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Progression et transversalité

 | 
Ghislain Carlier
, 
Myriam De Kesel
, 
Jean-Louis Dufays
, 
et al.

Chapitre 7. Progression et transversalité en sciences

Le concept de mole en chimie

Bernard Tinant

Texte intégral

1L’importance du concept « quantité de matière » et de son unité « la mole » dans l’enseignement et l’apprentissage de la chimie est indiscutable. Ce concept est à la base de la compréhension de la stoechiométrie et donc central dans la réponse à la seconde question à laquelle doit pouvoir répondre le chimiste : combien de A et de B dois-je engager pour obtenir autant de produit C ? (La première question est de savoir quoi engager et dans quelles conditions pour obtenir C).

  • 1 Deuxième Journée d’études du CRIPEDIS (2011), Le curriculum en questions, sixième volume de la col (...)

2À partir des différents niveaux de formulation d’un même concept (celui de molécule en l’occurrence), nous avons montré qu’une rupture curriculaire majeure intervient au second degré de l’enseignement de la communauté française (CF) de Belgique, principalement en quatrième année lorsque la symbolique est introduite et lorsque l’on rentre dans le monde des modèles1. En particulier, le concept de « mole » vu comme lien entre le monde macroscopique (registre des observations) et le monde microscopique (registre des modèles) pose de sérieux problèmes, probablement au moins en partie parce qu’il s’agit d’un formalisme et qu’il fait appel à une certaine forme d’abstraction (on se rend compte à ce moment que les atomes et les molécules sont des objets beaucoup trop petits et qu’il faut imaginer ce monde-là).

  • 2 C’est le concept « liaison chimique » qui vient en second lieu, encore un concept du monde des mod (...)

3Ces difficultés rencontrées essentiellement en quatrième année sont confirmées par une enquête informelle auprès de l’ensemble des maitres de stage de l’agrégation en sciences, soit une trentaine de professeurs expérimentés. À la question « Vos collègues et/ou vous-même rencontrez-vous de réelles difficultés pour faire comprendre un concept au second degré ? Si oui le(s) quel(s) ? », une majorité des professeurs fait part des gros soucis rencontrés quand on aborde les concepts de « mole » et les « calculs stoechiométriques »2.

4Dans une remarquable et très complète synthèse, relative à l’apprentissage et à l’enseignement des concepts « quantité de substances » et « mole », Carlos Furió, Rafael Azcona et Jenaro Guisasola (2002) arrivent à la conclusion qu’il y a une discordance claire entre ce qui est attendu par la communauté scientifique et ce qui est enseigné par les professeurs (ce qui se traduit par ailleurs dans la présentation des concepts telle qu’elle est faite dans les différents manuels scolaires). Furió fait remarquer que le concept est bien celui qui fait le lien entre les mondes microscopique et macroscopique :

[…] the true problem in relation to the meaning of the concept “amount of substance” lies in the fact that one has to be aware that this is a macroscopic quantity related directly to the microscopic world of substances (it serves to count atoms and molecules).

5Et un peu plus loin :

It is necessary to properly relate the macroscopic definitions of substance and chemical reaction to corresponding definitions at the atomist microscopic lever (Furió, Azcona & Guisassola, 2002).

6Lorsque l’on examine les programmes et les manuels utilisés en CF, on ne voit nulle part d’insistance ou de mise en garde particulières sur la nécessité de faire ces allers et retours entre les mondes macroscopique et microscopique quand on introduit le concept de mole. Pourtant, c’est la seule façon de faire comprendre le concept et surtout le « pourquoi » de son utilité et donc aussi pourquoi on a introduit cette notion. À notre sens, il est capital d’expliquer pourquoi un concept est utile (voire nécessaire) si on veut que les apprenants utilisent cette notion et participent à l’apprentissage. La mole fait le lien entre les niveaux microscopique (monde des atomes et molécules qu’il faut imaginer) et macroscopique (ce qui est autour de nous). En effet, si on écrit : 2H2 + O2 → 2H2O, la lecture microscopique de l’équation chimique est : 2 molécules de dihydrogène cassent et donnent 4 atomes H ; elles rencontrent 1 molécule de dioxygène qui casse en 2 atomes O ; ces atomes (insécables) se réorganisent en s’associant différemment pour donner 2 molécules d’eau H2O. Les atomes et les molécules sont tellement petits qu’il faut un changement d’échelle pour ramener les masses, les nombres d’objets, etc. à une échelle que nous puissions comprendre, et ce changement va se faire en multipliant chacune des entités par un grand nombre appelé nombre d’Avogadro symbolisé par Na soit 6,022 1023. Alors, on peut lire l’équation dans le monde macroscopique comme 2 moles de dihydrogène réagissent avec 1 mole de dioxygène pour donner 2 moles d’eau. « Mole » de H2 est donc proportionnelle à « molécule » de H2 etc., et ceci nous ramène à des quantités de matière manipulables à l’échelle humaine puisque 1 mole de H2 correspond à une masse de 2 g etc. C’est bien parce que les atomes sont insécables que l’on doit exprimer les quantités de substance en nombre d’objets (comme les œufs qui s’achètent par six ou douze, mais pas par gramme, car il faudrait très probablement une partie d’œuf pour faire un kilogramme).

7Cette perception des choses est très fonctionnelle et très éloignée de la définition formelle et officielle à savoir la mole est l’unité de mesure de la quantité de substance ; c’est la quantité de substance qui contient autant d’entités élémentaires (atomes, molécules, ions, électrons, etc.) qu’il n’y a d’atomes dans 12 g de carbone12 (12C) pur (l’isotope du carbone de masse atomique 12). Il reste alors à faire le lien entre la définition formelle et la définition fonctionnelle, c'est-à-dire à voir à partir des masses atomiques relatives, des concepts d’atomes gramme et molécules gramme pourquoi dans une mole il y aura toujours Na objets ; donc, finalement, cela revient à compter les objets en mesurant leur masse (l’analogie avec des oranges et des pamplemousses est utile). Il faudra aussi utiliser des exemples pour montrer que Na est un nombre trop grand pour être appréhendé par le cerveau humain (il y a des multitudes d’analogies) et cela permettra de convaincre définitivement que le changement d’échelle est vraiment absolument nécessaire.

8Les chimistes qui sont sans doute plus habitués à ces allers et retours nombreux entre les niveaux microscopique et macroscopique auront sans doute plus facilement acquis que d’autres enseignants, dont la chimie n’est pas la formation de base, ce qu’Atkins (1998) nomme « le sens chimique ». Comme il est possible de fonctionner correctement pour résoudre les problèmes de stoechiométrie sans ce « sens chimique », en utilisant par exemple des formules telles n = m/M et les rapports des coefficients de l’équation, il n’est pas impossible que les « non-chimistes » se retrouvent plus dans cette catégorie et qu’ils n’arrivent pas à faire comprendre en profondeur ni le concept ni son utilité. Encore une fois, une analogie peut être faite avec l’apprentissage du sport. La différence entre un entraineur et un bon entraineur est que le premier explique ce qu’il faut faire et, éventuellement, montre comment il faut faire tandis que le second explique en plus pourquoi il faut faire comme cela et pas autrement.

Bibliographie

Références bibliographiques

Atkins, P., Jones, L. (1998). Chimie : molécules, matière, métamorphoses (trad. de la 3e éd. américaine). Bruxelles : De Boeck Université.

De Kesel, M., Dufays, J.-L., Meurant, A. (dir.) (2011). Le curriculum en questions. La progression et les ruptures des apprentissages disciplinaires de la maternelle à l’université. Louvain-la-Neuve : PUL, coll. « Recherches en formation des enseignants et en didactique ».

Furió, C., Azcona, R., Guisassola, J. (2002). The learning and teaching of the concepts “amount of substance” and “mole” : a review of the literature. Chemistry Education : Research and practice in Europe, 7 (3), 277-292.

Notes

1 Deuxième Journée d’études du CRIPEDIS (2011), Le curriculum en questions, sixième volume de la collection « Recherches en formation des enseignants et en didactique ».

2 C’est le concept « liaison chimique » qui vient en second lieu, encore un concept du monde des modèles.

© Presses universitaires de Louvain, 2012

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