Comprendre les titrages – Représentations d’élèves de première et terminale scientifiques et effets de quelques variables

Nous examinons dans cette thèse la compréhension des titrages par des élèves du secondaire, issus d’un cursus scientifique en France. L’étude des titrages fait intervenir les concepts de transformation et de réaction chimique, de stoechiométrie. Ces notions ont fait l’objet de nombreuses recherches en didactique depuis le début des années 1980. En ce qui concerne les notions de transformation et réaction chimique, bon nombre de travaux ont exploré les représentations des élèves (Méheut, 1989 ; Brosnan, 1990, Andersson, 1990 ; Stavridou et Solomonidou, 1989, 1994). Ces travaux mettent en évidence les difficultés de compréhension du concept de transformation chimique, en particulier une difficile distinction entre transformation chimique et transformation physique. Brosnan (1990) et Andersson (1990) ont établi une catégorisation des types d’explications repérées chez les élèves et une catégorisation des causes des transformations proposées par les élèves. Plus récemment, Tsaparlis (2003) a approfondi les résultats précédents en s’intéressant à la distinction faite entre phénomène chimique et réaction chimique par des lycéens et des étudiants grecs de première année universitaire. L’ensemble de ces études montre l’importance cruciale de la construction des concepts de transformation et de réaction chimique lors de l’enseignement, étape par étape. En ce qui concerne la stoechiométrie, un certain nombre de travaux (Frazer et Servant, 1986, 1987 ; Schmidt, 1990 ; Huddle et Pillay, 1996 ; Boujaoude et Barakat, 2000 ; Arasasingham et al., 2004) ont montré les difficultés des élèves et des étudiants à résoudre des problèmes de stoechiométrie. Dans ces études, les tâches proposées aux étudiants nécessitent l’usage d’outils algorithmiques. Les résultats mettent en évidence des difficultés au niveau de la compréhension des concepts. De plus, Stamovlasis et al. (2005) ont montré que la capacité à résoudre des problèmes à l’aide d’outils algorithmiques est indépendante de la bonne compréhension des concepts sous jacents. Ces résultats démontrent les limites de l’enseignement usuel de la stoechiométrie à l’aide de formules et d’algorithmes. Nous nous intéressons aux titrages car il nous semble que leur étude est l’occasion d’approfondir les connaissances sur les transformations chimiques. Notre recherche tend donc à déterminer dans quelle mesure il est possible d’exploiter l’étude d’un titrage pour approfondir la réflexion des élèves sur les notions de transformation chimique, de stœchiométrie et de réactif limitant. De plus, le titrage s’avère une source de nombreuses applications concrètes issues de la vie quotidienne (dosage des eaux naturelles et autres produits d’usage domestique). Le dosage tient d’ailleurs une place non négligeable dans l’enseignement secondaire, avec un place centrale dans un chapitre intitulé « Mesure chimique » du nouveau programme de première scientifique (B.O. n°7, 2000) en application depuis la rentrée 2001. Pour les élèves, le but de telles manipulations est clair et motivant : par exemple, vérifier que la teneur en acide phosphorique respecte bien la législation dans une boisson gazeuse. L’équivalence est, d’un point de vue pratique, très accessible : changement de couleur, saut de pH… Mais une compréhension théorique de cette équivalence n’est sans doute pas évidente. Sans négliger le fait que de telles expériences donnent du sens à l’enseignement de la chimie, il est légitime de se demander si une focalisation sur l’équivalence dans le seul but de déterminer une concentration ne serait pas trop exclusive et négligerait les possibilités d’approfondissement théorique sur les transformations et réactions chimiques par les élèves. Nous menons donc notre recherche sur la compréhension du déroulement du titrage dans son intégralité: du premier ajout de solution titrante jusqu’à l’ajout en excès de solution titrante.

Dosages et titrages

Un dosage est la détermination d’une concentration ou d’une teneur massique, quelle que soit la méthode employée : chimique ou physique. Certains dosages sont basés sur une propriété physique qui caractérise la substance à doser. Un dosage par mesure d’absorbance (dosage spectrophotométrique), un dosage par mesure de conductance (dosage conductimétrique) en sont des exemples. Un titrage est un cas particulier de dosage. C’est la détermination d’une concentration inconnue à l’aide d’une solution dont on connaît le titre, par transformations chimiques entre la substance à doser et la substance titrante. C’est une méthode chimique ; elle repose sur la réactivité chimique de la substance à doser et non sur ses propriétés physiques. La réaction chimique doit être totale et rapide. Tous les titrages sont donc des dosages mais tous les dosages ne sont pas des titrages.

Evolution du système chimique lors d’un titrage 

Un titrage consiste en une succession d’opérations visant à consommer l’espèce chimique contenue dans la solution à doser lors d’ajouts de quantités connues d’un réactif titrant, ceci jusqu’à l’équivalence. On peut décrire le processus de titrage selon les trois parties suivantes :

– avant l’équivalence, l’espèce chimique à titrer se transforme de façon totale et instantanée à chaque addition de solution titrante ;
– l’équivalence intervient pour un volume de solution titrante ajouté tel que la quantité de matière ajoutée de l’espèce titrante soit égale à la quantité de matière initiale de l’espèce titrée, on peut dire alors qu’il y a changement de réactif limitant ;
– après l’équivalence, l’espèce chimique titrante est ajoutée en excès.

Il existe une diversité de titrages. Les réactions chimiques mises en jeu peuvent être acido-basiques, d’oxydoréduction, de précipitation, de complexation. Les techniques de suivi de titrage sont diverses : suivi spectrophotométrique, conductimétrique, pH-métrique, avec indicateur coloré, avec changement de couleur de la solution. Nous distinguons les titrages avec indicateur coloré où il y a ajout dans le système d’une espèce chimique, qui n’intervient pas dans la réaction de titrage, dont la couleur change à l’équivalence et les titrages avec changement de couleur de la solution dû à des espèces chimiques intervenant dans la réaction chimique de titrage, par exemple la manganimétrie.

A propos des transformations chimiques 

Nous avons utilisé précédemment les termes transformation chimique et réaction chimique. Dans ce paragraphe, il s’agit de spécifier dans quel cas, nous utilisons l’un ou l’autre. Nous empruntons cette distinction au programme de seconde générale en application depuis la rentrée 2000 (B.O. n°6, 1999). Cette distinction a été explicitée par les auteurs des programmes (Davous et al., 1999). Une transformation chimique correspond à l’évolution d’un système chimique d’un état initial à un état final et une réaction chimique est le modèle théorique qui permet d’expliquer l’évolution précédente. La réaction chimique ne concerne que les espèces chimiques qui sont effectivement consommées (réactifs) ou qui apparaissent (produits) ; elle est symbolisée par l’écriture d’une équation chimique. En classe de seconde, le choix est fait de ne traiter que les cas de transformations simples, modélisées par une seule réaction chimique. Les réactions chimiques mises en jeu sont totales. La notion d’avancement et l’utilisation de tableaux d’avancement sont enseignées en seconde pour déterminer quantitativement la composition finale du système à partir de sa composition initiale et de l’équation de réaction chimique associée à la transformation observée.

La place des titrages dans les programmes de première et terminale scientifiques 

Le programme de chimie de première scientifique en application depuis la rentrée 2001 est paru au Bulletin Officiel n°7 du 31 août 2000, le programme de terminale scientifique en application depuis la rentrée 2002 au Bulletin officiel n° 4 du 30 Août 2001. Ils s’inscrivent dans la continuité du programme de seconde générale. Nous précisons dans une première partie les objectifs du programme de première scientifique relatifs à l’étude des titrages. Les titrages sont aussi étudiés en terminale S. Nous précisons les objectifs de l’enseignement de terminale dans une deuxième partie. Ce nouveau programme présente une certain nombre de nouveautés concernant l’étude des titrages par rapport aux programmes antérieurs (B.O. spécial, 1992 ; B.O. n°3, 1995). Nous les exposons dans une troisième partie et nous détaillons les principes qui ont guidé les choix des rédacteurs de ce programme.

Objectifs relatifs à l’enseignement des titrages en première scientifique 

Le programme de première est constitué de trois parties. La première s’intitule « La mesure en chimie » et a pour but de présenter aux élèves une activité fondamentale du chimiste : la mesure des quantités de matière. L’étude des titrages intervient dans cette partie. La seconde partie intitulée « la chimie créatrice » est une introduction à la chimie organique. Enfin la troisième partie intitulée « L’énergie au quotidien : la cohésion de la matière et les aspects énergétiques de ses transformations » met en relation l’aspect énergétique des transformations de la matière avec la structure de la matière, sa cohésion. La première partie est la plus importante en nombre d’heures d’enseignement. Après avoir montré l’intérêt de mesurer des quantités de matière dans différents domaines (surveillance et protection de l’environnement, analyses biologiques,…) et la grande diversité des techniques utilisées, des grandeurs physiques liées aux quantités de matière (concentration, pression, volume par exemple) sont étudiées. La mesure de ces grandeurs physiques est utilisée pour l’étude quantitative d’une transformation chimique en réinvestissant et en approfondissant l’utilisation du tableau d’avancement. Parmi l’ensemble des techniques utilisées pour déterminer des quantités de matière, deux dosages sont étudiés de façon approfondie. Le premier type de dosage étudié fait appel à une mesure physique : la conductimétrie. Dans le cas d’une solution contenant un seul type de soluté ionique, la conductance est proportionnelle à la concentration du soluté. Le dosage conductimétrique consiste à utiliser des solutions étalons pour tracer une droite d’étalonnage. La courbe est ensuite exploitée pour déterminer la concentration inconnue d’une solution. Le second type de dosage étudié met en jeu des transformations chimiques, il s’agit donc d’un titrage. Comme le souligne le programme, il s’agit d’ « une méthode chimique, à l’aide de certaines transformations effectuées jusqu’à l’équivalence » (B.O. n°7, 2000, p.17). Les réactions chimiques mises en jeu dans les titrages étudiés en classe de première scientifique se limitent à des réactions acido-basiques et des réactions d’oxydoréduction. Les transformations envisagées ne font intervenir qu’une seule réaction chimique et sont totales. Les types de titrage utilisés sont des dosages avec changement de couleur de la solution et des dosages avec suivi conductimétrique. L’objectif énoncé dans le programme est « la réalisation et l’exploitation d’un dosage et la compréhension de la notion d’équivalence ». (B.O. n°7, 2001, p.200) Les documents d’accompagnement précisent notamment la définition de l’équivalence et la méthode préconisée pour déterminer les quantités de matière :
– L’équivalence est définie comme « l’état du système dans lequel le réactif titré devient le réactif limitant alors qu’avant l’équivalence le réactif limitant est le réactif titrant » (B.O. n°7, 2000, p.201) ;
– le tableau d’avancement, introduit en seconde, est réinvesti pour décrire l’évolution du système au cours du titrage. A chaque ajout de réactif titrant, l’avancement atteint dans l’état final est maximal. Et cet avancement final atteint une valeur limite à l’équivalence qui correspond à l’état où le réactif titrant et le réactif titré sont tous deux intégralement consommés.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 – A propos des titrages : analyse de contenu et analyse des programmes de première et terminale scientifiques
1. Dosages et titrages
2. Evolution du système chimique lors d’un titrage
3. A propos des transformations chimiques
4. La place des titrages dans les programmes de première et terminale scientifiques
4.1. Objectifs relatifs à l’enseignement des titrages en première scientifique
4.2. Objectifs relatifs à l’enseignement des titrages en terminale scientifique
4.3. Les nouveautés du programme et les principes qui ont guidé les choix des
auteurs du programme
4.3.1. Evolution du système chimique au cours du titrage et
définition de l’équivalence
4.3.2. Choix des techniques de suivi de titrage
Chapitre 2 – Cadre théorique
1. Des erreurs aux représentations et conceptions
2. Revue de travaux sur les difficultés des étudiants lors de l’apprentissage de la
stoechiométrie et des titrages
2.1. Revue de travaux relatifs à la compréhension de la stoechiométrie
2.1.1. Une difficile perception de la stoechiométrie par les élèves
2.1.2. Des difficultés avec les proportions de réactifs
2.1.3. Stoechiométrie et équation de réaction
2.1.4. Des difficultés à propos des réactifs limitants et des excès de réactifs
2.2. Revue de travaux relatifs à la compréhension des titrage
2.2.1. Résultats relatifs à la compréhension du déroulement du titrage
2.2.2. Résultats relatifs aux techniques de suivi de titrage utilisées
2.3. Synthèse et hypothèses de recherche
3. Optimiser l’enseignement /apprentissage des titrages par l’analyse de variables
didactiques
3.1. A propos des variables didactiques
3.2. Analyse a priori des variables mises en jeu lors de l’enseignement des
titrages dans le secondaire
4. Utiliser des représentations graphiques pour l’acquisition de contenus théoriques
4.1. Savoir-faire et difficultés des élèves lors de l’utilisation de
représentations graphiques
4.2. Relations entre données expérimentales, représentations graphiques
et contenus théoriques
4.3. Synthèse et hypothèses de recherche
5. Problématique
5.1. Questions de recherche relatives à la notion de réactif limitant
5.2. Questions de recherche relatives à l’étude de titrages en première
scientifique
5.3. Questions de recherche relatives à l’effet de quelques variables
mises en jeu lors de l’étude de titrages
Chapitre 3 – Etude de la stoechiométrie en classe de seconde : des conceptions des élèves à la compréhension de la notion de réactif limitant
1. Méthodologie
1.1. Présentation des questionnaires
1.2. Présentation des échantillons
2. Résultats
2.1. Analyse des réponses pour des réactifs dans le même état physique
2.1.1. Enoncés et explicitation des catégories de réponses
2.1.2. Résultats
2.2. Analyse des réponses pour des réactifs dans différents états physiques
2.2.1. Enoncés et explicitation des catégories de réponses
2.2.2. Résultats de la situation 3 : craie et acide chlorhydrique
2.2.3. Résultats de la situation 4 : fer (solide) et solution de sulfate de cuivre
3. Discussion
4. Conclusions et perspectives
Chapitre 4 – Compréhension des titrages en classe de première scientifique Représentation des élèves et premières études de variables didactiques
1. Méthodologie
1.1. Présentation générale des questionnaires
1.1.1. Elaboration des questionnaires
1.1.2. Description des questionnaires
1.1.2.1. Questionnement « Composition du système chimique »
1.1.2.2. Questionnement « Variation »
1.2. Présentation de la population
1.3. Conditions de passation des questionnaires
1.4. Méthode d’analyse des données
2. Résultats et analyses
2.1. Questionnement « Composition du système chimique »
2.1.1. Titrage d’oxydoréduction avec changement de couleur de la solution
2.1.1.1 Contenu Théorique
2.1.1.1.1. Titrage du diiode par les ions thiosulfate
2.1.1.1.2. Titrage des ions fer II par les ions permanganate
2.1.1.2. Présentation des énoncés
2.1.1.3. Explicitation des catégories de réponses
2.1.1.4. Résultats
2.1.1.4.1. Résultats concernant le titrage du diiode par
les ions thiosulfate
2.1.1.4.2. Résultats concernant le titrage des ions fer II
Par les ions permanganate
2.1.2. Titrage acido-basique avec suivi conductimétrique
2.1.2.1. Contenu théorique
2.1.2.2. Présentation de l’énoncé
2.1.2.3. Explicitation des catégories de réponses
2.1.2.4. Résultats
2.1.3. Titrage des ions chlorure par les ions argent avec suivi
conductimétrique
2.1.3.1. Contenu théorique
2.1.3.2. Présentation de l’énoncé
2.1.3.3. Explicitation des catégories de réponses
2.1.3.4. Résultats
2.2. Questionnement « Variation de la conductance »
2.2.1. Titrage acido-basique avec suivi conductimétrique
2.2.1.1. Présentation de l’énoncé
2.2.1.2. Résultats
2.2.2. Titrage par précipitation avec suivi conductimétrique
2.2.2.1. Présentation de l’énoncé
2.2.2.2. Résultats
3. Discussion
3.1. Comment les élèves décrivent-ils le système chimique avant et
après l’équivalence ?
3.2. En quoi les représentations dépendent-elles du questionnement ?
3.3. En quoi les raisonnements des élèves dépendent-ils du type de suivi
du titrage ?
3.4. Retrouve-t-on dans les explications des élèves des difficultés de
compréhension relatives aux notions de réactif limitant de transformation
chimique et réaction chimique ?
3.5. Premières conclusions et perspectives
Conclusion

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