. M. Butlerov. On the chemical structure of substances. Journal of Chemical Education, vol. 48, no 5, p. 289‑291.

LASZLO P. (1993). La Parole des choses ou le langage de la chimie. Paris : Hermann.

LASZLO P. (2011). Towards Teaching Chemistry as a Language. Science & Education, vol. 22, no 7, p. 1669‑1706.

LAUGIER A. & DUMON A. (2001). D’Aristote à Mendeleev : plus de 2000 ans de symbolisme pour représenter la matière et ses transformations. L’Actualité chimique, no 3, p. 38‑50.

LAUGIER A. & DUMON A. (2004). L’équation de réaction : un nœud d’obstacles difficilement franchissable. Chemistry Education Research and Practice, vol. 5, no 1, p. 51‑68.

LAURENT A. (1854). Méthode de chimie. Paris : Mallet-Bachelier.

LAVOISIER A.-L. (1801). Traité élémentaire de chimie. Paris : Deterville.

LE MARÉCHAL J.-F. & CROSS D. (2010). Difficultés d’apprentissage liées aux représentations en chimie. Bulletin de l’Union des physiciens, no 928, p. 1025‑1035.

LHOSTE Y. (2008). Problématisation, activités langagières et apprentissage dans les sciences de la vie. Étude de quelques débats scientifiques dans la classe dans deux thèmes biologiques: nutrition et évolution. Thèse de doctorat, université de Nantes. En ligne : <https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-00376892/>.

LHOSTE Y., PETERFALVI B. & ORANGEC. (2007). Problématisation et construction de savoir en SVT : quelques questions théoriques et méthodologiques. Actualité de la recherche en éducation et en formation, Strasbourg, p. 1‑14.

LHOSTE Y. & PETERFALVI B. (2009). Problématisation et perspective curriculaire en SVT : l’exemple du concept de nutrition. Aster, no 49, p. 79‑108.

MARAIS P. & JORDAAN F. (2000). Are we taking symbolic language for granted? Journal of Chemical Education, vol. 77, no 10, p. 1355-1357.

MARTINAND J.-L. (1998). Introduction à la modélisation. Université d’été « Les technologies de l’information et de la communication et l’actualisation des enseignements scientifiques et technologiques au lycée d’enseignement général et au collège ». En ligne : <http://www.inrp.fr/Tecne/Rencontre/Univete/Tic/Pdf/Modelisa.pdf>.

MÉHEUT M. & SALTIEL É. (1983). A propos de l’enseignement des combustions en classe de sixième. Bulletin de l’Union des physiciens, no 666, p. 1303‑1314.

MEN (Ministère de l’Éducation nationale) (2015). Programme d’enseignement du cycle des approfondissements (cycle 4). Bulletin officiel, spécial no 11.

MORGE L. (2007). Comparaison des conceptions épistémologiques à l’œuvre dans les anciens et les nouveaux programmes de collège sur le thème du modèle particulaire : quelles conséquences pour l’enseignement ? Bulletin de l’Union des physiciens, no 890, p. 23‑30.

MOUNIN G. (1981). A Semiology of the Sign System Chemistry. Diogenes, vol. 29, no 113‑114, p. 216‑228.

MZOUGHI-KHADHRAOUI I. & DUMON A. (2012). L’appropriation par des élèves tunisiens débutants du langage permettant de représenter la réaction chimique. Recherches en didactique des sciences et des technologies (RDST), no 6, p. 89‑118.

NAKHLEH M. B. & MITCHELL R. C. (1993). Concept learning versus problem solving: There is a difference. Journal of Chemical Education, vol. 70, no 3, p.190‑192.

NGAI C., SEVIAN H. & TALANQUER V. (2014). What is this Substance? What Makes it Different? Mapping Progression in Students’ Assumptions about Chemical Identity. International Journal of Science Education, vol. 36, no 14, p. 2438‑2461.

ORANGE C. (2000). Idées et raisons : constructions de problèmes, débats et apprentissages scientifiques en SVT. Mémoire de recherche pour l’habilitation à diriger des recherches.

ORANGE C. (2005). Problématisation et conceptualisation en sciences et dans les apprentissages scientifiques. Les sciences de l’éducation. Pour l’ère nouvelle, vol. 38, no 3, p. 69‑94.

ORANGE C. & ORANGE RAVACHOL D. (2013). Le concept de représentation en didactique des sciences : sa nécessaire composante épistémologique et ses conséquences. Recherches en éducation, no 17, p. 46‑61.

ORANGE RAVACHOL D. & BEORCHIA F. (2011). Principes structurants et construction de savoirs en sciences de la vie et de la Terre. Éducation et didactique, vol. 5, no 1, p. 7‑28.

PIGEARD-MICAULT N. (2007). Charles Adolphe Wurtz, doyen de l’École de médecine de Paris (1866-1875). Thèse de doctorat, université de Nanterre-Paris 10. En ligne : <https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00910297/>.

ROLETTO E. & PIACENZA, B. (1994). Faut-il construire le concept de substance ? Aster, no 18, p. 63‑74.

SANGER M. J. (2000). Using particulate drawings to determine and improve students’ conceptions of pure substance and mixtures. Journal of Chemical Education, vol. 77, no 6, p. 762‑766.

SANGER M. J. (2005). Evaluating students’ conceptual understanding of balanced equations and stoichiometric ratios using a particulate drawing. Journal of Chemical Education, vol. 82, no 1, p. 131‑134.

SERRES M. & FAROUKI N. (1997). Dictionnaire des sciences. Paris : Flammarion.

SEVIAN H. & TALANQUER V. (2014). Rethinking chemistry: A learning progression on chemical thinking. Chemistry Education Research and Practice, vol. 1, no 1, p. 10‑23.

SOLOMONIDOU C. & STAVRIDOU H. (2000). From inert object to chemical substance: Students’ initial conceptions and conceptual development during an introductory experimental chemistry sequence. Science Education, vol. 84, no 3, p. 382‑400.

STAVRIDOU H. & SOLOMONIDOU C. (1989). Physical phenomena–chemical phenomena: Do pupils make the distinction? International Journal of Science Education, vol. 11, no 1, p. 83‑92.

TABER K. S. (2009). Learning at the Symbolic Level. In J. K. Gilbert & D. Treagust (éd.), Multiple Representations in Chemical Education, vol. 4, Amsterdam : Springer, p. 75‑105.

TABER K. S. (2013). Revisiting the chemistry triplet: Drawing upon the nature of chemical knowledge and the psychology of learning to inform chemistry education. Chemistry Education Research and Practice, vol. 14, no 2, p. 156‑168.

TABER K. S. & BRICHENO P. (2009). Coordinating Procedural and Conceptual Knowledge to Make Sense of Word Equations: Understanding the complexity of a “simple” completion task at the learner’s resolution. International Journal of Science Education, vol. 31, no 15, p. 2021‑2055.

TALANQUER V. (2007). Explanations and teleology in chemistry education. International Journal of Science Education, vol. 29, no 7, p. 853‑870.

TALANQUER V. (2011). Macro, Submicro, and Symbolic: The many faces of the chemistry “triplet”. International Journal of Science Education, vol. 33, no 2, p. 179‑195.

TASKIN V. & BERNHOLT S. (2014). Students’ Understanding of Chemical Formulae: A review of empirical research. International Journal of Science Education, vol. 36, no 1, p. 157‑185.

TIBERGHIEN A. (1994). Modeling as a basis for analyzing teaching-learning situations. Learning and instruction, vol. 4, no 1, p. 71‑87.

WEININGER S. J. (1998). Contemplating the finger: Visuality and the Semiotics of Chemistry. HYLE–International Journal for Philosophy of Chemistry, vol. 4, no 1, p.3‑27.

WURTZ C. A. (1864). Leçons de philosophie chimique. Paris : Hachette.

WURTZ C. A. (1871). Leçons élémentaires de chimie moderne. Paris : Masson.

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Annexe

Espace des contraintes et nécessités : formule des corps simples de Dalton

Espace des contraintes et nécessités : formule des corps simples de Dalton
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Notes

1 Formule ne correspondant à aucune molécule.

2 Considéré comme le premier congrès international de chimie. Il est organisé notamment pour définir les notions d'atome, de molécule et d'équivalent en les différenciant.

3 Terme utilisé dans les ouvrages de l’époque. Il désigne un « poids » établi par rapport à un corps simple pris comme référence, comme indiqué figure 8.

4 « Sauf si une cause contraire apparaît ».

5 L’eau oxygénée ne sera isolée qu’en 1818 par Louis Jacques Thénard.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 : articulation entre registres et niveaux de la chimie exemplifiée par l’utilisation du langage symbolique dans la combustion du méthane (Canac & Kermen, 2020)
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 258k
Titre Fig. 2 : espace des contraintes de la deuxième problématisation du milieu intérieur par Claude Bernard (Orange, 2000)
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 140k
Titre Fig. 3 : les « espaces contraintes et nécessités » (Lhoste, 2008, p. 79)
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 258k
Titre Fig. 4 : espace des contraintes et des nécessités adapté à la chimie
Légende Les flèches symbolisent une mise en tension du registre symbolique entre le registre empirique et le registre des modèles.
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 102k
Titre Fig. 5 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau de Dalton
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 258k
Titre Fig. 6 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau pour les équivalentistes
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 265k
Titre Fig. 7 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau pour Berzelius
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 282k
Titre Fig. 8 : espace des contraintes et nécessités : formules des corps simples pour Berzelius
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 205k
Titre Fig. 9 : espace des contraintes et nécessités : formule de l’eau pour les atomistes après le congrès de Karlsruhe
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 186k
Titre Fig. 10 : espace des contraintes et nécessités : formules des corps simples pour les atomistes après le congrès de Karlsruhe
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-10.jpg
Fichier image/jpeg, 198k
Titre Espace des contraintes et nécessités : formule des corps simples de Dalton
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/4195/img-11.jpg
Fichier image/jpeg, 201k
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Pour citer cet article

Référence papier

Sophie Canac, « Enquête historique à partir d’un espace de contraintes et de nécessités adapté au langage symbolique de la chimie »RDST, 25 | 2022, 101-127.

Référence électronique

Sophie Canac, « Enquête historique à partir d’un espace de contraintes et de nécessités adapté au langage symbolique de la chimie »RDST [En ligne], 25 | 2022, mis en ligne le 30 mai 2022, consulté le 14 février 2025. URL : http://journals.openedition.org/rdst/4195 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.4195

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Auteur

Sophie Canac

Université Paris Est Créteil, Université de Paris, CY Cergy Paris Université, Univ. Lille, UNIROUEN, LDAR

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Droits d’auteur

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