Groupe Technique Disciplinaire de Physique et Chimie

 

 

LE PROGRAMME DE PHYSIQUE/CHIMIE

DE LA CLASSE DE SECONDE

 

[projet au 9 juin 1999]

 

 

 

A. Objectifs.

Les objectifs de l’enseignement de Physique et Chimie au lycée sont à la fois ambitieux et limités. Ambitieux parce qu’ils doivent répondre à une quadruple exigence :

Mais ces objectifs sont aussi limités. En effet, bien que les élèves aient déjà abordé la Physique et la Chimie au collège, c’est au lycée qu’il faut les amener à comprendre quelques aspects du comportement de la nature à l’aide de lois générales s’exprimant sous forme de relations mathématiques entre grandeurs physiques bien construites. Or, compte tenu des outils mathématiques qu’ils acquièrent au lycée, ceci ne peut se faire que dans peu de cas. Il est d’autant plus important de bien les choisir.

Outre ces contraintes d’objectifs, il convient de tenir compte de celles qui résultent du fait que la classe de Seconde est une classe au cours de laquelle les élèves déterminent, sur la base de leurs intérêts et au vu des résultats qu’ils obtiennent dans les différentes disciplines, la filière qu’ils vont suivre jusqu’au baccalauréat. Or la majorité des élèves de Seconde n’optent pas pour la filière scientifique : leur pratique des sciences s’arrêtera donc là. Par conséquent le programme doit être conçu de façon à faire sens par lui-même, et non en fonction du développement de la discipline au cours des années suivantes, tout en fournissant des bases solides à ceux qui continueront dans la voie scientifique. Ceci interdit de laisser l’aval piloter l’amont : ce ne sont pas les connaissances dont on estimerait que les élèves doivent disposer en Terminale ou à l’Université qui doivent déterminer le contenu du programme de Seconde. Il convient plutôt de se demander, de façon schématique, ce qu’il faut enseigner d’une discipline à quelqu’un qui ne la pratiquera plus. La réponse s’impose d’elle-même : elle découle de ce que l’on estime devoir être la culture scientifique commune. Les choix du présent programme ont pour arrière-plan un contenu de cette culture commune que l’on peut exprimer selon les 5 points suivants :

Les deux premiers points concernent les échelles de distances et de temps dans l’Univers observable (auxquelles on associera en Première une échelle d’énergie), les deux points suivants mettent en place deux niveaux d’appréhension du monde physique et posent le problème du passage du niveau microscopique au niveau macroscopique - illustré, en Seconde, par les concepts de température et de pression -, enfin le dernier point signale que la culture scientifique ne se définit pas seulement en terme de contenus mais en terme d’élaboration de ces contenus, et qu’elle fait partie de la culture tout court.

Définir la culture scientifique en terme de contenus (quels qu’ils soient) serait évidemment réducteur : il s’agit évidemment de montrer comment ces contenus sont élaborés, quels sont les protocoles expérimentaux et théoriques mis en place par la science pour construire des représentations du monde qui permettent de transformer notre propre environnement avec l’efficacité parfois redoutable que l’on connaît, et en quoi ces protocoles sont spécifiques à la science.

Une conséquence notable de cette façon d’envisager l’enseignement de la discipline, à savoir replacer les sujets précis abordés en Seconde dans le contexte général de la culture commune implique d’inclure une certaine dose de vulgarisation scientifique dans les cours, au lieu de s’en remettre uniquement, pour cet aspect de la diffusion des connaissances, aux structures extra-scolaires (livres, revues, associations d’amateurs, programmes télévisuels). Un exemple concret permettra d’éviter tout malentendu à ce sujet : l’échelle des distances s’étend typiquement de l’échelle nucléaire à la distance parcourue par la lumière depuis l’âge estimé du Big-Bang. En Seconde, les élèves peuvent, par exemple, mesurer expérimentalement la taille d’une grosse molécule (expérience de Franklin) et le rayon de la Terre (méthode d’Eratosthène). Il est clair que le sens donné à ces deux mesures, qui diffèrent par quinze ordres de grandeur, s’enrichit considérablement de les placer dans l’échelle générale des distances, qui s’étend en gros sur vingt-six ordres de grandeur, et que l’on n’attendra pas de pouvoir enseigner la physique nucléaire ou l’astrophysique du Big-Bang en maîtrise de physique pour mettre en place l’échelle complète des distances dans toute sa gloire.

Le choix d’organiser le programme autour de concepts transversaux, au lieu d’aborder chaque discipline par ses subdivisions habituelles (électricité, mécanique etc…), permet une grande liberté dans le choix des phénomènes physiques ou chimiques propres à en illustrer la généralité. Il repose également sur une façon d’aborder le double mouvement de l’activité scientifique, à savoir : dégager de la diversité du monde un petit nombre de concepts généraux et de lois universelles, puis élaborer des objets technologiques complexes à partir des lois simples connues. En Seconde, expliciter le fonctionnement d’un objet complexe est difficile, car tout objet moderne est un concentré de trois siècles de science ; en revanche, montrer comment tel ou tel aspect d’un objet complexe fait appel à une notion fondamentale connue ou une loi déjà identifiée est non seulement possible mais évidemment souhaitable.

 

Une des innovations de ce programme est d’être constitué d’une Partie Commune, représentant environ 75% des cours et TP et d’une Partie Thématique (environ 6 semaines d’enseignement) permettant à l’enseignant d’approfondir telle ou telle partie de la Partie Commune en fonction de ses goûts et de la nature de sa classe, sans toutefois introduire de nouvelles connaissances exigibles.

Les compétences à acquérir par les élèves ne se limitent pas à des connaissances et savoir-faire strictement disciplinaires. L’élève doit être capable d’utiliser des compétences liées à la langue française, au langage mathématique, à l’expérimentation et aux nouvelles technologies de l’information et de la communication. Ces compétences, détaillées plus bas, sont mises en place tout au long du cycle secondaire.

Enfin signalons qu’une place privilégiée est accordée aux activités expérimentales, qu’il s’agisse d’expériences de cours ou de travaux pratiques. Ces activités permettent en effet d’établir le rapport particulier que les sciences expérimentales établissent avec le monde réel, d’où se dégagent une vision et une compréhension unifiées de phénomènes a priori très divers. Il faut cependant insister sur le fait que la pratique expérimentale dans l’enseignement ne favorise la formation de l’esprit scientifique que si elle est accompagnée d’une pratique de la modélisation. On entend par là le travail d’élaboration d’une représentation abstraite simplifiée d’un phénomène, nécessitant d’identifier les paramètres pertinents et ceux qui sont négligeables dans la situation donnée, activité qui peut fournir une compréhension qualitative du phénomène et déboucher éventuellement sur une mise en équation dont la résolution fournira des évaluations quantitatives. Contrairement aux mathématiques, où les objets sur lesquels on raisonne sont toujours simples et facilement identifiables par les élèves - droites, cercles, sphères, cylindres, nombres etc…- cette activité de modélisation, difficile quelque soit le niveau considéré, est au cœur des sciences expérimentales : pour ne prendre qu’un exemple, le concept de " pendule simple " (une masse ponctuelle au bout d’un fil inextensible oscillant sans frottement sous l’effet de la force de gravité) repose sur une analyse de cette sorte. A cette difficulté des sciences expérimentales s’en ajoute une autre de nature différente. Un dispositif expérimental est, contrairement à un dispositif théorique aisément simplifiable, toujours complexe. Sa maîtrise fait donc intervenir des compétences à des niveaux très divers. Il s’agit là d’une difficulté qu’il s’agit de traiter en tant que telle. Sinon, au lieu d’envisager les moyens pédagogiques d’une acquisition progressive de ces compétences, la tentation est grande de traiter la complexité intrinsèque de la situation expérimentale par la confection de feuilles de TP où tous les gestes à faire sont prédéterminés, sans que la clef de leur raison d’être soit jamais accessible aux élèves : la pratique scientifique est alors transformée en pratique magique. Il faut au contraire veiller à bien définir les objectifs de contenus et à limiter les compétences mises en jeu dans une séance de TP, afin de bien dégager les notions que l’on veut faire acquérir aux élèves, et ne pas mobiliser trop de compétences à la fois ; l’utilisation recommandée d’une grille de compétences peut permettre à l’enseignant de gérer le suivi de ces compétences au cours de l’année.

 

B. Mise en œuvre

Les notions de base de la physique et de la chimie mises en œuvre dans le programme sont : repérages dans le temps et dans l’espace, mouvements et forces, température et pression, structure et transformation de la matière.

Le thème unificateur est l’exploration de l’Univers de l’atome aux galaxies.

Afin de permettre au professeur d'adapter le contenu de l’enseignement à son public, il a été décidé de partager le programme en quatre parties, dont les trois premières constitue la Partie Commune du programme, et la dernière la Partie Thématique, permettant, au choix de l’enseignant, de prolonger certains aspects de la partie commune. Cette partie thématique concerne 3 TP et 6 heures de cours dans chaque sous-discipline (ce qui correspond à 6 semaines complètes d'enseignement) et constitue un prolongement sans nouvelles connaissances exigibles introduites. Les sujets abordés dans cette dernière partie sont laissés au choix du professeur; une liste non exhaustive de thèmes est proposée. Certains de ces thèmes peuvent être communs à la physique et à la chimie.

Concernant la physique, la Partie Commune est constitué des rubriques suivantes :

I. Exploration de l’espace, dimensions des systèmes (5 TP, 10 heures de cours)

II. Temps, Mouvements et Forces (4 TP, 8 heures de cours)

III. L’air qui nous entoure (3 TP, 6 heures de cours)

Concernant la chimie, la Partie Commune est constitué des rubriques :

I. Matière chimique ou naturelle ? (4 TP, 8 heures de cours)

II. La constitution de la matière (4 TP, 8 heures de cours)

III. Les transformations de la matière (4TP, 8 heures de cours).

Dans chaque sous-discipline, la partie thématique peut être découpée en plusieurs séquences ou faire un bloc de 6 semaines, soit en cours d’année, soit en fin d’année.

Le texte du programme est présenté sous forme d’un tableau à trois colonnes :

- la colonne de gauche présente une liste non obligatoire et non exhaustive d’exemples d’activités qui peuvent être exploitées en expériences de cours, en travaux pratiques ou en travaux de documentation. Les activités expérimentales sont indiquées en italique. Les activités pouvant mettre en jeu les technologies de l’information et de la communication (TIC) sont repérées par un astérisque.

- la colonne centrale indique les contenus de base.

- la colonne de droite présente les connaissances et savoir-faire exigibles en fin d’année scolaire, ou en cours d’acquisition. Les connaissances et savoir-faire exigibles relatives aux activités expérimentales sont indiquées en italique.

 

 

C. Les techniques d’information et de communication.

(en cours de rédaction)

D. Compétences à acquérir

Outre l’apprentissage de l’autonomie, les compétences à acquérir ne se résument pas à des connaissances et savoir-faire strictement disciplinaires. L’élève doit être également capable d’utiliser d’autres compétences qui, sauf indications contraires, sont à acquérir tout au long du cycle secondaire.

Compétences liées à la langue française :

Ces compétences sont mises en œuvre tout au long du cycle secondaire et ne figurent donc pas explicitement dans le contenu de la colonne de droite. Les différentes activités proposées par l’enseignant (étude de documents, description d’une expérience, analyse critique d’un texte…) lui permettront de former et d’évaluer ses élèves au cours de l’année.

Compétences liées au langage mathématique :

Bien que les connaissances et savoir-faire liés à l’outil mathématique soient clairement explicitées dans la colonne de droite au fur et à mesure de leur apparition dans le programme, il est à noter que ces compétences seront à mettre en œuvre tout au long de l’année.

Compétences liées à l’expérimentation :

Insistons sur le fait que cette activité de formulations d’hypothèses susceptibles de contribuer à l’explication d’un phénomène physique fait partie de l’expérimentation.

Compétences liées aux manipulations et aux mesures :

Le programme est en relation étroite avec les activités expérimentales. Ainsi, les compétences liées à l’expérimentation sont fondamentales. Le paragraphe suivant donne des pistes de réflexion sur le rôle de l’expérience dans l’enseignement de la Physique et de la Chimie. Au niveau de la classe de Seconde, l’élève doit acquérir les 5 premières compétences listées ci-dessus. L’acquisition des autres compétences se fera tout au long du cycle secondaire.

 

Compétences liées aux technologies de l’information et de la communication.

Au cours du cycle secondaire, l’élève doit acquérir les compétences suivantes :

 

 

 

E. Un enseignement expérimental.

Les activités expérimentales jouent un rôle important dans l’enseignement. Celles-ci peuvent s’articuler autour de deux pôles distincts :

Pourquoi un enseignement expérimental ?

Il offre la possibilité de répondre à une situation-problème par la mise au point d’un protocole, la réalisation de ce protocole, la possibilité d’aller-retour entre la théorie et l’expérience, l’exploitation des résultats.

Il permet à l’élève de confronter ses représentations avec la réalité.

Il apprend à l’élève à observer en éveillant sa curiosité.

Il développe l’esprit d’initiative, la ténacité et le sens critique.

Il lui permet de réaliser des mesures, de réfléchir sur la précision de ces mesures, d’acquérir la connaissance de quelques ordres de grandeur .

Il aide l’élève à s’approprier des lois, des techniques, des démarches et des modes de pensée.

Ainsi, les activités expérimentales établissent un rapport critique avec le monde réel et incontournable, où les observations sont ce qu’elles sont, où des expériences peuvent rater, où chaque geste demande à être maîtrisé, où les mesures – toujours entachées d’erreurs aléatoires quand ce ne sont pas des erreurs systématiques – ne permettent de déterminer des valeurs de grandeurs qu’avec une incertitude qu’il faut pouvoir évaluer au mieux. L’expérience de cours permet d’établir un premier rapport entre le discours scientifique et ce dont il parle, entre le réel et sa représentation. Les travaux pratiques sont le seul moyen d’appropriation de techniques et de méthodes.

Deux conditions sont nécessaires pour que cet enseignement expérimental remplisse pleinement son rôle :

- les élèves doivent savoir ce qu’ils cherchent, anticiper (quitte à faire des erreurs) un ou des résultats possibles, agir, expérimenter, conclure et ainsi élaborer leurs connaissances.

- l’enseignant 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 qu’il veut faire acquérir aux élèves. Avant toute entrée dans le processus de résolution et d’expérimentation, il doit vérifier, lors du débat, que les élèves ont bien compris la question et/ou les termes du problème à résoudre.

Ces compétences, listées au paragraphe précédent, sont nombreuses et ne doivent pas être toutes mobilisées à la fois.

Ce sont sans doute les créneaux horaires réservés aux travaux pratiques qui offrent la plus grande palette de choix possibles d’enjeux d’apprentissage, et qui donc permettent de ménager les étapes vers l’acquisition d’une certaine autonomie. Une diversification des activités de travaux pratiques permet de profiter au mieux de ces créneaux horaires. Selon l’enjeu d’apprentissage que s’est fixé l’enseignant, différentes compétences sont mises en exergue lors de la séance de travaux pratiques.

Comment gérer le suivi ces compétences lors des différentes activités expérimentales ?

Une grille de compétences, dont le nombre est ici volontairement limité à 12 dans un souci de simplification, est présentée ci-après.

Elle permet à l’enseignant de vérifier qu’il a introduit ces compétences plusieurs fois dans l’année.

Des exemples concrets d’utilisation de cette fiche seront donnés à la fin de la présentation du programme, dans le paragraphe "  commentaires sur l’enseignement expérimental ".

Grille de suivi des compétences mises en jeu lors des séances de TP

Compétences expérimentales

TP 1

TP 2

TP 3

TP 4

TP 5

TP 6

TP 7

TP 8

TP 9

TP 10

TP 11

TP 12

TP 13

TP 14

TP 15

TP 16

respecter les consignes (protocole, sécurité)

                               

construire un montage expérimental à partir d’un schéma

                               

faire le schéma d’une expérience

                               

utiliser des instruments de mesure

                               

garder un nombre de chiffres significatifs en adéquation avec la précision des appareils

                               

faire l’étude statistique d’une série de mesures indépendantes en utilisant une calculatrice ou un tableur

                               

analyser des résultats expérimentaux, les confronter à des résultats théoriques

                               

identifier les paramètres pouvant jouer un rôle dans un phénomène physique

                               

concevoir une expérience en séparant correctement les variables

                               

déterminer le domaine de validité d’un modèle physique

                               

proposer une expérience permettant de valider ou d’infirmer une hypothèse

                               

utiliser les technologies de l’information et de la communication.

                               

 

PROJET DE PROGRAMME DE PHYSIQUE

I. Exploration de l’espace (5 TP, 10 heures de cours)

Cette partie présente l’Univers qui nous entoure, de l’atome aux galaxies. On y apprend à s’y repérer par la mesure de distances, de l’échelle atomique à l’échelle astronomique, et comment la lumière permet d’obtenir des renseignements sur les astres et la matière contenus dans l’espace.

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir-faire exigibles

Activités expérimentales :

Détermination expérimentale de la taille d’un objet de très petite dimension:

  • détermination de l’ordre de grandeur de la taille d’une molécule par l’expérience de Franklin
  • utilisation de la diffraction pour construire une courbe d’étalonnage et utilisation de cette courbe
  • utilisation d’un microscope ou d’une loupe pour construire une courbe d’étalonnage et utilisation de cette courbe
  • utilisation d’un pied à coulisse digital


Détermination expérimentale de la taille d’un objet de très grande dimension :
- méthode d’Eratosthène : mesure du rayon de la Terre
*.

- méthode de la parallaxe

- méthode de l’écho (sonar, laser…)

 

Etude de documents textuels ou multimédias* donnant des informations sur les représentations du système solaire et sur les échelles de distances.

 

 

 

 

1. De l’atome aux galaxies

    1. Présentation de l’univers

L’atome, la Terre, le système solaire, la Galaxie, les autres galaxies .

 

 

 

1.2. Echelle des longueurs

Echelle des distances dans l’univers de l’atome aux galaxies. Unités de longueur.

Taille comparée des différents systèmes.

 

 

1.3. L’année de lumière.

Propagation rectiligne de la lumière.

Vitesse de la lumière dans le vide et dans l’air. Notion de vitesse limite.

Définition et intérêt de l’année de lumière.

 

 

 

 

Savoir que le système solaire appartient à la Galaxie, une des nombreuses galaxies de l’Univers.

Savoir que le remplissage de l’espace par la matière, loin d’être homogène, est essentiellement granulaire, aussi bien au niveau de l’atome qu’à l’échelle cosmique.

Savoir positionner des objets les uns par rapport aux autres sur une échelle de distances

Savoir classer en fonction de leur taille une série d’objets.

Connaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide (ou dans l’air) :

c = 3,0´ 108m.s-1, et savoir qu’il s’agit d’une vitesse limite.

Connaître la définition de l’année de lumière et savoir l’utiliser comme unité de longueur.

Savoir expliquer que " voir loin, c’est voir dans le passé ".

Savoir :

- ce que représente la notation 10n , n entier relatif.

- évaluer l’ordre de grandeur du résultat d’une opération faisant intervenir les puissances de 10.

- repérer un angle

Savoir mesurer une petite distance et une grande distance :

  • mettre en œuvre une technique de mesure utilisée en TP
  • garder un nombre de chiffres significatifs en adéquation avec la précision de la mesure
  • exprimer le résultat avec une unité adaptée

 

 

 

 

Activités expérimentales :

Décomposition de la lumière blanche par un prisme

Etude expérimentale des lois de la réfraction en lumière monochromatique, puis en lumière blanche.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Réalisation du spectre continu d’une lampe à incandescence (avec prisme ou réseau) :

  • Observation de la variation de la couleur et du spectre de la lampe en fonction de sa température.

Réalisation de spectres de raies et de bandes : émission et absorption.

Etude expérimentale des couleurs de flamme.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Savoir que le prisme décompose la lumière.

Savoir que la lumière blanche est constituée d’une infinité de radiations lumineuses et que dans l’air ou dans le vide chaque radiation est caractérisée par une grandeur physique appelée longueur d’onde.

Connaître et appliquer les lois de Descartes sur la réfraction.

Utiliser un prisme pour décomposer la lumière blanche.

Etudier expérimentalement la loi de Descartes sur la réfraction :

- Utiliser un dispositif permettant d’étudier les lois de la réfraction.

- Repérer un angle entre un rayon lumineux et une référence.

- Mesurer un angle

 

 

Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu qui s’enrichit vers le violet quand la température de ce corps augmente.

Distinguer un spectre d’émission et un spectre d’absorption.

Savoir qu’un atome ou un ion atomique est caractérisé par un spectre de raies d’émission qui constitue sa signature.

Savoir qu’un atome ou un ion ne peut absorber que les radiations qu’il est capable d’émettre.

Savoir que l’étude des spectres permet de connaître la composition des étoiles.

Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche.

Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche.

 

 

Commentaires

Commentaires sur "  de l’atome aux galaxies ":

A partir de la projection d’un film (puissance de 10, exploration de l’Univers…) et des connaissances des élèves, le professeur présente de façon simple l’Univers en introduisant quelques ordres de grandeurs des distances

L’idée est de compléter cette échelle des distances au fur et à mesure de cette première partie.

L’enseignant fera remarquer que les mesures de longueurs à l’échelle humaine sont relativement aisées. Quelques mesures simples faites en classe à l’aide d’un double décimètre permettront d’introduire la notion de précision d’une mesure liée à l’appareil de mesure, et le nombre de chiffres significatifs à conserver.

Par contre, quand il s’agit de mesurer des distances ou des tailles d’objets à l’échelle astronomique ou microscopique, des techniques particulières doivent être mises en œuvre. Quelques unes de ces techniques sont alors présentées soit en travaux pratiques, soit en expérience de cours.

Elles pourront être choisies dans un large éventail touchant à de nombreux domaines de la physique : optique, électricité, mécanique…Il serait souhaitable que plusieurs domaines de la physique soient illustrés dans le choix des travaux pratiques.

La seule exigence concernant le choix des travaux pratiques pour cette première partie est la suivante :

L’enseignant décidera de " piquer " dans l’échelle de distances en plusieurs endroits afin d’illustrer la détermination expérimentale de la mesure d’une distance d’un ordre de grandeur déterminé. Le défi proposé pourra être :

Le travail sur cette grandeur fondamentale de la physique, la longueur, doit permettre à l’élève de faire une transition relativement aisée du collège au lycée. En effet, peu de notions nouvelles sont introduites. Ceci permettra de travailler davantage en début d’année sur la méthodologie. Ainsi, l’accent sera mis sur diverses compétences liées à la langue française, à l’outil mathématique et à l’expérimentation. Le travail autour de l’expérience de cours est essentiel afin que l’élève apprenne à observer, à décrire, à schématiser, à analyser, à rédiger, à utiliser un vocabulaire scientifique, à argumenter…

Les compétences développées ici sont bien évidemment mises en jeu tout au long de l’année, mais c’est au cours de cette partie du programme que l’enseignant sera plus à même de cerner les difficultés de ses élèves et d’introduire, dès le début de l’année, quelques outils méthodologiques dans sa classe.

 

Il est bon d’avoir à l’esprit qu’à toutes les échelles, le remplissage de l’espace par la matière est faible et discontinu.

Pour une meilleure compréhension des dimensions relatives du noyau et du nuage électronique de l’atome, on peut donner dans le cadre du cours de physique ou de chimie un exemple transposé à l’échelle humaine (si le cortège électronique avait la taille du Stade de France, le noyau de l’atome aurait approximativement la taille d’une tête d’épingle placée au centre).

Le rapport entre la taille du Soleil et la taille du système solaire est du même ordre de grandeur.

Les connaissances à introduire concernant la structure de l’Univers doivent rester modestes :

La Terre est l’une des 9 planètes liées au Soleil par la force gravitationnelle et formant, avec la ceinture d’astéroïdes et les comètes, le système solaire.

Le système solaire a 4,54 milliards d’années et brillera encore environ 5 milliards d’années. Les étoiles plus grosses vivent moins longtemps (cf. explosion des supernovae).

Le Soleil n’est qu’une étoile parmi des centaines de milliards. Cet amas d’étoiles forme la Galaxie. La Galaxie est animée d’un mouvement de rotation d’ensemble qui lui a donné la forme d’un disque.

La Galaxie n’en est qu’une parmi des milliards d’autres (qui s’appellent galaxies, sans majuscule).

 

 

Commentaires sur "  messages de la lumière "

L’objectif de cette partie est de montrer que l’analyse de la lumière (direction, spectre) permet d’obtenir des renseignements sur la matière d’où elle est issue et qu’elle traverse.

Cette partie du programme permet d’enrichir la notion d’entité chimique qui sera introduite dans le cours de chimie.

L’étude de la réfraction est dans un premier temps réalisée avec un filtre de couleur donnée. L’indice du milieu transparent est introduit. Il n’est pas utile d’aborder la réflexion et la réflexion totale pour introduire les notions indispensables à la compréhension des phénomènes.

Une approche historique permettra d’introduire la notion de radiation monochromatique. En observant la décomposition de la lumière blanche à travers un prisme, Newton tire la conclusion que les couleurs obtenues sont présentes dans la lumière blanche, et que le prisme a pour effet de les séparer. L’indice du milieu transparent constituant le prisme n’est donc pas le même suivant la couleur de la lumière.

Il montre ensuite que les couleurs du spectre ne peuvent se décomposer en de nouvelles couleurs : si l’on envoie de la lumière rouge (émise par un laser par exemple) sur un prisme, on retrouve la même couleur rouge après la traversée du prisme. Cette couleur est appelée radiation monochromatique.

On conviendra d’attacher un nombre servant de référence à cette radiation monochromatique dans l’air ou dans le vide. Ce nombre, dont on ne cherchera pas à donner la signification physique, est appelé longueur d’onde, noté l et s’exprime en mètres (ou sous-multiples). Le parti pris est de pouvoir utiliser directement des documents provenant de sources variées (Internet, livres d’astrophysique…) dans lesquels les radiations sont repérées par leur longueur d’onde dans le vide, et non par leur fréquence.

L’étude de nombreux spectres limitée au domaine du visible permettra d’arriver aux lois suivantes :

On pourra mentionner l’existence de rayonnement invisible à l’œil, ultraviolet ou infrarouge.

Une entité chimique est ainsi caractérisée par un spectre, qui constitue en quelque sorte la signature de cet élément.

L’analyse spectrale donne des renseignements sur la température et la composition chimique d’astres inaccessibles à l’expérimentation directe par comparaison avec les spectres d’atomes ou d’ions mesurés au laboratoire.

 

 

II . Temps, Mouvements et Forces (4 TP, 8 heures de cours)

Le mouvement des planètes est interprété par l’existence des forces d’interaction gravitationnelle. Ces mouvements ont permis à l’Homme de se repérer dans le temps. Par la suite, la fabrication d’horloges, mécaniques ou électriques, ont permis un repérage dans le temps beaucoup plus précis.

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir-faire exigibles

Activités expérimentales :

- analyse d’un mouvement par rapport à différents corps de référence* (étude à partir d’images vidéo, chronophotographie, rétrogradation de Mars…)

- expérience du tube de Newton

- étude de la chute d’un corps* (capteurs chronocinés, étude à partir d’images vidéo, chronophotographie)

- influence de la vitesse initiale sur la chute d’un corps* (simulation, étude à partir d’images vidéo..)

- mise en évidence de l’interaction entre charges électriques.

 

Etude d’exemples provenant de films ou de bandes dessinées, illustrant le principe d’inertie .

  1. Mouvements et forces
  2. 1.1. Relativité du mouvement par rapport à un corps choisi comme référence.

    1.2.Initiation au principe d’inertie.

    Illustration du principe d’inertie à partir d’exemples de la vie courante.

     

     

     

     

     

    1.3.Le mouvement des astres.

    1.3.1.L’interaction gravitationnelle.

    Deux corps de masse m et m’ s’attirent mutuellement sous l’action de forces gravitationnelles. Dans le cas de deux corps à répartition sphérique de masse, l’intensité de ces forces a pour expression F = G.m.m’/d2,

    dans laquelle G est la constante de gravitation et d la distance entre les centres de ces corps. Ces forces s’appliquent aux centres de chacun des corps.

     

    1.3.2.La chute libre.

    Le poids n’est autre que la force gravitationnelle.

    Définition de la chute libre.

    Lois de la chute libre ; influence de la vitesse initiale.

    Influence du frottement de l’air.

 

Connaître l’influence du corps choisi comme référence pour décrire le mouvement d’un objet.

Utiliser le principe d’inertie pour interpréter des phénomènes simples de la vie courante.

Savoir que le changement de vitesse d’un corps, en grandeur ou en direction, indique une action de l’environnement sur le corps, désignée par le terme de force.

Appliquer le principe d’inertie aux astres pour justifier l’existence de l’interaction gravitationnelle.

Représenter les forces d’interaction gravitationnelle s’exerçant entre deux corps de masse m et m’ à répartition sphérique de masse , et connaître l’expression de la valeur de ces forces.

Calculer la valeur de la force de gravitation.

Savoir que la chute des corps sur Terre ou le mouvement des astres résultent de la même force. Savoir que le poids est la force de gravitation.

Connaître la définition d’une chute libre.

Utiliser un tableau de mesures, un graphique, pour étudier les lois de la chute libre sans vitesse initiale.

Savoir que lors d’une chute libre d’un corps, la vitesse initiale a une influence sur la trajectoire de ce corps.

Savoir que le sens de la force n’est pas nécessairement celui du mouvement.

A l’issue d’une expérience ou d’une simulation, gérer des résultats numériques à l’aide de l’outil informatique .

 

 

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir-faire exigibles

 

 

 

Activités expérimentales :

- construction et étude d’un pendule simple*

- utilisation d’un oscilloscope ou d’un ordinateur interfacé pour la mesure d’une durée*

- production d’un signal d’horloge

- étude d’un signal d’horloge* .

- étude d’une horloge avec dispositif à échappement

- étude d’une clepsydre

 

 

Etude de documents textuels et multimédias sur l’histoire de la mesure du temps : cadran solaire, gnomon, clepsydre, sablier, horloge florale de Linné…

 

 

  • Temps
  • Utilisation d’un phénomène périodique.

    2.1 Phénomènes astronomiques : l’alternance des jours et des nuits, des phases de la lune, des saisons permettent de régler le rythme de la vie (jour, heure, mois, année).

    2.2 Dispositifs construits par l’Homme.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Savoir passer des années aux mois, aux jours, aux heures, aux secondes et réciproquement.

    Savoir nommer et reconnaître quelques dispositifs mécaniques ou électriques permettant la mesure d’une durée : cadran solaire, clepsydre, horloge à balancier, montre à quartz…

    Connaître les définitions de la période et de la fréquence d’un phénomène périodique.

    Connaître la relation entre période et fréquence .

    Connaître les unités de la période et de la fréquence.

    Savoir traduire par une représentation graphique les résultats d’un tableau de mesures

    Savoir mesurer une durée :

    • mettre en œuvre une technique de mesure utilisée en TP
    • garder un nombre de chiffres significatifs en adéquation avec la précision de la mesure
    • exprimer le résultat avec une unité adaptée

     

     

     

    Commentaires

    Commentaires sur " Mouvements et forces"

    L’objectif est d’introduire le principe d’inertie. Il est donc indispensable de rappeler les notions déjà vues au collège sur la relativité du mouvement selon le corps de référence choisi.

    Il ne s’agit absolument pas ici de donner un énoncé du principe d’inertie, mais de faire sentir à l’élève que si un corps conserve, par rapport à la Terre, un mouvement rectiligne uniforme (pour des durées " courtes " et des distances " petites "), c’est qu’il n’est soumis à aucune force, ou à des forces qui se compensent.

    En particulier, il n’est pas nécessaire de parler de centre d’inertie, ou d’éventuels mouvements de rotation du solide. Pour cela, il est souhaitable de choisir des exemples d’objets en mouvement de translation. Ces exemples, choisis dans la vie courante, seront nombreux, variés et simples :

    Ils permettront d’ancrer le principe d’inertie dans l’esprit des élèves.

    Une force apparaît nécessaire pour expliquer le mouvement de la Lune autour de la Terre : si cette force n’existait pas, la Lune s’éloignerait de la Terre avec un mouvement rectiligne uniforme.

    Cette force résulte de l’interaction gravitationnelle qui s’exerce entre deux masses quelconques. La connaissance de la valeur de la constante gravitationnelle G n’est pas exigible.

    On pourra calculer la valeur de la force gravitationnelle qui s’exerce sur un objet de masse m à la surface de la Terre et la comparer à la valeur du poids, déjà vu au collège, et montrer qu’elles sont identiques.

    On étudie sur Terre les effets de cette force sur le mouvement de chute des corps : augmentation ou diminution de la valeur de la vitesse, courbure de la trajectoire dans le sens de la force. On admet que les mêmes effets sont observés au niveau des astres, puisqu’il s’agit de la même force.

    On pourra signaler que le mouvement d’un objet dépend de sa vitesse de lancement depuis la Terre.

    On insistera sur le fait que le sens de la force n’est pas nécessairement celui du mouvement.

    Commentaires sur la partie repérage dans le temps :

    On insistera sur le fait que la détermination d’un étalon de durée nécessite la recherche d’un phénomène périodique.

    Les notions de période et de fréquence, déjà vues au collège, seront réinvesties.

    Commentaires sur l’enseignement expérimental :

    Suivant la présentation d’une séance de travaux pratiques et la stratégie utilisée par l’enseignant , les enjeux et les objectifs peuvent être tout à fait différents. Ainsi, autour d’une même expérience, des compétences totalement différentes peuvent être mises en exergue.

    A titre d’exemple, deux approches différentes d’une séance de TP autour du thème du pendule simple, sont proposées ci-après. Les compétences expérimentales associées à chacune de ces approches apparaissent en grisé dans la grille de suivi.

    Version 1 (enjeu du TP : confronter un résultat théorique à des observations expérimentales)

    Questionnement préalable : En un lieu où la constante de gravitation g vaut ……, suffit-il vraiment de connaître la longueur d’un pendule pour pouvoir mesurer une durée ?

    Le modèle du pendule simple est donné aux élèves : objet suspendu de dimensions négligeables par rapport à la longueur l du pendule, fil inextensible et sans masse. Il est aussi dit aux élèves que, dans le cas d’oscillations de faible amplitude, les lois de la mécanique permettent de donner pour expression de la période T = 2p (l/g)1/2.

    Les élèves doivent :

    Version 2 (enjeu du TP : identification de paramètres pouvant jouer un rôle dans l’explication d’un phénomène)

    Questionnement préalable : un pendule simple est constitué d’un fil inextensible de masse négligeable auquel est accroché une masse ponctuelle. Ecarté de la position verticale d’un petit angle et lâché, il effectue un mouvement périodique d’allée et venue avec une durée T appelée période. De quoi cette période peut-elle dépendre ?

    Une discussion est engagée dans la classe. On peut supposer que les paramètres retenus par les élèves seront la longueur du fil, l’angle duquel est écarté le pendule et le poids. L’enseignant demande alors aux élèves de proposer une série d’expériences qui permettent de valider ou d’infirmer les hypothèses, et détermine avec la classe le protocole à réaliser. Au vu des résultats, l’enseignant propose une discussion concernant les deux grandeurs déterminant le poids, et demande si les expériences réalisées permettent de séparer leur influence respective sur la période. Question : un pendule oscille-t-il en l’absence de gravité ?

     

    Compétences mises en jeu

    Version 1

    Version 2

    respecter les consignes (protocole, sécurité)

       

    construire un montage expérimental à partir d’un schéma

       

    faire le schéma d’une expérience

       

    utiliser des instruments de mesure

       

    garder un nombre de chiffres significatifs en adéquation avec la précision des appareils

       

    faire l’étude statistique d’une série de mesures indépendantes en utilisant une calculatrice ou un tableur

       

    analyser des résultats expérimentaux, les confronter à des résultats théoriques

       

    identifier les paramètres pouvant jouer un rôle dans un phénomène physique

       

    concevoir une expérience en séparant correctement les variables

       

    déterminer le domaine de validité d’un modèle physique

       

    proposer une expérience permettant de valider ou d’infirmer une hypothèse

       

    utiliser les technologies de l’information et de la communication

       

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    III. L’air qui nous entoure (3 TP, 6 heures de cours)

     

    Pour terminer le thème général de l’exploration de l’Univers on étudie le comportement d’un fluide gazeux : l’air qui nous entoure.

    On y apprend comment on peut modéliser le comportement de cette matière gazeuse dont l’existence n’est pas aisément perceptible ; on explicite les grandeurs macroscopiques qui permettent de décrire l’état d’un gaz et les instruments de mesures qui permettent d’évaluer ces grandeurs.

     

    Exemples d’activités

    Contenus

    Connaissances et savoir-faire exigibles

    Activités expérimentales :

    Expériences montrant le mouvement des molécules dans un gaz et dans un liquide*

    Observation du mouvement brownien dans un gaz et dans un liquide.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Mise en œuvre de situations expérimentales simples permettant l’identification et la mesure des grandeurs macroscopiques décrivant l’état d’un gaz  : mise en évidence de l’influence des paramètres V, n, T sur la pression d’un gaz*

     

     

     

     

     

    Mise en œuvre de situations expérimentales permettant de montrer des phénomènes physiques dépendant de l’état thermique d’un corps.

     

     

     

     

     

     

     

     

    Utilisation de logiciels de simulation montrant l’agitation moléculaire.

     

     

     

    Etude quantitative du comportement d’une quantité donnée de gaz à température constante* :

    - Loi de Mariotte.

     

     

     

    Mise en œuvre d’expériences variées permettant de réinvestir les connaissances sur le comportement du gaz parfait, la force pressante, les changements d’états, comme par exemple :

    - la déformation d’un bidon sous l’effet de la pression atmosphérique,

    - la cocotte-minute,

    - le principe de la pipette,

    - le bouillant de Franklin ,

    - l’expérience du jet d’eau…

     

    1 Du microscopique au macroscopique

    1.1 Description microscopique :

    Les molécules constituant les gaz sont animées de mouvements désordonnés.

     

    1.2 Description macroscopique :

    Nécessité de décrire l’état gazeux par des grandeurs ou variables physiques macroscopiques.

     

    2. Notion de pression :

    Force pressante exercée sur une surface, perpendiculairement  à cette surface :

    - définition de la pression exercée sur une paroi par la relation P=F/S.

    - instrument de mesure de la pression : le manomètre.

    - unités de pression.

    - mise en évidence et origine de la pression dans un gaz ; interprétation microscopique.

    3. Notion d’état thermique

    Dilatation des liquides, variation de la résistance électrique, dilatation des gaz, émission de rayonnement (cf. Messages de la lumière).

    Pourquoi le corps humain n’est pas un bon thermomètre : il ne s’équilibre pas avec les corps avec lesquels il est en contact.

    Equilibre thermique de deux corps en contact.

     

     

     

    4. Etude de la dilatation des gaz.

    Les molécules sont loin les unes des autres dans un gaz, et pratiquement au contact dans un solide ou un liquide : un gaz est donc un système simple, puisque les interactions peuvent être négligées. Toutes les propriétés se résument à l’agitation des molécules.

    Pour un état thermique donné, le produit PV ne dépend que du nombre de moles (ou de molécules). Aux faibles pressions, il ne dépend pas de la nature du gaz.

     

     

    Lien entre température et agitation thermique :

    - l’agitation des particules constituant un gaz à faible pression caractérise son état thermique et peut être utilisée pour définir sa température, par la relation PV = nRT ; tous les gaz définissent la même échelle de température, dite échelle Kelvin. La constante R est une constante universelle, appelée constante des gaz parfaits.

    - l’absence d’agitation thermique correspond au zéro absolu.

    - unité de température absolue : le Kelvin.

    - la température q en degré Celsius est déduite de la température absolue T.

     

     

     

    Savoir que la matière est constituée de molécules en mouvement.

     

    Savoir que l’état d’un gaz peut être décrit par des grandeurs macroscopiques comme :

    • sa température
    • son volume
    • la quantité de matière du gaz
    • sa pression

     

    Connaître et savoir utiliser la relation P=F/S.

    Connaître l’unité légale de pression.

    Savoir que les rebonds des molécules contre une paroi sont à l’origine d’une force pressante.

     

     

     

    Savoir donner quelques exemples de propriétés physiques qui dépendent de l’état thermique d’un corps.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Savoir mesurer une pression et une température :

    - utiliser un manomètre adapté à la mesure*

    - utiliser un thermomètre adapté à la mesure*

    - garder un nombre de chiffres significatifs en adéquation avec la précision de la mesure

    - exprimer le résultat avec une unité correcte

     

    Savoir que à une pression donnée et dans un état thermique donné, un nombre donné de molécules occupe un volume indépendant de la nature du gaz.

    Savoir utiliser la relation :

    q (°C) = T(K)- 273,15

    et

    T(K) = q (°C)

    Savoir qu’un gaz qui vérifie l’équation d’état PV = nRT est qualifié de " parfait ".

    Savoir que dans les conditions habituelles de température et de pression l’air de la salle de classe peut être assimilé à un gaz parfait.

    Savoir utiliser la relation PV = nRT

     

     

    Commentaires :

    En classe de quatrième, les élèves de collège ont été familiarisés avec les paramètres macroscopiques pression, volume et température (échelle Celsius). Une description microscopique des trois états de la matière leur a montré que, dans l’état gazeux, les molécules sont très éloignées les unes des autres. En classe de seconde, on complète ce modèle en les initiant à l’idée du mouvement incessant et désordonné de ces molécules.

    L’accent est mis sur le lien des grandeurs macroscopiques pression et température avec la description microscopique du gaz.

    Les logiciels de simulation seront d’une aide précieuse pour aider les élèves à se construire une représentation du modèle microscopique. On pourra signaler que vitesse moyenne d’une molécule de dioxygène ou de diazote de la salle de classe est d’environ les 500 m/s . L’idée que cette vitesse moyenne décroît avec la masse de la molécule peut être évoquée si on souhaite faire observer le mouvement Brownien. En effet, les particules de poussières qui sont " géantes " et très lourdes comparées aux molécules de l’air se déplacent beaucoup moins vite. C’est ce qui permet l’observation du mouvement Brownien dans le champ d’un microscope.

    Dans un souci de familiarisation avec le matériel, on confrontera tout d’abord l’élève à des situations expérimentales où seront mises en œuvre des mesures de volume, de température et de pression.

    On choisira des situations où l’identification et, éventuellement, la mesure des grandeurs qui évoluent au cours de l’expérience pourra se faire sans équivoque.

    On sensibilisera les élèves à l’interdépendance des quatre variables d’état.

    On signalera que le calcul de la quantité de matière contenue dans un mélange gazeux (tel que l’air) n’est possible que si on en connaît l’exacte composition.

    L’introduction de l’échelle de température absolue est indispensable pour utiliser l’équation d’état.

    Il est cependant important de faire comprendre aux élèves que l’échelle de température absolue est actuellement l’échelle de référence dont sont déduites d’autres échelles d’utilisation courante souvent bien plus commodes.

    On signale à l’attention du professeur que depuis 1968, l’échelle Celsius est définie internationalement à partir de l’échelle de température absolue (ou thermodynamique) par la relation q(°C)=T(K)-273,15 ; le degré Celsius est donc égal au Kelvin, les deux échelles ne diffèrent l’une de l’autre que par une simple translation. Il découle de sa " nouvelle " définition que l’échelle Celsius n’est pas a priori une échelle centésimale et, du reste, elle ne l’est pas exactement (si on atteint une précision du centième de degré).

    La dernière partie, dont le contenu se résume à l’équation d’état des gaz parfaits, sera entièrement enseignée à travers les activités expérimentales comme :

    - des expériences quantitatives dont l’enjeu est de comparer le comportement d’un gaz du laboratoire avec le modèle théorique du gaz dit " parfait ".

    - des " situations-problème " empruntées à la vie courante, dont l’enjeu sera l’exercice de la démarche scientifique, sur lesquelles on fera réfléchir les élèves, une fois les outils expérimentaux et théoriques mis en place.

     

     

     

    IV. Partie thématique (3 TP, 6 heures de cours)

     

     

     

    La partie thématique constitue un prolongement du tronc commun, sans nouvelles connaissances exigibles introduites. De nombreuses possibilités sont offertes à l’enseignant :

    Cette partie complémentaire doit permettre aux professeurs d’adapter le contenu de leur enseignement à leur public, en prenant en compte le choix d’orientation des élèves.

    Le programme ne contient pas explicitement d’électricité. Pour des classes de futurs STI, le professeur pourra d’une part choisir dans les rubriques " temps et espace " des TP mettant en œuvre du matériel d’électricité, et d’autre part choisir un thème permettant de revoir les lois vues au collège et de manipuler les appareils tels qu’oscilloscope, GBF, etc.

    Des thèmes proposant l’étude de différents capteurs (optoélectroniques, de pression, de température, spectrophotomètre…) constituent un prolongement du tronc commun et permettront aux élèves d’acquérir les savoir-faire nécessaires.

    Proposition de thèmes :

     

     

     

    PROJET DE PROGRAMME DE CHIMIE

    LA MATIERE DANS L’UNIVERS OU L’UNIVERS DE LA MATIERE

    PARTIE COMMUNE

    1. " Matière chimique ou matière naturelle ? " (8 heures de cours, 4 séances TP)

    1.1. La chimie du monde : mise en évidence de l’ubiquité des espèces chimiques

    1.1.1. Inventaire et classement de quelques espèces chimiques

    1.1.2. Espèces chimiques naturelles et espèces chimiques synthétiques

    1.2. Le monde de la chimie : approches expérimentale et historique de l’extraction, de la séparation, de l’identification et de la synthèse des espèces chimiques

    1.2.1. Techniques d’extraction d’espèces chimiques organiques

    1.2.2. Séparation et identification d’espèces chimiques

    1.2.3. Synthèses d’espèces chimiques

    2. Constitution de la matière (8 heures de cours, 4 séances TP)

    2.1. Des modèles simples de description de l’atome

    2.1.1. Un modèle de l’atome

    2.1.2. L’élément chimique

    2.1.3. Un modèle du cortège électronique

    2.2. De l’atome aux édifices chimiques

    2.2.1. Les règles du "duet" et de l’octet

    2.2.2. La géométrie de quelques molécules simples

    2.3. La classification périodique des éléments

    3. Transformations de la matière (8 heures de cours, 4 séances TP)

    3.1. Outils de description d’un système chimique

    3.1.1. De l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique : la mole

    3.1.2. Concentration molaire en solution

    3.2. Transformation chimique d’un système

    3.2.1. Modélisation de la transformation chimique : réaction chimique

    3.2.2. Bilan de matière

     

    PARTIE THEMATIQUE

    Le thème peut servir de fil directeur pour accompagner la partie commune (ce qui permet de conserver la richesse d’une approche thématique telle que la préconisait les précédents programmes). Toutefois, l’enseignant peut préférer traiter le thème après la partie commune. Il choisit soit un thème " physique et chimie ", soit deux thèmes, l’un pris dans le domaine de la physique (voir programme de physique), l’autre dans celui de la chimie ; quelques exemples sont proposés ci-dessous.

    Thème physique et chimie (12 heures de cours, 6 séances TP)

    Thème chimie et un thème physique (6 heures de cours, 3 séances TP)

    un médicament, par exemple l’aspirine,

    un désinfectant, par exemple l’eau de Javel,

    une boisson : boisson aux fruits ou lait ou vin par exemple.

    PARTIE COMMUNE

     

    1. " Matière chimique ou matière naturelle ? "

    (8 heures de cours, 4 séances TP)

     

    Objectifs

    Grâce à des séances pratiques attrayantes, cette première partie a pour but de montrer que la chimie est une science expérimentale dont l’importance pour la société n’a cessé de croître au cours de l’histoire. L’ancrage sur des espèces chimiques naturelles a pour objectif de démythifier la chimie et de susciter une réflexion sur l’opposition médiatique fréquente entre chimie et nature. De nombreuses espèces chimiques présentes dans la nature sont importantes pour l’homme qui, au cours de son histoire, a cherché à les exploiter. Les besoins et les impératifs économiques ont amené l’homme à utiliser les ressources naturelles et à élaborer une chimie de synthèse pour compenser les carences de la nature ou pour trouver un moyen de la copier. C’est la raison d’être des approches expérimentale et historique de l’extraction et de la nécessité de la synthèse.

    Au cours de cette partie, il s’agit de réinvestir les acquis du collège sans redondance, et plus largement les connaissances acquises dans des contextes variés : environnement quotidien, informations par les média, connaissances antérieures de sciences physiques ou de SVT. Les espèces et les transformations chimiques rencontrées dans cette partie seront reprises, à titre d’exemples, pour illustrer les parties suivantes. Les savoir-faire expérimentaux et les comportements mis en place dans cette partie constituent le fondement d’un bon déroulement des activités ultérieures de la classe de seconde et sont mobilisables dans d’autres disciplines, mais aussi dans la vie quotidienne.

     

    1.1. La chimie du monde : mise en évidence de l’ubiquité des espèces chimiques

    Exemples d’activités

    Contenus

    Connaissances et savoir faire exigibles

    " Les 5 sens du chimiste en éveil " : questionnement à partir d’un " produit " de la nature (fruit…) ou d’un " produit " manufacturé (papier…).

    Inventaire et classement des espèces chimiques (naturelles ou de synthèse en partant de notre environnement quotidien, ou de domaines d’importance économique.

    Mener une recherche documentaire sur l’industrie chimique.

    1.1.1. Inventaire et classement de quelques espèces chimiques

     

     

     

    1.1.2. Espèces chimiques naturelles et espèces chimiques synthétiques

    A partir des acquis, traduire en termes chimiques (eau, acide, base, colorant, hydrocarbure, sucres, arôme, graisse, vitamine…) l’approche sensorielle d’un objet.

    Savoir que certaines espèces chimiques proviennent de la nature et d’autres de la chimie de synthèse.

     

     

     

     

     

     

     

     

    1.2. Le monde de la chimie : approches expérimentale et historique de l’extraction, de la séparation, de l’identification et de la synthèse des espèces chimiques

    Exemples d’activités

    Contenus

    Connaissances et savoir faire exigibles

    Activité documentaire (textes, iconographie, transparents, vidéo...) concernant les techniques d’extraction, par exemple enfleurage, entraînement à la vapeur, distillation, extraction par solvant.

    Approche expérimentale qualitative du partage d’une espèce chimique entre l’eau et un solvant organique.

    A partir d’un "produit " de la nature :

    - réaliser une décoction,

    - présenter (ou réaliser) une hydrodistillation,

    - réaliser une extraction par solvant,

    - réaliser une décantation,

    - présenter (ou réaliser) une filtration sous vide.

    Elaboration d’un protocole d’extraction à partir d’informations sur les propriétés physiques des espèces chimiques recherchées.

    Approche expérimentale de la chromatographie sur couche mince (papier ou plaque) à l’aide de mélanges colorés (encres, colorants alimentaires, extraits de végétaux…) puis application à l’identification des espèces précédemment extraites ; proposer des techniques de révélation des espèces incolores (UV, révélateur chimique).

    Présenter (ou réaliser) une chromatographie sur colonne.

    Synthèse (ou hémisynthèse) d’une ou plusieurs espèces chimiques, mettant en jeu des techniques simples, telles que chauffage à reflux, filtration, séparation. Si possible, synthétiser une espèce existant dans la nature et susceptible d’être extraite.

    Vérifier qu’une espèce chimique de synthèse est identique à la même espèce chimique extraite de la nature, à l’aide des acquis expérimentaux antérieurs.

    1.2.1. Techniques d’extraction d’espèces chimiques organiques

    1. Approche historique
    2. Principe de l’extraction par solvant

     

    c) Extraction d'espèces chimiques à partir d'un " produit " de la nature : extraction par solvant ou par entraînement à la vapeur

     

    1.2.2. Séparation et identification d’espèces chimiques

    Caractérisation ou identification par comparaison d’une espèce chimique extraite.

    a) Chromatographie

    Principe de la chromatographie : phase fixe, phase mobile, révélation, interprétation, application à la séparation des espèces d’un mélange et à l’analyse.

    b) Caractéristiques physiques

    Tf, Teb, densité, indice de réfraction, couleur, solubilités dans l’eau (milieu acide ou basique) et dans différents solvants organiques.

     

    1.2.3. Synthèses d’espèces chimiques

    a) Nécessité de la chimie de synthèse.

    Quelques exemples de synthèse dans la chimie lourde et dans la chimie fine (à haute valeur ajoutée) à partir des matières premières de la nature et en fonction des besoins des consommateurs.

    b) Synthèse d'une espèce chimique

    c) Caractérisation d’une espèce chimique synthétique et comparaison avec une espèce extraite de la nature.

    Savoir interpréter les informations de l’étiquette d’un flacon (risques, sécurité, paramètres physiques) comme une carte d’identité de son contenu.

    Savoir s’informer sur les risques et les consignes de sécurité à respecter lors des manipulations, en particulier des solvants organiques.

    Reconnaître et nommer la verrerie de laboratoire employée.

    Savoir utiliser :

    - une ampoule à décanter,

    - un dispositif de filtration,

    - un appareil de chauffage dans les conditions de sécurité.

    Mettre en œuvre une technique d'extraction.

    A l’aide d’un tableau de données (températures de changement d’état, solubilités, masses volumiques), à pression atmosphérique et pour une température connue :

    - prévoir l’état physique d’une espèce chimique,

    - choisir un solvant approprié pour faire une extraction,

    - prévoir le liquide surnageant dans un système constitué de deux liquides non miscibles.

    Réaliser une chromatographie sur couche mince.

    Suivre un protocole de synthèse en respectant les consignes (sécurité, protection de l’environnement).

    Proposer une méthode expérimentale pour comparer deux espèces chimiques.

    Savoir interpréter, discuter et présenter les résultats d’une analyse comparative.

     

     

    Commentaires

    Concernant le monde de la chimie, l’accent est mis sur la chimie organique, à travers des extractions d’espèces prises dans le monde végétal ou animal, essentiellement autour des colorants et des parfums.

    Lors des techniques d’identification, l’enseignant veille à ce que les acquis du collège, en particulier sur les caractéristiques physiques, soient réinvestis par les élèves (en lien avec le programme de physique).

    Les exemples de synthèses présentées ou réalisées sont pris en chimie organique, par exemple synthèse d’un polymère, d’un médicament, d’un colorant, d’un arôme, d’un savon.

    L’important dans cette partie est de montrer que l’on peut synthétiser une espèce chimique identique à une espèce naturelle. L’homme ne sait pas synthétiser toutes les espèces naturelles, qu’il n’a d’ailleurs pas encore toutes inventoriées, mais il sait synthétiser des produits qui n’existent pas dans la nature.

    Toutefois l’étude d’espèces tirées du monde minéral pourra être développée dans la partie thématique.

    L’ensemble de cette partie est fondé sur l’approche expérimentale permettant à l’élève de s’approprier les techniques de base d’un laboratoire de chimie. Dans le cas des synthèses impliquant un chauffage à reflux, l’enseignant présente la nécessité et le fonctionnement d’un montage à reflux (à eau comme à air).

    L’enseignant adopte une écriture simplifiée des réactions chimiques pour les transformations décrites, en se limitant aux appellations ou aux formules brutes des espèces chimiques indiquées sur les étiquettes des emballages. Il ne fait pas appel à une écriture détaillée qui sera abordée ultérieurement dans la troisième partie du programme.

    2. Constitution de la matière

    (8 heures de cours, 4 séances TP)

    Objectifs

    Cette deuxième partie donne une description microscopique de la matière à l’aide de modèles simples pour la constitution des atomes, des ions et des molécules et introduit le concept d’élément et de sa conservation au cours d’une transformation chimique.

    L’enseignant sensibilise l’élève à la notion de modèle : modèle du cortège électronique pour l’atome et modèle de Lewis de la liaison covalente pour les molécules. Il interprète la géométrie des molécules fondée sur la disposition relative des atomes comme résultant de la minimisation des interactions répulsives entre paires d’électrons autour d’un atome central.

    Par une démarche historique et l’utilisation de logiciels il explore avec les élèves la classification périodique des éléments, donnant ainsi l’occasion à l’élève de mener une démarche documentaire avec différents outils et différents objectifs.

    A partir de la classification périodique est introduite la notion de famille chimique, caractérisée par une réactivité comparable des éléments qui la composent.

     

    2.1. Des modèles simples de description de l’atome

    Exemples d’activités

    Contenus

    Connaissances et savoir faire exigibles

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Approche expérimentale de la conservation (par exemple du cuivre, du carbone ou du soufre, sous forme atomique ou ionique) au cours d’une succession de transformations chimiques.

    Cycle naturel du carbone, de l’azote…

    Activité documentaire sur les éléments chimiques : abondance relative, dans l’univers, sur le soleil, sur la terre, dans un homme, un végétal.

    2.1.1. Un modèle de l’atome

    Noyau (protons et neutrons) et électrons.

    Nombre de charge et numéro atomique Z.

    Nombre de nucléons A.

    Symbole .

    Charge électrique élémentaire, charges et masses des constituants de l’atome.

    Masse approchée d’un atome et de son noyau, considérée comme la somme des masses de ses constituants.

    Ordre de grandeur du rapport des dimensions respectives de l’atome et de son noyau.

    2.1.2. L’élément chimique

    Caractérisation de l’élément par son numéro atomique et son symbole.

    Définitions des isotopes.

    Définitions des ions monoatomiques.

    Conservation de l’élément au cours des transformations chimiques.

    2.1.3. Un modèle du cortège électronique

    Répartition des électrons en différentes couches, appelées K, L, M.

    Remplissage des couches électroniques pour les éléments de Z compris entre 1 et 18.

    Connaître la constitution d’un atome.

    Connaître et utiliser le symbole .

    Savoir que l’atome est électriquement neutre.

    Savoir que la masse de l’atome est essentiellement concentrée dans son noyau.

    Evaluer la masse d’un atome, en faisant la somme de celles de ses protons et de ses neutrons.

     

     

     

     

     

    Connaître le symbole de quelques éléments.

    Savoir que le numéro atomique caractérise l’élément.

    Connaître la définition des isotopes.

    Interpréter une suite de transformations chimiques, en termes de conservation d’un élément.

    Distinguer et dénombrer les électrons associés aux couches internes des électrons de la couche externe.

     

    Commentaires

    L’enseignant porte une attention particulière au vocabulaire employé et à sa définition en particulier espèce chimique dans le cadre d’une description macroscopique et entité chimique dans le cadre d’une description microscopique de la matière.

    représente un atome de numéro atomique Z et de nombre de nucléons A (par souci de ne pas multiplier les termes, celui de nucléide, comme celui de nombre de masse, ne sont pas utilisés).

    Il peut être intéressant de faire appel à l’expérience historique de Rutherford, en introduction ou en application du modèle de l’atome et de sa structure lacunaire.

    En utilisant les puissances de dix et les proportions il est judicieux de faire des changements d’échelle illustrant l’ordre de grandeur des rayons du noyau et de l’atome (mettant en évidence la structure lacunaire de la matière) et de comparer les masses volumiques des noyaux et des atomes (en lien avec la première partie du programme de physique : de l’atome aux galaxies).

    Dans l’approche expérimentale de la conservation, l’objectif est de sensibiliser l’élève au fait que lors d’une transformation, il y a conservation de l’élément. Il paraît souhaitable que cette activité expérimentale ait lieu avant le cours et que l’élève découvre, à travers l’expérience, la conservation des différents éléments impliqués lors d’une succession de transformations chimiques. Attention, il existe des transformations au cours desquelles l’élément n’est pas conservé (réactions nucléaires) ; elles peuvent être évoquées (exemple du carbone 14 utilisé pour les datations et rencontré en physique pour les mesures des durées).

    L’enseignant peut signaler que les électrons ne sont pas tous également liés au noyau. Il insiste sur le nombre d’électrons de la couche externe de l’atome, qui détermine la construction des édifices chimiques. Le modèle des cases quantiques ou un modèle analogue n’est pas utilisé, de même que les schémas de Lewis des atomes avec les électrons associés en doublet.

     

    2.2. De l’atome aux édifices chimiques

    Exemples d’activités

    Contenus

    Connaissances et savoir faire exigibles

    Ecriture des formules développées, semi-développées et brutes.

    Illustration de la notion d’isomérie sur des exemples simples.

    Utilisation des modèles moléculaires ou des logiciels* de visualisation moléculaire, pour illustrer la structure atomique des petites molécules. Représentation de Cram des molécules modélisées.

    2.2.1. Les règles du " duet " et de l’octet

    a) Enoncé des règles de stabilité des atomes de gaz nobles (ou " rares ", inertie chimique).

    b) Application aux ions mono-atomiques stables.

    c) Application aux molécules à l’aide du modèle de Lewis de la liaison covalente. 

    Représentation de Lewis de quelques molécules.

    Dénombrement des doublets d’électrons liants et non liants.

    Notion d’isomérie.

    2.2.2. La géométrie de quelques molécules simples.

    Disposition relative des doublets d’électrons en fonction de leur nombre.

    Application à des molécules ne présentant que des liaisons simples.

    Représentation de Cram.

    Connaître les règles du " duet " et de l’octet et savoir les appliquer pour rendre compte des charges des ions monoatomiques existants dans la nature.

    Donner la représentation de Lewis de quelques molécules simples : H2, Cl2, HCl, CH4, NH3, H2O, C2H6, O2, N2, C2H4, CO2.

    Représenter des formules développées et semi-développées compatibles avec les règles du " duet " et de l’octet de quelques molécules simples, telles que C4H10 , C2H6O, C2H7N.

    Rendre compte de la géométrie des molécules : CH4, NH3, H2O, en se basant sur la répulsion électronique des doublets liants et non liants.

     

     

     

    Commentaires

    Mis à part les gaz nobles (ou gaz " rares "),  les atomes, sur la terre, ne restent pas isolés. Ils s'assemblent pour donner des molécules. Ils peuvent gagner ou perdre des électrons pour donner des ions. En l’absence de critères énergétiques, l’enseignant se limite à l’application de " règles ", en l’occurrence, celles du "duet" et de l’octet.

    L’enseignant fait la distinction entre les électrons engagés dans les liaisons covalentes (doublets liants) et les électrons non engagés dans ces liaisons (doublets non liants). Les schémas de Lewis des molécules présentent les doublets liants et non liants sous forme de tirets. Les entités n’obéissant pas à la règle de l’octet, comme certains oxydes d’azote par exemple, sont exclues.

    La géométrie de molécules simples contenant des atomes de C, H, O, N, est expliquée à l’aide de la répulsion des doublets liants et non liants qui entourent l’atome central. La théorie VSEPR n’est ni nommée, ni développée. L’enseignant précise les conventions de la représentation de Cram :

    liaison dans le plan de l’écriture

    liaison en avant du plan de l’écriture

    liaison en arrière du plan de l’écriture

     

    2.3. La classification périodique des éléments

    Exemples d’activités

    Contenus

    Connaissances et savoir faire exigibles

    Activité documentaire et utilisation de multimédias* sur la classification périodique : histoire de la découverte de quelques éléments, étude de la démarche de Mendeleïev à partir de la réactivité chimique.

     

    A l’aide de balles et ballons utilisés dans différents sports, comparer les volumes relatifs des atomes.

    Classification périodique des élé-ments

     

     

     

     

     

    Familles chimiques.

    En utilisant la classification périodique, retrouver la charge des ions monoatomiques et le nombre de liaisons que peuvent établir les éléments de chacune des familles de la colonne du carbone, de l’azote, de l’oxygène et du fluor.

    Savoir localiser, dans la classification périodique, les familles des alcalins, des halogènes et des gaz nobles (ou " rares ").

     

    Commentaires

    La classification actuelle des éléments les classe par numéro atomique croissant. Elle les place en lignes et en colonnes à partir des structures électroniques des atomes. Les éléments d’une même colonne possèdent des propriétés analogues et constituent des familles. Mendeleïev avait proposé une classification des éléments en utilisant les propriétés connues à son époque. Celle-ci a joué un grand rôle dans l’organisation et l’évolution des connaissances et diffère peu de la classification actuelle.

    L’enseignant présente, ou fait découvrir aux élèves, sous forme d’activités documentaires, quelques repères historiques dans la découverte des éléments : métaux de la préhistoire, éléments connus à l’époque de Lavoisier et de Mendeleïev, situation actuelle.

    L’utilisation de différents multimédias, permet :

    - d’éveiller la curiosité des élèves par une exploration libre ou thématique : historique des éléments, utilisations dans la vie courante, principales sources sur la terre, par exemple,

    - de servir de sources d’informations pour répondre à une question précise, comme par exemple l’abondance relative des éléments dans l’univers, les isotopes naturels (nombre et proportions),

    - d’illustrer l’évolution des rayons des atomes dans une ligne ou dans une colonne.

    L’enseignant peut choisir d’illustrer la notion de famille à l’aide d’expériences.

     

    3. Transformations de la matière

    (6 heures de cours, 4 séances TP)

    Objectifs

    La troisième partie porte sur la transformation chimique d’un système modélisée par une réaction chimique qui rend compte macroscopiquement de l’évolution du système et qui donne lieu à une écriture symbolique appelée équation.

    L’étude de la transformation chimique d’un système commence par la mise en place d’outils de description macroscopique du système impliquant la définition de la mole.

    L’enseignant fait bien la distinction entre la transformation subie par le système et la réaction chimique qui modélise cette transformation. Aussi souvent que possible, les manipulations servent de support introductif à cette approche.

    Il s’agit ensuite, en s’aidant d’un tableau descriptif du système au cours de la transformation, d’analyser cette transformation, en introduisant la notion d’avancement, et d’établir un bilan matière. L’élève doit être capable d’écrire les nombres stoechiométriques de l’équation en respectant les lois de conservation des éléments et de comprendre qu’une transformation chimique ne nécessite pas que les réactifs soient dans des proportions particulières dans l’état initial.

    Les élèves seront formés à l’utilisation d’un vocabulaire précis et à l’appropriation de ces outils commodes pour décrire et analyser une transformation, selon une progression en difficultés croissantes.

    Des illustrations expérimentales sont utilisées pour s’approprier le concept de transformation chimique (état initial et état final) et permettent de vérifier la validité d’un modèle proposé de réaction chimique pour décrire l’évolution d’un système chimique subissant une transformation.

    3.1. Outils de description d’un système

    Exemples d’activités

    Contenus

    Connaissances et savoir faire exigibles

    Prélèvement d’une quantité de matière identique (même nombre de moles) pour différentes espèces chimiques.

    Opérations expérimentales de dissolution d’espèces moléculaires (sucres, diiode (en raison de sa couleur), alcool…) et opérations de dilution de solutions.

    Opérations expérimentales de dilution de solutions courantes (colorants, sulfate de cuivre…).

    Mise en oeuvre ou élaboration d’un protocole de dissolution ou de dilution.

    Réalisation d’échelles de teintes et applications (par exemple avec le diiode).

    3.1.1. De l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique : la mole

    Unité de la quantité de matière : la mole.

    Constante d'Avogadro, NA

    Masse molaire " atomique " : M (g.mol-1).

    Masse molaire moléculaire.

    Volume molaire Vm (L.mol-1) à T et P.

    Relations :

    n = et n =

     

    3.1.2. Concentration molaire des espèces moléculaires en solution.

    Notions de solvant, soluté, solution et solution aqueuse.

    Dissolution d’une espèce moléculaire.

    Concentration molaire d’une espèce dissoute en solution non saturée. 

    = (mol.L-1).

    Dilution d’une solution.

    Savoir calculer une masse molaire moléculaire à partir des masses molaires atomiques.

    Savoir déterminer une quantité de matière (exprimée en mol) connaissant la masse d’un solide ou le volume d’un liquide ou d’un gaz.

    Savoir prélever une quantité de matière d’une espèce chimique donnée en utilisant une balance, une éprouvette graduée ou une burette graduée.

    Savoir qu'une solution peut contenir des molécules ou des ions.

    Réaliser la dissolution d’une espèce moléculaire.

    Réaliser la dilution d’une solution.

    Savoir utiliser le matériel de base qui permet de préparer une solution de concentration donnée (pipette graduée ou jaugée, poire à pipeter, burette, fiole jaugée).

    Connaître l’expression de la concentration molaire d’une espèce moléculaire dissoute et savoir l’utiliser.

    Commentaires

    Les paramètres nécessaires à la description du système sont : la pression P, la température T (en lien avec le programme de physique), la nature des espèces chimiques présentes, leur état (solide, s, liquide, l, gazeux, g, solution, le plus souvent aqueuse, aq) et leurs quantités respectives. Pour cette description, on effectue le passage de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique en définissant l’unité de quantité de matière (la mole) et la concentration molaire en solution, en se limitant aux espèces moléculaires.

    La constante d'Avogadro permet de faire un changement d'échelle : passage du niveau microscopique (atome, molécule ou ion : m 10-26 kg) à un niveau macroscopique (la mole d'atomes, de molécules ou d'ions : M quelques g ou dizaines de g). Une évaluation de la constante d’Avogadro permet de mieux s’approprier la définition de la mole.

    A ce stade de l’enseignement de la chimie, les relations : n = et n = sont données ; il est précisé que le volume molaire (Vm) est fonction des conditions de température T et de pression P ; il est introduit en physique dans le modèle du gaz parfait.

    Seules les espèces moléculaires sont utilisées pour illustrer l’opération de dissolution en vue de l’obtention d’une solution de concentration donnée (on considère que le diiode en solution est une espèce moléculaire, autrement dit la présence des ions I3- n’est pas mentionnée). Ce n’est qu’au début de la classe de première que la réaction de dissolution des espèces ioniques sera écrite et qu’il pourra être exigé de calculer les concentrations molaires des ions. Néanmoins, en classe de seconde, on peut présenter des expériences dans lesquelles les espèces en solution sont des solides ioniques dont on donnera alors les concentrations (colorants ou sulfate de cuivre, par exemple) ; dans ce cas, ces solutions ne peuvent donner lieu qu’à des opérations de dilution.

    3.2. Transformation chimique d’un système

    Exemples d’activités

    Contenus

    Connaissances et savoir faire exigibles

    A l’aide d’expériences simples à ana-lyser, caractérisation des espèces chimiques présentes dans l’état initial (avant transformation du système) et des espèces chimiques formées :

    - lame de cuivre dans solution de nitrate d’argent,

    - poudre de fer dans solution de sulfate de cuivre,

    - combustions du carbone, d’alcanes ou d’alcools dans l’air ou l’oxygène,

    - réaction du sodium et du dichlore,

    - réactions de synthèse vues dans la première partie…

    Mise en évidence expérimentale de l’influence des quantités de matière des réactifs sur l’avancement maximal et vérification expérimentale de la validité d’un modèle proposé de réaction chimique pour décrire l’évolution d’un système chimique subissant une transformation.

    - précipitation de l’hydroxyde de cuivre,

    - acide éthanoïque sur l’hydrogéno-carbonate de sodium,

    - acide ascorbique ou acide oxalique et diiode,

    - diiode et thiosulfate de sodium…

    Utilisation d’un tableur.

    3.2.1. Modélisation de la transfor-mation : réaction chimique

    Exemples de transformations chimi-ques.

    Etat initial et état final d’un système.

    Réaction chimique.

    Ecriture symbolique de la réaction chimique : équation.

    Réactifs et produits.

    Ajustement des nombres stoechio-métriques.

    3.2.2. Bilan de matière

    Initiation à l’avancement.

    Expression des quantités de matière (en mol) des réactifs et des produits au cours de la transformation.

    Tableau descriptif de l’évolution du système au cours de la transformation.

    Réactif limitant et avancement maximal

    Bilan matière.

    Savoir décrire un système.

    Savoir écrire l’équation de la réaction chimique avec les nombres stoechio-métriques corrects.

     

     

     

     

     

     

    Calculer l’avancement maximal associé à la disparition du réactif limitant et en déduire les quantités de matière d’un système après transformation**.

    **Il s’agit d’une compétence en cours d’acquisition, comme le mentionnait déjà le programme précédent. La progression en difficultés croissantes présentée dans les commentaires ci-après permet à l’enseignant de prendre une décision sur le niveau de compétences exigées en fonction de la progression qu’il aura choisie.

    Commentaires

    Dans le cadre du programme de seconde, la transformation chimique d’un système d’un état initial vers un état final est modélisée par une réaction chimique qui rend compte macroscopiquement de l’évolution du système. La réaction chimique donne lieu à une écriture symbolique appelée équation. L’enseignant insiste sur le fait que la conservation des éléments et des charges au cours de la transformation chimique d’un système se traduit par l’ajustement des nombres stoechiométriques dans l’équation (il justifie que l’on dise conservation des éléments et non plus comme en classe de 4e conservation des atomes).

    Dans cette équation, les réactifs sont les espèces chimiques écrites dans le membre de gauche et les produits sont les espèces chimiques écrites dans le membre de droite ; par exemple, dans le cas de la synthèse de l’eau, à l’état liquide on peut réaliser le bilan de matière, en considérant que la formation de 2 moles d’eau s’accompagne de la consommation de 2 moles de dihydrogène et d’une mole de dioxygène. Cette réaction chimique s’écrit de façon symbolique :

    2H2 (g)+ O2 (g) à 2H2O (l). (à 25°C)

    La réaction chimique est écrite, en classe de seconde, avec pour symbolisme la simple flèche : à . Outre sa cohérence avec le programme de troisième, ce symbolisme précise, de façon condensée, dans quelle direction le système évolue dans les conditions de l’expérience. L’équation de la réaction ne s’identifie généralement pas aux événements ayant lieu à l’échelle microscopique, et qui sont les causes de l’évolution du système. Pour définir la transformation d’un système chimique, l’enseignant choisit des exemples simples parmi ceux déjà rencontrés au collège et ceux proposés lors des synthèses développées dans la première partie.

    Dans le cadre du programme de seconde toujours :

    - les quantités de matière des espèces chimiques présentes dans le système au cours de la transformation chimique s’expriment à l’aide d’une grandeur (en mol, notée x par exemple), identifiée à un avancement (cet avancement ne donnant pas lieu à une définition),

    - seules sont envisagées des transformations qui s’achèvent quand l’un des réactifs, appelé réactif limitant, a disparu. L’avancement final atteint se confond alors avec l’avancement maximal. Il existe des cas, qui seront rencontrés dans le cursus scientifique ultérieur, où l’avancement final n’est pas l’avancement maximal (estérification, dissociation des acides ou des bases dans l’eau, par exemple).

    Au-delà de l’utilisation de la simple flèche : à , l’enseignant propose aux élèves d’utiliser un tableau, considéré comme un outil, pour décrire et analyser l’évolution d’un système ; il adopte une progression en difficultés croissantes : dans un premier temps l’enseignant considère des réactions dans lesquelles les espèces chimiques présentent des nombres stoechiométriques égaux à 1 ; dans un deuxième temps, il considère des réactions dans lesquelles au moins une des espèces chimiques à un nombre stoechiométrique égal à 1 ; enfin une généralisation pourra être établie avec des nombres quelconques. L’enseignant décide à quel niveau de difficultés il arrête sa progression et définit les connaissances et savoirs-faire exigibles des élèves en conséquence.

    Dans ce tableau descriptif de l’évolution d’un système, il est conseillé, comme le recommande l’IUPAC, d’utiliser le signe = pour exprimer la relation stoechiométrique ; la réaction chimique est en effet un modèle qui ne présuppose pas dans quelle direction le système évolue.

    Exemple de tableau en reprenant le cas de la synthèse de l’eau :

    Relation stoechiométrique

    O2 (g) + 2H2 (g) = 2H2O (l)

    Etat du système

    Avancement

    Moles de dioxygène

    Moles de dihydrogène

    Moles d’eau

    Etat initial

    0

    2

    1

    0

    Au cours de la transformation

    x

    2 - x

    1 - 2x

    2x

    Etat final

    x max = 1/2

    3/2

    0

    1

    xmax est obtenu en écrivant que le nombre de moles de chaque espèce chimique doit être positif et satisfaire aux conditions suivantes :

    2 xmax > 0

    2 – xmax > 0 ce qui implique : xmax = 1/2

    1 – 2xmax > 0

     

     

     

    Le bilan matière peut aussi se présenter sous la forme :


    EI (P, T)

    O2 : 2 mol

    H2 : 1 mol

    Transformation

    chimique

    EF (P, T)

    O2 : 3/2 mol

    H2O : 1 mol

     

    L’utilisation d’un tableur peut permettre la modélisation de l’évolution des quantités de matière au cours de la transformation et éventuellement  le tracé de ces évolutions en fonction de l’avancement pour visualiser l’arrêt de la transformation lors de l’épuisement d’un réactif.

    L’enseignant s’efforce d’appliquer ces différentes notions à des transformations connues des élèves et choisit des expériences facilement exploitables.

    Il fait soigneusement la différence entre la transformation étudiée et les tests utilisés pour caractériser les réactifs ou les produits.