Chimie et savoir

1. Chimie et savoir Introduction au cours de spécialité Master didactiques et interactions jflm Novembre 2006 (en présence de Cécilia CASTRO de Lyon1)

2. Qu’est-ce que la chimie • Science concernée par • La structure de la matière • Ses propriétés • Ses transformations • Plus précisément • La structure au niveau atomique (et pas sub atomique, ni cellulaire par ex.) • Ses transformations faisant intervenir une modification au niveau atomique

3. Outil de description • Modèles • Description d’une liaison chimique • Description de l’acidité • Représentations • Symbolique • Langage de la chimie • Théories empruntés à la physique • Electrostatique • Mécanique quantique

4. Intérêt de la chimie • Satisfaire aux questions relatives à la description du monde qui nous entoure. • Prévoir • Des propriétés de substance n’existant pas forcément • Des transformations qui se font, ou pas • Produire les corps et les matériaux qui change notre environnement

5. Événement et phénomène • « Phénomène » • Au sens large. Ce qui apparaît, ce qui se manifeste aux sens ou à la conscience, tant dans l'ordre physique que dans l'ordre psychique, et qui peut devenir l'objet d'un savoir. • Ce que l'on observe ou constate par l'expérience et qui est susceptible de se répéter ou d'être reproduit et d'acquérir une valeur objective, universelle. • Je distinguerai l’événement (= phénomène au sens large) du phénomène. • Le phénomène requiert un choix dans l’observation • Le fait que lors d’un mélange de deux liquides il y ait un trouble blanc ou de couleur sera pour moi un événement. • Sa description en termes de « précipitation » sera un phénomène. • La distinction entre les mots n’est pas très utilisée, mais il est essentiel de distinguer les notions correspondantes

6. Événement – Phénomène - modèle • Le passage de l’événement au phénomène requiert un modèle • Pourquoi s’intéresser au précipité, et pas à la couleur, si on n’a pas un modèle derrière la tête ?

7. Dualité macro – micro • C’est une spécificité de la chimie • La relation entre deux niveaux est générale en science • Le niveau micro explique les phénomènes macro en chimie • Le niveau des cellules explique les observations macro en bio • Le niveau théorique explique les phénomènes en physique

8. Micro – macro - symbolique • On peut expliquer la chimie avec les niveaux micro, macro et symbolique Jonhstone, 1993, J. Chem Educ. Macro Symbolique Micro (ou submicro)

9. Recherche d’analogies • Les connaissances au niveau micro peuvent se construire par analogie • Par analogie avec ce qui est connu du niveau macro • Que l’analogie soit correcte ou pas • A l’aide de règles de fonctionnement du niveau symbolique • Les règles peuvent être ou nom justifiée par des lois • Etc.

10. Résultat de la création des K sur les modèles en chimie • Ce qui résulte du processus de création des K en chimie s’exprime par des représentations • Concrètes (modèles moléculaires) • Visuelles (graphes) • Mathématiques • En langage naturel • Par des symboles spécifiques de la chimie

11. Transformation entre modes de représentations • Le chimiste sais passer d’un mode (registre) de représentation à un autre. • Ex. CH4 , méthane, • Il faut des K pour cela • Ces K doivent s’enseigner

12. terre eau air feu Langage de la chimie • Représenter les corps par des symboles est permanant dans l’histoire de la chimie • Pourquoi H2O s’est-il imposé pour l’eau ?

13. Comment enfermer l’immensité du monde dans la prison de quelques traits ? • Il ne suffit pas d’étiqueter ou de dénommer. Il faut inventer ou construire un substantif qui coïncide avec la substance. • Forme du triangle alchimique, symbole de Lavoisier • Aspect voco-structural : il ne s’agit pas de conférer un nom à une chose, mais il faut que la réalité puisse se traduire, se refléter dans une appellation transparente qui ne la déforme pas et ou chacun puisse la reconnaître. • Quelle réalité se traduit, et qui se reconnaît dans les symboles de l’eau ? • Dagonet F. (2002). Tableaux et langages de la chimie Essais sur la représentation Coll. milieux – Champ Vallon – LeSeuil

14. Du mot au symbole • Aspect pictural : si le mot échoue, comment le remplacer ? • La formule : parfois insuffisant • L’arrangement et les relations secrètes entre les parties • L’analogie avec les proches, les semblables et les dérivés • Il faut condenser toutes les propriétés tout en restant léger • Ex. C6H4Cl2 • Pourquoi la formule est-elle insuffisante ? • Quelles sont les relations entre les parties • Quelle analogie y a-t-il avec les proches

15. Dagonet (p.7) • Il faut partir de Lavoisier, qui alluma l’incendie de la révolution chimique sémantique et ordinatrice. • Quelle révolution ? • Pourquoi sémantique et ordinatrice ?

16. Révolution chimique sémantique et ordinatrice • Changement de principes • Suppression du phlogistique, • Introduction de la notion d’élément chimique • Fondation de la thermochimie (Mémoire sur la chaleur 1780) • Introduction de lois de conservation • Introduction d’une nouvelle nomenclature • Sel de mer / chlorure de sodium • Huile de vitriol / acide sulfurique • Esprit de sel / acide chlorhydrique • Sel polychreste de Glaser • Teinture de Ludovic • Liqueur de Libavius

17. Critique du système Lavoisien • Sa rigueur est aussi une raideur, par ce que de nature associationniste (cation anion) • Le système a des erreurs (il place l’oxygène au centre, les métaux à l’origine des acides) • Un système de K qui possède des erreurs permet-il de construire des K correctes ?

18. Développement des K en chimie et production de modèles

19. Nature des modèles • Les modèles sont des productions de la science. • Les modèles sont des connaissances d’un type particulier • Ils permettent la définition de concepts • Ils organisent les observations • Etc.

20. Ex. Modéliser l’acidité • A l’origine • acide = qui a un goût acide, piquant (acidus = aigre, acide). • Dans la théorie de Bronsted (1923) • Un acide libère H+, et une base capte H+. • Ce modèle est un ensemble de K produit par la science. • Il permet de définir : • ce qui est un acide et ce qui n’en n’est pas un. • Ce qui est une base ce qui n’en n’est pas une. • Il fournit une relation entre l’acide et la base

21. Produire des K en chimie nécessite des modèles • Ex. Acide • Modèle de Liebig : Un acide déplace les métaux des sel (Na+ du sel CH3COONa est remplacé par H+ (et donne CH3COOH) en présence de l’acide HCl). • Modèle d’Arrhenius (Prix Nobel 1903): tout acide libère H+, toute base libère HO-. • Modèle de Bronsted (1923) : tout acide libère H+, toute base capte H+. • On ne produit pas les même K avec les trois modèles • Ex. Ammoniac : NH3 pour Bronsted, et NH4OH pour Arrhenius • H2O est une base pour Bronsted, pas pour Arrhenius.

22. Communiquer des K nécessite des modèles • Que peut-on dire du gaz chlore sans modèle ? • Il est vert, toxique, avec une odeur âcre. • Il réagit avec le fer, mais pas avec l’or. On reste au niveau des faits. • Avec des modèles • On peut donner sa formule (Cl2 et non Cl) – modèle atomique. • On peut dire pourquoi il est coloré alors que N2 ne l’est pas – modèle des orbitales moléculaire. • On peut dire pourquoi il réagit avec le fer et pas avec l’or – modèle de l’oydoréduction.

23. Évolution des modèles • Les modèles ne sont pas figés • Ex. Modèles sur l’acidité • Le modèle se transforme avec : • Des observations plus nombreuses et plus précises • L’accès à d’autres champs expérimentaux • Le besoin de généraliser • La modification des paradigmes de la physique (physique quantique).

24. Augmentation du nombre d’observations • Ex. Substitution en chimie organique • CH3 Br + HO-→ CH3OH + Br- • La substitution est un remplacement (observations analytiques) • La substitution peut être d’ordre 1 ou 2 (observations cinétiques) • Des groupes proche de C peuvent modifier le déroulement de la substitution (observation sur de nouveau substrats).

25. Effet de la modification des paradigmes de la physique • Description classique • On représente la substitution avec des flèches courbes • Description quantique • On explique pourquoi tel ou tel facteur influe sur le déroulement de la substitution • Possibilité de calculer l’énergie du système

26. Juste ou faux • Il n’est pas pertinent de dire qu’un modèle est juste ou faux. • Certains modèles « faux » au regard du savoir de référence actuel on permis de grande découverte. • Ex. La classification périodique a été établie en partant sur la base de la relation de classement avec la masse atomique (alors que c’est in correct), c’est avec le numéro atomique qu’il faut effectuer le classement.

27. Modèles et chimistes

28. Les modèles sont omniprésents • Le chimiste ne se rend pas compte qu’il est tout le temps en train d’utiliser des modèles. • Pour évoquer les molécules • Pour parler des réactions • Pour effectuer des mesures • Pour prévoir • Etc. • Toutes les explications des chimistes possède un haut niveau d’abstraction

29. Utilisation des modèles par les chimistes • Visualisation des entités • Descriptions des propriétés des entités • Visualisation des processus impliquant ces entités • Planification des activités expérimentales • Support des raisonnements • Construction des K

30. Modèle et théorie • Grâce au modèle, le chimiste peut appliquer les théories de la physique sur les systèmes étudiés • Ex. en oxydoréduction • Modèle du transfert d’électron entre couples redox et de potentiel (relation de Nernst) • Théorie de l’électricité sur le courant circulant quand deux points ne sont pas au même potentiel. • Cette théorie n’est pas utilisable si l’on modélise la réaction redox comme un transfère d’oxygène.

31. Besoins du chimiste • Le chimiste a besoin de représenter ses idées : • Sous forme visuelle (représentations symbolique, graphique, etc.) • Sous forme mathématique (fonction d’onde, relation de Nernst, etc.) • Sous forme de langage naturel • De nombreux modèles (abstraits) de la chimie ont eu des contreparties concrètes, notamment avec les modèles moléculaires

32. Modèles moléculaires • Les modèles moléculaires sont indispensables pour communiquer la chimie (entre experts, et dans l’enseignement) mais aussi pour le chimiste lui-même dans sa réflexion dans nombreux domaines de la chimie. • Stéréochimie • Propriétés de la matière • Réactivité

33. Types de modèles moléculaires Boules et bâtons Sphère durs Modèles squelettes Modèles polyédriques Modèles informatiques

34. Modèles polyèdres

35. Modèles informatiques • L’animation résulte de l’optimisation d’un chemin réactionnel • Nouvelle possibilité d’utilisation des modèles moléculaires en recherche et surtout dans l’enseignement

36. Modèles - Théories et programme de recherche Lakatos

37. Évolution des théories scientifiques •    Les scientifiques ne décrivent pas la réalité telle qu'elle est. Si c'était le cas, il n'y aurait plus lieu de réviser leurs théories et de les faire évoluer ; elles seraient achevées. • Or, un simple regard sur l'histoire des théories dites scientifiques met plutôt en évidence leurs régulières remises en question. http://revue.de.livres.free.fr/cr/lakatos.html

38. Qu’est ce qui distingue théorie scientifique des autres théories ? • Critère de réfutabilité (une théorie est scientifique si elle est réfutable). • Le scientifique fonctionnerait par une succession de conjectures / réfutation

39. Faiblesse de l’approche conjecture / réfutation • A leur début, les théories scientifiques sont mal construites dont facilement réfutables. • Il se trouve qu’on préfère négliger les résultats expérimentaux qui conduirait à la réfutation des théories. (cas de l’établissement de la classification périodique) • Sinon, on n’avancerait pas. • L’observation à la source de la réfutation peut elle-même être incorrecte et qu’on ne le découvre que plus tard.

40. Programme de recherche - Lakatos • Si l'activité scientifique ne consiste pas uniquement à réfuter des théories ou à les corroborer, qu’est-ce qui la caractérise ? • Imre Lakatos introduit la notion de programme de recherche : = principe heuristique basé sur un noyau dur déclaré irréfutable et qui définit des règles méthodologiques sur les voies de recherche à éviter (heuristique négative) ou à poursuivre (heuristique positive).

41. Heuristique positive et négative • L'heuristique négative essaye d'éliminer les anomalies que peut rencontrer une théorie en modifiant certaines hypothèses auxiliaires tout en se gardant bien de changer le noyau dur. • L'heuristique positive s'occupe peu des anomalies mais développe autour du noyau dur des modèles de plus en plus sophistiqués afin de rendre compte de mieux en mieux de la réalité. Heuristique = qui sert à la découverte

42. Cas du développement du modèle quantique en chimie • Au début : les moyens de calculs étaient modestes, les prédictions souvent fausses. • On conserve les postulats de la mécanique Q, • on supprime certaines notions (heuristique négatives) • et on améliore les techniques de calcul (heuristique positive) profitant de l’augmentation de la puissance des ordinateurs • Les prédictions sont de plus en plus proches de la réalité.

43. Modélisation en didactique de la chimie Point de vue de l’élève

44. Importance dans l’enseignement • Les modèles ont un tel rôle en chimie qu’il est essentiel de les considérer dans l’apprentissage. • Apprendre la chimie requiert: • La présentation des principaux modèles produits par les chimistes, leur portée, leurs limites; • D’apprécier leur rôle dans la validation et la disséminations des résultats des recherches en chimie; • De créer et de tester des modèles produit pas un groupe ou un individu.

45. Principaux modèles produits • De nombreux modèles sont devenus obsolètes • Vision mécanique des atomes. • Ex. Atomes d’acide de forme piquante • Phlogistique. • Un des éléments contenu en plus ou moins grande quantité dans les substances et qui se transmet lors de certaines réaction chimique • C + oxyde de fer → CO2 + Fe • C perd sont phlogistique, et Fe en gagne, puis le perdra en s’oxydant.

46. Portée et limite d’un modèle • Pour Lavoisier, l’oxygène est un élément constituant des acides • Oxygène = oxy (acide) gène (propre à générer) • Lavoisier désigne l'air vital sous le nom de principe «oxygène» ou propre à engendrer les acides • HNO3, H3PO4, H2SO4 résulte de l’oxydation de l’azote, du phosphore ou du soufre. • Limite : Ca en brûlant donne CaO (la chaux) qui est une base. • Les théories de l’acidité de Arrhenius ou Bronsted dépasseront cette limite.

47. Rôle dans la validation des résultats des recherches • Si un résultat ne peut être interprété par un modèle il faut remettre en question : • Le résultat • Le modèle • Structure du carbone (Vant’ Hoff)

48. A SUGGESTION LOOKING TO THE EXTENSION INTO SPACE OF THE STRUCTURAL FORMULAS AT PRESENT USED IN CHEMISTRY. AND A NOTE UPON THE RELATION BETWEEN THE OPTICAL ACTIVITY AND THE CHEMICAL CONSTITUTION OF ORGANIC COMPOUNDS. Jacobus Henricus van 't HoffArchives neerlandaises des sciences exactes et naturellesvolume 9, p. 445-454 (September 1874) Van’t Hoff (1852 - 1911 ) il a 22 ans ! Premier prix Nobel de Chimie en 1901

49. Problématique de l’article • Que peut-on dire (du point de vue de la modélisation) de : It appears more and more that the present constitutional formulas are incapable of explaining certain cases of isomerism; the reason for this is perhaps the fact that we need a more definite statement about the actual positions of the atoms.

50. If we suppose that the atoms lie in a plane, as for example with isobutyl alcohol (Figure I) where the four affinities are represented by four lines in this plane occupying two directions perpendicular to one another, […] • Van’t Hoff arrive au fait qu’il y a 2 isomères (optiques) de cet alcool. • Or 1 seul est connu […] thus far