Modélisation de composé chimique pour mieux comprendre la dissociation des composés ioniques

• • La problématique

Comment l'utilisation de modélisation des composés chimique aide-t-elle à mieux comprendre la dissociation des composés ioniques et à en prédire les conséquences au niveau macroscopique?

En effet, l'enseignement de la chimie rencontre un problème qui lui est spécifique (bien que retrouvé aussi mais de manière moins systématique en physique et en biologie) qui est le passage incessant entre différents niveaux de représentation. Cela a été formalisé par Johnstone (Johnstone, 1991) qui a identifié les difficultés à faire des allers et venues entre les niveaux macroscopique, (sub)microscopique et symbolique. Le phénomène de dissolution s'observe au niveau macroscopique, mais la dissociation n'appartient qu'au niveau microscopique mais le passage par le niveau symbolique pour identifier le type de composé par sa formule chimique est nécessaire. Il s'agit donc d'un problème complexe et l'utilisation d'outils de modélisation informatique peut aider les élèves à se représenter un niveau qui ne leur est pas accessible directement. Il a déjà été montré que des outils informatiques permettant de représenter différents niveaux du triangle de Johnstone pouvaient aider à la maîtrise des outils pour équilibrer les équations chimiques (Pyatt 2014) ou à la représentation de molécules organiques dans l'espace. On peut donc penser que ce passage entre les différents niveaux de représentation est nécessaire à l'utilisation à bon escient des concepts de dissolution et de dissociation chez les élèves. L'outil informatique utilisé sera un plus dans leur apprentissage.

Triangle de Johnstone

- Le modèle à institutionnaliser (MAI): Les liaisons chimiques sont traitées par type: ionique, covalent et métallique. Le modèle utilisé pour distinguer les différentes liaisons se base sur la différence d'électronégativité et le type d'atome (métal vs non-métal). Dans un deuxième temps, la différence de comportement en solution aqueuse des composés, soit la différence entre dissociation et dissolution, est basée sur la catégorisation stricte entre composés ioniques se dissociant en solution et les composés covalents se dissolvant uniquement.

• Objectifs:

- Les élèves doivent être capable de décrire les phénomènes de dissociation de dissolution à l'échelle microscopique à l'aide de schéma.

- Les élèves doivent être capable de formuler une hypothèse sur le comportement des composés ioniques et des composés covalents en solution dans l'eau (différence entre dissociation et dissolution).

- Les élèves doivent être capable de faire des hypothèses sur les conséquences de ces phénomènes à l'échelle macroscopique.

La simulation devrait permettre de faciliter le passage entre les deux niveaux de description de la matière.

• Trois conjectures

1. En mettant en solution différents solutés dans l'onglet "micro" de l'artefact, les élèves seraient capables de représenter schématiquement au niveau microscopique les phénomènes de dissociation et de dissolution.

2. En mettant en relation la mise en solution des solutés dans l'onglet "micro" et l'observation des effets macroscopiques dans l'onglet "macro", les élèves devraient être capable de prédire si un composé chimique va causer l'allumage de l'ampoule.

3. En ajoutant des composés dans l'eau dans l'onglet "micro" les élèves devraient pouvoir vérifier leurs prédictions sur la nature des liaisons dans un composé chimique formulées en s'appuyant sur le MAI.

• Dispositif

  • Proposition(s) d'artefact

PhET, simulation "solution de sel et de sucre". La simulation permet de visualiser la conductivité d'une solution en fonction du soluté dissous dans l'eau (Macro). L'onglet suivant permet de visualiser la dissociation des ions en solution et l'absence de dissociation du saccharose et du glucose. Finalement, un zoom sur la solution permet de visualiser les interactions solvant-soluté. Ce dernier onglet est utilisé à des fins d'institutionnalisation en fin de séance.

Cet artefact est utilisé pour différentes raisons. Premièrement, il correspond à un point du programme qui consiste à savoir différencier les différents types de liaisons et à connaître les caractéristiques des composés ioniques et moléculaires. Deuxièmement, il permet de travailler une des difficultés de l'enseignement de la chimie, à savoir l'intégration des trois dimensions du triangle de Johnstone. La présence des onglets "Macro" et "Micro" et des formules chimiques permet d'avoir accès aux trois niveaux de représentation. La possibilité de passer d'un onglet à l'autre est intéressant dans l'optique de faire des liens entre deux niveaux de représentation.

• • Ebauche de scénario et de méthode pour récolter les traces en lien avec les conjectures posées

Insertion dans la séquence:

Après avoir abordé la constitution de l'atome, les différents types de liaison (covalente, ionique et métallique) sont présentées. Les propriétés des composés ioniques et covalents telles que la solubilité sont présentées. Une introduction aux phénomènes de dissociation et dissolution est données. Puis les élèves répondent à l'activité préliminaire afin d'avoir un comparatif. Finalement les élèves effectuent l'activité avec l'artefact.

Dispositif:

Les élèves sont dans un premier temps appelés à manipuler les différents onglets de l'animation pour la prendre en main. Puis des questions les guident, afin de faire les liens entre les observations macroscopiques (onglet "macro") et le modèle microscopique (onglet "micro").

Après ces question, il est demandé aux élèves de faire des prévisions d'observations en fonction du composé ou de prédire la nature des liaisons dans le composé à partir d'observations.

Conjectures Observables:

Pour la conjecture 3, nous allons regarder si les élèves ont réussi à placer les croix dans la colonne adéquate.

• Résultats (Observations, productions, chiffrées ou non)

  • Première passation afin d'améliorer notre document

Lors de l’analyse du projet initial, nous avons pu observer que les élèves n’arrivaient pas à faire de lien entre les différentes parties de l’activité (partie « macro », « micro » et « eau »). Ils confondaient les molécules et les atomes et n’arrivaient pas à reconnaître les ions alors qu’ils sont indiqués dans un encadré dans l’artefact. Ils ne faisaient pas la distinction entre le phénomène de dissociation et celui de dissolution. De plus, Ils ne faisaient pas ou très peu le lien entre liaison ionique et conduction du courant électrique. Finalement, ils ne comprenaient pas la différence entre le monde macroscopique et microscopique.

Ci-après quelques productions d’élèves qui montrent ce qu’on a pu observer:

La modélisation des phénomènes par des schémas n'est donc pas un point problématique et l'utilisation de l'artefact ne semble pas avoir une grande influence sur les productions des élèves. Il est toutefois positif de noter que l'utilisation de l'artefact n'a pas amené de modèles erronées. Cela montre que l'usage qui en a été fait était approprié.

Lorsque l’on passe du niveau microscopique au niveau symbolique, les élèves présentent des difficultés à expliquer ce qu’ils ont schématisé. Rappelons que dans le niveau symbolique du triangle de Johnstone se trouve l’utilisation du langage propre à une discipline et qui fait partie des objectifs d’apprentissage à atteindre. A la question " Qu'observez-vous?" , nous avons obtenu des réponses aussi variées que :" Les atomes de NaCl se séparent, alors que les atomes du sucre restent ensemble." (Elève 2) ; "Le sel se dissocie pour donner des cations et anions. Le sucre reste entier, pas de cations, ni anions." (Elève 3) ou "Parfois les molécules restent ensemble et parfois elles se détachent." (Elève 7)

La justification par le texte de ce qu'ils ont compris du phénomène montre une confusion dans l’utilisation des termes dissociation / dissolution. Il semblerait que les élèves aient compris qu'il se passe quelque chose au niveau moléculaire, à savoir qu'il y a une " séparation" . D'ailleurs, les élèves utilisent les termes "se séparer ", " se détacher ". Cependant, la difficulté réside dans l'emploi des termes appropriés pour décrire le phénomène. Il en découle des justifications vagues et qui ne rendent pas compte de ce qui se passe réellement au niveau microscopique, même après utilisation de l’artefact.

Conjecture 2:

Pour cette deuxième conjecture, il s’agissait d’essayer de se rendre compte, dans un premier temps, de la capacité des élèves à traduire et interpréter l’information en fonction de ce qui a été appris : dans l’énoncé de l’exercice 4, « les particules chargées » font entre autre référence aux ions, concept traité dans un chapitre antérieur. Puis, dans un deuxième temps, il leur fallait sélectionner et transférer ces données pour réaliser l’activité préliminaire et l’activité avec artefact. En s'appuyant sur leurs connaissances préalables, les élèves savent déterminer les ions constituant les composés suivants: NaCl, CaCl₂ et NaNO₃. L'exercice 4 de l'activité préliminaire invite les élèves à effectuer le raisonnement inverse, à savoir quels ions sont obtenus suite à la dissociation de ces composés. De plus, nous les guidons dans ce sens lorsque nous précisons que le passage d'un courant électrique est dû à la présence de particules électriquement chargées et que la conséquence qui en découle est l'allumage de l'ampoule. Contrairement à ces composés, le glucose et le saccharose sont des composés non ioniques, donc ils ne se dissocient pas en ions et en conséquence l’ampoule ne s’allumera pas.

Les résultats de l’activité préliminaire montrent que les élèves pensent que les composés ioniques ne permettent pas à l’ampoule de s’allumer, alors que 9/15 ont répondu que les composés non ioniques (éthanol et ammoniac) permettaient à l’ampoule de s’allumer.

Faits intéressants, c’est qu’après l’utilisation de l’artefact, la plupart ont répondu que les composés ioniques contenant le chlore causent l’allumage de l’ampoule, mais pas le NaNO₃ pour lequel la majorité indique que l’ampoule reste éteinte. En ce qui concerne les sucres (composés non ioniques), après l’activité artéfact, 13/15 ont coché la réponse que les sucres ne permettaient pas d’allumer l’ampoule. Il n'est pas étonnant que l'ion nitrate, qui est polyatomique pose problème aux élèves. En effet, il a été montré par Naah et Sanger (2011) que d'identifier les ions polyatomiques étaient une difficulté pour les élèves qui les empêchait de traiter efficacement les problèmes de dissociation en solution pour ces espèces.

Cependant, tout comme pour la conjecture 1, les élèves semblent avoir de la difficulté à mettre sous forme de texte la justification de leur choix. Quand on demande "Expliquer pourquoi un composé se dissociant dans l'eau permet au courant électrique de circuler alors qu'un composé ne se dissociant pas ne le permet pas? "(point g de la partie "effet macroscopique de l'artefact) "Les réponses sont souvent totalement ou partiellement erronées, de même qu’elles sont non abouties:

Elève 1

"Parce que les ions et les électrons transportent l'électricité"

Elève 3:

"Parce que les ions font passer l'électricité, pas la molécule entière"

Elève 6:

"C'est à cause des électrons qui sont dans l'eau"

Conjecture 3:

Tous les élèves ont coché la bonne case pour les deux sucres proposés dans notre activité (saccharose et glucose) , à savoir qu'ils ne contenaient pas de liaisons ioniques. Quant aux trois autres sels, tous les élèves ont su répondre correctement pour les sels chlorés. En ce qui concerne le NaNO₃ deux élèves n’ont pas donné la réponse attendue, à savoir qu’il y a une liaison ionique. Pour ces deux élèves, l’artefact n’a pas pas aidé à la compréhension du concept.

Pour avoir une meilleure vision de ces réponses et pour vérifier l’effet de l’artefact, il aurait été judicieux de rajouter une colonne dans laquelle les élèves auraient coché la réponse après utilisation de l’artefact, et non leur demander de corriger leur hypothèse.

• Conclusion (Discussion des conjectures, nuances, optimisation; Conjectures nouvelles et justification)

  • La passation préliminaire réalisée avant Noël nous a permis de prendre conscience de l'importance de conjecture liées aux usages de l'artefact qui pourraient apporter un soutien à l'intégration du MAI. Cela a également mis en lumière les défauts de l'activité élaborée qui ne faisait pas assez de lien entre l'utilisation de l'artefact et le MAI tout comme l'absence de l'usage des termes spécifiques qui ne pouvaient apparaître par magie chez les élèves.

  • Conjecture 1: D'après les productions des élèves, on n'observe que peu de modifications entre avant et après l'utilisation de l'artefact. En effet, avant même l'utilisation de la simulation, la plupart des élèves représentent de manière correcte les phénomènes de dissociation et de dissolution à l'aide du modèle particulaire. Toutefois, pour les quelques élèves (élève 5 par exemple) pour qui la représentation de ces phénomènes est problématique, l'artefact semble être bénéfique.

On peut donc conclure que cette conjecture n'avait pas lieu d'être dans le dispositif que nous avons mis en place. En effet, de manière générale, l'artefact n'a pas aidé les élèves vu que ce point n'a pas amené de difficulté déjà dans l'activité préliminaire. Au plus, l'artefact a un effet consolidant comme pourrait l'avoir été d'autres types d'exercices. Par contre, on peut imaginer modifier le dispositif et ne pas aborder avant les phénomènes de dissociation et dissolution au niveau particulaire au préalable avec les élèves.

• • Conjecture 2: Les élèves ont mieux réussi à prédire les composés qui causeront l'allumage de l'ampoule. Alors qu'ils inversaient souvent l'effet des composés ioniques et moléculaires, les erreurs sont très peu nombreuses. Cela montre que la conjecture proposée est pertinente et que l'usage de l'artefact est approprié pour permettre aux élèves de prédire les effets à l'échelle macroscopique de la dissolution d'espèces chimiques dans l'eau. Toutefois, cela est limité comme cela a été montré dans la littérature (Naah & Sanger, 2011) par la difficulté a associer des édifices polyatomiques à des ions (la cas du nitrate ici). Cette difficulté aurait pu être surmontée par un étayage auprès des élèves. Même à distance, on peut prendre la main et mettre en avant le comportement de ce composé.

Conjecture 3: Les élèves ont réussi à mieux sélectionner le composé ionique après l'utilisation de l'activité artefact, en particulier ceux qui contenait un anion monoatomique de chlore (NaCl et CaCl₂) . Les composés non ioniques ont tous été correctement identifiés, ce qui valide notre CJ3. En revanche, tout comme ce qui avait été constaté dans la CJ2 concernant le nitrate, ce composé semble constituer un obstacle à la compréhension de quelques élèves (2), même après utilisation de l'animation.

Toutefois, les modifications apportées par les élèves après vérification à l'aide de l'artefact ne sont pas forcément visible, peut-être parce que la fiche d'activité a été réalisée sur ordinateur. On aurait pu ajouter une colonne supplémentaire dans laquelle ils auraient pu changer leur réponse tout en conservant la trace de la première. Cela n'a pas d'influence sur les effets de l'artefact, mais nous aurait été utile pour en comprendre les effets et peut-être pour les élèves afin de leur faire prendre conscience du changement qui s'est opéré dans leur appréhension du phénomène.

Dans la majorité des cas, les élèves ont été capables d'utiliser des éléments du MAI afin de donner des réponses pertinentes. On peut donc en déduire que les conjectures émises quant au soutien à l'assimilation du MAI que l'utilisation de l'artefact peut apporter étaient pertinentes, même si la première conjecture semble avoir visé un niveau de compétence qui ne requérait pas l'utilisation de l'artefact.

• Extension du projet: Après avoir utilisé l'artefact, les élèves devraient être capable de proposer un protocole expérimental permettant de vérifier les prédictions des manifestations macroscopiques (allumage de l'ampoule en fonction du soluté).

• Points positifs de l'utilisation de l’artefact :

L'artefact permet de passer du niveau macro au micro grâce à la représentation particulaire de manière représentative, mais « visible ». L'utilisation des différents onglets de l'artefact ayant permis de vérifier les conjectures 2 et 3, cela montre que l'utilisation prévue de l'artefact a permis aux élèves d'intégrer les différents points du MAI permettant de faire le lien entre les propriétés des composés et le type de liaison présent dans le composé.

• Limites de l’artefact :

L’artefact ne permet pas la prise en compte du niveau symbolique, en particulier la justesse de l’explication. En effet, le langage correct qui est propre à une discipline se situe sur le pôle symbolique du triangle de Johnstone. C'est donc la limitation principale de cet artefact. S'il permet de mettre en relation deux sommets du triangle de Johnstone, il laisse de côté tout un aspect, l'aspect sémantique, du troisième sommet du triangle . Il faut donc faire le lien avec le dernier niveau de représentation de manière indépendante de l'outil informatique. Toutefois, ce manque n'est pas un reproche fait à l'artefact. En effet, cela alourdirait considérablement l'animation qui échouerait à atteindre son but premier, soit permettre de visualiser l'infiniment petit pour représenter un phénomène chimique.

• Bibliographie:

  • • • Johnstone, A.H. (1991). Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem. Journal of Computer Assisted Learning, 7, 75-83.

      • Abraham M., Varghese V. Tang H. (2010). Using Molecular Representation To Aid Students Understanding of Stereochemical Concepts, Journal of Chemical Education, 87 (12), 1425-1429.

      • Pyatt K. (2014), Use of Chemistry Software to Teach and Assess Model-Based Reaction And Equation Knowledge, Journal of Technology and Science Education, 4 (4), 215-227.

      • Naah B. M., & Sanger M. J. (2011), Student misconceptions in writing balanced equations for dissolving ionic compounds in water, Chemistry Education Research and Practice, 13, 186-194.

• Annexe: Document élèves

• • Activité préliminaire