SCIENCES EXPERIMENTALES

 

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Les combustions

L’atome, un modèle pour expliquer la transformation chimique

Lors des précédentes séquences, les élèves ont observé expérimentalement que lors d’une transformation chimique, certains corps purs disparaissaient pour donner naissance à de nouveaux corps purs. Ils ont également montré que lors d’une transformation chimique, la masse, et donc la quantité de matière, se conservait. Il conviendra d’insister sur le fait que ces deux résultats macroscopiques sont des faits expérimentaux irréfutables : aucune expérience ne vient les contredire.

L’objectif de cette séquence est de présenter, à partir de l’exemple de la combustion du méthane ou du butane, l’écriture symbolique d’une transformation chimique. Dans un premier temps, on montrera qu’une molécule est modélisée comme un assemblage de particules plus petites appelées atomes. On prendra pour exemples les molécules mises en jeu dans la réaction de combustion étudiée, à savoir le dioxygène, le méthane, le dioxyde de carbone, l’eau. C’est à ce niveau qu’on explicitera la différence entre les termes oxygène et dioxygène.

La modélisation est une notion qui reste relativement délicate à appréhender par un élève de quatrième. On précisera qu’un modèle est une représentation symbolique de la réalité. Il permet d’expliquer des phénomènes réels mis en évidence au niveau macroscopique, mais sa représentation symbolique est purement arbitraire. L’atome de carbone n’a pas de réalité pour l’œil humain, le fait de le représenter par une sphère noire est purement conventionnel. Cette réflexion pourra être approfondie dans le cadre de la séquence portant sur l’étude de textes historiques.

La présentation du modèle atomique rentre dans une logique dynamique d’explication des mécanismes mis en jeu au niveau de la transformation chimique. On précisera ainsi que lors d’une transformation chimique, les assemblages moléculaires sont brisés. Comme pour un jeu de Lego, les atomes sont conservés pour construire de nouveaux assemblages correspondant à de nouvelles molécules.

Nous avons choisi de faire l’économie de toute représentation symbolique de la molécule avant cette séquence de travail, et ce afin d’éviter tout risque de confusion de la part des élèves. L’image symbolique de la sphère renvoie en effet à l’appréhension d’une particule de matière homogène, impénétrable et indivisible. Ce modèle d’unicité évolue d’ailleurs au fur et à mesure des apprentissages scientifiques de l’élève. En classe de troisième, le modèle atomique est modifié pour permettre d’expliquer les propriétés électriques de la matière. Alors que l’atome est appréhendé en classe de quatrième comme une particule élémentaire indivisible, il se dévoile en classe de troisième comme étant lui-même une organisation intégrant des particules élémentaires plus petites, le noyau et les électrons, à leur tour représentées symboliquement par une sphère. Afin de rester en classe de quatrième à un niveau cohérent d’appréhension symbolique du modèle, nous avons choisi de présenter directement la molécule comme un agencement d’atomes. La grande majorité des représentations rencontrées par les élèves (animations numériques illustrant les états physiques de la matière en montrant des molécules composées de deux sphères, modèle de la molécule d’eau) intègre d’ailleurs implicitement ce niveau de modélisation.

Une fois acquises par les élèves les compétences en lien avec l’écriture des réactions équilibrées de combustion du méthane et du butane, le professeur portera à la connaissance des élèves d’autres exemples de molécules composant les corps combustibles tels que le bois, le gaz, le pétrole, le charbon. On insistera sur le fait que ces matériaux, très différents au niveau macroscopique, ont comme point commun d’être composés de molécules construites à partir d’une diversité très limitée d’atomes : le carbone, l’hydrogène et pour certain l’oxygène. Le cas particulier du bois est intéressant à analyser : on y trouve 50 % de carbone, 43 % d'oxygène, 6 % d'hydrogène et 0,5 % d'azote. Une de ses molécules constitutives, la cellulose (C6H10O5) est composée uniquement d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène.