La chimie dans le second degr

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• La chimie dans le second degré

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LES SCIENCES DE LA MATIÈRE DANS LE SECOND DEGRE
EN FRANCE
PREMIER CYCLE LE COLLEGE Durée 4 années (
11 à 14 ans)
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LES SCIENCES DE LA MATIÈRE DANS LE SECOND DEGRE
EN FRANCE
DEUXIEME CYCLE LE LYCEE GENERAL ET
TECHNOLOGIQUE Durée 3 années ( 15 à 17 ans)
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Les objectifs de lenseignement des sciences
physiques et chimiques au lycée

• Fournir une représentation cohérente des sciences
  physiques et chimiques
• Étudier les grands principes gouvernant la
  structure et lévolution des systèmes
• Acquérir un double regard, macroscopique et
  microscopique
• Aborder la dimension sociale et culturelle
• Approcher quelques éléments dhistoire des
  sciences
• Favoriser lorientation vers des filières
  scientifiques
• Développer le questionnement et la pratique
  expérimentale.

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La chimie en classe de Seconde

• Public
• classe de détermination, dernière année de chimie
  pour certains élèves, programme conçu comme un
  tout.
• Fil conducteur
• premières explorations de la matière du
  macroscopique (espèces chimiques) au
  microscopique (entités) et de ses transformations
  chimiques.
• Contenus
• culture scientifique commune,
• implication dans la vie quotidienne et importance
  socio-économique de la chimie,
• identité disciplinaire dimension expérimentale,
  aspects historiques, modèles de description et
  langage spécifique.

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Seconde

• Enseignement fondamental (80)
• Partie I Chimique ou naturel ?
• Approche expérimentale notion macroscopique
  d espèce chimique. Réponse aux préjugés
   naturel bénéfique, chimique suspect  et
  justification de la chimie de synthèse et de
  l industrie chimique.
• Partie II Constitution de la matière
• Modélisation microscopique notion d entité,
  structure et géométrie d entités simples.
  Classification périodique des éléments
• Partie III Transformation de la matière
• Va et vient macroscopique-microscopique,
  expérience-modélisation pour valider le processus
  d une transformation la réaction chimique
• Enseignement thématique (20 )
• Approfondissement de l enseignement fondamental
  autour d un thème libre et adapté à la classe.

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La chimie en classe de Première S

• Présentation de deux activités importantes du
  chimiste
• analyser la matière (la mesure en chimie)
• créer des espèces nouvelles (la chimie créatrice)
• Exploration de différents aspects des
  transformations chimiques
• échanges de particules entre entités (protons,
  électrons),
• évolution de paramètres physiques macroscopiques
  pour suivre lévolution d un système au cours
  d un dosage,
• aspects énergétiques associés aux changements de
  structure des espèces mises en jeu.
• Relation structure-propriétés
• une formule chimique a du sens pour un chimiste
  évocation des propriétés physiques et chimiques
  analogie de comportement des espèces vis à vis
  d un même réactif associé à des analogies de
  structures des entités...

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PREMIÈRE SInteractions et énergie

• CHIMIE
• I. La mesure en chimie (16 h, 8/9TP)
• A. Pourquoi mesurer des quantités de matière ?
• B. Grandeurs physiques liées aux quantités de
  matière masse, volume, pression, concentration
• C. Comment déterminer des quantités de matière en
  solution à l aide d une mesure physique ?
  Lexemple de la conductimétrie
• D. Comment déterminer des quantités de matière en
  solution à l aide de la réaction chimique ?
• II. La chimie créatrice (11h, 4/5TP)
• A. La chimie organique de sa naissance à son
  omniprésence dans le quotidien
• B. Apprendre à lire une formule chimique
  squelettes carbonés et groupes caractéristiques
• III. L énergie au quotidien la cohésion de la
  matière et les aspects énergétiques de ses
  transformations (4h, 1/2TP)

• PHYSIQUE
• I. Les interactions fondamentales (3h,1TP)
• II. Forces, travail et énergie (18h, 6TP)
• A. Forces et mouvements
• B. Travail mécanique et énergie
• III. Électrodynamique (15h, 5TP)
• A. Circuit électrique en courant continu
• B. Magnétisme. Forces électromagnétiques
• IV. Optique (9h, 3TP)

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La chimie en classe de Terminale S

• Fil directeur du programme
• lévolution des systèmes chimiques
• Contenus
• lévolution temporelle,
• la relaxation vers léquilibre,
• la prévision du sens dévolution (à laide du
  quotient de réaction),
• le contrôle possible de lévolution  de nombreux
  exemples sont pris en chimie organique, dans les
  grandes synthèses industrielles et dans le monde
  du vivant.

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TERMINALE SIntroduction à l évolution
temporelle des systèmes

• CHIMIE
• Introduction les questions qui se posent au
  chimiste (1h)
• A. La transformation d un système chimique
  est-elle toujours rapide? (2TP,9h)
• B. La transformation d un système chimique
  est-elle toujours totale? (4TP,9h)
• C. Le sens  spontané d évolution d un système
  est-il prévisible? Le sens d évolution d un
  système chimique peut-il être inversé? (3TP,9h)
• D. Comment le chimiste contrôle t-il les
  transformations de la matière? (4TP, 7h)

• PHYSIQUE
• Introduction à l évolution temporelle des
  systèmes (1TP)
• A. Propagation d une onde ondes progressives
  (2TP, 9h)
• B. Transformations nucléaires (2TP, 7h)
• C. Évolution des systèmes électriques (3TP,10h)
• D. Évolution temporelle des systèmes mécaniques
  (5TP, 22h)
• E. L évolution temporelle des systèmes et la
  mesure du temps (2h)

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TERMINALE SEnseignement de spécialité

• CHIMIE
• Le chimiste et le quotidien mise en relief des
  activités du chimiste et des techniques ou
  procédés utilisés au laboratoire ou dans
  lindustrie
• A. Extraire et identifier des espèces chimiques
  (2 TP)
• B. Créer ou reproduire des espèces chimiques (2
  TP)
• C. Effectuer des contrôles de qualité (4 TP)
• D. Élaborer un  produit  de consommation de
  la matière première à la formulation (3 TP)

• PHYSIQUE
• A. Produire des images, observer ( 5 TP)
• B. Produire des sons, écouter (5
  TP)
• C. Produire des signaux, communiquer (4 TP)

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Quels fondamentaux de la chimie devraient être
acquis à lissue des classes de Seconde, Première
S et Terminale S ?

• Fondamentaux intégrés sur 3 ans essentiellement
  identiques à ceux daujourdhui
• Bilans de matière (en utilisant lavancement)
• Lévaluation des quantités de matière (dosages
  par étalonnage et par titrage)
• Quelques éléments de structure et de réactivité
• Le rôle du facteur temps
• État déquilibre chimique dun système
• Dépasser les contraintes thermodynamiques et
  cinétiques
• Quelques acquis supplémentaires
• Prévisions du sens dune transformation à partir
  de la connaissance des conditions initiales du
  système et de la constante déquilibre (en
  comparant le quotient de réaction à la constante
  déquilibre)
• Double regard macroscopique microscopique
• Quelques notions en moins
• Potentiel standard dun couple oxydant réducteur
• Notions de stéréochimie liées à présence dun
  carbone asymétrique et à lexistence de
  conformères
• Aucun mécanisme réactionnel nest abordé

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Quelques aspects importants des programmes de
chimie au lycée

• Lintroduction dès la classe de seconde de
  loutil avancement et son utilisation
  jusquen terminale S dans lanalyse des systèmes
  chimiques
• Une approche pédagogique nouvelle des
  transformations de la matière pour lutter contre
  certaines représentations fausses des élèves dans
  leur perception de la réaction chimique
• Une réponse méthodologique à l'analyse
  d'obstacles rencontrés par les élèves dans la
  mise en uvre des bilans de matière (problème lié
  entre autre à des difficultés avec la
  proportionnalité) et dans l'établissement des
  relations à l'équivalence.
• La dimension expérimentale de cet enseignement
• Une condition permettant lémergence des concepts
  et la pratique de la démarche expérimentale
  autour dexpériences de cours ou en travaux
  pratiques.
• La pratique du questionnement
• Une mise en situation accordant une place
  privilégiée aux activités de réflexions
  scientifiques construites autour de
  situations-problèmes
• acquisition de maturité vis à vis des
  apprentissages et dans lappropriation des
  savoirs
• mise en oeuvre autonome de la démarche
  scientifique
• responsabilisation de lélève

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Lintroduction dès la classe de seconde de
loutil avancement et son utilisation
jusquen terminale S dans lanalyse des systèmes

• Analyse des difficultés rencontrées par les
  élèves lors de létude de la réaction chimique
• Distinction non faite entre la transformation
  chimique (registre des phénomènes) menant un
  système dun état initial à un état final et la
  réaction chimique responsable de cette
  transformation qui est un modèle (registre des
  modèles) à léchelle macroscopique des évènements
  ayant lieu au niveau microscopique. Cette
  réaction est écrite de façon symbolique par
  léquation chimique (registre des représentations
  symboliques),
• Difficulté à utiliser léquation chimique et les
  nombres stoechiométriques pour faire un bilan de
  matière problème avec les relations de
  proportionnalité, confusions entre les quantités
  de matière présentes et celles ayant réagi
  introduction du tableau décrivant lévolution du
  système et de loutil avancement,
• Difficulté de compréhension des titrages et
  détablissement de la relation entre quantité de
  matière à léquivalence progressivité dans
  lapprentissage du titrage, utilisation du
  tableau pour appréhender les différentes phases
  du tirage et faire émerger léquivalence
  (changement de réactif limitant) introduction de
  la conductimétrie comme technique de suivi de
  suivi des titrages (G proportionnel à c)
• A propos de lévolution vers un état final du
  système, état déquilibre chimique utilisation
  du tableau dévolution avec Xfinal xeq et Qreq
  K

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Lanalyse de lévolution des systèmes chimiques
au lycée concepts et outils

• Registre des phénomènes
• la transformation chimique (ce que jobserve)
• Registre des modèles
• la réaction chimique (comment cela semble se
  transformer au niveau macroscopique tout se
  passe comme si)
• -Registre des symboles
• lécriture symbolique de la réaction léquation
  chimique

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Outils de description mis en place dès la classe
de Seconde

• Un système chimique évolue au cours dune
  transformation dun état initial à un état final.

• La réaction modélise le passage des réactifs aux
  produits le magnésium réagit avec les ions
  H(aq) pour former du dihydrogène et des ions
  magnésium
• Léquation est lécriture symbolique de la
  réaction, elle rend compte de la conservation des
  éléments par lajustement des nombres
  stoechiométriques

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Outils danalyse proposés
Le tableau descriptif de lévolution du système
au cours dune transformation chimique et
lavancement
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A partir de la classe de seconde Pour effectuer
les bilans de matière
Compétences en cours dacquisition en seconde et
exigibles en première S
Létat final est atteint lorsquun réactif a
entièrement disparu (réactif limitant)
lavancement final est égal à lavancement
maximal. On considère les transformations comme
totales en seconde et première S.
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En classe de première SPour comprendre le
principe des titrages
En phase dapprentissage, plusieurs tableaux sont
établis pour comprendre lévolution des quantités
de matière de réactifs présentes dans le becher
au cours de laddition de la solution titrante.
Létat initial considéré est alors le volume V0
de solution dions fer(II) à titrer et volume V
de solution titrante versée
20
Démarche mise en place pour faire émergerla
notion déquivalence

• Par lécriture des quantités de matière à létat
  final, il résulte du tableau trois cas quand
  les ions permanganate sont le réactif limitant,
  quand les ions fer(II) sont le réactif limitant
  et à léquivalence (quand les deux réactifs sont
  limitants).
• On peut représenter lévolution des quantités de
  matière des espèces présentes dans le becher au
  cours du titrage en fonction de la quantité
  dions permanganate versée et mettre ainsi en
  évidence deux domaines et un point singulier.
  Léquivalence acquiert là un sens chimique et
  nest plus seulement un point particulier dune
  courbe pHmétrique ou autre.

MnO4- limitant
Fe2 limitant
n Fe2
n MnO4-
équivalence
n MnO4- versé
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A partir de la classe de première S Pour
déterminer rapidement la relation à léquivalence
du titrage

• Le tableau descriptif nest plus ensuite établi
  quà léquivalence E

• n(Fe2, dans le becher)0 - 5xmax n(MnO4- ,
  versé à E) - xmax 0
• Soit 5 n(Fe2, dans le becher)0 n(MnO4- ,
  versé à E)

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En classe de terminale S pour suivre l
évolution temporelle dun système

• Il convient de relier lévolution dune grandeur
  physique (P, G, v, m) à une quantité de matière
  de réactif ou de produit puis à lavancement x(t)
• Par le suivi manométrique de loxydation du
  magnésium, on mesure la pression P n(H2) RT/V
  puis on détermine x(t) n(H2)

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En classe de terminale S pour déterminer létat
déquilibre final dun système

• Quen est-il de létat final du système constitué
  à létat initial dun litre de solution dacide
  dichloroacétique de concentration molaire
  apportée c 0,1 mol/L ?
• CHCl2CO2H(aq) H2O CHCl2CO2-(aq) H3O
  KA 10-1,3

• On a lavancement final qui est égal à
  lavancement à léquilibre

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À léquilibre
Soit
Résolution de cette équation du second degré
xéq. 0,050 mol (et xéq. - 0,10 mol
impossible) Calcul du taux davancement de la
transformation
La transformation nest pas totale
NB pour une concentration apportée c 1,0
10-4 mol/L, le taux davancement est t 99,8 ,
la transformation peut alors être considérée
comme totale
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• Cest la transformation qui est totale ou non,
  pas la réaction !
• Le caractère total ou non dune transformation
  dépend à la fois
• de la constante déquilibre
• des conditions initiales (comme en Physique)
  cest à dire des quantités de matière présentes
  dans létat initial.
• Le critère K gt 104 pour considérer une
  transformation comme totale est donc insuffisant,
  on utilise le taux davancement final dans le
  nouveau programme.

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En classe de terminale S pour déterminer le sens
dévolution dun système
Soit la pile de concentration suivante ? Cu /
(Cu2SO42-) 0,01 mol.L-1 // NaNO3- //
(Cu2SO42-) 1,0 mol.L-1 / Cu ?
Les potentiels standard ne permettent pas de
prévoir l'évolution d'un tel système.
Utilisation du critère dévolution comparaison
de Qri et de K  Équation de la réaction Cu?
Cu2? Cu2? Cu? K 1
Qr lt K  le critère prévoit donc une évolution
dans le sens direct que l'on peut observer à
l'aide d'un ampèremètre
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La chimie organique

• Au collège
• Les matériaux demballage (le papier et les
  divers plastiques) action de lair et des
  solutions.
• En classe de seconde
• Extraction despèces organiques présentes dans
  les produits de la nature, synthèse despèces
  organiques (importance de la chimie de synthèse)
  et caractéristiques physiques (carte didentité),
  
• Structure et géométrie de quelques molécules
  organiques simples.
• En classe de première S
• Chimie créatrice importance du champ de la
  chimie organique, squelettes carbonés et groupes
  caractéristiques, familles de composés,
  réactivité (tests et passage dun groupe à un
  autre) et pétrochimie,
• Combustion des matières organiques aspects
  énergétiques et pollution.
• En classe de terminale S
• Exemples de transformations lentes (tests,
  bouteille bleue),
• Transformations non totales (les acides
  carboxyliques et les amines dans leau.),
• Contrôle des transformations ester,
  esterification, hydrolyse et saponification
  dester, utilisation danhydrides dacide,
  synthèse de molécules dusage courant,
  applications industrielles.

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Les apports culturels Dimensions sociale,
économique, citoyenne et historique

• En classe de seconde
• Chimique ou naturel ? Exploitation des ressources
  de la nature par lhomme. Évolution historique
  des techniques. Nécessité de la chimie de
  synthèse.
• La démarche historique de Mendeleiev
• En classe de première S
• Nécessité des analyses chimiques dans différents
  domaines de la vie courante exemples
• Histoire de la chimie organique, omniprésence de
  la chimie organique dans le quotidien,
  pétrochimie
• Applications des effets thermiques des
  transformations au quotidien moteurs à
  explosion, centrales thermiques
• En classe de terminale S
• Les activités du chimiste et les enjeux de la
  chimie dans la société
• Préoccupations du chimiste dans la société
  rendement, coût de production, impact sur
  lenvironnement, recyclage, élimination des
  déchets

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Le questionnement

• Une place privilégiée des activités de réflexions
  scientifiques construites autour de
  situations-problèmes permet lacquisition de
  maturité vis à vis des apprentissages et dans
  lappropriation des savoirs. Elle favorise la
  mise en oeuvre autonome de la démarche
  scientifique.
• Deux exemples pris dans le programme de Terminale
  S
• A propos des transformations non totales autour
  dune expérience de cours pour faire émerger le
  concept déquilibre.
• A propos des réactions compétitives et du
  contrôle exercé par le chimiste dans les
  opérations danalyse séance de travaux
  pratiques sur le titrage direct de laspirine.

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La dimension expérimentale de lenseignement de
chimie

• Pourquoi un enseignement expérimental ?
• Lexpérience de cours permet détablir un premier
  rapport entre le réel et sa représentation.
• Les travaux pratiques sont le seul moyen
  dappropriation de techniques et de méthodes, de
  confrontation des modèles des sciences physiques
  à la réalité des phénomènes, détablissement des
  liens entre le langage des sciences physiques et
  le monde car la seule maîtrise des symboles ne
  permet pas l'action sur le monde. .
• Quelles conditions pour que cet enseignement
  expérimental remplisse pleinement son rôle ?
• Les élèves doivent savoir ce quils cherchent,
  anticiper (quitte à faire des erreurs) un ou des
  résultats possibles, agir, expérimenter, conclure
  et ainsi élaborer leurs connaissances.
  Lenseignant doit veiller à bien définir les
  objectifs de contenus et à limiter le nombre des
  compétences mises en jeu dans une séance de TP
  afin de bien dégager les notions quil veut faire
  acquérir.
• Une grille de suivi des compétences mises en jeu
  lors des séances de travaux pratiques outil
  pour aider le professeur à construire les séances
  de TP et à les diversifier mais pas pour procéder
  à lévaluation des élèves. Les compétences liées
  au comportement de lélève napparaissent pas
  dans la grille car elles interviennent en
  permanence  précision, soin, organisation
  (rangement et anticipation), et plus largement
  rigueur.
• Deux versions de TP autour dun même thème
• Une évaluation des capacités expérimentales
  intégrée dans lépreuve de sciences physiques et
  chimiques du baccalauréat

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Pour nous résumer

• Une cohérence dans le discours et la démarche
• De lobservation au modèle et non linverse
• Du simple au complexe et non linverse
• Rendre aux modèles leur rôle interpréter le
  phénomène et non se substituer à lui
• Placer le questionnement au centre de la
  progression
• Privilégier le raisonnement qualitatif, limiter
  le calculatoire et le détail pour aller à
  lessentiel
• Réfléchir sur la métrologie et lanalyse des
  résultats
• Montrer que la maîtrise des concepts permet
  dappréhender le rôle du chimiste
• Montrer en quoi le chaos microscopique conduit
  (souvent) au déterminisme macroscopique

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En conclusion

• De laléatoire au déterministe,
• de la structure à la réactivité,
• de lexpérimental au modèle,
• du réel à la simulation,
• du cours magistral au questionnement
• , autant de pistes pour investir des
  découvertes, des théories, des techniques et des
  pratiques pédagogiques nouvelles.