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Varia

Quelle adéquation entre intentions didactiques d’un programme de chimie et des manuels scolaires ?

To what extent do the didactical objectives of a chemistry curriculum match those of textbooks?
Welche Übereinstimmung zwischen den didaktischen Absichten des Chemie-Lehrplans und den Lehrbüchern ?
¿ Qué adecuación entre intenciones didácticas de un programa de químicas y libros de textos ?
Matthieu Négrier et Isabelle Kermen
p. 163-194

Résumés

Cet article s’attache à déterminer si certaines intentions didactiques manifestées dans le programme de chimie de terminale S (classe finale du lycée en France) ont été pleinement perçues par les rédacteurs de manuels scolaires. La grille d’analyse des manuels s’appuie sur une analyse épistémologique du programme et sur ces intentions didactiques et met en relief trois thèmes considérés comme des enjeux : transformations chimiques et réactions chimiques, interprétation cinétique de l’état d’équilibre chimique, critère d’évolution thermodynamique. Le contenu en rapport avec ces thèmes a été analysé dans huit manuels scolaires français. La perception des enjeux du programme est contrastée. La distinction introduite par ce programme entre ce qui relève du registre empirique, une transformation chimique non totale, et ce qui ressort du registre du modèle, le couple de réactions chimiques inverses qui l’interprètent, n’est pas permanente tout au long de l’ouvrage dans la plupart des manuels. Certains manuels mêlent des concepts macroscopiques et microscopiques dans l’interprétation cinétique de l’état d’équilibre chimique. Par contre l’utilisation du critère d’évolution thermodynamique pour prévoir et expliquer l’évolution des systèmes chimiques est conforme au savoir de référence dans tous les manuels. Les ambiguïtés constatées peuvent être reliées à une communication tardive des auteurs du programme, à la persistance des habitudes établies de longue date et à la mise en avant de modèles en chimie là où il en était peu question jusqu’ici.

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Texte intégral

Introduction

1Les manuels scolaires sont à la fois une ressource pour les enseignants (Bécu-Robinault, 2007 ; Fortin, 2007) dans la préparation de leurs cours et un point d’appui pour les élèves qui peuvent s’y référer pour obtenir des précisions, compléter ce qui a été vu en classe, résoudre les exercices figurant en fin de chapitre. Les études consacrées à l’analyse des manuels scolaires sont diverses, certaines visent à caractériser la présentation de concepts ou modèles particuliers tels que la mole (Staver & Lumpe, 1993) ou l’équilibre chimique (Pedrosa & Dias, 2000) ou un modèle atomique faisant appel à la mécanique quantique (Shiland, 1997), d’autres à déterminer la variété des analogies utilisées en chimie (Thiele & Treagust, 1994), la place accordée à l’histoire des sciences et les critères d’évaluation qu’elle peut permettre d’élaborer (Niaz, 2001 ; Rodriguez & Niaz, 2002 ; Niaz & Rodriguez, 2005), d’autres enfin cherchent à préciser dans quelle mesure les manuels contribuent à renforcer les conceptions alternatives des élèves (Pedrosa & Dias, 2000 ; Sanger & Greenbowe, 1999). Notre étude aborde l’analyse de manuels scolaires sous un angle un peu différent puisqu’elle se propose de déterminer si les intentions didactiques exprimées par les auteurs du programme de chimie de la classe de terminale S en France ont été respectées dans les manuels scolaires.

Contexte

2La mise en place en 2002 en France de nouveaux programmes de lycée et plus particulièrement en classe de terminale S a poursuivi la modification de l’enseignement de l’évolution des systèmes chimiques amorcée en classe de seconde. Deux ans auparavant, l’introduction dans le programme de chimie de la classe de seconde de la distinction entre les concepts de transformation chimique et de réaction chimique concrétisait de façon novatrice la nécessaire séparation à faire entre les faits expérimentaux et le modèle destiné à l’interpréter (Davous et al., 2003). Poursuivie en première, cette modification franchit un palier supplémentaire en terminale, notamment avec l’introduction d’un critère d’évolution à caractère général (Davous et al., 2002) issu de la thermodynamique et en rupture avec le programme précédent car prenant effectivement en compte l’état initial du système chimique. De plus, les auteurs du programme ont exprimé l’intention de privilégier des activités visant à promouvoir un double regard microscopique-macroscopique sur les transformations chimiques (Davous et al., 2003). Les conséquences de ce changement de programme sur les connaissances des élèves (Kermen & Méheut, 2009) ainsi que sur certaines connaissances professionnelles des enseignants (Kermen & Méheut, 2008) ont été étudiées. Dans cet article, sous la forme d’un prolongement des études précédentes, nous effectuons une analyse partielle de manuels scolaires afin d’évaluer la façon dont les rédacteurs de manuels scolaires prennent en compte la modification du programme officiel de terminale S, et afin d’établir d’éventuels liens avec certaines tendances observées précédemment.

Problématique

3Comment la communauté enseignante a-t-elle perçu les enjeux didactiques de cette modification de programme ? Une première étude ciblant un échantillon d’enseignants du secondaire (Kermen & Méheut, 2008) a conclu que la distinction entre transformation et réaction chimiques, ainsi qu’une interprétation cinétique rigoureuse de l’état d’équilibre chimique pour affirmer son caractère dynamique, ne constituent pas des enjeux majeurs de l’enseignement en terminale S. En fait les enseignants considèrent comme plus important que les élèves soient en mesure d’établir que le quotient de réaction est égal à la constante d’équilibre en fin d’évolution d’un système car cela constitue une source d’exercices au baccalauréat. Signalons que ce dernier point fait explicitement l’objet de compétences exigibles au baccalauréat au contraire des deux précédents. L’accent est donc porté sur l’aspect mathématique des notions abordées, au détriment d’une utilisation qualitative des concepts dans le raisonnement scientifique. On peut percevoir dans cette inclination la pression de l’examen à venir et la nécessité que ressentent les enseignants d’entraîner leurs élèves à réussir les exercices types du baccalauréat. Leur lecture du programme officiel est donc contrainte et leur attention aux intentions didactiques implicites ou qui ne sont pas traduites par des contenus sujets à évaluation, moins développée. Qu’en est-il d’un échantillon différent constitué par les auteurs de manuels scolaires et non soumis aux mêmes contraintes qu’un enseignant face à ses élèves ?

4Les rédacteurs de manuels scolaires de lycée sont des enseignants de lycée mais aussi d’université ou parfois des inspecteurs. On peut supposer qu’ils travaillent en équipe alors que les professeurs de lycée travaillent souvent seuls dans leur matière. Ce travail en équipe est de nature à favoriser une réflexion sur les contenus et les objectifs des programmes. En effet le contenu d’un manuel doit être en adéquation avec les instructions officielles pour être jugé acceptable par les enseignants qui le choisiront et l’utiliseront ensuite avec leurs élèves. On attend de ces auteurs qu’ils analysent les concepts et les termes employés afin de prendre en compte leur portée. La présentation doit être attractive pour être susceptible d’intéresser les élèves. Ces éléments distinguent ce groupe des autres acteurs de l’enseignement secondaire, et autorisent à penser que toute modification importante du programme sera répercutée dans cette forme particulière de production professionnelle que constituent les manuels scolaires. Cependant, Couchouron, Viennot et Courdille (1996) ont constaté que les habitudes professionnelles limitent la perception des nouveautés et que dans le cadre de leur exercice, les enseignants ont tendance à ne répercuter qu’avec retard les modifications introduites. Dans le même registre, Bécu-Robinault (2007) cite un enseignant déclarant que malgré l’évolution d’un programme il continue à se fonder sur les résultats de la réflexion qu’il a menée initialement sur certains aspects, sans la modifier. Alors qu’en est-il de ce groupe particulier d’enseignants qui travaillent à la rédaction des manuels scolaires et qui, a priori, doivent répercuter sans délai les modifications ?

1. Cadre d’analyse

  • 1 Le Bulletin de l’union des physiciens et L’actualité chimique.

5L’analyse du contenu des manuels s’appuie sur celle du programme officiel. Elle est complétée par l’analyse des documents d’accompagnement, qui en explicitent le contenu, pour mieux saisir les enjeux et les motivations du changement de programme concernant l’évolution des systèmes chimiques. Dans des revues professionnelles à destination du public enseignant1, les auteurs du programme ont précisé quelles intentions didactiques générales les animaient, à savoir proposer une nouvelle approche de l’évolution des systèmes chimiques (Davous et al., 2003) en introduisant un critère d’évolution « au caractère très général » (Davous et al., 2002), faire la différence entre les faits et les modèles et proposer un double regard macroscopique microscopique pour insister sur l’importance à accorder à la notion de modèle (Davous et al., 2003).

6Le programme de terminale est composé de quatre parties dont le titre est une question (MEN, 2001) :

  1. La transformation d’un système chimique est-elle toujours rapide ?

  2. La transformation d’un système chimique est-elle toujours totale ?

  3. Le sens spontané d’évolution d’un système chimique est-il prévisible ? Ce sens peut-il être inversé ?

  4. Comment peut-on contrôler les transformations de la matière ?

7Dans la première partie, l’objectif principal est d’introduire le paramètre temps dans le déroulement des transformations chimiques totales. La définition du concept de vitesse de réaction au plan macroscopique est complétée par une interprétation microscopique des phénomènes en termes de chocs efficaces entre entités. Dans la seconde partie, le champ expérimental est élargi avec des systèmes parvenant à un état final, dit état d’équilibre chimique, dans lequel aucun réactif n’est épuisé, ce qui nécessite de modifier le modèle précédemment défini en classe de seconde. L’état d’équilibre chimique est aussi défini comme celui dans lequel le quotient de réaction du système est égal à la constante d’équilibre. Dans la troisième partie, l’élève apprend que le système chimique tend à évoluer vers un état d’équilibre, évolution régie par un critère général d’évolution spontanée. Enfin dans la quatrième et dernière partie, l’objectif est de montrer et de comprendre la maîtrise que possède le chimiste sur les transformations de la matière, notamment en contrôlant la vitesse et le rendement des transformations chimiques.

8L’analyse épistémologique du contenu d’une partie du programme, telle qu’elle a été réalisée par Kermen et Méheut (2008), est brièvement rappelée. Ces auteurs considèrent trois registres particuliers étroitement liés (Tiberghien, Psillos & Koumaras, 1994) :

  • Le registre empirique, séparable en deux parties, l’une fournissant un descriptif événementiel en terme de perception – le monde des objets et événements (Tiberghien, 2000) ou la réalité perçue (Gilbert et al., 2000) – l’autre à la base d’un descriptif faisant intervenir les notions de substance et d’espèce chimiques – la réalité idéalisée (Gilbert et al., 2000) – et dans laquelle le chimiste puise les termes permettant de décrire les états initial et final (espèces présentes, état solide, liquide ou gazeux, quantité de matière, température, pression) ainsi que la transformation dont le système chimique est le siège ;

  • le registre théorique, comportant un ensemble de concepts articulés, de définitions et d’assertions de l’atomistique ou de la thermodynamique ;

  • le registre du modèle jouant le rôle de médiateur entre l’empirique et le théorique.

9Deux champs théoriques peuvent être délimités, thermodynamique et cinétique, dont sont issus trois modèles. Une transformation chimique non totale peut être modélisée par un couple de réactions inverses symbolisées par l’équation chimique aA + bB = cC + dD mettant en jeu des espèces chimiques à l’état dissous, liquide, solide ou gazeux, en quantités quelconques et sans préjuger du sens d’évolution.

  • 2 Dans l’approximation courante selon laquelle on néglige la variation du potentiel des corps purs li (...)

10Le modèle thermodynamique : il comporte le couple de réactions inverses et le critère d’évolution qui permet de déterminer le sens d’évolution du système chimique et d’en prévoir l’état final. Ce critère d’évolution repose sur la comparaison du quotient de réaction et de la constante d’équilibre, grandeur uniquement fonction de la température2. L’expression du quotient de réaction est définie à partir de l’écriture de l’équation de réaction associée à une potentielle transformation chimique à température et pression fixées (pour les transformations envisagées en classe de terminale), et sa valeur dépend de l’état du système qui est considéré.

11Le modèle cinétique macroscopique : la vitesse de réaction est définie pour des transformations totales avec l’avancement de réaction tel qu’il est introduit dans le tableau d’évolution du système. Dans le cas de transformations non totales l’interprétation de l’évolution du système devient qualitative avec la vitesse de réaction directe et la vitesse de réaction inverse : à l’équilibre chimique les deux vitesses de réaction sont égales, elles se modifient depuis l’état initial du système jusqu’à l’état final.

12Le modèle cinétique microscopique : lors d’un choc efficace entre des entités (terme uniquement réservé aux particules au niveau microscopique) il y a formation de nouvelles entités par transfert d’électrons et recombinaison des liaisons chimiques ce qui conduit à l’échelle macroscopique à l’apparition ou la disparition d’espèces chimiques. Ce modèle fait intervenir un grand nombre de particules (de l’ordre du nombre d’Avogadro) et utilise la mécanique statistique pour décrire les interactions entre entités (ions, atomes, molécules) présentes en solution, cet aspect n’étant pas abordé en terminale.

13Les modèles cinétiques ne permettent d’interpréter l’état d’équilibre chimique ou l’évolution du système que de manière qualitative, ils ne permettent pas de prévoir le sens d’évolution.

14Dans le paragraphe suivant nous précisons les enjeux didactiques sous-tendus par les intentions exprimées par les auteurs du programme et nous les déclinons sous forme de questions qui forment la trame de notre grille d’analyse.

1.1. Élaboration de la grille d’analyse

15L’étude à laquelle nous nous référons (Kermen & Méheut, 2008) a permis en croisant l’analyse épistémologique du contenu et les intentions didactiques des auteurs de spécifier trois thèmes, qualifiés d’enjeux didactiques, comportant des recouvrements que nous allons maintenant développer afin d’asseoir les catégories d’analyse des manuels.

1.1.1. Thème transformation et réactions chimiques

16La transformation chimique d’un système est une première conceptualisation issue de l’observation empirique de la modification du système étudié. Elle est la traduction de l’évolution du système chimique entre l’état initial et l’état final, en termes de quantité de matière des espèces présentes, de température, de pression, grandeurs mesurables directement ou non. C’est une vision thermodynamique des phénomènes chimiques qui prévaut, seuls l’état inital et l’état final sont considérés. On définit le système chimique constitué des objets étudiés et on détermine la valeur des variables qui le décrivent dans ces états. Lors de l’introduction en 2000 du nouveau programme de seconde, il est proposé de représenter ainsi la transformation chimique (Davous et al., 1999, p. 11) :

Figure 1 : représentation schématique d’une transformation chimique.

Figure 1 : représentation schématique d’une transformation chimique.

17Les transformations chimiques abordées en terminale peuvent être totales ou non. Cela introduit une distinction notable avec les transformations étudiées jusque-là. En seconde, puis en première scientifique, une transformation cesse lorsque le réactif limitant vient à disparaître et cette transformation est modélisée et représentée par une seule réaction chimique. Les réactifs sont les espèces chimiques dont la quantité de matière diminue (au moins l’un d’entre eux disparaît) tandis que les produits sont les espèces chimiques qui apparaissent. En terminale, l’interprétation des transformations non totales nécessite l’introduction de la réaction inverse, source de difficultés (Van Driel et al., 1998) et nouveau modèle qui vient s’ajouter au précédent, la réaction inverse mettant en jeu les mêmes espèces que la réaction directe mais dans le sens opposé à celle-ci. Lorsque le système chimique atteint l’état d’équilibre, il n’y a plus d’évolution alors que toutes les espèces susceptibles de réagir sont encore présentes. Il est important de noter qu’une réaction chimique est un modèle macroscopique rendant compte des proportions dans lesquelles les espèces chimiques réagissent, c’est un modèle en forme de bilan permettant de compter les espèces chimiques (concept macroscopique) et non pas les entités (concept microscopique, [Davous et al., 1999]). Mentionner deux réactions chimiques inverses représentant les processus chimiques qui continuent à se produire, permet de rendre compte du caractère stationnaire des quantités de matière de toutes les espèces chimiques, réactives et produites. Il ne s’agit pas d’une seule réaction chimique possédant deux sens (comme indiqué dans le libellé du programme [MEN, 2001]), car à l’équilibre, on conçoit mal un processus unique traduisant la non évolution macroscopique du système. Pedrosa et Dias (2000) ont souligné l’importance de parler de deux réactions correspondant à des processus simultanés et non d’une seule qui pourrait favoriser une représentation en termes de processus successifs ou pendulaires (Barlet & Plouin, 1994). Cette modification importante du modèle utilisé pour interpréter une transformation chimique se traduit par un changement de symbole : l’introduction du signe « = » dans l’écriture de l’équation de réaction au lieu d’une seule flèche dans le sens direct, seul sens possible antérieurement envisagé pour toute transformation. Ce symbole remplace la double flèche utilisée dans l’ancien programme de terminale. Ces considérations soulèvent les questions suivantes :

  • RT.1 [réaction et transformation] Quelle distinction est-il fait entre transformation et réaction en termes de registres couverts ?

  • RT.2 Les auteurs de manuels se démarquent-ils des auteurs du programme en introduisant explicitement la réaction inverse, modèle distinct de la réaction directe, pour modéliser une transformation chimique non totale ?

  • RT.3 Quelle signification est-il donné à l’introduction du signe = dans l’écriture de l’équation de réaction ?

  • RT.4 Que deviennent les notions de réactifs et de produits et comment sont-elles définies ?

1.1.2. Thème interprétation cinétique de l’équilibre chimique

  • 3 Il n’est pas nécessaire de connaître le mécanisme réactionnel pour parler de chocs efficaces si l’o (...)

18Le programme suggère d’introduire le concept d’état d’équilibre chimique lors de l’interprétation microscopique de la cinétique de transformations chimiques totales et donc le concept de réaction inverse. Notons que la situation proposée dans le document d’accompagnement correspond à une transformation chimique modélisée par un couple de réactions élémentaires, sans que le programme ne définisse une réaction élémentaire ou ne précise qu’une modélisation microscopique en termes de chocs efficaces ne peut s’illustrer avec une animation que dans ce cas précis. Après l’étude de transformations acido-basiques non totales, il est question de l’interprétation du caractère dynamique de l’état d’équilibre chimique : « Savoir que, lorsque l’état d’équilibre du système est atteint, les quantités de matière n’évoluent plus, et que l’état d’équilibre est dynamique » (compétence exigible du programme, MEN, 2001). Doit-on comprendre que le modèle privilégié pour cette interprétation est celui de la cinétique macroscopique qui fait intervenir l’égalité des vitesses des réactions inverses (qui n’est pas mentionné dans le programme mais dans le document d’accompagnement) ou celui de la cinétique microscopique qui met en œuvre des chocs efficaces entre entités ? Dans le document d’accompagnement, les deux types d’explication cinétique sont proposés, ce qui correspond à l’objectif préconisé de développer la double approche macroscopique-microscopique. Au plan microscopique, les entités subissent des chocs efficaces qui conduisent à des recombinaisons moléculaires par transferts d’électrons, création ou formation de liaisons chimiques, et donc de nouvelles entités3, à l’origine des transformations chimiques observées au plan macroscopique. Au plan macroscopique, certaines espèces chimiques sont consommées et d’autres apparaissent avec des vitesses différentes en cours d’évolution. Le document d’accompagnement précise : « On parle d’équilibre dynamique car il est toujours le siège des deux réactions inverses l’une de l’autre et simultanées qui s’effectuent à des vitesses égales » (MEN, 2002). L’interprétation macroscopique de l’état d’équilibre chimique en termes d’égalité des vitesses des réactions inverses ne nécessite aucune hypothèse sur l’ordre de ces réactions et garde donc un aspect tout à fait général (Scacchi, 2001). Nous répondrons dans l’analyse des manuels scolaires à cette question principale :

19CE.1 [cinétique et équilibre] Les deux registres de la cinétique (microscopiques et macroscopiques) sont-ils bien différenciés et quelles en sont les limites respectives ?

1.1.3. Thème critère d’évolution thermodynamique

20L’état d’un système chimique susceptible de subir une évolution modélisée par un couple de réactions représentées par une équation chimique est caractérisé par une nouvelle grandeur thermodynamique, le quotient de réaction Qr. Défini en référence à l’écriture de l’équation chimique, il est fonction des concentrations des solutés du système et permet, par comparaison avec la constante d’équilibre K, de déterminer le sens d’évolution. Le quotient de réaction à l’état initial peut être soit inférieur, soit supérieur à cette constante d’équilibre et cette comparaison permet de dire si le système peut évoluer selon le sens direct ou inverse de l’équation de réaction ; à l’état final, les concentrations des espèces n’évoluent plus et le quotient de réaction est alors égal à la constante d’équilibre. L’utilisation du critère d’évolution fait par ailleurs l’objet de compétences exigibles pour les élèves, détaillées et précises, sans que les limites d’utilisation de ce critère soient évoquées (appréhender les limites d’un modèle est un objectif général de la filière scientifique, sans qu’ici cela fasse l’objet de compétences exigibles). Lorsqu’un solide est absent du milieu réactionnel, le critère d’évolution peut être mis en défaut. Lorsque la cinétique de la transformation est très lente, le critère d’évolution peut prévoir une transformation qui n’est pas observée. On résumera cette thématique autour de deux questions principales :

21ET.1 [évolution thermodynamique] De quelle façon est présentée et introduite la nouvelle grandeur appelée quotient de réaction ?

22ET.2 Quelles limites les auteurs attribuent-ils au modèle thermodynamique utilisé ?

23Les questions propres à chaque thème ont permis de délimiter les enjeux qui font l’objet de cette étude, puis nous précisons comment nous déterminons les réponses à ces questions dans le paragraphe suivant.

1.2. Méthode

24Nous avons mis en œuvre une double approche décrite par exemple par Strauss et Corbin (1990). La catégorisation des éléments ou unités de signification relevés dans les manuels scolaires se fait selon nos analyses, effectuées à partir de la lecture du programme officiel et du document d’accompagnement dans une première étape. La démarche possède aussi un aspect inductif dans la mesure où les catégories d’analyse sont progressivement définies au fur et à mesure par des allers-retours entre les catégories a priori et les réponses apportées par les manuels (approche « grounded theory »). Nous présentons dans les paragraphes suivants le résultat de cette approche ancrée dans les données (Guilbert & Méloche, 1993) en précisant les différentes réponses aux questions précédentes, réponses attendues et/ou émergeant de l’examen des manuels. Au sein de ceux-ci, nous avons limité l’analyse à la lecture des chapitres traitant de la cinétique microscopique (en général la fin du chapitre sur la cinétique abordant l’interprétation microscopique), de l’introduction du quotient de réaction (caractère non total de la transformation chimique) et enfin de l’introduction du critère d’évolution. Le corpus analysé est constitué de huit manuels, cinq édités en 2002 : Parisi ; Barde et al. ; Clavel-Monin et al. ; Villar ; Tomasino et trois édités en 2006 : Parisi ; Bouvry et al. ; Durupthy.

1.3. Grille d’analyse proposée

25Dans un thème, pour chaque question, les éléments de réponse recherchés ou ayant émergé de l’examen des données sont regroupés par catégories. À chaque catégorie un code a été attribué en rapport avec celui de la question posée. Par exemple dans le thème réaction et transformation pour la question RT1 il y a deux catégories de réponses RT1.1, RT1.2, pour RT.2 il y en a trois RT2.1, RT2.2 et RT2.3 et ainsi de suite.

1.3.1. Thème réaction et transformation

RT1. Distinction entre transformation et réaction chimiques

26Considérer qu’une transformation chimique appartient au registre empirique (RT1.1) peut s’exprimer de plusieurs façons, par exemple si une transformation chimique est qualifiée de totale ou non totale, parfois à l’appui d’un bilan précisant la composition des états initial et final, ou s’il est question de la réaction ou du couple de réactions modélisant (ou associées à) une ou plusieurs transformations chimiques. Cependant, du fait des habitudes antérieures, on peut s’attendre à ce qu’une réaction chimique (ou le couple de réactions inverses) soit placée dans le registre empirique (RT1.2). Cela se manifeste lorsqu’une (ou des) réaction(s) est qualifiée de totale ou non totale ou bien considérée comme un événement particulier au sein du système chimique, délimitant un avant et un après, dans le sens donné à l’acceptation courante du mot réaction (action réciproque de deux ou plusieurs substances qui entraîne des modifications chimiques), recouvrant partiellement celui de transformation.

RT2. Modélisation d’une transformation chimique non totale

27Une transformation chimique non totale est modélisée par un couple de réactions inverses l’une de l’autre. L’introduction de la réaction inverse vient modifier le modèle (réaction chimique directe) antérieurement présenté aux élèves, cette modification va au-delà de la simple mention de cette réaction inverse et nous attendons qu’elle soit présentée comme un nouveau modèle (RT2.1). Pedrosa et Dias (2000) ont insisté sur le fait que mentionner deux réactions en sens inverse (RT2.2) est essentiel afin notamment de concevoir la simultanéité des deux processus. Envisager qu’il n’y ait qu’une seule réaction pouvant s’effectuer dans les deux sens (RT2.3) peut conduire à des énoncés contradictoires comme celui d’un « système chimique en équilibre évoluant » (Villar, 2002, p. 107).

RT3. Signification du signe « = »

28L’introduction du signe « = » dans l’équation chimique provient d’une modification profonde du modèle utilisé pour représenter, expliquer ou prévoir une transformation chimique. On recherche des éléments indiquant que ce symbole résulte d’une modification du modèle (RT3.1). Avancer que ce signe traduit seulement le fait que la transformation modélisée n’est pas totale ou qu’il ne présume pas du sens d’évolution du système chimique (RT3.2) ne met pas en évidence et n’insiste pas sur la modification apportée au modèle antérieur, on peut y voir une restriction de la signification de ce symbole. Ce symbole indique que deux sens sont possibles a priori pour une transformation chimique potentielle, alors qu’une fois la transformation réalisée, tout observateur constate qu’elle n’a eu lieu que dans un seul sens, le sens direct ou le sens inverse de l’équation de réaction. Ce symbole représente aussi le fait qu’une réaction chimique n’a qu’un sens, le sens d’écriture de l’équation de réaction, s’il est question de la réaction directe, ou le sens opposé, s’il s’agit de la réaction inverse, ce fait est moins visible que dans le symbole utilisé dans l’ancien programme où figurait le sens de chaque réaction. Par conséquent parler des deux sens d’une transformation chimique ou s’interroger sur le sens d’une réaction chimique (RT3.3) sont des illustrations d’une mauvaise compréhension de ce qu’il représente.

RT4. Notions de réactifs et de produits

29Les réactifs et les produits ne peuvent être définis comme tels qu’après observation conjointe de l’état initial et de l’état final (d’équilibre) du système chimique, qu’après connaissance du signe de l’avancement de réaction (Gilles, 1999) ou du sens d’évolution du système. Une définition rigoureuse stipule que les produits sont les espèces chimiques dont la quantité de matière a augmenté, les réactifs celles dont la quantité a diminué (RT4.1). Attribuer ces termes aux espèces figurant dans les membres droit et gauche de l’équation de réaction, tant que l’état final n’est pas connu, n’est pas rigoureux (RT4.2) et pourrait avoir pour conséquence de considérer que seules les transformations dans le sens direct se produisent. Certains auteurs ont préféré ne pas utiliser les termes de réactifs et produits (RT4.2).

1.3.2. Thème interprétation cinétique de l’équilibre

CE1. Distinction des cinétiques microscopiques et macroscopiques

  • 4 Le concept de réaction élémentaire est ambigu dans la mesure où au plan microscopique, l’équation d (...)

30L’état d’équilibre chimique d’un système peut être interprété indépendamment par les deux modèles cinétiques. Les quantités de matière des différentes espèces chimiques en présence demeurent constantes, pour une température et une pression données : au plan macroscopique, ceci se justifie par l’égalité des vitesses des réactions inverses (CE1.1). Au plan microscopique, ce fait s’explique par la persistance des chocs efficaces entre entités (CE1.2), la fréquence des chocs efficaces entre elles est telle que le nombre moyen de chaque type d’entité ne varie pas. L’examen des manuels montre que lorsque la distinction entre les deux cinétiques est moins nette, on relève des points de vue qui mélangent les concepts microscopique et macroscopique. La réaction, concept macroscopique, est placée au plan microscopique (sans qu’il soit dit qu’il s’agit d’une réaction élémentaire4 ce qui serait correct) ainsi que sa vitesse de réaction qui est un concept macroscopique (CE1.3). Le terme entité, réservé au plan microscopique, se trouve employé lors d’une interprétation macroscopique : ainsi par exemple ces entités possèdent « une température particulière » ou « réagissent » avec d’autres entités (CE1.4.). Distinguer ce qui relève du macroscopique ou du microscopique est difficile pour les élèves (Harrison & Treagust, 2002), l’utilisation de termes réservés à l’un ou l’autre plan peut contribuer à les y aider. Ces deux dernières catégories sont des propositions émergeant de l’analyse des données.

1.3.3. Thème critère d’évolution thermodynamique

ET1. Introduction du quotient de réaction

  • 5 L’expression du quotient de réaction proposée signifie que l’on travaille dans l’approximation des (...)

31Le quotient de réaction est une fonction de la concentration des solutés figurant dans l’équation de réaction. En effet le champ expérimental de référence est limité aux transformations chimiques mettant en jeu des solutions aqueuses et des solides. Le quotient de réaction constitue un élément du modèle thermodynamique visant à décrire et interpréter une situation empirique et prend donc en compte certains éléments (concentration des solutés) tout en en passant d’autres (quantité de matière des solides et du solvant) sous silence5. On prévoit deux façons d’introduire le quotient, soit comme un élément d’un modèle (ET1.1) avec ses limites propres, soit comme une fonction permettant dans toutes les situations de prévoir l’évolution du système chimique (ET1.2).

ET2. Limites du modèle

32Dans le cadre du modèle thermodynamique utilisé, une prévision issue du critère d’évolution peut être invalidée parce qu’une transformation chimique prévue n’a pas lieu car trop lente pour être observée (ET2.1) ou bien parce que les modifications chimiques ne peuvent être observées si l’avancement de réaction tend vers zéro (ET2.2). Une autre limitation à l’application de ce critère est la présence effective de solide en début ou au cours de l’évolution du système chimique. Les quantités de matière des solides n’apparaissant pas dans le quotient de réaction (leur activité vaut 1 quelle que soit leur quantité et constitue un facteur neutre dans la multiplication), il faut vérifier la présence des solides pour qu’une prévision issue de l’application du critère d’évolution soit réalisable (ET2.3). N’attribuer aucune limite particulière à un modèle prédictif (ET2.4) ne contribue pas à favoriser d’éventuelles interrogations sur le rôle d’un modèle.

ET3. Caractère irréversible d’une transformation chimique

33L’évolution des systèmes chimiques est irréversible au sens du second principe de la thermodynamique (Prigogine, 1968/1996). Le sens commun du mot « réversible » a longtemps prévalu chez les chimistes qui ont eu l’habitude de parler de « réaction réversible » à tort (Barlet & Plouin, 1994) pour dire qu’une transformation chimique peut avoir lieu dans le sens inverse de l’équation de réaction. Il n’est pas utile de parler de transformation chimique réversible sous peine de générer des confusions dans l’esprit des élèves (Barlet & Plouin, 1994). Parler de réversibilité constitue une erreur (ET3) susceptible de perdurer dans la mesure où on pouvait la trouver dans un manuel du précédent programme (Tomasino & Sliwa, 1995, p. 137).

2. Résultats

2.1. Résultats globaux

34Les résultats d’analyse des différents manuels scolaires de notre échantillon sont regroupés dans le tableau 1. Pour chacun des manuels, la présence d’une ou plusieurs unités de signification correspondant à l’une des catégories de réponses aux questions de notre problématique est signalée par le signe √. Dans le cas de catégories de réponses antagonistes (RT2.2 et RT2.3 d’une part, RT4.1 et RT4.2 d’autre part), le nombre d’occurrences de chaque unité de signification est indiqué entre parenthèses. L’examen des différentes catégories de réponses par thème fait l’objet du prochain paragraphe.

2.2. Présentation des résultats par thème

2.2.1. Réaction et transformation

35On pourrait penser que l’appartenance du concept de transformation chimique au registre empirique est établie puisque pour tous les manuels scolaires examinés on trouve la transformation caractérisée de totale ou de non totale et pour certains utilisée dans des situations de description de phénomènes empiriques (RT1.1, cf. tableau 2). La figure 1 présentée plus haut (Davous et al., 1999, p. 11) est reproduite dans certains manuels (Parisi, 2002, p. 137 ou Villar, 2002, p. 183). À cette transformation est associé le couple de réactions chimiques qui la modélise, mais de façon formelle la plupart du temps, étant donné que le terme de réaction est aussi très souvent utilisé dans le registre empirique (RT1.2, cf. tableau 2) où il vient remplacer le terme de transformation. Ainsi « la réaction » peut être qualifiée de totale ou non totale (Barde et al., 2002 ; Bouvry et al., 2006) ou spontanée (Clavel-Monin et al., 2002), elle peut « évoluer » (Villar, 2002) alors que ce terme est plus adapté au système chimique puisqu’il signifie que certains paramètres décrivant le système changent de valeurs au cours du temps. La réaction désigne aussi un événement particulier pour le système chimique (l’action réciproque de deux ou plusieurs substances) qui sépare le temps entre un avant et un après (Tomasino, 2002 ; Durupthy, 2006), ce qui indique que pour ces auteurs « la réaction » n’est pas totalement déconnectée du registre empirique.

Tableau 1 : occurrences des catégories de réponses au sein des manuels scolaires.

Parisi (2002)

Barde et al. (2002)

Clavel-Monin et al. (2002)

Villar (2002)

Tomasino (2002)

Parisi (2006)

Bouvry et al. (2006)

Durupthy (2006)

RT. Réaction et transformation

RT1.1 Transformation empirique

RT1.2 Réaction « empirique »

RT2.1 Réaction inverse : nouveau modèle

RT2.2 Mention de deux réactions en sens inverse

√ (5)

√ (3)

√ (1)

√ (2)

RT2.3 Mention d’une réaction dans les deux sens

√ (4)

√ (5)

√ (10)

√ (10)

√ (4)

RT3.1 » = » Pour modification du modèle

RT3.2 » = » Pour transformation non totale ou abandon du sens d’évolution

RT3.3 Compréhension erronée de » = »

RT4.1 Réactifs et produits, selon transformation

√ (3)

√ (1)

√ (1)

√ (1)

√ (9)

√ (4)

RT4.2 Réactifs et produits selon équation de réaction ou absence de mention (#)

√ (4)

√ (1)

√ (5)

√ (#)

√ (6)

CE. Cinétique
de l’équilibre

CE1.1 Explication macroscopique

CE1.2 Explication microscopique

CE1.3 Réaction : concept microscopique

CE1.4 Entités « macroscopiques »

ET. Critère dévolution
thermodynamique

ET1.1 Qr élément de modèle

ET1.2 Qr simple fonction prédictive

ET2.1 Limite cinétique

ET2.2 Évolution très limitée

ET2.3 Limite réactif solide

ET2.4 Pas de limite au modèle

ET3 Transformation « réversible »

Tableau 2 : catégories RT1.1 et RT1.2, transformation ou réaction empirique.

RT1.1 Transformation empirique

RT1.2 Réaction empirique

Parisi (2002)

p. 57 : transformation totale ou limitée

p. 64 : pour une transformation limitée, l’écriture de l’équation chimique avec un signe = symbolise le fait que la transformation est décrite par deux réactions inverses l’une de l’autre.

Barde et al. (2002)

p. 63 : Les transformations chimiques sont-elles toujours totales ?

p. 67 : Une transformation n’est pas toujours totale, car la réaction chimique qui la modélise est limitée par la réaction inverse.

p. 130 : Peut-on considérer cette réaction comme totale ?

Clavel-Monin et al. (2002)

p. 85 : Transformations chimiques non totales

p. 132 : Certaines transformations chimiques impliquant des acides et des bases ne sont pas totales.

p. 133 : Pour une réaction chimique spontanée, c’est-à-dire pouvant se dérouler sans apport d’énergie du milieu extérieur, il est possible de prévoir le sens d’évolution […]

Villar (2002)

p. 97 : Une transformation chimique est-elle toujours totale ?

p. 120 : La transformation est totale, le réactif limitant est consommé, il s’agit de l’état final.

p. 107 : Une réaction chimique […] ne semble plus évoluer lorsqu’elle atteint son avancement final.

p. 120 : la réaction a donc spontanément évolué dans le sens direct […]

Tomasino (2002)

p. 99 : Une transformation chimique n’est pas toujours totale

p. 113 : […] car mise en solution du solide Na2SO4 s’accompagne d’une transformation totale modélisée par la réaction d’équation

p. 183 : L’état initial d’un système chimique est l’état dans lequel se trouvent les constituants avant réaction.

p. 101 la réaction s’effectue dans le sens direct

p. 101 la réaction s’effectue dans le sens inverse

Parisi (2006)

p. 54 : Transformations totales ou limitées

p. 72 : On considère un système chimique susceptible de subir une transformation modélisée par la réaction d’équation.

Bouvry et al. (2006)

p. 106 : Transformation totale ou limitée ?

p. 107 : Transformation totale associée à une réaction acido-basique

p. 107 : si la réaction était totale

p. 109 : Le symbole → ne sera utilisé que pour des réactions dont on veut signifier explicitement qu’elles sont totales

Durupthy (2006)

p. 96 : La transformation d’un système chimique est-elle toujours totale ?

p. 106 : Une transformation chimique n’est pas toujours totale.

p. 190 : Après mélange, avant toute réaction […] Après réaction, l’état final du système est tel que […]

36Deux manuels (Parisi, 2002, 2006) indiquent que la réaction inverse correspond à une modification du modèle utilisé jusqu’ici pour interpréter les transformations chimiques (RT2.1). Cependant tous les manuels de l’échantillon à l’exception d’un seul (Bouvry et al., 2006) vont dans le sens du document d’accompagnement du programme lorsqu’ils font mention d’une transformation non totale modélisée par deux réactions inverses l’une de l’autre (RT2.2, voir tableau 3). Mais de façon parallèle, quatre de ces manuels (Barde et al., 2002 ; Clavel-Monin et al., 2002 ; Tomasino, 2002 ; Durupthy, 2006) parlent aussi « d’une réaction dans les deux sens » comme le programme officiel auquel s’ajoute un cinquième manuel (Bouvry et al., 2006) n’ayant pas parlé de deux réactions inverses. Si on considère les occurrences relatives des catégories de réponses RT2.2 et RT2.3 pour les quatre manuels considérés (voir tableau 1), la mention « une réaction dans les deux sens » est préférée pour trois d’entre eux. Il est à noter que dans deux manuels (Durupthy, 2006 ; Barde et al., 2002) les références à « deux réactions en sens inverse » ou à « une réaction dans les deux sens » interviennent chacune dans des chapitres séparés (voir tableau 3 pour Barde et al., 2002 et Durupthy, 2006) que l’on peut supposer écrits par des auteurs différents. On peut noter également que, la plupart du temps, la mention de deux réactions en sens inverses est évoquée lors de l’interprétation microscopique de la transformation chimique considérée. Pour les trois manuels (Parisi, 2002, 2006 ; Villar, 2002) qui font preuve de rigueur dans l’utilisation systématique de deux réactions en sens inverses, seuls les deux (Parisi, 2002, 2006) ayant signalé la modification importante que cela apporte pour l’interprétation de la transformation chimique (RT2.1), réduisent le nouveau modèle à l’ancien lorsque la constante d’équilibre devient très grande.

Tableau 3 : catégories RT2.2 et RT2.3, une ou deux réactions.

RT2.2 Deux réactions inverses

RT2.3 Une réaction dans les deux sens

Parisi (2002)

p. 64 : L’équilibre chimique est dynamique. Il ne se traduit pas par l’absence de réactions chimiques, mais par la coexistence de deux réactions inverses se produisant simultanément et à la même vitesse.

p. 65 : Une transformation limitée est décrite par deux réactions inverses

Barde et al. (2002)

p. 67 : Une transformation n’est pas toujours totale, car la réaction chimique qui la modélise est limitée par la réaction inverse

p. 68 : Cet équilibre est dynamique et met en jeu deux réactions inverses l’une de l’autre, se produisant simultanément et à la même vitesse.

p. 81 : Lorsqu’une réaction chimique peut s’effectuer dans les deux sens

p. 83 : Une réaction chimique pouvant avoir lieu dans les deux sens

Clavel-Monin et al. (2002)

p. 88 : Les deux réactions inverses l’une de l’autre se compensent exactement. Un tel équilibre est appelé équilibre dynamique.

p. 91 : Les réactions ont lieu en sens direct et inverse et se compensent exactement.

p. 86 : Toute réaction chimique […] peut se dérouler dans les deux sens.

p. 91 : La réaction peut avoir lieu dans les deux sens

p. 132 : De telles réactions peuvent se dérouler dans les deux sens.

Villar (2002)

p. 107 : deux réactions se produisent simultanément en sens inverse

Tomasino (2002)

p. 102 : Un état d’équilibre chimique résulte de deux réactions s’effectuant en sens inverses et avec des vitesses égales.

p. 96 : Il existe également des réactions qui peuvent s’effectuer dans les deux sens.

p. 101 : Lorsqu’une transformation chimique n’est pas totale, la réaction associée peut s’effectuer dans les deux sens.

Parisi (2006)

p. 55 : L’équilibre chimique est dynamique. Il ne se traduit pas par l’absence de réactions chimiques, mais par la coexistence de deux réactions inverses se produisant simultanément et à la même vitesse.

p. 56 : Une transformation limitée est décrite par deux réactions inverses se produisant simultanément.

Bouvry et al. (2006)

p. 99 : Réactions s’effectuant dans les deux sens

p. 103 : Certaines réactions peuvent avoir lieu dans les deux sens.

Durupthy (2006)

p. 77 : la réaction directe et la réaction inverse se déroulent alors simultanément dans le système.

p. 77 : Quelles limites les auteurs attribuent-ils au modèle thermodynamique utilisé ? lorsque la vitesse de la réaction directe et celle de la réaction inverse sont égales, la composition du système n’évolue plus.

p. 107 : La réaction mise en jeu peut donc s’effectuer dans les deux sens.

p. 109 : De nombreuses réactions chimiques peuvent s’effectuer dans les deux sens.

p. 189 : la réaction chimique […] peut avoir lieu dans les deux sens.

37De la même façon ces deux seuls manuels présentent l’introduction du signe « = » comme la conséquence d’une modification du modèle de la réaction chimique (RT3.1) : « l’écriture de l’équation chimique avec un signe = symbolise le fait que la transformation est décrite par deux réactions inverses l’une de l’autre » (Parisi, 2002, p. 64) ou « une transformation limitée est décrite par deux réactions inverses se produisant simultanément. L’équation chimique s’écrit alors avec un signe = » (Parisi, 2006, p. 56). La totalité des manuels de l’échantillon y voit l’indication que l’on ne doit pas présumer dans l’écriture de l’équation chimique du sens d’évolution du système (RT3.2) : « Le signe = ne présume pas du sens de la transformation » (Villar, 2002, p. 101) et : « Il [le signe =] représente le bilan de matière et la conservation de la charge, mais ne préjuge pas du sens dans lequel peut se dérouler la réaction » (Clavel-Monin et al., 2002, p. 86), ou encore que c’est une autre façon d’indiquer qu’une transformation n’est pas totale (RT.3.2) : « Pour symboliser le fait qu’une transformation est limitée, on utilise le signe égal ( =) dans l’équation de la réaction » (Parisi, 2002, p. 62). Enfin un manuel présente l’introduction du signe = comme la nécessité de témoigner de la présence d’un équilibre chimique : « le système de réactifs et de produits est, à chaque instant, en équilibre chimique, traduit par le signe égal ( =) » (Barde et al., 2002, p. 68) ce qui laisse entendre qu’il y aurait équilibre tout au long de la transformation.

38La transformation chimique effectuée ne possède qu’un seul sens : celui qui va de la consommation totale ou partielle des réactifs à l’apparition des produits. Certains manuels (Barde et al., 2002 ; Villar, 2002 ; Bouvry et al., 2006) ne respectent pas cette idée et mentionnent les deux sens d’une transformation chimique (RT3.3, cf. tableau 4), en oubliant de préciser que cela n’a de signification qu’avant le déroulement de la transformation et qu’il s’agit alors des deux sens potentiels en référence à l’équation de réaction. Définir le sens direct ou indirect se fait à partir de l’écriture symbolique de l’équation de réaction. Un manuel (Durupthy, 2006) insiste particulièrement sur ce point en rappelant dans chacune de ses définitions et conclusions concernant la prévision du sens d’évolution du système chimique qu’il s’agit du sens direct ou indirect de l’équation de réaction : « Si Qri < K, le système évolue dans le sens direct de l’écriture de l’équation de réaction » (Durupthy, 2006, p. 194). Un manuel (Clavel-Monin et al., 2002) attribue à « la réaction » un sens en fonction des conditions initiales (cf. tableau 4).

Tableau 4 : catégorie RT3.3, compréhension du signe égal.

RT3.3 compréhension erronée de « = »

Barde et al. (2002)

p. 63 : Une transformation chimique peut-elle avoir lieu dans les deux sens ?

Clavel-Monin et al. (2002)

p. 87 : Le sens de la réaction dépend des conditions initiales imposées au système chimique […] et l’équation pourra s’écrire A + B = C + D ou C + D = A + B

Villar (2002)

p. 99 : Les deux sens d’une transformation chimique

p. 107 : La transformation chimique étudiée […] peut évoluer dans les deux sens.

Bouvry et al. (2006)

p. 110 : Lorsqu’une transformation chimique se produit simultanément dans les deux sens

39Pour sept manuels parmi les huit de l’échantillon, les notions de réactifs et de produits sont rattachées à celle de transformation chimique (RT4.1, tableau 1), en accord avec le programme officiel. Parmi ces sept manuels, quatre associent également ces notions à l’écriture de l’équation de réaction chimique ce qui conduit à des énoncés du type « les concentrations des produits diminuent et celles des réactifs augmentent » (Villar, 2002, p. 121). On remarquera que pour deux d’entre eux (Barde et al., 2002 ; Bouvry et al., 2006) les unités de signification appartenant à l’une ou l’autre des catégories RT4.1 et RT4.2 sont situées dans des chapitres différents (voir tableau 5), ce qui laisse supposer ici aussi, des auteurs différents, mais n’enlève rien à la confusion possible de l’élève face au choix à faire. Trois manuels (Parisi, 2002, 2006 ; Durupthy, 2006) n’introduisent pas de confusion en utilisant à bon escient les termes de produits et de réactifs dans le cadre de la transformation chimique du système (tableau 5). Enfin, le manuel restant de l’échantillon (Tomasino, 2002) ne fait aucune référence explicite à des produits ou des réactifs et remplace ces termes par d’autres, tels « entités réactives » et utilise ainsi un terme réservé au niveau microscopique dans un cadre macroscopique.

Tableau 5 : catégories RT4.1 et RT4.2, utilisation des termes réactifs et produits.

RT4.1 Réactifs et produits selon transformation

RT4.2 Réactifs et produits selon équation de réaction ou absence de mention

Parisi (2002)

p. 62 : On dit qu’un système chimique […] est dans un état d’équilibre dynamique […] lorsque les concentrations des réactifs et des produits n’évoluent plus.

p. 137 : On suppose que les espèces chimiques intervenant dans le membre de gauche sont les réactifs et que celles du membre de droite sont les produits.

Barde et al. (2002)

p. 84, doc. 8 : La composition finale du système de réactifs (R) et de produits (P) varie en fonction de la composition initiale.

p. 134 : Lorsque Qr> K, le sens d’évolution spontané d’un système est le sens inverse, le sens de « formation des réactifs ».

p. 134 : La transformation spontanée forme les réactifs.

Clavel-Monin et al. (2002)

p. 179 : que les produits de la transformation étudiée.

p. 179 : En l’absence de tout produit de la réaction.

Villar (2002)

p. 128 : L’un des produits de la transformation au moins n’est pas présent.

p. 121 : les concentrations des produits diminuent et celles des réactifs augmentent.

Parisi (2006)

p. 55 : On dit qu’un système chimique […] est dans un état d’équilibre dynamique […] lorsque les concentrations des réactifs et des produits n’évoluent plus.

p. 56 : Si l’on suppose que A et B sont réactifs, on écrit A + B = C + D. Si l’on suppose que C et D sont réactifs, on écrit C + D = A + B.

Bouvry et al. (2006)

p. 103 : Montrons que si des produits se forment à partir des réactifs, ces produits sont parfois capables de redonner les réactifs.

p. 125 : Bien que le signe = soit utilisé pour écrire l’équation de réaction, il faut toujours écrire au numérateur les nombres qui mesurent le comportement des produits et au dénominateur ceux des réactifs.

p. 198 : le quotient de réaction diminue : les produits disparaissent, les réactifs apparaissent.

Durupthy (2006)

p. 108 et 109 : Une transformation chimique d’un système donné est une transformation entre un état initial et un état final dans lequel il y a coexistence des produits et des réactifs.

2.2.2. Interprétation cinétique de l’état d’équilibre

40Tous les manuels de l’échantillon étudié proposent à un moment ou à un autre une interprétation de l’état d’équilibre du système chimique par l’égalité des vitesses des réactions inverses, donc en termes macroscopiques (CE1.1, tableau 6). L’interprétation en termes de cinétique microscopique (CE1.2, tableau 6) n’est donnée explicitement que par trois manuels (chapitre 6 : les deux sens d’une transformation chimique pour Villar, 2002 ; chapitre 6 : réactions s’effectuant dans les deux sens pour Tomasino, 2002 ; chapitre 5 : l’équilibre chimique pour Durupthy, 2006). Deux des interprétations fournies par ces trois manuels peuvent prêter à discussion : l’une ne semble valable que dans le cas de réactions de même ordre global (Durupthy, 2006, tableau 6), l’autre glisse imperceptiblement du plan microscopique (les chocs et les entités) à un plan indéfinissable (Villar, 2002, tableau 6). Ces interprétations n’indiquent pas que les chocs efficaces sont l’occasion de transferts d’électrons ou ruptures (ou création) de liaisons entre éléments chimiques. Un manuel (Durupthy, 2006) utilise plus souvent cette explication par la cinétique microscopique (CE1.2) alors que les autres manuels avancent plus volontiers l’explication en termes de cinétique macroscopique (CE1.1).

41Quand il s’agit de distinguer les plans microscopiques et macroscopiques (CE1.3 et CE1.4, tableau 1), les manuels manquent de rigueur dans l’emploi des termes utilisés. Ainsi, celui de réaction (CE1.3, tableau 7) est employé dans des explications purement microscopiques (Villar, 2002) et la vitesse de réaction intervient pour des processus eux aussi microscopiques (Bouvry et al., 2006). L’utilisation discutable de certains termes (CE1.4, tableau 7), se retrouve aussi lorsqu’on analyse les schémas explicatifs avec leur légende : réaction, choc efficace et entités réactives sont alors étroitement liés sans explication suffisante (Parisi, 2002, 2006 ; Clavel-Monin et al., 2002 ;Villar, 2002).

Tableau 6 : catégories CE1.1 et CE1.2, cinétique macroscopique et microscopique.

CE1.1 Explication macroscopique

CE1.2 Explication microscopique

Parisi (2002)

p. 64 : L’équilibre chimique est dynamique. Il ne se traduit pas par l’absence de réactions chimiques, mais par la coexistence de deux réactions inverses se produisant simultanément et à la même vitesse.

-

Barde et al. (2002)

p. 68 : Le système chimique est en équilibre lorsque les deux réactions se produisent à la même vitesse.

-

Clavel-Monin et al. (2002)

p. 88 : Si le système est à l’équilibre, les quantités de matière des différentes entités sont constantes ; il est donc nécessaire que les vitesses v1 et v2 soient égales.

-

Villar (2002)

p. 109 : L’état d’équilibre est atteint lorsque la vitesse de réaction entre les réactifs est égale à la vitesse de réaction entre les produits de la réaction.

p. 109 : C et D sont peu nombreuses et il se produit peu de chocs efficaces par unité de temps

Le nombre d’entités A et B diminue progressivement […] On atteint un état d’équilibre dynamique : il se forme autant de A et de B qu’il n’en disparaît par unité de temps ; il en est de même pour C et D.

Tomasino (2002)

p. 102 : Un état d’équilibre chimique résulte de deux réactions s’effectuant en sens inverses et avec des vitesses égales.

p. 102 : les chocs efficaces entre entités réactives compensent exactement les chocs efficaces entre entités produites.

Parisi (2006)

p. 55 : L’équilibre chimique est dynamique. Il ne se traduit pas par l’absence de réactions chimiques, mais par la coexistence de deux réactions inverses se produisant simultanément et à la même vitesse.

-

Bouvry et al. (2006)

p. 111 : Les concentrations de ces espèces n’évoluant pas au niveau macroscopique, ces vitesses sont alors égales.

-

Durupthy (2006)

p. 77 : lorsque la vitesse de la réaction directe et celle de la réaction inverse sont égales, la composition du système n’évolue plus.

p. 108 : Lorsque l’état d’équilibre est atteint, pendant la même durée, le nombre de chocs efficaces entre entités réactives d’une part et entre entités produites d’autre part sont égaux.

Figure 2 : représentation de chocs efficaces ou non.

© VILLAR J.-G. (dir.), Chimie terminale S enseignement obligatoire, Bordas, 2002, p. 109.

42Sur la figure 2, les entités sont représentées par les sphères A, B, C et D. Sur le schéma de gauche, A et B subissent un choc efficace et à côté de ce terme, celui de « réaction chimique » est écrit. Sur le schéma de droite, A et B subissent un choc non efficace et le terme « pas de réaction » est ajouté. Alors que dans ce programme le concept de réaction chimique est un modèle macroscopique destiné à interpréter et expliquer la transformation empirique d’un système chimique et que le concept de réaction élémentaire n’est pas introduit, ces illustrations peuvent laisser penser qu’une réaction chimique est un choc efficace et donc un événement microscopique. On pourra noter également qu’il n’est pas question de liaisons chimiques rompues ou créées ou d’électrons transférés alors qu’il s’agit du type d’interprétation vers laquelle pourrait tendre une représentation microscopique des processus chimiques.

43La figure 3 ci-dessous présente l’extrait complet (paragraphe et illustration) qu’un livre (Barde et al., 2002) consacre à l’interprétation microscopique de l’état d’équilibre chimique. Alors qu’on attendrait la mention de chocs (ou collisions) efficaces entre entités (ou molécules) pour expliquer la formation d’autres entités, une explication à caractère macroscopique invoquant les vitesses de formation est fournie. Le document 13 attaché à cette explication est aussi discutable : il se situe au niveau macroscopique d’après la légende « autant de moles de… » alors qu’une schématisation microscopique mettant en image des sphères (ou autres) figurant les entités serait plus conforme au titre du paragraphe. Ce document met l’accent sur les formules chimiques qui représentent plutôt les molécules que les espèces chimiques puisque l’état physique n’est pas mentionné, il dispose ces formules chimiques comme dans l’équation de réaction (concept macroscopique), il peut ainsi renforcer une tendance des élèves observée dans de nombreuses études. En effet, certains élèves ont tendance à penser que dans le milieu réactionnel, les espèces chimiques écrites d’un côté de l’équation de réaction sont séparées des espèces écrites de l’autre côté de l’équation (Cros et al., 1984 ; Gorodetzky & Gussarsky, 1986 ; Cachapuz & Maskill, 1989 ; Stavridou & Solomonidou, 2000 ; Chiu, Chou & Liu, 2002). Ce document séparant nettement les symboles chimiques et les groupant comme dans l’équation de réaction risque d’associer cette vision à une représentation mentale microscopique, puisque c’est le titre du paragraphe et qu’aucun schéma ne vient illustrer l’affirmation figurant dans la légende « or, au niveau microscopique, l’activité est intense »

Figure 3 : interprétation microscopique

© Barde et al., Chimie terminale S., Hachette (Collection Hélios ), 2002, p. 68.

Tableau 7 : catégories CE1.3 et CE1.4, utilisation discutable de termes macroscopiques et microscopiques.

CE1.3 concept macroscopique utilisé au niveau microscopique

CE1.4 entités « macroscopiques »

Parisi (2002)

Doc. 11 p. 64

Barde et al. (2002)

Doc. 13 p. 68.

p. 50 : La vitesse de réaction dépend du nombre de choc efficace […] donc de la concentration des entités réactives et de leur température.

Clavel-Monin et al. (2002)

Schéma p. 91.

p. 88 : Il disparaît à chaque instant autant d’entités chimiques par la réaction directe qu’il s’en forme par la réaction inverse.

Villar (2002)

Schéma p. 109

p. 108 : le choc résultant peut être efficace, et la réaction a lieu

p. 110 : Les quantités de matière des réactifs et des produits ne varient plus, mais à l’échelle microscopique, deux réactions se poursuivent en sens inverse et à la même vitesse.

p. 109 : Dès que les entités C et D sont formées, elles réagissent entre elles

p. 109 : le nombre d’entités A et B diminue progressivement : elles réagissent et il en disparaît davantage par unité de temps qu’il ne s’en forme par la réaction inverse.

Tomasino (2002)

p. 89 : La vitesse d’une transformation est d’autant plus grande que la concentration molaire des entités réactives dans le milieu réactionnel est plus grande.

Parisi (2006)

Doc. 11 p. 55.

Bouvry et al. (2006)

p. 111 : la transformation de deux molécules de réactifs en produits avait lieu lors d’un choc efficace.

p. 112 : A l’échelle microscopique, les processus dans un sens et dans l’autre se font à la même vitesse.

p. 70 : Les entités réactives disparaissent progressivement, leur concentration diminue, et donc la vitesse de réaction diminue.

Durupthy (2006)

2.2.3. Critère d’évolution thermodynamique

44Le critère d’évolution thermodynamique est traité par l’ensemble des manuels scolaires analysés conformément à la présentation claire et détaillée qui figure dans le libellé du programme. Tous les manuels font apparaître, dans leur définition de la constante d’équilibre associée à une équation de réaction, la dépendance à la température, ou même consacrent un paragraphe à cet aspect thermodynamique. Le quotient de réaction, à la base de l’application de ce critère, est défini comme une fonction des concentrations des solutés et apparaît comme une simple fonction prédictive, sans qu’il soit signalé qu’il n’est qu’un élément de modèle parmi d’autres, dans sept manuels sur les huit examinés. Seul un manuel (Parisi, 2002, p. 137) introduit le quotient de réaction et son utilisation pour le critère d’évolution au sein d’un paragraphe intitulé « Modélisation d’une transformation chimique » où apparaissent les éléments : « état initial et état final du système », « équation chimique », « constante d’équilibre K » puis « quotient de réaction Qr ». Cette présentation disparaît de l’édition 2006 (Parisi, 2006), ce qui affaiblit le propos, bien que les limites d’application du modèle soient alors plus complètes.

45Trois manuels, édités en 2002, ne mentionnent aucune limite à l’application du critère d’évolution thermodynamique (ET2.4). Les autres manuels, édités en 2002 ou 2006, proposent des limites à l’application du critère d’évolution thermodynamique, en insistant particulièrement sur l’aspect cinétique (ET2.1, voir tableau 1) : « Dans certains cas, une évolution spontanée est possible, mais celle-ci est tellement lente qu’on ne l’observe pas » (Parisi, 2002) ; « le critère d’évolution ne prend pas en compte les considérations cinétiques » (Bouvry et al., 2006, p. 199), « aux températures ordinaires, cependant, elle est extrêmement lente et le diamant est stable » (Parisi, 2006, p. 142), « cependant, ce critère ne prend pas en compte la vitesse avec laquelle un système va évoluer » (Durupthy, 2006, p. 194). Deux manuels évoquent l’impossibilité de détecter une modification chimique lorsque l’avancement de réaction tend vers zéro (RT2.2, Tomasino, 2002 ; Durupthy, 2006) ou l’absence possible de réactif solide dans le milieu réactionnel (RT2.3, Parisi, 2006 ; Tomasino, 2002).

46Trois manuels mentionnent le « caractère réversible de la réaction chimique » (Clavel-Monin et al., 2002, p. 128) ou « une réaction réversible » (figurant dans les mots-clés du chapitre 6, Tomasino, 2002, p. 103) ou « la réversibilité d’une réaction chimique » (Barde et al., 2002, p. 67) pour exprimer le fait qu’une transformation chimique peut avoir lieu dans le sens inverse de l’équation chimique considérée.

3. Discussion

47L’analyse de cet échantillon de manuels scolaires montre que même si les termes de réaction et transformation sont utilisés (RT1), cela ne correspond pas véritablement à une distinction. En effet ces concepts ne sont pas précisément délimités et on trouve souvent un terme utilisé pour l’autre, au sein d’un seul chapitre parfois. La plupart des auteurs de manuels (5 groupes d’auteurs sur 8), reprennent l’expression ambiguë « d’une réaction dans les deux sens » (RT2) introduite par les auteurs de programme et rectifiée par ces derniers dans le document d’accompagnement. Deux manuels, correspondant à un même noyau d’auteurs (Parisi, 2002, 2006) qualifient la réaction inverse de nouveau modèle, signalent que l’introduction du signe égal dans l’équation de réaction correspond à un nouveau modèle et ne font pas l’objet des critiques qui viennent d’être mentionnées. Le changement de symbole dans l’équation de réaction est la marque d’une transformation non totale ou d’un sens d’évolution non prédéfini pour tous les auteurs de manuels cependant trois manuels (Durupthy, 2006 ; Parisi, 2002, 2006) seulement font dépendre le statut de réactifs et de produits, du sens de la transformation chimique réalisée et ne proposent pas d’interprétation erronée de ce symbole.

  • 6 Certes une version provisoire était disponible sur le site internet (qui n’existe plus maintenant) (...)

48Concernant l’approche cinétique de l’état d’équilibre chimique, tous les manuels fournissent une interprétation en termes de cinétique macroscopique correcte alors même qu’elle ne figure pas dans le libellé du programme, mais seulement dans le document d’accompagnement publié6 après l’édition des manuels. Comme on l’a rappelé, la première partie du programme est consacrée à l’étude des vitesses de réaction dans le cas de transformations totales, les auteurs de manuels ont probablement cherché une continuité dans l’utilisation des savoirs. De plus ce type d’explication était déjà présent dans certains livres du précédent programme : « chacune des deux réactions inverses continue à se produire, mais à la même vitesse » (Tomasino & Sliwa, 1995, p. 123). Une interprétation microscopique rigoureuse est moins répandue dans les manuels, elle n’est pas aussi complète qu’on pourrait l’attendre et on trouve dans presque tous des considérations mêlant concepts macroscopiques et microscopiques sans précaution.

49Le dernier thème soumis à notre analyse, le critère d’évolution thermodynamique, est proposé par le programme officiel pour expliquer, prévoir l’évolution d’un système et l’arrêt d’une transformation chimique une fois l’état d’équilibre atteint. Tous les manuels scolaires présentent cette partie du programme en mettant en valeur la procédure algorithmique de comparaison du quotient de réaction dans l’état considéré à la constante d’équilibre, permettant de décider du sens (ou de l’absence) d’évolution du système ou de le justifier a posteriori. Le statut d’élément d’un modèle qu’on peut attribuer au quotient de réaction n’est pas relevé par la grande majorité des manuels examinés, ce qui explique que deux d’entre eux seulement évoquent une limite de fonctionnement de ce modèle pour des systèmes hétérogènes. Davantage de manuels (5) indiquent qu’une prévision issue du critère d’évolution peut ne pas être observée pour des raisons cinétiques. Ce n’est pas véritablement le modèle thermodynamique lui-même qui est mis en défaut, puisque rien dans le critère d’évolution n’est en lien avec les vitesses de réaction qui relèvent d’un autre champ théorique, le critère d’évolution n’a pas vocation à dire si une transformation chimique est rapide ou lente. Ceci incite à penser que les auteurs de manuels perçoivent mieux ou considèrent comme plus important ce qui ressort du domaine d’application du critère d’évolution (décider si une transformation chimique est possible ou pas) qu’une limite de fonctionnement du modèle due à sa structure intrinsèque, l’absence de grandeur correspondant aux solides ou au solvant dans l’expression du quotient de réaction.

50Cette étude avait pour objectif de déterminer si les auteurs de manuels scolaires répercutent les modifications de programme et s’ils comprennent les enjeux didactiques que celui-ci véhicule. Les principaux nouveaux contenus du programme se retrouvent dans tous les manuels, cependant, selon les thèmes, ils sont abordés de façon plus ou moins rigoureuse. Le thème transformation et réactions chimiques illustre particulièrement cet aspect contrasté : tous les manuels utilisent le terme transformation mais peu le font continuellement à bon escient, et peu nombreux sont ceux qui considère la réaction inverse comme un nouveau modèle venant modifier l’ancien et s’y ajouter, ce qui veut dire que la distinction entre le registre empirique et ce qui relève de l’interprétation, le registre du modèle, n’est pas claire dans la plupart des manuels. Le thème interprétation cinétique de l’équilibre chimique est un autre exemple du traitement ambigu de certains contenus : l’interprétation cinétique macroscopique plutôt bien abordée, alors même que le programme la passe sous silence, et l’interprétation microscopique pas toujours rigoureuse ou absente, alors qu’elle est décrite dans le libellé du programme. Aucune de ces deux interprétations ne fait l’objet de compétences exigibles au baccalauréat pas plus que la distinction entre les concepts de transformation et réaction chimiques, ce qui peut constituer une raison au manque de rigueur que l’on observe chez certains auteurs. Le thème critère d’évolution thermodynamique est présenté par les manuels en conformité avec les préconisations du programme.

  • 7 Un bref sondage auprès de quelques auteurs de manuels a indiqué que certains chapitres sont écrits (...)

51Selon notre étude, la perception par les auteurs de manuels scolaires des modifications importantes apportées dans les programmes officiels n’est que partielle. On constate en effet des disparités dans l’utilisation des concepts d’un chapitre à l’autre pour certains manuels et au sein d’un même chapitre pour d’autres7. Certains de ces auteurs ne donnent pas une explication par le modèle cinétique microscopique ou par le modèle cinétique macroscopique séparément, mais utilisent souvent un mélange d’explication appartenant à ces deux modèles, utilisant des concepts de l’un au sein de l’autre et réciproquement. L’analyse des manuels postérieurs à 2002 révèle le même genre de confusion, ce qui incite à envisager un temps d’assimilation des objectifs et des difficultés d’un nouveau programme très long et une forte persistance des habitudes de pensée antérieures. Il s’avère que les auteurs des manuels examinés comme l’échantillon d’enseignants ayant fait l’objet d’une précédente étude (Kermen & Méheut, 2008) ont bien perçu l’intention didactique des auteurs du programme visant à proposer un critère d’évolution général et d’utilisation aisée, par contre le désir de développer un double regard macroscopique-microscopique sur les phénomènes chimiques est sans doute moins bien compris tout comme la distinction à opérer entre transformation et réactions chimiques. Ces deux derniers aspects sont liés au rôle joué par les modèles alors que le faible nombre de manuels ayant mentionné les limites d’application du critère d’évolution soulève la question de la reconnaissance des limites de fonctionnement d’un modèle.

Conclusion

52Cette étude avait pour but d’évaluer dans quelle mesure, les rédacteurs de manuels scolaires ont adapté le contenu des livres en réponse à une modification du programme officiel d’enseignement en classe de terminale S. Elle a montré que leur perception des enjeux du programme est contrastée. Plusieurs raisons de différentes natures à cette perception insuffisante des intentions didactiques des auteurs de programme peuvent être proposées : tout d’abord le manque de temps entre la publication du programme et la rentrée scolaire d’entrée en vigueur ce qui réduit nécessairement la réflexion des rédacteurs de manuels sur les contenus et les objectifs, ensuite le retard de publication du document d’accompagnement qui précise les intentions des auteurs du programme et les traduit en activités ou travaux pratiques ou compléments, également l’insuffisante explicitation dans le libellé du programme lui-même de certaines de ces intentions (Kermen & Méheut, 2008) et enfin la mise en lumière de modèles là où il n’en était pas ou peu fait mention jusque-là (par exemple réactions modèles de transformations) ce qui a contribué à ébranler des habitudes établies de longues dates sans toutefois les modifier en profondeur pour beaucoup.

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Notes

1 Le Bulletin de l’union des physiciens et L’actualité chimique.

2 Dans l’approximation courante selon laquelle on néglige la variation du potentiel des corps purs liquide et solide avec la pression, la constante d’équilibre est alors reliée à une combinaison linéaire des potentiels chimiques standard (donc à pression fixée) et indépendante de la pression.

3 Il n’est pas nécessaire de connaître le mécanisme réactionnel pour parler de chocs efficaces si l’on vise une compréhension qualitative des modifications étudiées. Il suffit de dire que tant que le système évolue, des chocs efficaces entre les entités qui apparaissent dans le bilan, ou qui n’y apparaissent pas, conduisent à l’augmentation du nombre moyen de certaines entités et à la diminution du nombre moyen de certaines autres entités. Lorsque le système est à l’équilibre chimique, le nombre moyen de chaque entité est constant sans que pour autant les chocs efficaces cessent et sans qu’il soit nécessaire d’évoquer leur fréquence, l’objectif étant de faire prendre conscience que les entités n’ont pas perdu leur mobilité et que les chocs restent aléatoires au plan microscopique, étant donné que tout autre aspect, notamment énergétique, est exclu du programme.

4 Le concept de réaction élémentaire est ambigu dans la mesure où au plan microscopique, l’équation d’une réaction élémentaire représente un choc efficace ayant lieu entre entités mais cette équation a aussi la même signification macroscopique que pour les réactions non élémentaires, représentation d’un bilan global. De plus lorsqu’on parle de vitesse de réaction (même élémentaire) c’est alors à la signification macroscopique du concept qu’il est fait appel puisqu’une vitesse de réaction n’a de sens qu’au plan macroscopique.

5 L’expression du quotient de réaction proposée signifie que l’on travaille dans l’approximation des solutions diluées, c’est-à-dire que l’activité d’un soluté est prise égale au rapport de sa concentration et de la concentration de référence, et l’activité du solvant vaut 1. L’activité d’un solide pur vaut également 1 quelle que soit la quantité de matière considérée. Par ailleurs le critère d’évolution tel qu’il est présenté en terminale est valable, que le système évolue à température et pression constantes, ou bien à température et volume constants, puisqu’il découle du signe de l’affinité chimique.

6 Certes une version provisoire était disponible sur le site internet (qui n’existe plus maintenant) des auteurs du programme durant l’année 2001-2002, cependant la raison proposée en lien avec la continuité des savoirs paraît plus fondée.

7 Un bref sondage auprès de quelques auteurs de manuels a indiqué que certains chapitres sont écrits par des auteurs différents et que les auteurs d’un même ouvrage ne sont pas ou peu en contact lors de réunions.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : représentation schématique d’une transformation chimique.
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Pour citer cet article

Référence papier

Matthieu Négrier et Isabelle Kermen, « Quelle adéquation entre intentions didactiques d’un programme de chimie et des manuels scolaires ? »RDST, 4 | 2011, 163-194.

Référence électronique

Matthieu Négrier et Isabelle Kermen, « Quelle adéquation entre intentions didactiques d’un programme de chimie et des manuels scolaires ? »RDST [En ligne], 4 | 2011, mis en ligne le 15 février 2014, consulté le 25 février 2021. URL : http://journals.openedition.org/rdst/527 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.527

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Auteurs

Matthieu Négrier

matthieu.negrier@wanadoo.fr
Université Paris-Diderot, laboratoire de didactique André Revuz.

Isabelle Kermen

isabelle.kermen@univ-artois.fr
Université d’Artois, laboratoire de didactique André Revuz.

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Droits d’auteur

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