CHAPITRE QUATRIEME : NOTIONS OUBLIEES DANS LES MANUELS DE CHIMIE

IV.1. Approche méthodologique
L’analyse des manuels nous aide à comprendre les procédures, les contenus, les séquences et les activités appris en classe. L’analyse du contenu, des concepts, du traitement des modèles, des activités proposées, des dessins et graphiques et des tableaux utilisés permettent de montrer les positions pédagogiques, psychologiques et épistémologiques des auteurs des manuels. Elle consiste aussi à montrer les nouvelles tendances pédagogiques au cours de temps, spécialement celles impliquées dans le nouveau système. Dans l’analyse des manuels, on détermine le type de structure usuel pour l’élaboration de son contenu. Il peut s’agir d’une structure logique ou d’une structure psychologique.
En effet, selon la structure logique, la matière éducative doit être composée des éléments organisés dans une structure et les différentes parties doivent être liées l’une à l’autre de façon rationnelle. Les concepts scientifiques doivent être présentés selon le degré de difficulté dans le texte et l’utilisation des nouveaux concepts et nouveaux modèles devrait être justifiée. Selon cette théorie, les manuels devraient éviter les ambigüités dans leurs contenus pouvant rendre difficile ou bloquer la compréhension des élèves. Quant à la structure psychologique, les élèves devraient acquérir les connaissances scientifiques à travers la production des liens entre les idées. Ils obtiennent des savoirs leur permettant de créer des nouvelles idées à partir de ce qui est déjà connu. Selon cette structure, les manuels doivent donc être conçus en fonction des prérequis des apprenants (DE POSADA, 1999).
L’analyse des manuels se fixe pour objectifs de (d’) :
- Présenter les éléments habituellement enseignés dans les manuels conformément au contenu prévu ;
- Observer comment les notions sont enseignées ;
- Estimer si les manuels ont le potentiel de produire l’enseignement significatif aux élèves ;
- Analyser le rôle des auteurs des manuels comme agents du changement dans la reforme éducationnelle.
L’analyse des manuels se fait aussi au moyen d’un questionnaire spécifique établi en fonction des différents aspects observables. Pour l’analyse des différents manuels ci- haut, nous avons établi un questionnaire constitué des questions suivantes : 10) La matière présentée et développée dans le manuel est-elle bien structurée? Si oui, cette structure est-elle logique ou psychologique? 20) Comment les manuels induisent et expliquent-ils les différentes notions? 30) Quels types d’activités enseignants-élèves sont prévus dans ces manuels? 40) Les analogies et les métaphores sont-ils utilisées dans les manuels? 5O) Les dessins et les graphiques sont-ils utilisés dans les manuels, si oui, comment? 60) Quels types des tableaux sont-ils utilisés?
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Nous avons recueilli les manuels de chimie les plus utilisés pour l’enseignement en 5ème et en 6ème Chimie-Biologie. Nous en avons fait une analyse critique de leurs contenus. En effet, nous avons choisi deux manuels de chimie en cinquième, à savoir: « Maîtriser la chimie 3 » de MAYENGO et « Notions de chimie 5ème année » de BIKUBA et deux autres en 6ème, à savoir: « Maîtriser la chimie 4 » de MAYENGO et al et « Notions de chimie 6ème année » de BIKUBA. En comparant les contenus de ces différents manuels au contenu du programme national, nous avons relevé les notions oubliées pour chaque classe.
IV.2. Analyse proprement dite des manuels de chimie en 5ème et en 6ème Biochimie
IV.2.1. Comparaison des manuels et du programme
Comme annoncé précédemment dans l’approche méthodologique, nous avons fait l’analyse critique des manuels en comparant leurs contenus au programme national. Dans les tableaux ci-dessous, nous avons par des symboles X ou P dégagé les notions oubliées dans les différents manuels. X indique les notions oubliées et P les notions présentes dans les manuels. Tableau 6. Comparaison des manuels et du programme de 5ème Biochimie Tableau 6.a. 1ère partie : CHIMIE ANALYTIQUE
Contenu des prévisions des matières des enseignants
Programme national
Maîtriser la chimie3
Notions de chimie 5ème
NOTIONS DE CONCENTRATION
P
P
P
Définition d’une solution (soluté, solvant)
P
P
P
Différentes expressions de concentration Préparation des solutions titrées
P
P
P
Préparation des solutions titrées
P
P
P
LA SECURITE AU LABORATOIRE
P
P
X
Présentation, schématisation et usage du matériel de laboratoire
P
P
X
Symboles des dangers des produits chimiques
P
P
X
LES SOLUTIONS
P
P
P
Les théories ioniques
P
P
P
Le coefficient d’ionisation (i)
P
P
P
La constante d’ionisation (ki)
P
P
P
La loi de la dilution d’Ostwald
P
P
P
L’ionisation et produit ionique de l’eau
P
P
P
La fonction p
X
X
X
LA CINETIQUE CHIMIQUE
X
P
P
LA THERMODYNAMIQUE CHIMIQUE
X
P
P
LES pH DES SOLUTIONS AQUEUSES
P
P
P
Les théories acide-base
P
P
P
Définitions et notion de couples équilibrés et cte de couple
P
P
P
Etude du pH
P
P
P
SOLUBILITE ET PRODUIT DE SOLUBILITE
P
P
P
Solubilité dans l’eau pure
P
P
P
Produit de solubilité
P
P
P
Expression de la solubilité en fonction du produit de
P
P
P
25
solubilité
Influence d’un ion commun, prévision de précipitation
P
P
P
Influence d’un ion étranger et séparation d’ions par précipitation sélective
P
P
P
Tableau 6.b. 2ème partie : CHIMIE MINERALE
Contenu des prévisions des matières des enseignants
Programme national
Maîtriser la chimie3
Notions de chimie 5ème
GENERALITES SUR LES METAUX
P
P
P
Quelques définitions
P
P
P
Propriété générales des métaux
P
P
P
Métaux vrais et métaux de transition
P
P
P
Travail des métaux
P
P
P
Les alliages (définition, sortes et propriétés).
P
P
P
LA METALLURGIE
P
P
P
Les principes métallurgiques
P
P
P
La sidérurgie
P
P
P
Métallurgie des métaux non ferreux
P
P
P
MONOGRAPHIE SUR LES METAUX
P
P
P
Aluminium, Cuivre, Cobalt Coltan, Zinc, Etain, Manganèse, Or, Argent
P
P
P
ETUDE DU DIAMANT
P
P
P
Structure, Propriétés, Exploitation
P
P
P
Importance économique et industrielle
P
P
P
TRAVAUX PRATIQUES
P
P
X
Analyse qualitative: Identification des cations, Identification des anions
P
P
P
Tableau 6.c. 3ème partie : CHIMIE ORGANIQUE
Contenu des prévisions des matières des enseignants
Programme national
Maîtriser la chimie3
Notions de chimie 5ème
INTRODUCTION AUX MECANISMES REACTIONNELS
P
P
P
Définition du mécanisme réactionnel
P
P
P
L’utilisation des flèches-courbes
X
P
P
Intermédiaire réactionnel
P
P
P
Scission de la liaison covalente
P
P
P
Réactifs en chimie organique
P
P
P
Effets électroniques
P
P
P
RAPPEL SUR LES GRANDS TYPES DES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE
P
P
P
Réactions de substitution, d’addition, d’élimination
P
P
P
Réactions de réarrangement
P
P
P
Réactions radicalaires
P
P
P
26
Autres types de réactions
P
P
P
REACTIONS DES HYDROCARBURES
P
P
P
Réactions des alcanes
P
P
P
Réactions des alcènes
P
P
P
Réactions des alcynes
P
P
P
REACTIONS DES GROUPEMENTS FONCTIONNELS
P
P
P
Réactions des alcools
P
P
P
Réactions des aldéhydes et cétones
P
P
P
Réactions acides et leurs dérivés
P
P
P
Le tableau ci-dessus représente le contenu en matière prévu pour l’enseignement de chimie en 5ème Chimie-Biologie selon les différentes parties, à savoir : Chimie Analytique, Chimie Minérale et Chimie organique. Ce tableau nous permet de classer les notions selon qu’elles figurent ou non dans les manuels d’accompagnement utilisés pour l’enseignement dans cette classe de 5ème Biochimie. Tableau 7. Comparaison des manuels et du programme de 6ème Biochimie Tableau 7.a. 1ère partie : CHIMIE ANALYTIQUE QUANTITATIVE
Contenu des prévisions des matières des enseignants
Programme national
Maîtriser la chimie4
Notions de chimie 6ème
RAPPEL DES NOTIONS DE BASE
P
P
P
Expressions de concentration
P
P
P
Préparation des solutions titrées
P
P
P
Produit de solubilité (exercices).
P
P
P
Calcul du pH des solutions (acides, bases, sels et tampon+exercices).
P
P
P
Lois des gaz parfaits
P
P
X
Calculs stoechiométriques : Exercices
P
P
P
GENERALITES SUR L’ANALYSE QUANTITAVE
P
P
P
Généralités sur les instruments utilisés en volumétrie
P
P
P
Gravimétrie
P
P
P
Méthodes physico-chimiques
P
P
P
Rappel sur les chiffres significatifs
P
P
X
ACIDO-ALCALIMETRIE
P
P
P
Les courbes de neutralisation (exercices)
P
P
P
Calcul du saut de pH
P
P
P
Introducteurs de pH
P
P
P
Dosages acido-alcalimétriques (Exercices et travaux pratiques)
P
P
P
Erreurs de titrage dues aux indicateurs colorés
P
P
P
OXYDO-REDUCTIMETRIE
P
P
P
Généralités sur les nombres d’oxydation, couples ox/red et équilibration des équations redox.
P
P
P
Mangarimétrie, Iodométrie et Iodimétrie, Biochromatométrie, Bromatométrie
P
P
P
27
ARGENTIMETRIE
P
P
X
Principes, Différentes méthodes
P
P
X
Dosages (problèmes et exercices, travaux pratiques)
P
P
X
GRAVIMETRIE
P
P
P
Principe et différents dosages
P
P
P
ELECTROCHIMIE
P
P
P
Rappel sur l’électrolyse
P
P
P
Piles électrochimiques : pile Daniel
P
P
P
Electrode à hydrogène normal
P
P
P
. F.e.m des piles aux conditions standard et prévision du sens des réactions
P
P
P
Equation de Nernst et pile aux conditions quelconques
P
P
P
Facteurs intervenant sur le potentiel redox
P
P
P
Dosage potentiométrique : principe et exercices
X
X
P
Constante d’équilibre des réactions redox
P
P
P
Piles usuelles : volta, déclenché, accumulateurs
P
P
P
Le rendement du processus de transformation chimique
X
P
X
Tableau 7.b. 2ème partie : CHIMIE GENERALE
Contenu des prévisions des matières des enseignants
Programme national
Maîtriser la chimie4
Notions de chimie 6ème
ETUDE DE L’ATOME
P
P
P
Généralités, Constituants de l’atome
P
P
P
Evolution des modèles atomiques
P
P
P
Spectres atomiques et modèles de Bohr pour l’hydrogène
P
P
P
Atome en mécanique ondulatoire
P
P
X
Notions d’orbitales et nombres quantiques
P
P
P
Structure électronique : Représentation et règles de remplissage des orbitales
P
P
P
Activation et hybridation simple
P
P
P
Classification périodique des éléments
P
P
P
LIAISONS CHIMIQUES
P
P
P
Généralités et Liaison ionique
P
P
P
Détermination du pourcentage du caractère ionique d’une liaison chimique
X
X
X
Liaison covalente
P
P
P
Géométrie des molécules
P
P
X
Autres types de liaisons
P
P
P
CINETIQUE CHIMIQUE
P
X
X
Généralités, équilibre chimique, vitesse de réaction, loi d’action de masses
P
X
X
Facteurs intervenant sur les équilibres, catalyse et catalyseurs
P
X
X
CHIMIE NUCLEAIRE
P
P
P
Généralités : constituants du noyau
P
P
P
Radioactivité
P
P
P
Transformation du noyau
P
P
P
28
Loi de la désintégration radioactive
P
P
P
Energie nucléaire et son utilisation : fusion et fission nucléaire
P
P
P
Quelques techniques utilisées en chimie nucléaire
P
P
P
Tableau 7.c. 3ème partie : CHIMIE APPLIQUEE
Contenu corrigé des prévisions des matières des enseignants
Programme national
Maîtriser la chimie4
Notions de chimie 6ème
SYNTHESES MINERALES POSSIBLES
P
P
X
Industrie pour la construction : fabrication de la chaux vive à partir de calcaire, fabrication du ciment
P
P
X
Purification de l’eau
P
P
X
Industrie textile
P
P
X
Applications métallurgiques
P
P
X
Application de l’électrolyse
P
P
X
SYNTHESES ORGANIQUES POSSIBLES
P
P
X
Fermentation alcoolique
P
P
X
Fermentation du jus sucré et distillation
P
P
X
Exposition des techniques de fabrication de la bière
P
P
X
Comme observé pour la classe de 5ème, Le tableau ci-dessus représente le contenu en matière prévu pour l’enseignement de chimie en 6ème Chimie-Biologie selon les différentes parties, à savoir : Chimie Analytique quantitative, Chimie Générale et Chimie Appliquée. Ce tableau nous permet de classer les notions selon qu’elles figurent ou non dans les manuels d’accompagnement utilisés pour l’enseignement dans cette classe de 6ème Biochimie.
IV.2.2. Réponses au questionnaire spécifique à l’analyse des manuels
Comme annoncé dans l’approche méthodologique, voici ci-dessous les réponses que nous avons fourni aux questions constituant le questionnaire spécifique à l’analyse des manuels : 10) La matière présentée et développée dans le manuel est-elle bien structurée? Si oui, cette structure est-elle logique ou psychologique? En observant les contenus se trouvant dans les différents manuels choisis pour l’analyse, nous constatons que la matière présentée et développée est bien structurée. Cela étant, la structure la plus observable est celle psychologique selon la théorie précédemment donnée dans l’approche méthodologique.
En effet, le parcourt de la matière présentée et développée dans le manuel Maîtriser la chimie 3 de MAYENGO d’usage en 5ème Biochimie prouve en effet que sa bonne compréhension nécessite les acquis de la quatrième voir de la 3ème scientifique. C’est ainsi qu’on retrouve des points annoncés avec le vocable «rappel sur… » Comme les rappels sur les grands types des réactions en chimie organique faisant partie des notions de chimie organique vues en 4ème année. Quant au manuel Notions de chimie 5ème année de BIKUBA, il s’observe le même aspect selon lequel il faut partir des acquis des élèves pour enseigner des
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nouvelles notions. Ainsi, les élèves construisent des nouvelles idées à partir de ce qui est déjà connu. Par exemple, pour la bonne compréhension des notions sur le pH des solutions aqueuses, l’élève doit avoir des prérequis globaux les mélanges et sur les solutions chimiques; ces notions étant introduites dans les classes précédentes. De même pour les manuels usuels en 6ème Biochimie, les observations faites prouvent que cet aspect de complémentarité y est très visible étant donné que la plupart des notions vues ici sont des compléments et des mises au point des matières débutées dans les classes précédentes. Par exemple les notions de concentration et ses différentes expressions, la préparation des solutions titrées, acido-alcalimetrie, les courbes de neutralisation, oxydo-reductimetrie et autres sont des notions étudiées en 6ème Biochimie et sur lesquelles les élèves ont des acquis de base à partir de la 5ème. Qu’il s’agisse du manuel Notions de chimie 6ème année de BIKUBA ou Maîtriser la chimie 4 de MAYENGO et al, leurs contenus sont bien structurés et clairement explicités. Ces caractéristiques données ci-haut sur la présentation et le développement de la matière dans les différents manuels et d’autres y afférentes prouvent sans cesse qu’il s’agit de la structure psychologique qui est d’usage dans ces documents à l’instar de la structure logique. 20) Comment les manuels induisent et expliquent-ils les différentes notions? A cette question, il convient de signaler que malgré les insuffisances constatées dans les deux manuels utilisés pour l’enseignement de chimie en 5ème scientifique, les notions sont clairement expliquées. En effet, après la lecture du contenu du manuel Maîtriser la chimie 3, nous avons constaté qu’il renferme des notions requises sur toutes les parties comme prévu par le programme national. Les concepts de base y sont définis avec un détail sur toutes les notions proposées pour les différentes parties prévues au contenu de cette classe. De même pour le manuel Notions de chimie 5ème année d’usage dans la même classe, nous avons constaté que ce dernier présente aussi clairement que possible les notions conformément au programme national. Le contenu de ce manuel est analogue à celui-ci du précédent sauf les notions sur la chimie organique qui n’y figurent pas. De même pour les manuels utilisés en 6ème Biochimie, nous avons constaté que les notions sont bien expliquées et structurées conformément au contenu du programme national. Ce caractère s’observe surtout pour le manuel Maîtriser la chimie 4 qui est le plus utilisé pour l’enseignement dans cette classe. En effet, le parcours du contenu de deux manuels de chimie d’usage en 6ème Biochimie dont : Maitriser la chimie 4 et Notions de chimie 6ème année prouve suffisamment qu’ils sont des documents présentant de façon plus ou moins détaillée tout le contenu prévu au programme national. Ils abordent presque intégralement toutes les parties et tous les points prévus pour l’enseignement de la chimie dans la classe de 6ème année Biochimie. Toutes les notions y sont clairement expliquées, certaines étant données comme des compléments du contenu débuté dans les classes précédentes.
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30) Quels types d’activités enseignants-élèves sont prévus dans ces manuels? La chimie étant un cours à caractère expérimental, les activités enseignants-élèves prévues dans les manuels les plus utilisés en 5ème et en 6ème Biochimie sont surtout les exercices et les travaux pratiques engageant les deux acteurs actifs du processus enseignement-apprentissage. En plus des exercices et des manipulations au laboratoire, le jet des questions et réponses entre enseignants et élèves est aussi une activité impliquant à la fois les enseignants et les élèves. 40) Les analogies et les métaphores sont-ils utilisées dans les manuels? Après analyse du contenu pour les manuels plus usuels pour la classe de 5ème ou de 6ème Biochimie, nous avons constaté que les analogies et les métaphores sont utilisées respectivement pour établir des ressemblances et des dissemblances entre les faits ou les notions. Il s’observe que les termes analogiques permettent à l’élève de bien fixer les notions apprises en classe étant donné qu’il sait les associer aux faits couramment observables. C’est le cas, par exemple, des concepts comme l’enthalpie ou l’entropie qui sont par analogie associés respectivement à la mesure de l’ordre ou du désordre ; la structure électronique est par analogie comparée à la structure planétaire. Par analogie, on arrive à déterminer les propriétés caractéristiques des différents produits chimiques à travers les symboles des dangers, à partir de la formule pH= -log [H+], on déduit par analogie la formule de pOH, pK, pKa, pKb,… 5O) Les dessins et les graphiques sont-ils utilisés dans les manuels? Si oui, comment? Les dessins et les graphiques sont utilisés dans les manuels. Les dessins sont dans ceux-ci utilisés comme éléments d’illustration ou pour représenter les différentes formes d’outils ou d’instruments usuels dans un laboratoire. Par exemple les dessins des différents matériels du laboratoire figurant aux pages 230 à 236 du manuel Maîtriser la chimie 3, les différents symboles des dangers des produits chimiques trouvés aux pages 322 à 323 du même manuels, les représentations du modèle atomique de Rutherford à la page 147 du manuel Notions de chimie 6ème année, la représentation schématique d’ une Bombe-H à la page 244 du même manuel,… Par ceux-ci les élèves acquièrent une vue d’ensemble sur les différentes structures des composés, sur les différentes formes d’instruments du laboratoire et sur leur montage. Les graphiques observables dans les manuels donnent une vue d’ensemble sur l’allure des différentes courbes de neutralisation. Il convient de signaler cependant que les différentes courbes de neutralisation ne sont trouvées que dans le manuel Maitriser la chimie 4 sans figurer dans Notions de chimie 6ème année. 60) Quels types des tableaux sont-ils utilisés?
Les divers tableaux d’usage dans les manuels Maitriser la chimie 3 comme dans Notions de chimie 5ème année sont des condensés des éléments remarquables à retenir à la fin d’un
31
chapitre, d’un point ou d’une portion de matière donnée. Dans ces tableau, nous trouvons des éléments comme les formules, les règles, les différentes valeurs des constantes d’ionisation (k) et (pk) des acides et des bases, des températures, des valeurs de pKa et pH des solutions, les valeurs des Ks,… Les tableaux trouvés dans les manuels de chimie en 6ème Biochimie sont surtout des groupements synthétiques des valeurs pour certaines constantes, des formules, des réactifs selon leurs conditions d’utilisations ou d’autres éléments jugés de grande importance à l’élève. Par exemple, aux pages 57, 79 et 170 nous trouvons respectivement les tableaux des zones de virage de quelques indicateurs colorés, des potentielles redox normaux des couples à 250C et des potentiels d’ionisation en électronvolt des certains éléments.
IV.3. Notions oubliées dans les manuels de chimie 5ème et 6ème années Biochimie
A l’issue de l’analyse des manuels utilisés pour l’enseignement de chimie en 5ème scientifique, nous avons trouvé qu’ils contiennent tous des notions de base pour les différentes parties comme prévue par le programme national. Cependant, comme tout document, ces manuels dont Maitriser la chimie 3 et Notions de chimie 5ème année comportent certaines insuffisances. Après cette analyse, nous avons constaté que le manuel Maîtriser la chimie 3 comportent toutes les notions prévues par le programme sauf les notions sur la fonction p et sur l’équilibre des complexes qui ne figurent que dans le manuel Notions de chimie 5ème année. D’autres éléments de différence entre les deux manuels d’usage en 5ème Biochimie sont les différentes courbes de neutralisations figurant uniquement dans Maitriser la chimie 3. C’est ainsi que pour prévoir un contenu consistant, il faut combiner raisonnablement les contenus de ces deux manuels. Vu l’importance et la nécessité de ces notions, l’utilisation de ces deux manuels s’avère de grand intérêt pour des raisons de complémentarité. De même, nous avons constaté que les manuels d’usage en 6ème Biochimie présentent aussi un contenu adéquat pour le la formation des élèves finalistes. Après la comparaison entre les deux manuels que nous avons choisis dont Maîtriser la chimie 4 et Notions de chimie 6ème année, nous avons constaté que certaines notions sont oubliées. Parmi ces notions nous avons: Le dosage potentiométrique, la détermination du caractère ionique d’une liaison chimique (oubliées dans Maîtriser la chimie 3), Lois des gaz parfaits, les chiffres significatifs, l’argentimétrie, le rendement, Atome et mécanique ondulatoire, Géométrie des molécules, les synthèses minérales et organiques possibles (oubliées dans Notions de chimie 5ème année).
IV.4. Contenus détaillés sur les notions oubliées
Proposer un détail pour les notions oubliées dans l’enseignement de chimie en 5ème et en 6ème Biochimie est l’un des objectifs assignés au présent travail. Nous proposons ci-après les détails sur les notions de base à donner aux élèves.
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IV.4.1. En cinquième année Chimie-Biologie : 10) La cinétique chimique Définition La cinétique chimique est une branche de la chimie qui traite des vitesses des réactions chimiques. La vitesse d’une réaction chimique est donc la rapidité de transformation des réactifs en produits. Elle est aussi la variation de la concentration en fonction de temps.
V= 𝐂𝒕 La vitesse d’un processus chimique est définie par le rapport entre la variation de la concentration d’une espèce choisie (réactif ou produit) et la durée pendant laquelle cette variation a lieu. Ainsi donc, pour les réactifs, la concentration diminue et pour les produits, elle augmente en fonction de temps.
Exemple : A+B AB
V= 𝐀𝒕 = 𝐁𝒕 = 𝐀𝐁𝒕 Réactifs limitant et réactif en excès Un réactif limitant est un réactif en défaut et qui lorsqu’il est entièrement consommé la réaction s’arrête. Par contre, un réactif en grande quantité est appelé en excès. Ex : On peut synthétiser le méthanol à partir du monoxyde de carbone selon la réaction :
CO+2H2 CH3OH On introduit initialement dans le système 1mol de CO et 1,7 mol de dihydrogène. Déterminez le réactif limitant et le réactif en excès.
n de CO= 1mol nCO 1 = 1mol
n de H2 = 1,7mol nH2 2 = 1,7 2 = 0,85mol.
H2 est le réactif limitant et CO est le réactif en excès. aA+ bB cC+dD, La vitesse de réaction peut s’exprimer par l’une des expressions suivantes :
VA= -1𝑎 dA𝑑𝑡 (1)
VB= -1𝑏 dB𝑑𝑡 (2)
VC= +1𝑐 dC𝑑𝑡 (3)
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VD=+1𝑑 dD𝑑𝑡 (4) Le signe (-) accompagnant les expressions de VA et VB signifie que les concentrations des réactifs A et B diminuent au cours de la réaction et les signes (+) accompagnant les expressions VC et VD signifie que les concentrations des produits C et D augmentent au cours de la réaction. Par stroechiométrie de la réaction, on peut établir la correspondance suivante :
−1𝑎 . dA𝑑𝑡 = −1𝑏 . dB𝑑𝑡 = 1𝑐 . dC𝑑𝑡 = 1𝑑 . dD𝑑𝑡 Pratiquement, il est impossible de calculer exactement la valeur de la vitesse différentielle. On peut toutefois faire l’approximation telle que :
VA= −dA𝑑𝑡 = - dA𝛥𝑡
Avec A: Concentration molaire de A à l’instant t. [A]0: Concentration initiale de A. La vitesse ainsi calculée est appelée vitesse instantanée. Unité de vitesse de réaction Partant de l’expression de vitesse différentielle d’une réaction, on peut admettre que l’unité de vitesse de réaction est le mol par litre par seconde (mol /l/S ou mol l-1s-1). Mesure expérimentale de la vitesse de réaction Pour déterminer la vitesse d’une réaction chimique, on doit mesurer la concentration d’un réactif ou d’un produit en fonction de temps. On peut alors tracer le graphique et déterminer la vitesse de la réaction à un instant donné à partir du coefficient directeur ou angulaire de la tangente à la courbe à cet instant. La méthode à utiliser ici dépendra de la nature des réactifs et des produits impliqués dans la réaction. Facteurs influençant la vitesse différentielle de réaction. La vitesse de réaction dépend des facteurs suivants :
ï‚· La nature des réactifs : Selon la nature des réactifs mis en jeu, les réactions chimiques peuvent être rapides, lentes ou très lentes.
- Réaction rapide : Ex : Ag++Cl- AgCl
- Réaction lente : Ex : 2H2O+2Cl2 4HCl+O2.
- Réaction très lente Ex : CH4+2O2 CO2+2H2O.
ï‚· Les catalyseurs (accélérateurs ou inhibiteurs de réaction).
Les catalyseurs sont des espèces chimiques qui jouent sur la vitesse de la réaction sans modifier la nature des produits. Ils peuvent accélérer ou décélérer la réaction.
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Selon leurs influences, ils peuvent être positifs (accélérateurs: qui augmenter la vitesse de réaction) ou négatifs (retardataires : qui diminuent la vitesse de réaction).
- Catalyseurs positifs :
Ex : le platine, le dioxyde de manganèse qui favorisent les réactions d’oxydation, le platine, le Nickel, le Fer, favorisent les réactions d’hydrogénation,…
- Catalyseur négatifs : ex : les vapeurs de CCl4 et le gaz carbonique ralentissent la combustion. C’est pourquoi qu’ils sont utilisés dans la fabrication d’extincteurs d’incendie.
ï‚· La concentration : La vitesse d’une réaction est généralement proportionnelle à la concentration des réactifs, mais cette proportionnalité n’est pas nécessairement directe. Elle peut être aussi au carré, à l’inverse ou à la racine carré de la concentration du réactif.
Ex : Pour une réaction chimique du type A+B produits, V=KAm. Bn équation cinétique. Avec K= Constante de vitesse de réaction (elle dépend de la température), m = Ordre partiel de la réaction par rapport au réactif A, n = Ordre partiel de la réaction par rapport au réactif B m+n = Ordre global de la réaction. Ainsi :
- Si V=K, l’ordre de la réaction est zéro.
- Si V= kA, l’ordre de la réaction est 1er par rapport à A mais zéro par rapport à B.
- Si V= KA B, l’ordre de la réaction est 2ème (1er par rapport à A et à B).
- Si V= KA2 .B, l’ordre de la réaction est 3ème (2ème par rapport à A et 1er par rapport à B).
ï‚· La température : La constante de vitesse K dépend de la température. Pour une réaction chimique donnée en phase gazeuse, si la constante de vitesse est k1 à une température absolue T1, elle deviendra k2 à la température absolue T2.
Avec T2  T1. La relation entre k1 et k2 s’écrit :
Log 𝐤𝟐𝒌𝟏 = 𝐄𝐚𝟐,𝟑𝟎𝟑.𝑹 (𝟏𝑻𝟏 - 𝟏𝑻𝟐) Avec T1 et T2 : températures absolue en Kelvin. Ea : Energie d’activation (énergie qu’il faut fournir aux réactifs pour qu’ils se transforment en produits). Elle s’exprime en Joule/mol. R : constante de gaz parfaits (R=8,314J/mol.k).
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Exemple d’application
Soit la réaction A produits. L’énergie d’activation est de 134Kj/mol et la constante de vitesse de la réaction est de 4,46.10-4 S-1 à 200°C. Quelle serait la constate de vitesse de cette réaction à une température de 250°C ? Résolution : Données : Ea= 134kj/mol k1= 4,46. 10-4 S-1 T1= 200°C200+273=473K T2= 250°C  250+273= 523k R=8,314j/mol Inconnue : K2= ? Solution : on sait que :
Log 𝐊𝟐𝑲𝟏 = 𝐄𝐚𝟐,𝟑𝟎𝟑.𝑹 (𝟏𝑻𝟐 -𝟏𝑻𝟏).
Log k2= 𝐄𝐚𝟐,𝟑𝟎𝟑.𝑹 (𝟏𝑻𝟐 -𝟏𝑻𝟏)
 logk2 = log4, 46.10-4.- 134002,303.8,314 (1523 -148 ) K2=1,16.10-2S-1 Vitesse intégrée Notions L’emploi de l’expression de vitesse intégrée permet de résoudre la difficulté liée à l’expression de la vitesse différentielle. Les vitesses intégrées sont respectivement :
- Ordre zéro : At = A0 – kt
- Ordre premier : log A=log A0 - kt2,303
- Ordre deuxième : 1A = 1Ao + kt
Avec A0 et At des concentrations molaires de A respectivement à l’état initial et à l’instant t. Temps de demi-réaction (t ½)
C’est le temps nécessaire à la transformation de la moitié des réactifs en produits. Il se calcule en remplaçant At par [A]02. Ainsi donc pour une réaction du type A produits,
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t ½ A= [A]0 2(à l’ordre zéro).
Pour une réaction de 1èr ordre, on a : [A]0 2 = log A0 = - kt122,303  kt122,303 = log 2  k𝐭 ½ = 0,693
𝐤𝐭 ½ = 𝟎,𝟔𝟓𝟗𝟑𝐤 2°) La thermodynamique chimique
1. Définition :
La thermodynamique chimique est une partie de la chimie qui traite des effets thermiques des réactions chimiques. Elle s’occupe uniquement de la chaleur avant et après la réaction chimique. En effet, un système peut absorber ou dégager de la chaleur. C’est ainsi qu’on parle des réactions thermochimiques qui peuvent être endothermiques ou exothermiques. Une réaction est dite endothermique lorsqu’elle absorbe de la chaleur. Une réaction est exothermique lorsqu’elle dégage de la chaleur. Les réactions chimiques qui ne s’accompagnent pas d’effets thermiques sont dites athermiques. En ajoutant à l’équation chimique les variations d’énergie qui se produisent au cours d’une réaction chimique (réactifs et produits étant à la même température), on obtient l’équation thermodynamique.
Ex: NaOH(s) + H2O NaOH(l) +10,3Kcal (endothermique)
CaCO3 CaO+CO2 -45Kcal (exothermique)
2. Chaleur de réaction Q.
La chaleur de réaction (Q) est la chaleur absorbée ou dégagée par une mole d’une substance au cours d’une réaction. Selon la nature de la réaction chimique que subit la substance, on distingue :
- Les chaleurs de dissolution :
Ex: NaOH(s)+H2O+10,3Kcal. 10,3Kcal est la chaleur de dissolution.
- Les chaleurs de formation et de décomposition.
La chaleur de formation (de décomposition) d’une substance est la chaleur absorbée (ou dégagée) lors de la formation (de la décomposition) d’une mole de cette substance à partir de (en) ses constituants les plus simples.
Ex : 1. H2(g) + ½ O2(g) H2O(g) Q= -57,5Kcal.
1. H2(g)+ ½ O2(g) H2O(l) Q= -67,4Kcal
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La chaleur absorbée (ou dégagé) lors de la formation d’une substance à partir de ses constituants les plus simples est la même que celle dégagée (ou absorbée) lors de sa décomposition.
Ex1. ½ N2(g) + 32 H2(g) NH3(g) Q= -11Kcal
2. 𝟏𝟐 N2 (g) + 𝟑𝟐 H2(g) NH3(g) Q= +11Kcal En plus de ces deux, nous pouvons aussi avoir :
- Les chaleurs de volatilisation
- Les chaleurs de neutralisation
- Les chaleurs de précipitation
- Les chaleurs de fusion
- Les chaleurs d’oxydation,
Remarques:
 La chaleur de réaction (Q) est déterminée par les méthodes Calorimétrique.
 Par convention, lorsque Q0, la réaction est exothermique et lorsque Q0, elle est endothermique.
Ex: CH4 (g) +2O2 (g) CO2 (g) +2H2O (g) + 212,8Kcal. Comme Q= +212,8Kcal 0, la réaction est endothermique.
CH4 (g) +2O2 (g) CO2 (g) +2H2O(l) -212,8Kcal. Q=-212,8Kcal  0, la réaction est exothermique. Pour chaque équation thermochimique, il importe d’indiquer la température et l’état physique des substances.
3. Loi de HESS ou lois de la thermochimie ou encore loi de l’état initial et final : « Lorsqu’une réaction chimique est la somme de plusieurs réactions partielles alors les chaleurs de celle-ci est la somme des chaleurs de réaction partielles à condition que ces réactions partielles se déroulent toutes à pression constante ». C’est la loi de l’additivité des chaleurs de réaction.
Exemple : Soit les réactions suivantes :
a) Sn (s) + Cl2 (g) SnCl2 (s). Q1 = -83,6Kcal.
b) SnCl2(s)+Cl2(g) SnCl4 (l) Q2=-46,7Kcal
Si l’on additionne les deux équations précédentes, on obtient l’équation de la formation de SnCl4(l).
Sn(s) +Cl2 (g) SnCl2(s)
SnCl2(s) +Cl2 (g) SnCl4 (l)
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Sn(s) +2Cl2(g) SnCl4 (l) Par application de la loi de Hess: Q=Q1+Q2  Q = (-83,6) + (-46,7)= -130,3Kcal 4. Enthalpie 4.1. Définition L’enthalpie est une fonction d’état qui a les dimensions d’une énergie. C’est aussi la chaleur de réaction à pression constante. Elle se détermine en vase ouvert comme le calorimètre ordinaire. L’enthalpie n’est pas seule mesurable, on ne mesure que la différence entre les enthalpies des produits et celles des réactifs de la réaction. Qp= Hproduits – Hréactifs = H Avec Qp= Chaleur de réaction à pression constante, H= Variation d’enthalpies 4.2. Enthalpie standard de formation Hf Par définition, l’enthalpie standard de formation Hf d’un composé est la variation d’enthalpies obtenue lorsque l’on forme une mole de c composé à partir de ses éléments, dans la forme la plus stable à 25°C et une atmosphère, C’est donc l’enthalpie libérée ou absorbée par la formation d’une mole de composé à partir des corps simples pris dans leur état physique plus stable dans les conditions standard (à la pression d’une atmosphère) et à la température considérée (298K).
. Ex: A 25°C, 1) Ag (s) + 12 Cl2 (g) AgCl(s) H°f = -30,4Kcal
2) H2 (g)+ 12 O2 (g) H2O (l) H°f = -285,8Kg/m En général, pour n’importe quelle réaction, l’enthalpie de réaction (Hr) est égale à la différence entre la somme des enthalpies de formation des produits de la réaction et celle des enthalpies de formation des réactifs. Hr =Hf produits _ Hf réactifs Remarque : Par convention, l’enthalpie de formation des corps simples (substances élémentaires) et pris à l’état standard, à 298K est égale à zéro. Ex : Calculer la Hr de la décomposition de propane.
C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2 +4H2O (l), sachant que : H°f de C3H8 (g)= -24,8Kcal
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H°f de CO2 (g)= -94,1Kcal H°f de H2O (l)= -68,3 Kcal Solution Hr= (3Hf de CO2+4H°f de H2O)- H°f de C3H8 Hr= 3(-94,1) + 4(-68,3)-(-24,8) Hr= -282,3-273,2+24,8 = -530,7Kcal 4.3. Enthalpie de formation de liaison (El ou Hf) L’enthalpie de formation de liaison est la variation d’enthalpie accompagnant la formation des liaisons à partir d’atomes isolés à l’état gazeux sous une pression de 1’atome. Elle est toujours négative car la formation d’une liaison est toujours exothermique et s’exprime en Kilojoule par mole.
Connaissant les enthalpies de formation de liaison, il est possible de calculer l’enthalpie de réaction ΔHr à partir de la réaction suivante :
ΔHr = ΔHf liaisons des réactifs - ΔHf liaisons des produits
Ex : Calculer la ΔHr de la réaction :
H2(g) +Cl2(g) 2HCl (g) Sachant que :
ΔHf (H-H) = 436kj
ΔHf (Cl-Cl) = 242kj
ΔHf (H-Cl) = 431kj Solution
ΔHr= ΔHf (H-H) + ΔHf (Cl-Cl)- ΔHf (H-Cl)
ΔHr =  436+242- 2.431 ΔHr = 678-862 ΔHr = - 184HJ 4.4. Loi de Bertholet ou principe du travail maximum : prévision du sens d’une réaction thermochimique « La réaction chimique s’effectue toujours de manière à produire le maximum de chaleur possible ». Selon le principe du travail maximum.
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3°) La fonction p en chimie Les scientifiques expriment fréquemment la concentration d’une espèce en termes de sa fonction p. La fonction p est le logarithme décimal changé de signe de la concentration molaire d’une espèce (SKOOG, 2012). Ainsi, pour l’espèce X, pX = – log[X] Comme le montrent les exemples suivants, la fonction p offre l’avantage de permettre d’exprimer des concentrations qui varient de plus de dix ordres de grandeur à l’aide de petits nombres généralement positifs. Ex.1) Calculer la fonction p des concentrations de chaque ion dans une solution qui est 2,00.10–3M en NaCl et 5,4.10–4M en HCl. pH = – log [H+] = – log[5,4.10–4] = 3,27 pour obtenir pNa, on écrit : pNa = – log [2,00.10–3] = 2,699 La concentration totale en Cl– est égale à la somme des concentrations des deux solutés. [Cl–] = 2,00.10–3M + 5,4.10–4M = 2,54.10–3M pCl = – log 2,54.10–3 =2,595 Ex.2) Calculer la concentration molaire de Ag+ dans une solution dont pAg vaut 6,372. pAg = – log [Ag+]= 6,372 log [Ag+]= –6,372
[Ag+]=10–6,372 = 4,246.10–7M≈ 4, 25.10–7M
a) pH (potentiel d’hydrogène)
Conformément à la définition de la fonction p donnée ci-haut, le pH est le cologarithme de la concentration en ions H+. pH= -log  H+ De façon analogue, on exprime la concentration en ion hydroxyde par le POH. Ainsi, pOH=-log OH- De toutes les formules du PH des solutions aqueuses, nous ne pouvons par relever que celles-ci :
Pour une solution d’acide fort monofonctionnel.
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pH= - log C, Avec C la concentration de l’acide.
b) Constante d’équilibre
En rapport avec la constante d’équilibre (constante d’ionisation ou de dissociation) k, il convient de relever les formules suivantes :
pK= log log 𝟏𝐤 pk= - logk pk est ici défini comme le logarithme de la constante d’ionisation k. Les acides et les bases sont souvent peu dissociés. Les valeurs de leurs constantes d’ionisation étant petites, on les exprime en général sous forme de puissance 10 et on utilise les notations suivantes : pka= -logKa pkb= -logKb Avec Ka et Kb des constantes d’ionisation respectivement d’acide et de base. Quant au produit de solubilité (ks), on a conformément à la constante d’ionisation. pks= -logks La fonction p est aussi d’usage pour le tirage complexométrique obtient ainsi la courbe de tirage en portant à l’ordonnée pM (avec pM= -log Mn+- et à l’abscisse de volume ajouté du complexe (ligant). C’est ainsi qu’avant tout ajout du ligant (EDTA par exemple) Cd2+éq= αCd2+. Cd2+0. pCd= -logCd2+ Par analogie aux formules données ci-haut, nous pouvons en déduire d’autres comme: pCa= –logCa pAg= –log [Ag+] pCl= –log [Cl–] Toutes ces formules et d’autres y afférentes, doivent être illustrées par des exercices approfondis surtout en 6ème année pour la mise au point des notions de base vues en 5ème année. De ces points relevés ci-haut, il convient de signaler qu’ils ne figurent pas dans le contenu du programme national de Chimie en cinquième Biochimie. Cependant, ils peuvent ou sont prévus dans les manuels plus usuels comme : Notions de Chimie 5ème année et Maîtriser la Chimie 3.
Ceci étant, nous ne devons pas nous fier au seul contenu du programme car toutes les notions ne seront pas abordées pourtant disponibles dans les différents documents à la portée des enseignants. Il est donc demandé aux enseignants d’utiliser le programme national et ses manuels d’accompagnement et surtout compléter les diverses insuffisances par une documentation. Signalons en passant que, les manuels dits d’accompagnement du programme de Chimie en cinquième Biochimie comme cités ci-haut, contiennent des notions de base
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nécessaires à donner aux élèves. Il convient de combler leurs insuffisances par la fréquentation des Bibliothèques en vue d’en déduire un contenu adéquat. IV.4 2. En sixième année Biologie-Chimie Pour cette classe, presque tous les enseignants contactés ont soulevé l’abondance du contenu à parcourir comme principale cause de n’utiliser que le plan prévu dans le programme national sans rien ajouter. Les notions enseignées mais non prévues au programme national sont :
 Le dosage potentiométrique,
 La détermination du pourcentage du caractère ionique d’une liaison chimique,
 Rappels sur le rendement du processus de transformations chimiques.
1. Le dosage potentiometrique
Le dosage potentiométrique consiste à mesurer le potentiel du mélange à chaque addition de l’oxydant ou du rédacteur. Pour ce dosage, on utilise des électrodes de référence (comme l’électrode, à hydrogène ou au calomel) couplées à l’électrode de mesure (Hg). Ainsi, avant le point d’équivalence, le potentiel du couple oxydant est supérieur à celui du couple réducteur (Eox Ered). Au point d’équivalence, le potentiel de l’électrode indicatrice est égale à la demi somme des potentielles redox des couples concernés. La force électromotrice de la pille est égale au potentiel lu moins le potentiel du couple de référence. Ep= Elu - Eref Au point d’équivalence, Ox1 = Red1 et Ox2 = Red2.
Eéq= E10 +𝟎,𝟎𝟔𝒏𝟏𝐎𝐱𝟏 𝐑𝐞𝐝𝟏 = E20+𝟎,𝟎𝟔𝒏𝟐𝐎𝐱𝟐 𝐑𝐞𝐝𝟐 Comme en pH-métrie, on se propose de tracer la courbe de titrage : E (potentiel) en fonction du volume ajouté. Après le point d’équivalence, la concentration et le potentiel des réactifs titrant sont supérieurs à ceux des réactifs titrés.
2. Rappel sur le rendement du processus de transformations chimiques
On appelle rendement d’une réaction en produit déterminé, le rapport entre la masse obtenue et la masse théorique. Il s’exprime en pourcentage (%).
Ainsi, Rendement () = 𝑸𝒖𝒂𝒏𝒕𝒊𝒕é 𝒐𝒃𝒕𝒆𝒏𝒖𝑸𝒖𝒂𝒏𝒕𝒊𝒕é 𝒂𝒕𝒕𝒆𝒏𝒅𝒖𝒆 x 100. Exemple : Lors de la réaction de synthèse du FeS, nous avons obtenu 7,8g au lieu de 8,8g théorique. Quel est le rendement de cette réaction ?
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() = 7,8𝑔8,8𝑔 x 100  () = 88,6% Donc le rendement () de cette réaction de synthèse de FeS est de 88,6%. Il convient aussi de signaler ici que le rendement théorique d’un produit est la quantité de ce produit formée quand le réactif est épuisé. Pour exprimer le rendement réel d’un produit, on recourt à un pourcentage du rendement théorique. C’est ce qu’on appelle le pourcentage de rendement.
Ainsi, pourcentage de rendement = 𝑹𝒆𝒏𝒅𝒆𝒎𝒆𝒏𝒕 𝒓é𝒆𝒍𝑹𝒆𝒏𝒅𝒆𝒎𝒆𝒏𝒕 𝒕𝒉é𝒐𝒓𝒊𝒒𝒖𝒆 x 100. Dans cette classe l’enseignant doit, en plus du programme national, se fixer ses propres buts à atteindre en se basant surtout aux items des examens d’Etat pour les diverses années. Cet aspect demande donc l’habileté de la part de l’enseignant étant donné qu’il doit non seulement parcourir tout le programme mais aussi chercher d’autres notions ailleurs par documentation. Le point sur la résolution des items des examens précédents permettra à l’enseignant de revoir toute la matière en pointant les types d’exercices et questions à aborder au cours des années. Comme pour d’autres classes, le manuel Maîtriser la Chimie 4 est le plus usité pour l’enseignement de Chimie en 6ème et reprend presque tous les points inscrits au programme national. Cependant, il se pose un problème d’interconnexion et de succession de différents points. Seul l’enseignant doit faire son plan à suivre selon l’intérêt et la complémentarité des chapitres. Il doit aussi faire la sélection des exercices à résoudre pour chaque point étant donné qu’il n’existe pas jusqu’à l’heure un manuel d’exercices pour tout le contenu du programme national. La Chimie étant une science expérimentale, toutes les notions devraient être illustrées par des travaux pratiques. Contrairement à cette attente, il s’observe un manque de matériel requis pour ce fait. Sous cet angle, les notions portant sur les travaux pratiques dans l’enseignement de Chimie ne sont pas abordées en intégralité. Elles constituent pour cette raison l’un des éléments capitaux à signaler dans le curriculum oublié dans l’enseignement de Chimie au secondaire en général et en cinquième et sixième Biochimie en particulier. Disons en gros que pour bien enseigner ce cours dans les divers domaines de la Chimie, nous devons soutenir le programme national établi. Celui-ci doit se faire suivre de ses manuels d’accompagnement et surtout par une documentation enrichie dans les bibliothèques et à l’internet.
IV.5. Autres commentaires
A partir des réponses fournies par les enseignants aux questions qui leurs étaient posées, nous avons constaté que certains n’ont pas d’informations suffisantes surtout sur le contenu du programme. Certaines notions présentes dans le programme ont été relevées comme étant oubliées. C’est ainsi que nous avons proposé un contenu pour chacune des notions oubliées relevées.
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Après exploitation minutieuse du contenu du programme national de chimie en 5ème et en 6ème chimie-Biologie et des manuels d’accompagnement les plus utilisés, il en ressort que chacun de ces documents est lacunaire surtout en ce qui concerne la succession logique des notions. L’une des solutions palliative à ce problème revient à disposer et à utiliser les manuels d’accompagnement établis suivant le programme national en vigueur. Il s’agit ici de Maitriser la chimie 3 de MAYENGO et Notions de chimie 5ème année de BIKUBA pour la classe de 5ème Biochimie et Maitriser la chimie 4 de MAYENGO et Notions de chimie 6ème année de BIKUBA pour l’enseignement en 6ème Biochimie. Compte tenu de leurs insuffisances, leurs contenus seront enrichis par une documentation afin de fournir une matière avec des qualités requises. La sélection d’un contenu adapté pour l’enseignement de chimie dans les deux classes dont il est question ici, doit se faire par exploitation des manuels plus usuels en tenant compte du programme national. Il convient aussi de s’inspirer des objectifs du programme national, de jauger le respect de la succession des notions et élaborer pour ce fait une prévision des matières adéquate pour chaque classe. L’élaboration des prévisions des matières pour les classes des 5ème et 6ème Biochimie étant l’un des objectifs à atteindre dans ce travail, nous avons collectionné les prévisions des matières des écoles ayant été à notre service. Nous avons aussi consulté le programme national de chimie en 5ème et 6ème chimie-Biologie. Nous avons enfin consulté les tables des matières reprises dans chacun des manuels d’accompagnement plus usuels à ces deux niveaux. C’est ainsi qu’avec l’idée de corriger les défaillances liées au non respect de la succession des notions et d’introduire les notions relevées en 5ème et 6ème Biochimie ; nous proposons ci-après, les prévisions des matières pour les deux classes.