nouvelles tendances de l'enseignement de la chimie, v.5; l

Nouvelles tendances de l’enseignement v

de la chimie

Volume V

Les Presses de l’Unesco

L’enseignement des sciences fondamentales

Dans cette collection L'enseignement de la physique dans les universités Tendances nouvelles de l'enseignement de la biologie

Vol. 1 : 1966

Vol. III : 1971 Vol. II : 1966-67

Tendances nouvelles de l'enseignement de la chimie Vol. 1 : 1964-1965 Vol. II : 1966-1967 Vol. III : 1972 Vol. IV : 1975 Vol. V : 1981

Vol. 1 : 1966 Vol. II : 1970 Vol. III : 1972

Tendances nouvelles de l'enseignement des mathématiques

Tendances nouvelles de l'enseignement de la physique Vol. 1 : 1965-1966 Vol. II : 1970

Mathématiques appliquées à la physique Tendances nouvelles de l'intégration des enseignements scientij-iques

Tendances nouvelles de l'enseignement intégré des sciences Vol. 1 : 1969-1970

Vol. II : 1975 Vol. III : 1976 Vol. IV : 1978 Vol. V : 1981

Nouvelles tendances de 1 ’enseignement de la chimie

Volume V

Les Presses de l’Unesco

Les désignations employées et la présentation adoptée ici ne sauraient être interprétées comme exprimant une prise de position du Secrétariat de l’Unesco sur le statut légal ou le régime d’un pays ou d’un territoire quelconque, non plus que sur le tracé de ses frontières. Articles nouveaux et traductions 0 Unesco 1981 Les droits d’auteur des articles originaux assemblés et réédités dans cette édition sont réservés aux auteurs et éditeurs, qui ont accordé à l’Unesco la permission de les reproduire.

Publié en 1981 par Les Presses de l’Unesco 7, place de Fontenoy, 75700 Paris Imprimé par Imprimerie de la Manutention, Mayenne

ISBN 92-3-201907-8 Ed. angl. ISBN 92-3-101907-4

Préface

Promouvoir l'échange d'informations sur l'enseignement des sciences, son contenu, sa méthodologie et ses techniques constitue l'un des aspects les plus importants du programme de l'Unesco visant à améliorer la formation b la science et b la technologie. Dans ce but, l'organisation publie depuis une dizaine d'années une collection intitulée "L!enseignement des sciences fondamentales", consacrée b la chimie, à la physique, b la biologie et aux mathématiques.

Le présent volume est le cinquième de la série "Nouvelles tendances de l'enseignement de la chimie" qui fait partie de ladite collection. Comme dans les précédents volumes, on a sélection- né des articles écrits pour des publications internationales et nationales. Les textes ont été choisis en fonction de critères simples : les domaines retenus sont ceux dont on a beaucoup par- lé dans les années 70 et, dans chacun d'eux, les articles ont été choisis pour refléter la situation dans l'ensemble du monde sous un angle pouvant intéresser directement les enseignants. C'est ainsi que les articles sur l'enseignement de la chimie ne concernent pas seulement les spécialistes des sciences de l'éducation, mais montrent dans quelle direction progresse la discipline. De même, les articles sur 1 équipement peu coûteux" donnent des

idées de réalisations plutôt que des détails b l'intention des constructeurs.

Il 1

Le volume est divisé en neuf sections qui ont chacune une introduction

expliquant pourquoi chaque texte a été sélectionné et soulignant en quoi il est particulièrement intéressant. Les articles sont dus b des spécialistes de la chimie aussi bien qu'à des spé- cialistes de l'enseignement ou b des chercheurs dans les sciences de l'édu- cation. Ils traitent chacun à sa façon les questions telles qu'elles se pré- sentaient entre 1974 et 1980 ; mais, en l'absence d'un consensus sur les raisons pour lesquelles on enseigne la chimie, il va de soi que les idées relatives aux programmes et aux méthodes comportent des divergences, parfois importantes.

Deux sections Concernent l'orientation prise par la chimie en tant que dfscipline. Elles ne prétendent pas pré- senter toute la chimie : en effet, on a fait des pas de géant dans la compré- hension des processus physiques aussi bien que biologiques, dans l'utilisation des techniques physiques, dans l'élucidation de la structure de molé- cules et du mécanisme de certaines ré- actions, ainsi que dans la préparation et la mise en oeuvre de nouveaux maté- riaux. Tous ces progrès sont passionnants et deux aspects en sont particu- lièrement représentatifs : la chimie dans l'espace et la+chimie dans le futur. Pour ce dernler sujet, on a choisi des articles en faisant une place spéciale b la biochimie et au pro- blème de l'énergie, qui se pose actuellement avec tant d'acuité. Un texte du Prix Nobel N.N. Semenov attire l'attention sur certaines perspectives d'avenir. Ces deux sections peuvent être

considérées c m e donnant une idée de la chimie telle qu'on la voyait dans les années 1970 et telle qu'elle se présentera dans les années 1980.

D'autres sections évoquent les questions relatives au travail en laboratoire, spécialement dans les pays qui ont d'énormes difficultés financières. Doit-on enseigner la chimie sans base expérimentale ?

Une section que, nous l'espérons, les enseignants trouveront stimulante s'intitule "controverses dans l'enseignement de la chimie" ; elle passe en revue les modèles utilisés et les sujets enseignés. Les exemples choisis sont : oxydation et réduction, thermodynamique, liaison chimique et enfin mécanismes en chimie organique. Les controverses ne sont pas closes, mais les lecteurs auront la possibilité de prendre parti en connaissance de cause.

Il est toujours intéressant de dé- battre des techniques d'enseignement. Des modifications importantes mettant l'accent sur le travail au laboratoire ont eu lieu dans beaucoup de pays dans les années 50 et 60. Des améliorations consistant à essayer de nouvelles techniques, en particulier pour les sujets que les étudiants trouvent difficiles, sont apparues ; nous avons donc inclus une section sur les jeux et les exercices de simulation.

On trouvera aussi une section sur les relations entre la chimie et l'enseignement de la chimie, d'une part, et l'industrie, d'autre part. Bien que ces relations varient d'un pays à l'autre, elles sont d'une grande importance pour le progrès de chaque pays. Aussi est-il indispensable que les enseignants et les responsables des programmes d'enseignement soient au courant des acti- vités et des besoins de l'industrie chimique.

Les "Nouvelles tendances de 1' enseignement de la chimie" sont publiées 2 l'intention des enseignants du secondaire et du supérieur, ainsi que des formateurs des maTtres, h qui il est souvent difficile d'obtenir des rensei-

gnements h jour sur ce qui "bouge" dans l'enseignement de la chimie. Les responsables de l'enseignement des sciences dans les associations nationales d'enseignants, dans les ministères de l'éducation et dans les organismes chargés des examens et concours y trouveront des informations utiles. Il en sera de même, pensons-nous, des étu- diants en chimie qui se destinent à l'enseignement.

Ce volume a été préparé en collaboration avec le Comité de l'enseîgne- ment de la chimie de l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC). L'Unesco exprime sa profonde gratitude pour le travail de direction accompli par le professeur D.J. Waddington, de l'Université d'York (Royaume-Uni), le professeur Marc Laffitte, de l'Université de Provence (France), et le professeur G.G.Thompson, de l'université d'Oxford (Royaume-Uni). L'Unesco est très reconnaissante aussi aux nombreuses personnes qui ont appor- té leur concours à la réalisation de ce livre, ainsi qu'aux directeurs de publications et éditeurs qui ont aimable- ment donné l'autorisation de reproduire textes et articles.

L'Unesco remercie aussi tout par- ticulièrement le responsable de l'édi- tion française, le professeur Maurice Chastrette, de l'université Lyon-1 (France) , et l'équipe de chimistes frangais qui ont travaillé sous sa direction 2 la préparation de l'édition française du présent recueil : G.P. Axiotis, M. Dunand, G. Polefoc, E. Garbowski, H. Latreille, R. Minangoy, R. Rauniyar, J. Raymond, M. Thomalla.

Le choix des textes, leur présen- tation et les opinions exprimées engagent la seule responsabilité des trois directeurs de la publication et des auteurs. De plus, les expressions uti- lisées et la présentation des textes ne sauraient être interprétées comme impliquant de la part du Secrétariat de l'Unesco une prise de position en ce qui concerne le statut légal des pays ou territoires mentionnés, les autori- tés qui les gouvernent ou les frontiè- res qui les délimitent.

Table des matières

1. L ’ I N F O R M A T I O N CHIMIQUE

Introduction

Union internationale de chimie pure et appliquée

The Australian Science Teachers Journal

Tomislav Cvitag et Nikola Kallay

V. G. Stark et H. G. Wallace

P. S. Uzzell

Table des poids atomiques à quatre chiffres significatifs . . . . . . . . . . . . . . . .

Unités du système international devant être utilisées à la place des unités anglaises et des anciennes unités métriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Le concept d’avancement de la réaction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chronologie de la découverte des éléments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tableau chronologique comparatif des découvertes et réalisations en chimie

II. QUE DEVRAIT-ON E N S E I G N E R , ET COMMENT?

Introduction

A. J. Harrison L’enseignement de la chimie et les attentes de la société.. . . . . . . . . . . . . . .

B. T. Newbold L’enseignement de la chimie : problèmes actuels.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

R. A. Hazygaliev fitude de cas dans les cours de chimie.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Peter Fensham Contenu social des cours de chimie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

R. J. Gillespie

R. T. Sanderson

W . T. Lippincott

Elizabeth S. Kean

J. Dudley Herron

La chimie - des faits ou des idées? Quelques réflexions sur l’enseignement de la chimie. La trop grande importance accordée aujourd’hui à l’enseignement des lois fondamentales de la chimie a conduit à négliger l’enseignement des faits .........................................................

Peut-on apprendre la chimie sans la comprendre?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Apprentissage et capacités des étudiants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Libre opinion - savoir et aptitude de l’étudiant : un autre point de vue .

Piaget pour les chimistes où on explique ce que les a bons n étudiants ne peuvent pas comprendre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

6

8

12

19

31

35

45

47

54

64

69

72

77

A. H. Johnstone, J. J. MacDonald et G. Webb L’équilibre chimique et ses difficultés conceptuelles.. .................. 88

Jacques Bénard Réflexions sur l’enseignement intégré. L’exemple des sciences physiques. . 94

R. F. Kempa Recherches sur l’enseignement des sciences. Quelques réflexions et observations .......................................................... 99

O. L. Oke Quel type de science devrait-on enseigner en Afrique?. ................. 106

Maddok et Kirina Développement et évaluation de programmes scientifiques en Papouasie- Nouvelle Guinée : L’évolution d’un modèle de développement de programmes scolaires .............................................. 109

J. A. Leisten Sciences physiques à l’université : espoirs et craintes.. ................. 119

III. CHIMIE DE L’ESPACE

Introduction

W. J. Huntress Jr. La chimie des atmosphères planétaires. .............................. 129

Richard A. Pacer et William D. Emmann Les missions Apollo et la chimie de la lune.. ......................... 137

R. D. Brown Recherches sur l’origine de la vie.. .................................. 151

A. Vladimov L’industrialisation de la lune. a La lune est faite de fromage de Chester n, une vieille erreur. ............................................... 156

IV. LA CHIMIE DU FUTUR

Introduction

J. N. Pitts Jr., A, C. Lloyd et J. L. Sprung 165

G. N. Walton L’énergie tirée de l’atome. ......................................... 182

lhologie, énergie et sciences économiques ............................

R. A. H. Hillman Nouvelles sources de protéines ...................................... 189

N. N. Semenov La chimie de l’avenir.. ............................................ 193

V. CONTROVERSES SUR L ’ E N S E I G N E M E N T DE LA CHIMIE

Introduction

Guilleman et Lafitte Oxydation et réduction. ........................................... 203

J. D. Herron Qu’est-ce que l’oxydation?. ........................................ 208

K. Schug, J. Koellner, G. Loveridge et J. A. Janke

P. G. Wright

J. Ogborn

James Morwick

Le lion rugit : Réponses à a Qu’est-ce que l’oxydation?,, ................

Contre l’enseignement de la thermodynamique au lycée. ...............

Pour l’enseignement de la thermodynamique au lycée. .................

L’entropie - peut-on l’enseigner dans les lycées? .....................

212

215

219

222

R. S. Drago Critique du modèle de répulsion des doublets de valence en tant que moyen d’enseignement .................................................

R. J. Gillespie Défense du modèle de répulsion des doublets de valence (VSEPR) . . . . . . .

Paul Arnaud Pourquoi des flèches? Fondement et utilité des mécanismes réactionnels en chimie organique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . .

VI. QUELQUES EXPZRIENCES SIMPLES

Introduction

M. Murphy

J. Anamuah-Mensah

Masse d’une mole de molécules d’iode.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

U n moyen sûr et bon marché pour obtenir du soufre rhomboédrique ou monoclinique ....................................................

Perfectionnement d’un appareillage pour l’obtention de chlorure d’hydro- gène ou d’acide chlorhydrique. . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Yu. M. Grygorev

J. G. R. Briggs Tableaux périodiques en ruban marqueur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

G. Van Praagh Fabrication de sphères de polystyrène i partir de déchets . . . . . . . . . . . . . . .

J. Chamberlain Expériences avec des boules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C. L. Arora Expériences de cours : les différents degrés d’oxydation du manganèse .

C. H. Clelland L’étape la plus lente détermine-t-elle la vitesse de réaction?. . . . . . . . . . . .

P. J. Towse Réalisation d’adoucisseurs d’eau simples . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

R. R. Hendrixson Une cellule de pH-mètre facile à construire.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

P. S. Bailey, C. A. Bailey, J. Andersen, P. G. Koski et C. Rechsteiner Spectacle de magie en chimie.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . .

G. Harris, B. Wassink et A. Wooton Un a spectacle de magie n scientifique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . .

VII. ZQUIPEMENTS BON MARCHI?

Introduction

P. K. Bhattacharyya Conception, mise au point et production d’un équipement scientifique peu coûteux ........................................................

K. Warren Centres de production dans le Sud-Est Asiatique. L‘unité de Birmanie. . . .

S. Baholo, C. M. Chabane et P. J. Towse Unit6 de laboratoire mobile pour des pays en voie de développement. . . . .

M. Carroll, S. Pardhan et J. W. Steward

Le petit équipement de chimie du collège de professeurs de sciences du Kenya (KSTC) : Une aide B l’enseignement pour un pays en voie de développement .................................................

226

230

237

248

250

25 1

252

253

257

263

266

269

271

272

276

281

288

291

295

VIII. JEUX ET SIMULATIONS

Introduction

T. R. C. Hassall Jeu dutableau périodique .......................................... 307

D. C. Lewis Jeux de cartes chimiques ........................................... 313

M. P. McLaughlin Cinétique chimique et stimulation d’une classe. ....................... 316

D. K. Holdsworth

P. L. Bayless

Emploi des calculatrices de poche dans l’enseignement de la chimie. Deu- xième partie : nouvelles expériences simulées en chimie physique.. .... 318

La synthèse de l’ammoniac. U n projet de recherche en laboratoire comportant une simulation. ............................................ 321

Ruth Chabay et Stanley G. Smith

Utilisation de cours de chimie assistés par ordinateur. U n élément d’enseignement individualisé dans un cours. .............................. 326

IX. CHIMIE ET INDUSTRIE

Introduction

Will Hughes Chimie pure ou chimie appliquée.. .................................. 333

D. J. Daniels Que peut apporter l’industrie chimique à l’enseignement? lre partie. ..... 339

D. J. Daniels Que peut apporter l’industrie chimique à l’enseignement? 2 e partie. ...... 344

1. L'Information chimique

L'information générale en matière de chimie est souvent difficile à obtenir, en particulier celle qui est né- cessaire pour de nouveaux programmes. Dans cette brève partie on donne d'abord une liste des masses atomiques relatives (poids atomiques), spécialement préparée par l'Union Internationale de Chimie pure et appliquée. Une note, qui pourrait être utile pour certains enseignants , est parue dans 1 'AustraZian Science Beachers 'JoumaZ (21,30 (1975)) sur le Système International d'unités. En même temps que l'introduction du Système International d'Unités, on a porté une plus grande attention à l'enseignement et à l'emploi correct des

unités, des équations aux dimensions et des symboles, Cvitas et Kallay (Yougos- lavie) nous rappellent les négligences qui apparaissent par l'emploi d'unités thermochimiques. Les lecteurs aimeront peut-être lire également l'article sur ce sujet de Mc Glashan dans Education In Chemistry 14,17 (1977).

Stark et Wallace (Royaume Uni) ont établi un tableau chronologique de la découverte des éléments tandis que Uzzell (Royaume Uni) en donne un autre pour d'autres découvertes et réalisa- tions en chimie, véritable mine d'informations donnant la perspective du travail des géants de la recherche chimique.

1

Table des poids atomiques à quatre chiffres significatifs Union internationale de chimie pure et appliquée

Le Comité d'Enseignement de la Chimie de l'I.U.P.A.C., après consulta- tion de la Commission des poids atomiques de l'I.U.Y.A.C., a dressé la table des poids atomiques à quatre chiffres significatifs.

employé par les chimistes pour "masse atomique relative". Depuis 1961, les valeurs admises sur le plan intematio- na1 ont été rapportées à l'isotope I2c pris comme valant 12 exactement. Les poids atomiques sont donc des nombres sans dimension.

isotope naturel, et leurs poids atomiques ont été déterminés avec une grande précision, souvent supérieure au millio- nième. Cependant, la plupart des élé- ments ont plus d'un isotope naturel et la variation de l'abondance relative de ces isotopes limite la précision avec laquelle le poids atomique d'un élément naturel peut-être donné. Pour de tels éléments, le poids atomique n'est pas "une constante de la nature", mais devrait plutôt être considéré comme une propriété d'un échantillon particulier de l'élément en question. Par exemple, les valeurs des poids atomiques marquées (+) dans la table peuvent différer des poids atomiques des échantillons natu- . rels de plus d'une unité du quatrième chiffre significatif, tandis que d'autres éléments sont connus pour varier à un degré moindre, par exemple le carbone (de l'ordre de 1 / 10 000ème) , et 1 'oxygè- ne (de l'ordre de 1/100 OOOème).

Il est possible également de sépa- rer artificiellement les isotopes : un

Le "Poids Atomique" est le terme

20 éléments environ ont un seul

bon exemple est l'hydrogène qui a deux isotopes stables, de masses atomiques relatives 1,007825 et 2,014102 respectivement. Il est donc possible d'avoir des échantillons d'hydrogène dont les masses atomiques varient entre ces deux extrêmes bien que l'hydrogène naturel ait toujours des valeurs proches de 1,0079. Les valeurs des poids atomiques données dans la table ne s'appliquent pas aux isotopes séparés artificiellement et aux autres échantil- lons qui ont été soumis à des processus changeant considérablement la composition isotopique des éléments.

compris tous ceux de numéro atomique su- périeur ii celui du Bismuth, sont radioactifs, et ont des isotopes qui se transforment en d'autres éléments au cours du temps. Le poids atomique d'un échantillon donné d'un tel élément dépend donc de la vitesse relative à laquelle ses diffé- rents isotopes se décomposent et parfois aussi de l'origine radiogénique de 1'6- chantillon. Pour de tels éléments, il n'est pas possible de donner un poids atomique approximatif, qui puisse être utilisé généralement même en se conten- tant de quatre chiffres significatifs ; le nombre de masse atomique de l'isotope de durée de demi-vie connue la plus longue est donc cité entre parenthèses.

sont réexaminés tous les deux ans par la Commission des Poids Atomiques de l'Union Internationale de Chimie Pure et Appli- quée. Leurs rapports biennaux devraient être consultés pour plus de détails. Le rapport le plus récent est Atomic Weights of the Elements 1973 qui est paru dans Pure and AppZied Chemistry 37,589 (1974).

De plus, beaucoup d'éléments, y

Les poids atomiques des éléments

Reproduit avec l'autorisation de l'International Union of Pure and Applied Chemistry. 3

Cependant, il est peu probable que les valeurs données avec quatre chiffres significatifs soient changées par ces révi- s ions,

TABLE DE POIDS ATOMIQUES A QUATRE CHIFFRES SIGNIFICATIFS

(Rapportés à la masse atomique reZative de I2C, dont Za valeur exacte est 12)

Les valeurs données dans ce tableau, sauf celles notées R ou +, sont sûres 2 moins de 2 1 unité sur le quatrième chiffre significatif. Un nombre entre pa- renthèses représente le nombre de masse atomique de l'isotope de durée de demi-vie la plus longue.

Numéro Atomique Nom Symbole

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43

4

Hydrogène Hé 1 ium Lithium Bé ry 11 ium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon Sodium Magné s i um Aluminium Silicium Phosphore Soufre Clzl o r e Argon Pot as sium Calcium S can d ium Titane Vanadium Chrome Mang an S s e Fer Cobalt Nickel Cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sé 1 én ium Brome Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Mo 1 yb d Sn e Technétium

H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S c1 Ar K Ca sc Ti Vd Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc

Poids Atomique

1,008 4,003 6,941 k + 9,012 10,81 + 12,OI 14,Ol 16 ,O0 19,oo 20,18 2 2 , 99 24,31 26 , 98 28 ,O9 30,97 32,06 +

35,45 39 , 95 39,lO 40,08 +

44,96 47,90 R 50 y 94 52 ,O0

55,85 58,93 58,70 63,55 65,38 69,72

74,92

79,90 83,80 85,47 87,62 k 88,91 91,22 92,91

54,94

72,59 k

78,96 k

95,94 * (97)

Numéro Poids Atomique Nom Atomique

44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74

75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85

Ru thén i um Ru Rhodium Rh Pal 1 adium Pd

C admi um Cd Indium In Etain Sn An t imo ine Sb Tellure Te Iode 1 Xenon Xe Césium CS Baryum Ba Lanthane La Cérium Ce Pr a séo dyme Pr Ne o dy me Nd P r ome thé um Pm Samarium Sm Europium Eu Gad0 1 ini um Gd Terbium Tb Dysprosium DY Holmium Ho Erbium Er Thulium Tm Ytterbium Yb Lute ti um Lu Hafnium Hf Tan tale Ta Tungs t ène (an-

cien nom Wolfram) W Rheniun Re Osmium OS 1 ri dium Ir Platine Pt Or Au Meraure Hg Thallium T1 Plomb Pb Bismuth Bi Po 1 oni um Po Astate At

Argent Ag

101 , 1 102,9 106,4 107,9 112,4 114,8 118,7 121,8 127,6 126,9 131,3 132,9 137,3 138,9 140,1 140,9 144,2 (145) 150,4 152,0 157,3 158,9 162,5 164,9 167,3 168,9 173 ,O 175,0 178,5 180,9

183,9 186,2 190,2 192,2 195,1 197,0 200,6 204,4 207,2 + 209,0 (209) (210)

Numéro Poids Atomique Nom Atomique

86 87 88 89 90 91 92 93 94

Radon Rn Francium Fr Radium Ra Actinium Ac Thorium Th Protactinium Pa Uranium U Neptunium NP P 1 ut on i um P u

Poids Atomique Nom Numéro

Atomique

95 96 97 98 99

1 O0 101 IO2 103

Ame ri c i um Curium Berkelium Californium E ins te ini um Fermium Mendélévium Nobelium Law r en c i um

Am Cm Br Cf Es Fm Md No Lr

+ k Les valeurs ainsi notées sont valables à - 3 en ce qui conceme

le quatrième chiffre significatif.

+ Les valeurs ainsi notées peuvent différer des poids atomiques des éléments correspondants dans quelques échantillons naturels du fait de la variation de l'abondance relative de leurs isotopes.

5

Unités du utilisées à anciennes

système international devant être la place des unités anglaises et des unités métriques

The Australian Science Teachers Journal

Unités du Système Anciennes Unités Anglaises International Dérivation Quant it é P hy s i que Unités Métriques Nom Symbole

masse livre (lb),slug, quintal (9) k-ilogramme kg f tonne

force,poussée poundal (pdl) dyne (dyn), newton N

fiant force kip,ton-force (kgf) poids (signi- pound force (lbf) kilogramme-force

de pesanteur) (tonf) kilopond (kp)

travail et éne r gi e

couple

puissance et flux de chaleur

pression et contrainte

J * foot-poundal(ft .pdl)erg, calorie (cal), joule foot Pound-force kilocalorie (kcal) , (ft.lbf), British kilowatt heure thermal unit (Btu), (kWah)*, thermie

(hp.h), therm horsepower hour (th)

2 kg .m/s

kg.m 2 2 /s

2 2 poundal foot(pdt.ft)dyne centimètre newton - N.m. kg.m /s Pound-force foot (dyn.cm) mètre (lbf.ft), kilogramme-force Pound-force inch mètre (kgf .m) (lbf.in), kilopond mètre ounce-force inch (kp.m) (ozf. in) f o o t-p oun d- f o rc e par seconde (ft. lbf/s) ,horsepower (hp), British thermal unit par heure (Btu/h) ,tonne de refroidissement

Pound-force par pouce 2arré (psi, lbf/in ),kip par pousse carré inch (kip/in2), tonne par pouce carré, pouce de mercure (in Hg) , pouce d'eau (inH20)

kilogramme-force watt mètre par seconde (kgfm/s), cheval vapeur (CV. ch) , Pferdestarke (PS), horsepower métrique

W J/s = kg/m /s 2 3

2 kilogramme-force pascal Pa N/m = kg/m. s par centimètre car-

ré (kgf,cm2), kilogramme force par millimètre carré (kgf/mm2) ,millimè- tre de mercure (dg), atmosphère (at) kilopond par centimètre carré (kp/cm2), bar, millibar (&)**, torr

2

6 Reproduit avec l'autorisation de l'dustralian Science Teachers Journal, vol. 21, no 30, 1975

Unités du Systême Anciennes Quanti té Unités Anglaises International Dérivation Physique Unités Métriques Symbole Nom

température et intervalle de température

conductivité thermique

fréquence

vis cos i té dynamique

viscosité - cinématique

degré Fahrenheit (OF) degré centigrade (OC) Kelvin K # degré Rankine (OR)

British thermal unit calorie par centimè- watt par W/m.K kg.m/s3.K pouce par pied, car- tre seconde degré mêtre ré heure degré Fah- centigrade (cal/cm. Kelvin renheit (Btu.in/ft F) British thermal unit gré centigrade par pieds heure degré (kcal/m.h. OC) Fahrenheit (Btu/ f t .h°F)

s. C) , kilocalorie par mètre heure de- 20

cycle par seconde

livre par pied se- poise (P), centipoi- conde(lb/ft.s) , se (CP), kilogramme slug par pied secon- force seconde par de (slug/ft.'s), mètre carré (kgf. Pound-force par pied s/m2), kilopond se- carré (lbf ,s/ft2), pound force seconde ré (kp.s/m2). par pouce carré (lbf ,s/in2)

(C/S) hertz HZ

conde par mètre car-

pouce carré par se- Stokes (St), centi- mètre car- m2/s conde (in2/s), pied Stokes (CSt), mètre ré par se- carré par seconde carré par heure conde (ft2/s), pied carré (m2/h) par heure (ft2/h), Saybolt Universel

pour les masses plus de 1000 kg, la tonne ( 1 t = 1000 kg) ou ses multiples peuvent être utilisés.

t kilowatt heure : ne sera retenu que pour l'expression de l'énergie élec- trique.

I/S

tf le millibar ne sera retenu que pour les applications météorologiques.

# le degré Celsius (OC), qui n'est pas une unité de Système Intema- tional peut être utilisé au lieu de K mais il ne doit pas être utilisé dans les unités composées.

7

Le concept d'avancement de la réaction Tomislav Cvitas et Nikola Kallay

Le concept de "chaleur de réac- tion" est fondamental pour la compréhen- sion de la thermochimie mais un mauvais usage des symboles et des unités crée des confusions. Dans cet article, une tentative est faite pour se frayer un chemin à travers le labyrinthe de la nomenclature.

Dans les manuels de thermochimie, les équations chimiques et les variations d'enthalpie correspondantes sont écrites de plusieurs façons, Nous en décrirons trois ici.

est d'ajouter â la suite de l'équation chimique la chaleur dégagée par la réac- tion chimique, â côté du produit de la réaction, comme par exemple :

La pratique la plus déplorable

CO(g) + 1 02(g)+ C02(g)+282,98 kJ.mole-'

ou parfois :

CO(g) +

Peut-être que cette méthode illustre assez bien le fait que la chaleur est émise par le système, mais elle viole grossiè- rement les lois fondamentales de l'algè- bre des grandeurs physiques ; car une grandeur physique est ajoutée à un symbole. C'est comme si l'on ajoutait par exemple, le nom d'une personne à la tem- pérature de son corps,

Les équations de réactions chimiques doivent être rigoureusement séparées de celles des quantités physiques, auxquelles nous sommes habitués en Physique. Les seules quantités physiques qui peuvent apparaître dans une équation de ré-

1 02(g)+ C02(g) + 282,98 kJ.

action sont des nombres sans dimension tels que les coefficients stoechiométri- ques, le nombre d'atomes d'une molécule, le nombre de charges des ions, etc,,. , Ces équations illustrent de manière sym- bolique la réaction étudiée. L'énergie associée ou les variations d'enthalpie ne peuvent être décrites qu'avec des grandeurs physiques dans une équation séparée qui obéit aux lois de l'algèbre.

on respecte ces lois et le problème se pose seulement pour la dimension de la quantité appelée "chaleur de réaction", ou, "Enthalpie de réaction", Ainsi, la deuxième manière de décrire un processus thermochimique, pour l'exemple cité ci- dessus, est :

Dans la plupart des manuels,

Le signe négatif d e A H signifie que la chaleur est dégagée par la réaction (réaction exothermique) et sa valeur indique que, lors de la combustion à pression constante d'une mole de monoxyde de carbone donnant une mole de dioxyde de carbone, l'enthalpie du système est diminuéede 282,98 kJ. C'est, en effet, la description la plus fréquem- ment utilisée et elle ne pose de problè- mes que si l'on utilise dans les calculs, des valeurs d'enthalpies de formation, de combustion, d'atomisation, prises dans les tables, ou encore si l'on calcule d'autres fonctions thermodynamiques.

les enthalpies de formation, les enthalpies de combustion, les énergies de liaisons etc... ont les dimensions (énergie x quantité de substance-'), avec les unités habituelles qui sont les kJ mole-*

Dans toutes les tables (l),

8 Reproduit avec l'autorisation de Chemistry in Britain, vol. 14, 1978, p. 290-292 0 The Chemical Society, 1978.

ou kcal.mo1-l. L'enthalpie d'une rGaction est souvent calculée B partir des enthalpies de formationAH par l'équation :

où les Yi sont les coefficients stoe- chiométriques (nombres sans dimension) Ils sont positifs pour les produits et négatifs pour les réactifs. Les deux membres de l'équation semblent avoir ici des dimensions différentes, ce qui, bien sûr, n'a pas de sens. De la même manière, dans l'équation de Van't Hoff, par exemple :

A H =ETAH_. f r 1

d l n K - AH^ -- 3rn 1

RT ai

(où Ke est la constante d'équilibre de l'état standard, R la constante des gaz parfaits, etTla température thermodynamique), il est évident que l'enthalpie d'une réaction doit avoir les dis nsions (énergie x quantité de substance ').

Ces contradictions sont évitées dans la troisième façon de décrire les processus thermochimiques en attribuant à l'enthalpie de réaction les dimensions (énergie x quantité de produit-'). Dans l'exemple cité plus haut, les équa- tions sont écrites comme suit : CO(g)+ 0 2 d C02(g) bH=-282,98kJ m01-l

si on multiplie par 2 les deux membres de cette équation chimique, la variation d'enthalpie correspondante double de la même façon.

2CO(g)+O2(g)+ 2C02(g) AH=-565,96kJm01-~

évitées dans cette description qui a été fortement recommandée par le Comité des Symboles de la Société Royale (2), et par Mc Glashan (31, Il est assez surprenant que celle-ci ne soit pas adoptée dans les manuels de Chimie Physique.

La raison de ceci tient probablement au fait que dans cette description, l'enthalpie de réaction a les mêmes dimensions que l'enthalpie molaire d'un produit, et qu'elle est alors souvent rapportée à un réactif ou à un produit. Les difficultés surviennent quand on veut expliquer par rapport à quel produit l'enthalpie de réaction est défi- nie. Les nouvelles définitions (4), de la grandeur "quantité de produit" et de l'unité correspondante, la "Mole': permettent de considérer l'enthalpie de réaction comme étant rapportée à n'im-

Toutes ces contradictions sont

porte quels réactifs ou produits ou même 2 tous. Dans les exemples ci-dessus on pourrait donc avoir - 282,98 kilojoules par mole de CO2 ou - 565,96 kilojoules par mole de 2CO Ou encore, on pourrait considérer qu on a - 282,98 kilojoules par mole du mélange réac- tionnel CO + 02.

Ici naturellement, nous avons exploité l'avantage de pouvoir définir l'entité, la mole 5 laquelle on se rattache, comme 'lun ensemble spécifique de molé- cules". Ceci implique, cepa,idant, que l'enthalpie de réaction est une proprié- té des réactifs ou des produits, ce qui peut induire un peu en erreur. L'enthalpie d'une réaction est évidement une propriété de cette réaction, tout comme par exemple, la constante d'équilibre - et donc ne doit jamais être rapportée à la quantité unitaire de substance que ce soit le réactif ou le produit.

?' 1

Avancement de la réaction

L'issue de ce dédale est relativement facile à trouver grâce à l'utilisation de la grandeur "Avancement de la réaction", $ (ksi). Elle fut introduite en 1922, par le thermodynami- cien Belge de Donder, qui l'appela "de- gré d'avancement de la réaction" (5), mais on l'a complètement ignorée dans les livres d'enseignement. Cette grandeur a trouvé une plus grande application dans l'enseignement de la chimie- physique, uniquement après que la commission de 1'IUPAC pour les symboles, la terminologie et les unités, ait publié ses recommandations (6), parmi lesquelles 1 ' avantage d ' ut i 1 i s er "avancement de 1 a réaction" a été clairement souligné. Une démonstration particulièrement élégante des expressions générales des équilibres en terme d' "avancement de la réaction" est donnée dans la 2ème édition de Phy- Sica2 Chemistry (7) de Castellan ; elle est utilisée dans la plupart des manuels (8) récents. Pour une réaction chimique générale,

O = 2vi Ai (1)

(où yi sont les coefficients stoechiomé- triques, qui sont positifs pour les produits et négatifs pour les réactifs, et A; est le symbole chimique du ième produit participant à la réaction).

9

L'avancement de la réaction est défini par :

ou sous forme intégrée : n. = nio + yi$ 1

(3)

OÙ n. représente la quantité de produit i et nio, la quantité initiale de ce produit. L'unité de ( International est la mole. L'avancement de la réaction est donc défini comme étant égal à zéro au début de la réaction et augmente à mesure que la réaction progresse. Il est spécialement approprié pour décrire les réactions équilibrées.

1

dans le Système

La variation d'enthalpie dans un système en réaction est donnéepar :

dH = Hmi dni (4)

et selon l'équation (2),

dH = zviHmidf (5)

OÙ H est l'enthalpie molaire du ième produit. L'enthalpie de réaction peut alors être définie comme :

mi

L'indice r signifie que la variation d'enthalpie est associée à la réaction et donc permet de distinguer l'enthalpie de la réaction d'une différence d'enthalpie. Ce symbole, parcequ'il peut-être logiquement adapté à toutes sortes de réactions, telles que la formation&, 1 'atomisationb,H, la combustion& etc ... (3), est préféré au symbole& recommandé par Spencer (9). L'usage du symbole correct ( 3 H/J$ ) semble être trop incortunode pour être accepté en gé- néral. L'enthalpie de la réaction brH est donc la variation d'enthalpie du système divisée par l'avancement de la réaction et l'unité dans le Système In- ternational doit être par conséquent le Joule par mole. Ce n'est pas une quanti- té molaire dans le sens OÙ ''Molaire" signifie "Divisé par la quantité de produit" (6), bien qu'elle ait les mêmes dimensions. Les enthalpies de formation indiquées dans les tables sont les enthalpies de réactions, écrites de telle sorte que le coefficient stoechiométri- que du produit considéré soit égal à 1 et que les réactifs soient des éléments pris dans leurs états standards. Les

enthalpies de combustion et d'atomisation devraient être interprétées de la même manière.

Toutes les autres équations, de la thermochimie et de la théorie des équi- libres chimiques,peuvent être écrites logiquement avec cette convention et obéir aux lois de l'algèbre,Une équation souvent écrite de façon erronée est citée en exemple. L'enthalpie de réaction est reliée à l'énergie interne de la réaction, ArU, par l'expression suivante

&H = A U r + A r (pv) (7)

où p est la pression et V le volume du système. Notons queAr(pV) n'est pas une variation du produit pression x volume A (pv), mais :

A r (PV) = A(Pv>/F (8)

Lorsqu'on suppose les gaz parfaits et qu'on néglige les volumes des composés liquides ou solides, cette équation peut s'écrire :

où (Ang). est l'accroissement de la quantité au constituant gazeux i de la réaction, Il est, bien sûr, négatif pour les réactifs et positif pour les produits. Des équations (3) et (9), il résulte que

et l'enthalpie de la réaction est alors donnée par l'expression :

A H = A u + RT r v i g r r

où p.g est le coefficient stoechiométri- que au ième constituant gazeux.

Conclusions

Nous aimerions insister une fois de plus sur le fait que l'enthalpie d'une réaction a les dimensions (énergie x quantité de produit-]) et que son unité dans le Système International est le Joule par mole (J.mole-l), Elle doit être considérée comme une propriété de la réaction et non pas comme une propri- été d'un certain produit ou réactif quelconque. Un symbole tel queArH, pour-

10

rait aider à éviter la confusion avec la différence d'enthalpie AH (unité : Joule) ou avec la différence d'enthalpie molaire A H (unité : Joule par mole). Finalement m nous recommanderions que le concept df "avancement de la réaction" soit introduit dès le début du programme de chimie afin de permettre l'usage correct de l'algèbre avec des grandeurs physiques tout au long des études.

Ré f é renc e s

2,Comité de la Société Royale des Sym- boles (Symbols Comittee of the Royal Society), Qumtities, mits and symbols. Londres : Royal Society, 1971.

3.M.L.McGlashan, PhysicochemicaZ quan- tities and Units, 2ème Edition, Lon- dres : RIC, 1971.

4.Bureau Intemational des Poids et Me- sures , Le système intemationa 2 d 'u- nités (SI). Paris :OFFILIB , 1973.

5 .T.de Donder, BuZZ.Acad.r. BeZg.CZ.Sci., 1922,8,197.

6.IUPAC Commission on Symbols, Termino- logy and Units (Commission de Symboles de Terminologie et d'Unités de 1'IUPAC) Pure appZ. Chem., 1970.2 1.1.

1 .Par exemple, voir : F,D.Rossini et Col. 7.G.W.Ca-s;ellan, PhysicaZ chemistry,2ème SeZected vaZues of chemicaZ thermody- Edition, p.239. Reading,Mass.:Addison namics properties, Circulaire NBS Wesley, 1973. no 500. Washington DC:US Government 8.W.J.Moore, PhysieaZ chemistry, 5ème Printing Press (le Bureau de Presse Edition,Londres : Longmans,l972 ; du Gouvemement Américain) ,1952 ; F.Daniels et R.A.Alberty, PhysicaZ Groupe de travail de CODATA sur les chemistry, 4ème Edition, New-York valeurs clefs de Thermodynamiques, Wiley, 1975. CODATA Bu11.,1976,No 17; S.W.Benson 9.J.N. Spencer, J.Chem.Educ.,l974,51,577. J.Chem.Educ., 1965,42,502. lO.H.A.Bent, J.Chem,Educ., 1973,50,323.

11

Chronologie de la découverte des éléments V. G. Stark et H. G. Wallace

Abréviations : Ar Arabe AS Anglo-Saxon A Anglais F Français Al1 Allemand G Grec L Latin P Persan San Sanscrit E Espagnol Sw Suédois

Date

12

Elément

Actinium

Al umi n ium

Amer i c ium

Antimoine

Argent

Argon

Arsenic

Astate

Azote

Baryum

Berkel ium

de la Origine du nom décou-

verte

Auteur

G aktis,aktinos 1899 A.Debieme (France) rayon

L alumen,alum 1827 F.Wghler (Allemagne)

Amériques (analogie 1944 G.T.Seaborg et Coll. avec Europium

L antimonium (Sb,L An- stibium) cienne

L argentum (Ag) Ancien. AS Seolfor

G argos, inactif 1894 Lord Rayleigh et

L arsenicum 1250 Albert Le Grand G arsenikon (Allemagne)

G astatos, instable 1240 D.R.Corson

(E t at s -Un i s )

W.Ramsay (Royaume Uni)

orpiment jaune

K.R.MacKenzie Etats-Unis E ,Segré

(Royaume Uni) 1772 D.Rutherford

G barys, lourd 1808 H.Davy (Royaume Uni)

Berkeley (Université 1949 S.G.Thompson et col. de Californie) (Etats-Unis)

Reproduit avec l'autorisation de 1'Education in Chenistry, vol. 7, no 4, July 1970, p. 152-5. 0 The Royal Institute of Chemistry and the Chemical Society, 1970.

E lémen t

Be ry 1 1 i um

Bismuth

Bore

Brome

Cadmium

Calcium

Californium

Carbone

Cerium

cesium

Chlore

Chrome

Cobalt

Cuivre

Curium

Dysprosium

E ins te inium

* Erbium

Etain

Date Origine du nom de la

décou- verte

G beryllos, beryl 1798

1828

All. weisse Masse, 1753 masse blanche (plus tard Wismut)

Ar Buraq, Burah 1808

G Bromos, mauvaise 1826 odeur

L Cadmia, G Kadmeia 1817 nom ancien de la calamine

L calx,calsis, chaux 1808

Université et état 1950 de Californie

L carbo, charbon An-

D'après l'astéroïde 1803 Cérès découvert en 1801

ci enne

L Caesius, bleu ciel 1860 à cause de la raie colorée dans son spectre

G chloros, vert pâle 1774

G Chroma, couleur 1797

All. Kobold, lutin 1735 ou esprit mauvais

L cuprum, de 1'Ile An- de Chypre cienne

En l'honneur de 1944 Pierre et Marie Curie

G dysprositos, dif- 1886 ficile à obtenir

En l'honneur d'Al- 1952 b ert Einstein

D'après Ytterby , 1843 ville de Suède

L stannum (sn) An-

Auteur

L.N.Vauquelin (France) sous forme d'oxyde

F.Wghler (Allemagne) A .A, B. Bus sy (France) C.Geoffroy (France)

H.Davy (Royaume Uni) J.L.Gay-Lussac et L. J .Thénard (France)

A.J.Balard (France)

F.Stromeyer (Allemagne)

H.Davy (Royaume Uni)

S.G.Thompson et Coll. (Et a ts -Uni s)

Cristaux de Bismuth

J.J.Berzelius et W.Hisinger (Suède) M.H.Klaproth (Allemagne) à l'état d'oxyde

R.W.Bunsen et G.R.Kirchhoff (Allemagne)

C.W,Scheele (Suède)

L.N.Vauquelin (France)

G.Brandt (Suède)

G. T. Seaborg et Coll . (Etats-Unis) Conduite d'eau en cuivre, Egypte,

vers 2750 au. J.C.

P.E.L. de Boisbaudran (France)

A.Ghiorso (Etats-Unis)

C.G.Mosander (Suède)

AS tin cienne

13

Date de la décou-

E lément

Europium

Fe r

Fermium

Fluor

Francium

Origine du nom

Europe

L ferrum (Fe) AS iron

En l'honneur de Enrico Fermi

L fluere, couler

En l'honneur de la France, pays d'origine de Mlle Perey

Henri Moissan Gadolinium En l'honneur de 3.Gadolin chimiste finlandais

Gallium (eka L Gallia, France a 1 umin i um) Germanium (eka)L Germania,Allema- s i 1 i c i um) Hafnium

Hglium

Holmium

Hy d ro gène

Indium

Io de

Iridium

Krypton

Lanthane

Lawrencium

Lithium

Lutgtium

Magnésium

gne L Hafnia, Copenha- gue

G helios, soleil

L Holmia, Stockholm

G hudor, eau et gênes : engendrant A cause de la raie indi go b r i 11 an te dans son spectre

G iodes, violet

G iris, arc en ciel

G kryptos, caché

G lanthanein, rester caché

En l'honneur de Ernes t O .Lawrence, inventeur du cyclo- tron

G lithos, pierre

L Lutetia, nom ancien de Paris

G magnesia, région de Thessalie

Auteur

verte

1896 E.A.Demarçay (France)

An- ci enne

1953

1886

1939

1880

1875

1886

1923

1868

1879

1766

1863

181 1

1803

1898

1839

1961

1818

1907

1808

A.Ghiorso (Etats-Unis)

H . Mois s an (France) Marguerite Perey (France)

J.C.G. de Marignac (France)

P.E.L. de Boisbaudran (France)

C.A.Winkler (Allemagne)

D.Coster (Pays-Bas) et G. von Hevesy (Hon- gr i e) J .N ,Lockyer (Royaume- Uni) découvert dans le spectre du soleil.

P. T. Cleve (Suède) H.Cavendish (Royaume- Uni)

F.Reich et H.T.Richter (Al 1 emagne)

B.Courtois (France)

S .Tennant (Royaume-Uni)

W. Rams ay e t M. W. Trave rs Royaume Uni

C.G.Mosander (Suède) Découvert 5 l'état d'oxyde.

A.Ghiorso et Coll. (Et a t s -Un i s )

J.A.Arfvedson (Suède)

G . Urbain (France) A. von Welsbach (Autri- che)

H. Davy (Royaume Uni)

14

Date de la Décou- verte

Elément

Manganèse

Mendél "eiwn

Me r c ure

Molybdène

Néodym e

Néon

Neptunium

Nickel

Niobium

Nobel i um

Or

Osmium

Oxygène

Pal 1 adium

Phosphore

Platine

Plomb

P 1 ut on i um

Po 1 oni um

Origine du nom Auteur

1774 J.G.Gahn (Suède) F manganèse, forme dérivée de magnésie En l'honneur de Dimi- A.Ghiorso et Coll. tri Mendeleev 1955 (Etats-Unis).

Planète Mercure (Hg, An- G hydrargyrum, vif cienne argent) G molybdos, plomb 1778 C.W.Scheele (Suède)

à l'état d'oxyde

G néos, neuf et didy- 1841 C.G.Mosander (Suède) mos, jumeau à l'état d'oxyde

1885 A. von Welsbach (Autri- chel Sir William Ramsey

G neos, nouveau 1898 W.Ramsay et M.W.Travers (Roy aume Uni )

Neptune, planète au delà d'Uranus

All. Kupfemickel (abrev. ) "cuivre de Old Nick"

G myth. Niobe, fille de Tantale

En l'honneur d'Al- fred Nobel

L Aurum (Au) AS gold

1940

175 1

1802

1958

An- c i enne

E . M.McMi 1 lan et P .H . Abe 1 son (Et a t s -Uni s ) A.F.Cronstedt (Suède)

C . Hat Che t t (Royaume Un anciennement appelé Co lumb i um . A.Ghiorso et Coll. (E ta t s -Uni s )

.i)l

Une pkppite d'or G osme, odeur 1803 S, Tennant (Royaume Uni)

G oxys, pointu,acide 1774 J.Priestley (Royaume et gènes, engendrant Uni), C.W.Scheele

(Suède)

D'après l'astéroide 1803 W.H,Wollaston (Royaume Pallas qu'on venait Uni). de découvrir

G phosphoros, éclai- 1669 H.Brand (Allemagne) rant E. platine 1735 A. de Ulloa (Espagne) argent 1741 C.Wood (Royaume Uni)

L. plumbum (Pb) An- AS lead cienne

Pluto, planète au 1940 G.T.Seaborg et Coll. delà de Neptune

En l'honneur de la 1898 Marie Curie (Pologne) Pologne (L Polonia) patrie de Mme Curie

(E t a t 8 -Uni s )

Creuset de platine fabriqué par Wollaston

15

,.- - I .

W. H. Wollaston

Cristaux de quartz, une forme anhydre de la silice

Elément

Po tas s ium

Praséodyme

P r ome'th i um

Protactinium

Radium

Radon

Rhénium

Rhodium

Rub i di um

Rut hen i um

Samarium

S c and ium (eka Bore)

Sélénium

Silicium

Sodium

Soufre

Strontium

Tantale

Origine du Nom

A pot-ashes, cen- dres de pot (K,L ka1 ium)

G prasios, vert et didymos , jumeau G mythe de Prométhée qui vola le €eu aux dieux pour le donner aux homes G protos, premier

L radius, rayon

De radium

L Rhenus, Rhin

G rhodon, rose

L rubidus,rouge le plus foncé ; raie colorée dans son spectre ,

L ruthenia, Russie (à cause de sa dé- couverte dans 1 'Oural)

Samarskite,minéral à partir duquel il était préparé

L Scandia, Scandina- vie

G selene, lune (cf. te 1 1 ur e) L silex, silicis Silex

A soda, (Na, L na- trium)

San sulvere, L sul-

Date de la Décou- verte

Auteur

1807 H.Davy (Royaume Uni)

1885 A. von Welsbach (Autriche)

1947 J.A.Marinsky L.E.Glendenin C.D.Coryel1

Etats Unis

1917 O.Hahn (Al1emagne)et L.Meitner (Autriche)

1898 P.Curie (France) et Marie Curie (Pologne)

1900 F.E.Dorn (Allemagne) anci ennemen t nomé ni - ton ou émanation de radium

1,Tacke Allemagne O. Berg

1803 W.H.Wollaston (Royaume Uni)

1861 R.W.Bunsen et G.R.Kirchoff (Allemagne)

1925 W.Noddack

1844 K.K.Klaus (Russie)

1879 P.E.L. de Boisbaudran (France )

1879 L.F.Nilson (Suède)

1817 J.J.Berzelius (Suède)

1824 J . J . Berzelius (Suède)

1807 H.Davy (Royaume Uni)

An- mentionné dans la bible phur ci enne

D'après une ville 1808 H.Davy (Royaume Uni) dans 1'Argyllshire

G myth Tantale, 1802 A.G.Ekeberg (Suède) père de Niobe

16

Elément

Technétium

Tellure

Terbium *

Thal 1 ium

Thorium

Thulium

Titane

Tungs t h e

Uranium

Vanadium

A n o n

* Ytterbium

* Yttrium

Zinc

Z i r coni um

Origine du nom

Date de la Dé couverte

G technikos, arti- 1937 ficiel

L tellus, telluris, 1783 terre

D'après Ytterby, vil- 1843 le de Suède

G thallos, rameau 1861 bourgeonnant (5 cause de la bande verte dans son spectre) Thor, dieu de la guerre dans la my- thologie scandinave

Thule, ancien nom de la Scandinavie

G (myth) Titans, fils de la déesse Terre

Sw. tung, lourd et sten, pierre (W, du minerai Wolfra- mite)

Planète Uranus

Déesse scandinave Vanadis

G xenos, étranger

D'après Ytterby, ville de Suède

D'après Ytterby, ville de Suède

All. Zink (origine inconnue)

Ar. zargun, couleur dorée

1828

1879

1791

1825

1783

1789

1841 1801

1898

1878

1843

1746

1789

1824 R Les quatres éléments erbium, terbium,

Auteur

C.Perrier et E.Segr6 ( I t al i e ) ( anciennement appelé masurium) . F.J.MÜller (Autriche)


W.Crookes (Royaume Uni)

J.J,BerzLlius (Suède)

P .T .Cleve (Suède)

W, Gregor (Royaume Uni) découvert à l'état d' oxyde J . J , Berzélius (Suède) J.J. et F. d'Elhuyar (Espagne) aussi connu sous le nom de Wolfram

M.H.Klaproth (Allemagne) découvert à l'état d'oxyde

E .M.Peligot (France)

A.M. del Rio (Espagne) confondu avec chrome

W. Rams ay et M. W. Travers (Royaume Uni)

J.C.G. de Marignac (France)


A.S.Morggsaf (Allemagne)

M. H .Klaproth (Allemagne) découvert à l'état d'oxyde

J.J.Berzelius (Suède) ytterbium et yttrium

ont tous été obtenus de la "terre" yttria, qui a été découverte en 1794 par Gadolin, dans le minéral connu à l'origine sous le nom d'yttLrite (maintenant appelé : gadolinite) et qu'on trouve à Ytterbv Drès de Stockholm.

Un des dchantillons de thallium originaux de Crooke

17

Ré f 6 rences

H.M. DAVIS, The chemical elements. W. Ramsay , The New York : Science Service and Ballantine 4ème Edition,

gases of the atmosphère, Londres : Macmillan, 1915, Man-made trams -mani wn G.T, Seaborg,

elements. Englewood Cliffs : Prentice- Hall, 1963. Le développement historique

Books, 1959. Contient plusieurs extraits des articles originaux se rapportant aux nouveaux éléments.

~~

A.J. Ihde, The development of modern chedstry. New York : Harper and Row, 1964. S.T. Levy, J. Chem. Soc., 1935,1876. tion Publishing Co., 1968. Découvertes des Eléments de Terre Rare.

J.R. Partington, A history of Chemistry (4 volumes). Volume 1 : Earliest Period jusqu'b 1500

Volume 2 : 1500-1700 (1961) Volume 3 : 1700-1800 (1962) Volume 4 : 1800-jusqu'â l'époque actuelle

est traité avec quelques détails.

M.E. Weeks, Discovery of the ezements, 7ème Edition, Easton : Chemical Educa-

(1970)

(1964).Londres : Macmillan.

18

Tableau chronologique comparatif des découvertes et réalisations en chimie P. S. Uzzell

CHIMIE PHYSIQUE

Avant 1600

CHIMIE MINERALE CHIMIE

Antimoine, Arsenic, Bismuth, Carbone, Cuivre, or, Fer, Plomb , Mercure, Argent, Soufre, Etain, Zinc, Acides sulfurique et nitrique .

ORGAN 1 QUE

1600 1630

1646

1674-75

Dioxyde de Carbone J.B. Van

Acide Chlorhydrique J.R. Glauber

Phosphore H. Brand (G)

Helmont (B)

esprit de sel (G)

1700 1703

1735 1743

1746

1751

1764

1766 Définition de l'équi- valent Acide-Base H. Cavendish (Royaume Uni)

Antimoine

Acide Ac6 ti que Glacial G.E . S tahl

Cobalt G. Brandt (Sw) Acide orthophos- A.S. Margraaf

Utilisation des chambres de plomb en Angleterre Nickel A.F. Cronstedt

Acide arsénique H. Cavendish (UK)

phor ique (G)

(SW)

(Royaume Uni)

Clé : pays d'origine A = B = G = F = D = I = N = P = R =

ss = sw = UK =

sp =

Amé r i c a in Belge Al 1 emand Français Hollandais Italien Norvégien Pol onai s Russe Espagnol Suisse Suèdois Anglais

Reproduit avec l'autorisation de l'Education in Chemktry, vol. 14, 1977, p. 103-7. 19

1769

1771-86

1772

Tétrafluorure C.W. Scheele de Silicium (Sw) fluorure d'hy- drogène Oxyde nitrique, J. Priestley dioxyde d'azote, (Royaume Uni) mono oxyde de carbone, azote (indépen- D. Rutherford dammen t ) (Royaume Uni)

1774 Loi de con- A.L. Lavoi- Chlore, manga- C.W. Scheele serva t ion sier nèse et compo- (Sw) de la masse (F) sés du manga-

nèse, baryte, Oxygène, ammo- J. Priestley niac (Royaume Uni)

1776

1777 Explication A.L. Lavoi- Sulfure d'hydro- C.W. Scheele de la com- sier

Abandon de la théorie du phlogis- tique

bus t ion (FI

1778

1779 1780

1781

782

783

784 784- 1 785

1785

1786

1787

1789 Loi d'in- A.L. La- destructi- voisier bilité (FI

1791

gène, effet de (Sw) la lumière sur les sels d'argent, acide molybdique,C.W. Scheele arsenite de Cui- (Sw) vr e Acide molybdique C.W. Scheele arsénite de Cui- (Sw) vre

Synthèse de l'eau à partir de ses éléments

Molybdène

Tungs t h e

Composition de l'eau et de l'a- cide nitrique Hypochlorites

Chlorates

Uranium

fabrication du carbonate de So- dium

Acide Tartrique C.W. Scheele

(SW)

C.W. Scheele

Acide oxa- C.W. Scheele 1 ique (SW)

glycé rol C. W. Scheele acide lacti- (Sw) que, caséine

J ,Prie st ley (Royaume Uni)

P.J. Hjolm Divers esters, C.W. Scheele (SW) acétaldéhyde (Sw) F. and J.J. Glycérol C.W. Scheele De Elhuyar (SW) (0

(W (SW) H. Cavendish Acide citrique C.W, Scheele

C.L. Berthollet Acide mali- C.W. Scheele (FI que (SW)

Acide galli- que C.W. Scheele et pyrogalli- que ( SW)

C.L. Berthollet

M.H. Klaproth (All) (F 1

N. Leblanc (FI

20

1792 Piles élec- A. Volta

1793 Composés du

1795 Loi des pro- J.B. Ri- Composés du portions ré- chter Titane ciproques (G) Composés du

trochimiques (1)

S t r on t i um

Bé ry 11 ium 1798 Chrome

1799 Loi des pro- J.L. Fabrication portions Proust du chlorure constantes (FI de-calcium

M.H. Klaproth

M.H. Klaproth

L.N. Vauquelin

L.N. Vauquelin (France) S. Tennant (Royaume Uni)

(Ali)

(Al11

(FI

M. H. K1 aproth

1800 1801 Loi des pres- J. Dal-

sions partiel- ton les (Royaume

Uni)

1802 Spectres d'ab- W.H.Wollas- sorption et ton d'gmission (Royaume

Uni) 1803- 08 Théorie J. Dalton

atomique (Royaume Uni)

1803 Loi des pro- J. Dalton portions (Royaume mu1 t ip les Uni) Solubilité W. Henry des gaz (Royaume (loi de Henry) Uni)

1805 1806 Travaux H. Davy

sur les (Royaume électrolytes Uni)

1807

1808 Loi des volumes gazeux

1809

/

métaux alcalins

J.L.Gay- métaux alcalino- Lussac terreux (F)

amidure de potassium peroxyde de potassium et de sodium Chlore, tri et penta chlorure de phosphore Trifluorure de Bore

Sucre de raisin

Morphine

H. Davy (Royaume Uni) H. Davy (Royaume Uni ) J.L. Gay- lussac (F) et L.J. Thénard (F)

H. Davy (Royaume Uni) J.L. Gay- Lussac (F) et J.L. The- nard (F)

J.L. Proust (FI

F.W.A. SertÜrner (G)

21

1810

1811 Hypothèse A. AVO- d'Avogadro gadr o

(1) 1813

1814

1815 Nature de la H. Davy f 1 amme (Royaume

Uni) 1817

1818

1819 Isomor- E. Mits- Che r 1 i ch

(All) P.L. DU-

phisme

10% (FI Composition

18'9 fravtmétrique J.J. Ber- e 1 eau zelius (SW) Loi des P.L. DU- chaleurs ato- long (F) miques et A.T.

Petit (F) 1820

1821

1822

1824

1825

1826

22

Peroxyde de J.L. Gay- Baryum Lussac (F)

et L.J. The- nard (F)

Iode B. Courtois Acide prussique J.J. Gay- pur" Lus:>ac 1 1 (FI

(FI Acide iodhydri- J.L. Gay- que Lussac (F) Iodate de potas- s ium Acide chlorique J.L. Gay-

Lussac (F) Cyanogène J.L. Gay-

Activité optique J.R.Biot (F) Lussac (F)

Cadmium F. Stro- Oxamide J.C.D.

Sélénium J.J. Berze-

Composés du J.F. Arfved- Lithium son (Sw) Peroxyde d'h- L.J. Thgnard

Lithium H. Davy

meyer (G) Bauho f (Al 1)

lius (Sw)

drogène (FI

(Royaume Uni)

Mise au point H. Rose Isolement de P.J. Pelletier

groupes pour Col. calor des et l'analyse qua- J.P. Caventou

de tableaux de (,G) et plusieurs al- (FI

1itatiLe -

Polymor- E. Mitscher- Phisme lich (All)

Ferrocyanure nure Soufre monoclinique Silicium et Zirconium Titane Utilisation des halogè- ne s

Détermi- J .B.A. Brome nation Dumas (F) des densités de vapeur

L. Gmelin

E. Mitscher- lich (All) J.J. Berzelius

J.J. Berzelius Butène M. Faraday (SW) Benzène (Royaume

(Al11

(SW)

Uni )

A.J. Balard (FI

Iode

1827

1828

1831

1832 Lois de l'é- M. Fara-

lyse (Royaume lec t ro- day

Uni)

barre d 'aluminium (ci-dessus) préparée probablement par H. Sainte-Claire Devil- le (F) qui fabriqua les premiers échan- tillons purs en 1854.

Aluminium F. Wahler (All) Emploi du J.J. Berzelius terme "iso- (SW) mérie"

organique : (Ali) Béryllium F. Wahler (All) lère synthèse F. Wahler

Thorium J.J. Berzelius urée (SW)

Chloral J. Liebig et

Chloroforme E. Souberain

Anthracène J.B.A. Dumas

Col. (All)

(FI

(F 1 et A. Laurent

Benzaldéhyde F. Wzhler (All) J. Liebig (All)

23

1833 Loi de T. Gra- diffusion ham des gaz (Royaume

Uni)

T. Graham UCL photo

1834 Acide hypochlo- A.J. Ba- reux, monoxyde lard (F) de chlore

"radicaux" F. WEhler (All) éthyle et b enzoy 1 e acide, ben- E. Mitscher- zène sulfo- lich (All) nique ni tro-benzè- ne description J.J. Berzelius de la métamé- (SW) rie et de la p o 1 ymér i e Ani 1 ine , F.F. Runge quinoline, pyrrole à partir des goudrons

1835 Introduc- J.J. Ber- tion du zelius mot cata- (SW) lyseur

1837 Amygdaline F. W6hler (All) 1839 Cycle du car- J. Liebig Alcoolamylique A. Cahours (F)

bone et cycle (Al 1) de l'azote

1840 Loi de Hess G.H. Hess Ozone C.F. Schon- (SI bein (All)

1841 Phénol "Pur" A. Laurent (F) 1842 Données sur T. Graham

les chaleurs (Royaume de réaction Uni)

1843

1843-44

1845 1846-52 1846

1847

1848

1849

1849 - Dialyse, T. Graham 61 diffusion, (Royaume

osmose Uni ) 1850

Oxychlorure de C.A. Wurtz Phosphore (FI

Salicylate de mé thy 1 e Notion de sé- ries homologues Hydroquinone, quinone Ani 1 ide s Amides, acides aminés Nitrocellulose

Acétamide

Activité optique hydrolyse des cyanures en acides Alkylamines Synthèse des paraffines par élec tro lyse Composés orga- nométalliques

Synthèse de 1 ' é ther radical acétyl

A. Cahours (F)

C. Gerhardt (F) F. W6hler (All)

G. Gerhardt. (F) J. Liebig (AL1)

C.F. Sch6nbein

J.B. Dumas et (Ali)

col. (F)

L. Pasteur (F) J.B. Dumas et

col. (F)

C.A. Wurtz (F) A.W. Kolbe (All)

E. Frankland (Royaume

A.W. William- son (Royaume Uni)

Uni)

24

1850- Colloïdes T. Graham 61 (Royaume Uni)

1852 Théorie de E. Frankland

1852- Théorie de A.W.H. Kolbe la Valence (Royaume Uni)

60 la Valence (Royaume Uni)

Cornue utilisée par A. W. Williamson, photo UCL.

1853

1855

1856

1857 Tétra- valence du carbone

1858 Poids atomiques

1859 Spectre d' émis- sion des é 1 ément s Théorie cinétique des gaz

rayons ca-

Dessin contemporain de la formule du benzène de Kekule.

J. Clerk Maxwell (Royaume Uni) J. Plücker

Aldéhydes A.W. Williams Cétones (Royaume Uni) Ch 1 orure s C. Gerhardt (F) d' acétyle Chlorures d' acides, anhydrides

Ci-dessus le flacon de Berthelot qui pourrait contenir de 1 'acétylène.

alcool S. Cannizzaro

acide b enzo que benzylique (1)

2 partir du benzaldéhyde (réaction de Cannizzaro) Synthèse des paraffines (synthèse de

Glycol Synthèse du méthane Colorant mauve

Wurtz)

C.F. Schzn- bein (All) F. Wahler

(Al 1)

C.W. Wurtz (FI

C.A. Wurtz (F) M.P .E. Berthe- lot (F) W.H. Perkin (Royaume Uni)

Aromatiques J.P. Griess diazoïques (AlII As ymé t r ie L . Pasteur (F) Moléculaire et activité optique

25

860,- Poids

860 65 atomiques

J.S. Stas (BI

Césium

Rubidium

Thal 1 ium

Carbure de calcium

R.W.E. Bun- sen (All) R.W.E. Bun- sen (All)

Acétylène M.P.E. Berthelot (FI

C. Schorlemmer (Al11

86 1 Séries paraf- f iniques élucidées

862 W. Crookes (Royaume

F. Wghler Uni)

1863

1864 Loi des octaves

alcool isobu- ty 1 i que

C.A. Wurtz (F)

ester acéto- acétique hydrocarbures aromatiques (réaction de

radical-COOH Fittig)

J.A. Geuther

R.Fittig (Al 1)

J.A.R New- lands (Royaume Uni)

E .Frankland et B.F. Duppa (Royaume Uni) A.W. Hofmann (All) 1865 fabrication

du carbonate de sodium

E. Solvay (B)

Diphénylamine

W. Lossen (All) Hydroxylamine

formule du benzène isonitriles

F.A. Kekulé (All) A.W. Hofmann (All) 1866 Occlusion T. Graham

de 1 ' hydro- (Royaume gène dans Uni) des métaux

1867 1868 Loi d'ac- G.M. Guld-

tion de berg et P. masse Waage (N) Détermina- A.W. Hof- tion de mann (All) dens i tés de vapeur Conducti- F.W.G. Kohl- vité des rausch (All) solutions

Formaldéhyde Formule structurale Celluloïd

A.W. Hofmann (All) A.W. H. Kolbe (All-)

J.W. Hyatt (A)

Projection de Fischer de la molécule de g1 ucose (ci-dessus).

Photo Unilever. Four utilise par Moissan pour tenter de préparer des diamants artificiels.

26

1869 Loi pério- D.I. Men- dique deléef (R)

1873 Equation J.D. Van- d'état der Waals

(D 1

78 phases (A) 1873 Règle des J.W. Gibbs

1874

i s omér i e J .A. Wis lice- géométrique nus (All)

Action de C. Liebermann

treux sur les phénols amines secondaires, atome de car- J.A. Lebel (F) bone tétraé- et J.H. Vant dr ique Hoff (All) phényl hydra- E. Fischer (All) iine

l'acide ni- (Ali)

1877 Phénomènes W. Pfeffer Pentafluorure T.E. Thorpe Utilisation du C. Friedel (F) osmotiques (All) de phosphore (Royaume chlorure d'alu- et J.M. Crafts

Uni) minium comme catalyseur (Réaction de Friedel Crafts)

1878 Détermination V. Meyer amines (à par- A.W. Hofmann de densités de (G) tir des amides) (Al 1) vapeur

1882

1883 Loi de Raoult

1884

1884- 1900

1885

1886 Théorie des solutions

1887 Théorie de la dissociation des électrolytes D é termina-

F.M. Raoult (F)

J.H. Vant Hoff (D)

S.A. Ar- rhenius (SW)

J.H. Vant tion des poids Hoff (D) moléculaires (press ion osmotique)

tion (Al 1) 1888 Loi de dilu- W. Ostwald

principe de H. Le Cha- Le Chatelier telier (F)

Fluor

Tétroxyde de Phos- phore Fabr i Ca- tion du chlore et des alca- 1 ins

(réaction de Hof- mann)

Définition de la A. Baeyer Tautomérie (Al 1)

Soie artificielle H. Chardonnet

Synthèses et con- E. Fischer figurations des sucres Théorie des ten- A. Baeyer sions (Ali)

(F)

F.F.H. Mois- Composés diazoiques T. Curtius San (F) aliphatiques T.E. Thorpe (Royaume

H.Y. Castner Hydrazine Uni)

(A)

1888- Détermination E. Beckmann 89 des poids mo- (All)

léculaires (point de con- gélation et d' ébullition)

27

1890

1892

Trioxyde T.E. Thorpe Synthèse du E. Fischer (All) de phos- (Royaume glucose, phore Uni) fructose et

manno s e Tautomérie L. Claisen (All) céto-énolique

1893- 94

1893-94

1893- 1911 1894

1900

Diamants F .F .H. Mois- artifi- san (F) ciels

Carbures métalli- F.F.H. que s Moissan

Comp 1 exes A. Werner

Argon W. Ramsay et J.W.S. Ray 1 e i gh (Royaume

carborundum (FI

Coordinat ion (SI

Uni ) 1895 Hélium W. Ramsay

(Roy aume Uni)

1896 Radioacti- A.H. vité Becque-

rel (F) 1898 Radium P. Curie (F)

et M. Curie (P) Krypton W. Ramsay et

M.W. Travers (Royaume Uni)

Néon W. Ramsay et M.W. Travers

Radon F.E. Dorn Métaux F.A.V. Utilisation du. (Ali) al coy 1 es Grignard procédé de contact (FI (U.K.)

Le Docteur P. Uzzell est professeur de chimie d "School of Education". The Uni versi t y. Exeter. Il a égal emen t des responsabilités dans 1 'enseignement de la chimie.

Références

1. Asimov, Biographical encyclopedia of science and technology. Londres : Pan Books, 1975.

W.E. Flood, The origines of Chemical Names, Londres : Oldbourne, 1963.

L.M. Miall (éditeur). A new dictonary of bhemistry. Londres : Longmans, 1964.

J.R. Partington, A short history of chemistry. Londres : Macmillans, 1951.

J.R. Partington, A history of chemistry (volumes 1-4). London : Macmillan, 1964.

J.R. Ravetz, The roots of present day science. Bletchley : Open Univer- sity, 1971.

of the Discovery of the Elements". Educ. Chem. - 7, 152 (1970).

J.G. Stark et H.G. Wallace, "Chronology

Tirés de l'exposition d la galerie de chimie au Musée des Sciences par John O'Leary

28

II. Que devrait-on enseigner, etcomment? .

Les articles choisis pour cette section illustrent un certain nombre de pistes fructueuses suivies, ces derni- ères années, par l'enseignement de la Chimie. Des aspects intéresseront les professeurs de tous les niveaux. Parmi les questions posées figure celle-ci : enseignons-nous la "bonne" Chimie ? Celle qui est enseignée est peut-être une bonne préparation pour un chimiste de métier, à l'aise dans une société technologique avancée,mais prépare-t- elle bien un enfant qui ne deviendra pas un scientifique à vivre dans un monde qui dépend de plus en plus de la science ? On donne dans une autre partie les points de vue spécifiques des pays en voie de développement. Une autre des questions soulevées est de savoir si un sujet particulier est trop difficile à comprendre pour un élève à un 8ge donné ou à une étape de son développement intellectuel donnée.

Dans le premier article, Harrisson (USA) examine l'enseignement de la Chi- mie, sous l'angle de ses implications sociales. Newbold (Canada) examine aussi la situation actuelle. Hazygaliev (URSS) cite quelques exemples de construction et d'utilisation en Chimie de problèmes reposant sur des situations réelles. Viennent ensuite deux articles sur les programmes actuels. Dans le premier, Fensham (Australie) analyse les cours de Chimie actuels pour évaluer le rôle qu'y jouent les aspects sociaux. Dans le second, Gillespie (Canada) critique l'une des tendances principales des programmes de Chimie dans les années 1960 à 1970. En simplifiant beaucoup, on peut résumer cette tendance par le mot :

élèves de comprendre la Chimie plutet principes". Il s'agit de permettre aux II

que de l'apprendre. Gillespie demande si l'on n'est pas allé trop loin dans cette direction et de fait, dans le monde entier, de nombreuses questions sur cet aspect particulier de nos cours restent en suspens. Sanderson (USA) fournit un lien avec le second thème. Il demande si la Chimie peut être enseignée sans com- préhension et explique que l'une des causes principales du trouble dans lequel est plong&l'humanité est que nos connaissances dépassent largement nos capacités de compréhension. Sous un autre angle, Lippincott (USA) et Kean (USA) analysent la réussite des élèves en termes d'aptitudes et d'application. Il est essentiel de résoudre cette difficulté, alors que nous changeons nos programmes, nos métho- des de contrôle des connaissances et nos techniques pédagogiques. Nous sommes au coeur de la controverse sur les diffi- cultés de l'apprentissage.

Un travail considérable a été fait sur l'application dans l'enseignement ' scientifique des théories de psychologues comme Skinner, Piaget, Ausubel, et Gagné. Les travaux de Piaget sont ceux qui ont le plus frappé l'imagination des enseignants de Chimie au cours des cinq der- nières années. Herron (USA) essaie d'expliquer comment on pourrait établir des programmes en fonction du niveau de dé- veloppement intellectuel des élèves.

Une autre manière de voir si ce que nous enseignons à nos étudiants est trop difficile est de tester certains aspects particuliers des sujets enseignés. Un exemple de cette technique est donné dans l'article de Johnstone, MacDonald et Webb (Ecosse) qui étudient les difficultés rencontrées par les élèves de 16 à 18 ans dans la compréhension de l'équilibre

29

chimique. Il y a beaucoup d'enquêtes de ce genre ; l'une d'elles, d'un intérêt tout particulier, concerne les diffi- cultés qu'ont les élèves h comprendre les équations ioniques (Garforth, Lazonby, Johnstone, Education in Chemis- try, 13, 72, 1976).

Les articles, d'intérêt très géné- ral, de Bénard (France) qui traite de l'enseignement intégré, l'un des sujets les plus discutés des dernières années, et de Kempa (Grande-Bretagne), qui a étudié le développement de l'enseignement de la chimie dans le monde, servent h la fois de critique pour le présent et de tremplin pour l'avenir.

Les trois articles suivants concernent les programmes des pays en dé- veloppement. Dans le premier, Oke (Nigeria), qui publie dans une revue éditée en Ouganda, se préoccupe de l'influence de l'enseignement européen (et surtout britannique) sur les programmes scolaires dans les pays africains. Dans le second, Maddock et Kiri Kirina montrent comment de nouveaux programmes furent introduits en Papou- asie-Nouvelle Guinée et comment ils furent évalués durant leur introduction.

Leisten (Malawi) nous fait revenir sur le point soulevé par Oke, à savoir l'influence des pays développés sur les pays en développement, et insiste sur l'idée que les enseignants des pays développés ont quelque chose à apprendre des efforts faits en Afrique et ailleurs.

L'enseignement de la chimie se trouve maintenant dans une phase passionnante. Malheureusement, la place nous manque pour traiter plus que quelques orientations et nous ne pouvons qu'évoquer certains développements. Nous recommandons les revues suivantes à ceux qui s'intéressent de plus près h certaines orientations :

Attitudes envers la science : A review. P.L. Gardner, Studies in Science Educat- ion, 2, 1 (1975). Objectifs : A.H. Johnstone, New Move- ments in the study and teaching of chemistry, ed. D.J. Daniels, p. 218, Temple Smith, London (1975).

Amélioration de l'enseignement scientifique : N. Vedamani Manuel, Studies in Education, University of Kerala, India, l", 50 (1978).

30

L'enseignement de la chimie et les attentes de la société A. J. Harrison

Pour survivre, au sens élémentaire, on a besoin de nourriture, d'eau et de protection : protection contre le milieu naturel, et contre l'attaque directe ou indirecte (par perturbation de l'environnement) des organismes biologiques. La science et la technologie ont apporté, apportent, et apporteront des contributions importantes à la satisfaction des besoins en nourriture, en eau et en protection, La croissance sans précédent de la population mondiale démontre que ces besoins ont été satisfaits convenablement, du moins pour une survie minimale. Dans les sociétés où la science et la technologie se sont particulièrement dévelop- pées :

les besoins en eau, en nourriture et dans les domaines de l'hygiène, de la santé, des services, du logement, de l'habillement sont très largement COUT verts, tant au plan qualitatif qu'au plan quantitatif

lativement élevée)

sécurité nationale sont relativement élevés.

F

2 l'esperance de vie tend b être re-

les investissements en matière de

En même temps que sont satisfaits les besoins élémentaires, les souhaits se transforment en désirs puis en besoins. Ainsi se développent les attentes toujours plus grandes de la société. Ces attentes peuvent porter sur des biens et des services mais elles sont liées b la conception individuelle de la qualité de la vie idéale, Les biens et les services peuvent être une fin en soi ; ils peuvent aussi fournir les moyens pour atteindre d'autres buts. Les membres de la société comptent, et continueront sans aucun

doute à compter, sur la science et la technologie pour réaliser leurs attentes, directement ou indirectement. La société attache une grande importance à la formation de scientifiques professionnels. Les scientifiques professionnels ont été flattés de cette reconnaissance et les scientifiques universitaires ont pris plaisir 2 créer des individus 2 leur propre image. Notre système de récompen- se encourage nettement la formation de scientifiques professionnels. Au niveau du troisième cycle, les universitaires se justifient en montrant les publications et les réalisations de leurs étudiants : où ils sont allés, ce qu'ils ont fait, ce qu'ils ont publié, les distinctions qu'ils ont méritées. Au niveau des premier et deuxième cycle universitaires, les enseignants se justifient en montrant leurs travaux de recherche et les réali- sations scientifiques de leurs étudiants : dans quels établissements ils ont été admis, avec qui ils ont travaillé, quels diplômes ils ont obtenus. Au niveau des enselgnements scientifiques des collèges, la justification s'appuie sur le nombre d'étudiants qui ont terminé des études spécialisées s'étendant sur quatre ans dans d'autres institutions. Les enseignants des lycées mettent en avant les succès de leurs élèves, les collèges oG ils ont été admis et le nombre de ceux qui ont obtenu leur diplôme. J'espère et je crois que les maîtres de l'enseignement primaire et leurs élèves prennent simplement plaisir b découvrir des phé- nomènes et des concepts scientifiques.

Il y a évidemment beaucoup b dire sur ce souci d'étendre la formation de scientifiques et sur un système de ré- compenses qui encourage et reconnaît les

Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Education, vol. 51, no 9, sept. 1974, p. 569-71. O Copyright 1974, Division of Chemical Education, American Chemical Society.

31

réalisations scientifiques. Cette race doit être jalousement protégée. Cepen- dant, la volonté de former des professionnels risque de masquer une autre attente de la société. Cette attente est que chaque individu ait la possibilité d'avoir une expérience positive dans le domaine de la connaissance et de la compréhension des phénomènes physiques et biologiques qui l'environnent. Si notre souci de privilégier la formation de scientifiques professionnels empêche une partie importante de notre société d'accéder aux connaissances qui lui permettraient de participer avec efficacité et avec plaisir à une société démocrati- que technologiquement avancée, alors nous aurons rabaissé et dans une certaine mesure détruit les individus qui appartiennent à cette partie de la société.

Qu'en est-il des autres attentes, nombreuses et variées, de la société ? Certaines ne peuvent être réalisées qu'à grands frais. D'autres s'excluent mutuellement. Beaucoup dgcoulent de dévelop- pements scientifiques ou technologiques antérieurs. Beaucoup sont formulées comme des problèmes de société à résou- dre. Beaucoup d'autres impliquent des changements sociaux, économiques et politiques aussi bien que des progrès scientifiques et technologiques.

Il est difficile d'apprécier l'importance des relations entre les problè- mes de la société et les progrès très positifs de la science et de la technologie

progrès dans les services médicaux et dans la santé publique qui ont permis de vivre mieux et plus longtemps;

réduit la semaine de travail et nous a en grande partie libérés du travail ma- nue l ;

progrès dans l'utilisation des pesticides qui ont éliminé certaines maladies et permis d'augmenter la production de nourriture;

progrès dans les moyens de transport qui ont permis la liberté de circulation;

progrès dans les moyens d'information qui nous permettent de suivre ce qui se passe dans le monde;

progrès dans la fabrication de ma- tériaux extraordinairement résistants qui durent plus longtemps que les fibres nature 1 les ;

progrès de la mécanisation qui a

progr2.s dans les moyens de contrôle de l'environnement qui nous permettent de savoir ce que nous mangeons et ce que nous respirons;

progrès dans la capacité de l'armée de nous protéger contre 1 'invas ion.

Tous ces progrès sont positifs, mais leurs effets et en particulier la combinaison de leurs effets ont créé ou au moins aggravé d'autres problèmes. La croissance de la population, la migration des campagnes vers les villes, l'extension des zones urbaines périphériques, et l'in- suffisance des transports publics locaux sont des conséquences de l'accroissement de la durée de la vie humaine, de la pro- ductivité agricole, de la mobilité des individus et de l'activité industrielle. Certains problèmes sont dûs à l'accroissement de la population, d'autres à la concentration géographique de cette population. L'air, les rivières et la terre ne sont plus capables d'intégrer les déchets habituels alors qu'apparaissent de nouveaux types de déchets. La nation s'est habituée à un taux de consommation des ressources naturelles jamais atteint pour se procurer l'énergie et les matériaux transformés en biens et en services. Dans le cas de combustibles fossiles, l'énergie solaire emmagasinée dans des structures chimiques a été utilisée et n'est" pas récupérable. Les métaux, de leur côté, ont été largement dispersés mais sont, en principe du moins, récupé- rables. En tout cas, il est clair que nous ne pouvons pas continuer à vivre et à consommer de cette façon, Il y a des moments 00 l'on peut rêver d'un retour à une société plus ancienne. Avec un peu de réflexion, on se rend compte que cette perspective n'est pas tellement sédui- sante et que d'ailleurs nous n'avons plus le choix, en raison de l'accroissement de la population. L'utilisation des sou+ sources d'énergie renouvelables, l'accroissement de la production alimentaire, le recyclage des matériaux, la protection de l'environnement et le développement de matériaux de substitution sont des défis qui ne peuvent être relevés qu'à l'aide d'une technologie plus complexe et mieux contrôlée.

C'est presque un article de foi pour les scientifiques que, la recherche fondamentale ayant abouti, les applications technologiques en découlent facilement et rapidement et permettent de

.

32

répondre aux attentes de la société. En fait, le passage est rarement facile et rapide. Une incroyable série d'organismes se dressent entre les chercheurs et les consommateurs :

les branches législatives, exécu- tives et judiciaires des gouvernements fédéraux, nationaux ou locaux avec leur cortège de départements, d'agences, d'instituts et de fondations

tout le complexe industriel les écoles, les lycées et les uni-

une grande variété d'organisations

les fondations privées, les sociétés de protection, les clubs sportifs7 les organisations politiques, les associations professionnelles, les syndicats,

ver si tés

religieuses,

Certaines de ces organisations ont pour but de modifier la conception de la qua- lité de la vie et donc les attentes de notre société. D'autres, plus nombreuses, cherchent à contrôler la transformation de la société par le biais d'impôts, de licences, de règlements pour le contrôle de la qualité des produits, de règlements sur la construction, de taxes d'importation, etc... A mon avis, personne ne comprend vraiment les interactions entre ces organismes et l'évolution du réseau complexe qu'elles constituent. Ce réseau est une conséquence naturelle du caractère social, économique et politique des problèmes de la société. Les activités de ce réseau définissent la politique nationale pour la science et la technologie. Ce qui m'intéresse, ce n'est pas tant l'existence et l'activité de ces nombreuses organisations que la formation des individus-qui les composent. Dans quelles limites sont-ils Ca- pables d'estimer la contribution de la science et de la technologie à la réso- lution de nos problèmes ? Sont-ils Capa- bles d'évaluer ce que la science peut faire et ce qu'elle ne peut pas faire ? Si la science peut apporter une contribution, quel en sera le coût en dollars, en personnel, en temps ? Quels en seront les effets directs et indirects, à court terme et à long terme ?

Estrce que les programmes d'enseignement en vigueur au cours des trente dernières années ont préparé la popula-

tion à participer intelligemment au trar vail de ces organisations ? De même, ont-51s permis aux scientifiques professionnels d'avoir la volonté et la Capa- cité de travailler intelligemment dans le cadre de ces organisations ? Estrce que nos programmes actuels préparent mieux le public à remplir ce rôle ? Est-ce qu'ils préparent et motivent mieux les scientifiques ?

Jusqu'ici cet exposé a traité de la science et des scientifiques. Qu'en estc il de la Chimie et des chimistes ? Les réactions chimiques (ou l'absence de réaction) interviennent dans tous les domaines de notre activité et constituent au fond, très concrètement, le noyau de la science, La Chimie repose sur les Ma- thématiques et la Physique. Les sciences telles que la Biologie, la Géologie et la Psychologie sont attrayantes parce qu'elles étudient des systèmes qui nous touchent de près. Ce sont tout de même les échanges chimiques qui rendent ces systèmes dynamiques et nous en arrivons dans leur étude à un point où les concepts généraux de système chimique et d'échanges chimiques sont à la portée du public. La Chimie permet d'unifier les autres sciences et doit être présentée comme telle. Ceux d'entre nous qui enseignent la Chi- mie ont l'occasion et le devoir d'explorer de nouvelles méthodes d'enseignement afin de satisfaire les bataillons d'étu- diants qui n'ont pas l'intention d'exercer une profession scientifique. En même temps, nous avons l'accasion et le devoir d'attirer l'attention de ceux qui feront de la Chimie leur profession sur les rapports entre la Chimie et les problèmes de société. Les deux sont extrêmement importants. La formation des chimistes professionnels repose déjà sur une base saine. Il suffit que les enseignants adoptent une attitude différente dans leurs contacts avec ces étudiants. Il est vrai qu'un changement d'attitude n'est pas chose facile à réaliser et c'est un problème qui mérite notre attention. C'en est un autre que de former des gens qui, dans leur profession, n'auront pas de relations étroites avec la Chimie ou avec les sciences voisines.

Il y a indubitablement plusieurs manières d'aborder cette formation et j'espère que nous tous avons été et con- tinuerons à être actifs dans ce domaine. Les objectifs sont ici complètement dif-

33

férents des objectifs de la formation des professionnels. Si nous pouvons échapper à nos préjugés sur ce qu'ils doivent faire, sur les outils qu'ils doivent apprendre à utiliser, sur les techniques qu'ils doivent maitriser, et sur les problèmes qu'ils doivent pouvoir résoudre en trois minutes, nous commen- cerons peut-être à découvrir ce que ces étudiants souhaitent apprendre et à nous sentir libres de les laisser prendre le temps de faire des expériences au lieu de les bousculer en leur faisant faire des exercices. Nous aurons atteint un stade où les élèves et les enseignants peuvent s'amuser. Il n'y a pas de raison pour que leurs cours de Chimie soient plus difficiles que leurs cours d'His- toire. Il n'y a pas de raison pour que les notes soient plus basses en moyenne que dans les autres cours. Il n'y a pas de raison pour imposer une discipline plus stricte que dans les autres cours. L'attitude des étudiants vis à vis d'eux- mêmes sera la mesure de notre succès : auront-ils assez confiance en leur Capa- cité d'améliorer leurs connaissances jusqu'au niveau des organes d'information du public ? Est-ce que les satisfactions tirées de leur enseignement les incite- ront à apprendre davantage ?

Depuis longtemps, je défends l'idée qu'un bon cours de Chimie reste un bon cours, quels que soient les buts des étudiants. Les choix des étudiants en

faveur de la Chimie, aussi bien au niveau du secondaire qu'au niveau des collèges montre nettement que sbit les élèves et leurs conseillers ne partagent pas cette opinion, soit il n'y a pratiquement pas de bons cours de Chimie. Malgré tout, je maintiens que cette opinion pourrait être justifiée si nous n'étions pas tellement obsédés par la formation efficace des chimistes professionnels. Mais cette obsession existe et pour nous en libérer il semble nécessaire de passer au moins un certain temps à travailler avec des élèves qui ne veulent pas devenir des chimistes en cherchant ce qui leur convient et en donnant des cours étraite- ment adaptés à leurs besoins. Beaucoup suivent cette voie et des progrès ont déjà été faits, Je crois cependant que les progrès réellement décisifs sont encore à venir.

Il n'est pas possible d'apporter aux élèves des connaissances en Chimie suffisantes pour un demi-siècle. La com- préhension des phénomènes chimiques con- tinuera à s'accro€tre et il n'y a d'espoir que pour ceux qui auront les Capa- cités et les motivations pour suivre ce mouvement. Les moyens d'information se sont considérablement améliorés au niveau de la présentation des progrès scientifiques et ils continueront sans aucun doute s'ils ont un public pour les voir et les entendre.

34

L'enseignement de la chimie : problèmes actuels B. T. Newbold

L'enseignement de la chimie est un sujet dynamique en constante évolution, ce qui en fait, à mon avis, un champ d'expériences privilGgié. Pour s'en convaincre, il suffit de considérer les nombreux développements ayant eu lieu au Canada 1-4 et dans d'autres pays du monde pendant les cinq dernières années. En fait de nombreux changements sont en cours, et l'enseignement de la Chimie à l'heure actuelle nous pose tant de problèmes que ce serai-t déjà une oeuvre considérable que d'en dresser la liste. Néanmoins je ne le ferai pas dans cet exposé mais j'essaiesai de traiter un certain nombre de développements récents et de mettre en évidence les problèmes que je trouve les plus importants, ce qui m'imposera de négliger certains aspects. Nous sommes depuis longtemps confrontés à certains des problèmes que je vais mentionner mais leur importance justifie mon insistance ; d'autres sont nouveaux et reflètent nos préoccupations actuelles.

permanents : l'amélioration de la qualité de l'enseignement de la chimie à tous les niveaux et même la recherche de la perfection (bien qu'elle ne soit pas réalisable) ; l'établissement d'un programme pouvant satisfaire aux divers besoins des élèves ; l'obligation pour un enseignant de suivre l'évolution rapide de la chimie à l'heure actuelle ; le contrôle des connaissances ; l'éta- blissement de tests et d'examens efficaces ; la formation des enseignants et la détermination des méthodes d'enseignement

I

Voici quelques-uns des problèmes

les plus dynamiques (comment enseigner à des classes chargées et hétérogènes) ; la nécessité pour les responsables de revues pédagogiques de foumir aux enseignants les informations les plus récentes concernant l'enseignement de la chimie.

Les comportements face à la chimie.

Dans certains pays , on constate depuis quelques années une baisse sensible de l'intérêt pour les sciences pures, en particulier la chimie et la physique au niveau de l'enseignement supérieur. Parmi les explications de ce phénomène, on peut noter l'effet destruc- tif des produits chimiques sur l'environnement ainsi que le chômage des chimistes. Néanmoins, les études récentes menées par l'Institut Royal de Chimie ont mis. en doute ces explications et les résultats d'enquêtes portant sur le comportement des élèves face à la chimie, en Grande Bretagne, ont apporté quelques surprises. L'1.R.C. a mené son enquête auprès de 5500 lycéens agés de 14 à 18 ans, à Londres, en 1975. Les résultats de cette enquête ont montré que 82 % des élèves pensaient que la chimie avait beaucoup contribué h améliorer le niveau de vie, qu'il n'y avait pas de problème particulier au niveau de l'emploi ou des salaires ; 64 % pensaient que les chimistes et leurs travaux avaient réellement amélioré l'environnement ; 27 % étudiaient la chimie à un niveau ou à un autre, et 87 % de ceux-ci jugeaient la chimie utile ou essentielle;

Reproduit avec l'autorisation de Chemistry in Canada, vol. 29, décembre 1977, p. 15-21. 35

59 % de ces élèves trouvaient la chimie difficile ou très difficile, pour les raisons suivantes : notions mathématiques indispensables (20 %) ; appel à la mémoire pour les noms et les formules chimiques (49 X ) ; vocabulaire spécialisé (49 X) ; enseignement (19 X ) ; matière elle-même (21 %). Quant au choix des matières à l'école, il était largement influencé par les possibilités individuelles (65 %), puis par le choix de la carrière (50 %> et enfin l'intérêt (35%). Les élèves interrogés aimaient la chimie ou les chimistes mais la plupart de ceux qui l'étudiaient pensaient que la chimie était intéressante, bien que difficile. La majorité des élèves interrogés n'étudiant pas la chimie la trouvaient inintéressante et difficile. En conclusion les élèves, tout en admettant que la chimie joue un rôle important dans la société, refusaient pour la plupart d'en faire une profession.

Society), ayant analysé les débouchés professionnels des licenciés en chimie des universités britanniques, au cours des cinq dernières années, fait état de larges possibilités d'emploi en dépit de la crise économique. On a eu le maximum de licenciés en 1969 (2679), et ce nombre a baissé par la suite, jusqu'à 1938 en 1975, ce qui suggère qu'ils ont dû pouvoir se placer sur le marché en dépit de la crise. Néanmoins, la situation se stabilise en Grande Bretagne OÙ le nombre des étudiants qui se présentent à l'entrée des départements de chimie a légèrement augmenté ces deux demières années. Les possibilités d'emploi des ces cinq dernières années : bien que la proportion de ceux qui continuent jusqu'au doctorat reste constante, le nombre de ceux qui entrent directement dans l'enseignement ou dans une autre profession a baissé, augmentant ainsi le nombre de ceux qui cherchent des postes fixes. La majorité des licenciés ayant obtenu une mention bien ou assez bien préfèrent continuer leurs études. Un comité de la Société Chimique Améri- caine note dans un rapport sur le nombre de licenciés en chimie aux Etats-Unis une augmentation de 9 % en 1975-76 par rapport à 1974-75,mais une réduction du nombre des diplômés. Au Canada, on a remarqué une augmentation du nombre des diplômés docteurs en chimie qui ont poursuivi des travaux post-doctoraux

La Société Chimique (Chemical

diplômés ont évolué pendant

dans les universités. Cependant les restrictions financières rendent cette possibilité plus rare. Dans ce pays il semble que le nombre d'inscrits en chimie ne baisse plus, dans certaines universi- tés du moins, mais la proportion de ceux qui choisissent la chimie comme profession semble baisser. Parmi les raisons avancées, on peut citer la mauvaise situation économique qui a limité le nombre des postes disponibles dans les secteurs publics et dans les industries ; on peut citer. aussi la baisse du nombre des élèves inscrits dans les collèges et les universités, et dans les écoles, ce qui réduit le nombre de postes dans 1 'enseignement.

L'enseignement de la chimie au lycée.

Les problèmes posés par l'enseignement de la chimie au lycée portent, à l'heure actuelle, sur le programme d'études, la formation des enseignants, le contrôle des connaissances et les besoins de la société ! L'utilisation croissante de la technologie de l'enseignement dans les écoles pose également un problème. Les programmes de chimie dans les lycées ont été critiqués dans plusieurs pays, le Canada y compris, parce qu'ils traitent trop de sujets. Le professeur Ron Gillespie dans son discours (Situation de l'enseignement de la Chimie) l'année dernière, a remarqué que l'enseignement de la chimie élémen- taire est dans une situation difficile dÛe à l'augmentation et à la complexité croissante du savoir. Il a cité le problème du choix et de la présentation efficace des sujets et l'importance donnée aux principes au détriment de la chimie descriptive. Pour lui le problème réside dans le choix de sujets de chimie descriptive convenables pour démontrer les propriétés des éléments, les réac- tions et les synthèses afin d'arriver à la structure moléculaire, en faisant un enseignement cohérent pour que les élèves arrivent à une conception vérita- ble de la chimie moderne.

Un rapport du Département des Sciences de 1'Education en Grande Breta- gne intitulé "L'Education de nos enfants" a montré que le programme actuel est très chargé, en réponse à une demande croissante, et qu'un "tronc commun'' devient nécessaire. Ce rapport met en évidence des différences importantes entre les programmes des lycées et

36

souligne que la définition des besoins essentiels est indispensable à la recherche d'une garantie commune de qualité. Dans plusieurs pays, le Canada compris, on s'est rendu compte de la nécessité de traiter au lycée certains sujets fondamentaux essentiels pour comprendre la chimie,

actuelle, 100 O00 élèves étudient la chimie 5 16 ans (niveau O, un an avant le baccalauréat), et à peu près la moitié d'entre eux suivent le cours basé sur le programme Nuffield (niveau O), qui met en pratique une méthode d'enseignement par enquêtes. Cependant il ressort de l'opinion conjuguée des enseignants et des chercheurs en éducation fondamentale que certaines parties du programme sont enseignées non seulement trop tôt mais à un niveau trop abstrait, et d'autres voies possibles ont été suggérées. Les dernières recherches pédagogiques ont montré que le langage utilisé par les professeurs n'est pas toujours compris par les élèves. Malgré des progrès indéniables yn fossé qu'il est urgent de combler sépare le spécialiste en pédagogie et l'enseignant de chimie.

Les mauvais résultats aux tests nationaux normalisés aux Etats-Unis sont dûs à l'importance donnée aux qualités de persévérance plutôt qu'aux capacités. Une autre explication de ces échecs est que les tests ne correspondent plus à la formation des étudiants en raison de l'évolution des contenus et des méthodes pédagogiques. On a même suggéré que les variations de la réussite scolaire reflè- tent en partie la taille des familles et 1 'intervalle séparant les naissances

l'importance de la chimie dans notre vie quotidienne,y compris h ceux qui ne seront pas chimistes ?voilà le défi auquel est confronté le rofesseur de chimie au lycée. Bishop a noté récem- ment que "l'enseignement au lycée devrait former des citoyens possédant une culture scientifique, acquise par la compréhension des méthodes de la science et du rôle de la chimie dans la vie courante". Il a proposé, pour ceux qui ne se destinent pas aux études scientifiques, des cours axés sur les aspects pratiques. Il a indiqué que des cours orientés en ce sens et s'appuyant par exemple sur la pollution (de l'air et de l'eau), les produits pharmaceutiques, les besoins en énergie,

En Grande Bretagne 5 l'heure

7 . Comment démontrer à des élèves

conviendraient mieux à l'élève-type. Dans cette optique, les cours sur les "principes" en chimie ne seraient présentés que pour aider les élèves à mieux comprendre les phénomènes scientifiques qui sont reliés 5 l'homme. Cette proposition mérite d'être considérée par ceux qui établissent les programmes de chimie au lycée.

Faire reconnaitre la chimie comme une science fondamentale pour tous les étudiants.

Dans certaines provinces du Canada, la chimie est encore une matière à option dans les écoles. Dans ce cas le problème est de faire reconnaître la chimie comme une science fondamentale pour tous les élèves. Un autre problème est d'apporter des notions de chimie aux élèves qui ne l'étudient pas à l'école ; dans certaines écoles on essaie de le faire à l'aide de cours d'écologie, où les notions de chimie sont reliées aux phénomènes de la vie courante, L'enseignement de la chimie au lycée est en train d'évoluer au Canada, surtout en Ontario 9. Par exemple des cours telsque : chimie et consommateurs, chimie et environnement, sont destinés à des élèves qui ne veulent pas devenir chimistes. Des enseignements personnalisés et par module sont également proposés. Le "Projet d'évaluatiorl scientifique indi- vidualisée" propose, aux Etats-Unis, des unités pédagogiques telles que "activi- tés exploratoires", "activités de base", "activités spécial i s ée s " , "d igres s ions " , en chimie et autres matières, destinées aux élèves du secondaire qui ne veulent pas poursuivre d'études scientifiques. Evaluer les connaissances a toujours posé des problèmes et on doit se demander ce que représentent les "notations" afin de bien apprécier la situation. Une équipe de docimologues du Départe- ment de l'Enseignement de Chimie de la Société Chimique (Chemical Society) mène une étude sur l'établissement des "profils académiques" pour les élèves et les étudiants, Ceci sera particulièrement important pour ceux qui sont "tangents" par rapport à la moyenne nécessaire. Ces "profils" représentent un facteur décisif pour l'évaluation définitive.

aux besoins de la société actuelle posent des problëmes épineux. Par exemple en Grande Bretagne, on se demande si les

Les niveaux et leur correspondance

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programmes scolaires sont en rapport avec la vie quotidienne et l'on ressent un déphasage entre l'école et la vie dans une société industrielle moderne. Il est regrettable que beaucoup d'élèves sortant des lycées, présentent des lacunes graves en mathématiques et en langues, On critique à la fois l'industrie qui ne s'intéresse pas à ce qui se passe à l'école7et les enseignants coupés de la réalité du monde industriel. Une solution à ce dernier problème serait d'accroftre,pour les enseignants ,les possibilités d'aide et de formation permanente leur' permettant d'améliorer leur connaissance du monde industriel.

gnants peuvent évaluer les résultats de leurs élèves par des séries d'exercices qu'ils ont imaginés. Sûrement, la valeur de l'élève est liée aux possibilités des élèves mais peu de professeurs savent évaluer correctement les qualités essentielles d'un élève telles que "la compréhension", Elle rappelle aussi que les élèves n'apprennent pas facilement à partir des schémas traditionnels, et que le système doit s'adapter aux besoins des étudiants s'ils veulent atteindre leurspleines possiblités.

La formation des enseignants malgré les progrès faits dans de nombreux pays, est encore un problème mondial. La présence d'un enseignant compétent dans une classe est absolument essentielle car c'est la compétence qui détermine la qualité de l'enseignement,quelles que soient par ailleurs les améliorations des programmes et des méthodes d'ensei- gnemen t ,

rables à la chimie se sont développées, depuis 10 ans, dans de nombreux lycées, Dans certaines provinces, comme le New Brunswick, des écoles polyvalentes dans lesquelles les enseignants bénéficient d'aides pédagogiques excellentes et de conditions matérielles satisfaisantes ont été construites.

Bien que les formateurs soient probab 1 ement mi eux formés maint enan t qu'auparavant, il reste beaucoup à faire pour la formation des maîtres. Cependant, dans certains pays, la diminution de la population scolaire depuis plusieurs années entraîne une réduction du nombre de postes pour les nouveaux enseignants et même des mesures de licenciements. Cette situation a conduit à la fermeture de certaines écoles de formation et à

Kean a signalé que les ensei-

Au Canada, des conditions favo-

une baisse du nombre d'inscrits dans beaucoup d'autres. Nous sommes dans une situation difficile, où des enseignants en chimie bien formés ont des difficultés à trouver un poste.

Dans la mesure OÙ c'est l'enseignant qui détermine la qualité de l'enseignement et, pour une grande part, la qualité du résultat, il n'est pas surprenant de constater que 1 'inquiétude concemant les résultats des élèves en sciences est liée, en partie du moins, à un manque de maîtres compétents et expérimentés dans de nombreuses écoles, Dans la mesure également OÙ les programmes scolaires évoluent, la formation des enseignants doit s'adapter à cette évolution. A signaler aussi la nécessité d'organiser des stages de formation continue pour les professeurs. Ces facteurs ont une telle importance que les départements de chimie de certaines universités au Canada, aux Etats-Unis, et en Grande-Bretagne, s'intéressent à la formation des Frofesseurs de chimie en organisant des cours et des programes spéciaux. Un exemple concret est le programme du diplôme supérieur (MSc) dans l'enseignement de la chimie à l'Université de Reading en Grande-Breta- gne, par lequel près de 50 professeurs de lycées , déjà expérimentés? ont bénéficié de stages de recyclage et de perfectionnement pendant ces quatre dernières années. Ces professeurs cessent d'exercer leurs fonctiompendant un an et les Autori tés Locales de 1 'Enseignement s'engagent à les reprendre à la fin du stage. Ces professeurs étudient les progrès récents en chimie, 1 'enseignement de la chimie et l'enseignement en général, Ils présentent un mémoire sur un sujet de leur choix dans l'un des trois domaines cités. Il est souhaitable qu'ils puissent utiliser ce mémoire lorsqu'ils reprendront leurs cours. Voici quelques sujets classiques : l'Enseignement de la chimie avec un budget très limité ; la participation des parents à la préparation des programmes ; un plan de présentation de la chimie organique ; la chimie dans les projets de science intégrée ; le dévelop- pement conceptuel des élèves ; le langage dans l'enseignement et l'étude de la chimie ; le recyclage comme option scolaire.

L'utilisation de la technologie de l'éducation dans l'enseignement de la chimie se répand dans les lycées, si bien que se pose le problème du choix des

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techniques les plus efficaces en fonction des cours. Dans le domaine de l'enseignement par programmation, les deux méthodes d'usage courant sont : "l'enseignement 2 1 'aide d'un ordinateur'' et "1 'enseignement programmé''. Au Canada, les rares écoles disposant d'ordinateurs les utilisent déjà pour faire des calculs, tracer des courbes et faire des tests. Dans l'enseignement programmé, on utilise les deux types de programme, linéaire et branché avec des résultats inégaux. Des programmes d'enseignement individualisés, permettant aux étudiants d'utiliser les diapositives et les bandes à leur rythme propre quelques écoles. Des méthodes audio- visuelles se développent et on utilise des appareils de projection peu cuÛteux et très efficaces (s'ils sont correctement utilisés). Les modèles atomiques et moléculaires sont très couralment utilisés ainsi que les films qui posent cependant quelques problèmes d'organisation. D'autre part, au Canada, la radio et la télévision ne sont pas très utili- sées pour l'enseignement de la chimie. La création d'une salle audio-visuelle dans certains établissements (les plus vastes en général), donne aux élèves la possibilité d'utiliser les diapos, les cassettes audio et vidéo, ainsi que d'autres matériels se rapportant aux cours.

ont fait leur apparition dans

L'Enseignement de la Chimie dans les Universités.

La transition entre le lycée et l'université pose un certain nombre de problèmes : par exemple, dans certaines provinces du Canada les étudiants choisissent librement leurs matières à option. Certains étudiants,faibles en chimie, se rendent compte en arrivant à l'université qu'un certain niveau en cette matière leur est nécessaire pour continuer les études de leur choix. Certaines universi- tés donnent des cours de rattrapage le soir. Le décalage lycéeluniversité apparaft également par l'absence de chimie descriptive et la répétition de certains sujets. L'Université de Regina essaie d'éviter les répétitions de cours en faisant enseigner en première année l'évolution chimique de la vie et des éléments.

On sait maintenant que les meilleurs étudiants ne s'inscrivent pas en chimie dans les universités : la plupart

des étudiants en sciences ne sont pas bien préparés en mathématiques - Keith Laidler l'a souligné dans un discours (Situation de l'enseignement de la chimie) - alors que d'autres n'arrivent à lire ou à écrire correctement ni en français ni en anglais. Le problème dans ce cas sera de les amener 2 un niveau convenable à l'aide des cours de rattrapage, sans compromettre le niveau général.

étudiants qui ont des difficultés à comprendre la chimie. Parmi les raisons avancées, on peut citer : les mauvaises méthodes d'apprentissage ; un manque de motivation ; des lacunes en mathémati- ques ; des bases inadéquates ; l'inca- pacité de lire correctement et, enfin, un manque de maturité intellectuelle. Récemment, certains éducateurs se sont référés à la Théorie du Développement Intellectuel de Jean Piaget, pour essayer d'expliquer pourquoi beaucoup d'étudiants n'arrivent pas à comprendre les concepts fondamentaux en chimie Io. Des études ont montré que la moitié des étudiants en première année ne dépassent pas le niveau des opérations concrètes. On constate maintenant que beaucoup d'étudiants ont des difficultés en chimie parce qu'ils n'ont pas atteint le niveau des opérations formelles qui impliquent le maniement des concepts , des théories et des abstractions, ce qui les arrête justement en chimie. Récem- ment aux Etats-Unis, certains cours ont été basés sur la théorie de Piaget selon 1 aque 1 1 e 1 es é tudi an t s doivent amorcer l'étude d'un thème nouveau par une expérience concrète qui leur permettra d'observer directement le phénomène. Dans ce cours on utilise le procédé du "Cycle d'Etudes'', constitué par l'Exploration, l'Invention et la Décou- verte ; il sera très intéressant d'en observer les résultats,

En réponse aux critiques, les programnes de chimie en licence dans certaines universités du Canada ont été assouplis par l'augmentation du nombre des cours à option. Des efforts ont été faits pour rendre les cours plus proches du réel qu'avant : par exemple, des cours sur la chimie des polluants à 1 'Université de Yoncton qui traitent/, entre autres, d'aspects sociaux et industriels ; un autre exemple est le cours de 3ème trimestre en première année B l'université de Mount Allison,

Un autre problème se pose : les

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qui traite la chimie des aliments et de l'environnement. Pour ceux qui choisissent les matières scientifiques comme des matières à option, certains établissements organisent des cours sur la chimie de la vie, la crise de l'énergie, l'homme et son environnement, et d'autres sujets intéressant -les étudiants.

Les Départements de Chimie des Universités sont appelés à organiser des cours dans les domaines des sciences de la vie, de l'économie domestique, du traitement des maladies et ainsi de suite. Ces types de cours présentent un véritable défi au professeur qui sera confronté à des classes chargées et hétérogènes. Depuis mon retour 2 l'Université de Moncton, après un congé sabbatique l'année demière, j 'ai eu 5 donner des cours sur la chimie organique élémentaire aux quatre vingts élèves qui se sont inscrits en biologie, en écono- mie domestique et en sciences de la santé. Mon programme consistait 5 faire deux semestres de cours théoriques et un semestre de travaux pratiques, cela devait préparer les étudiants à la biochimie élémentaire. Mon cours traitait la chimie organique en série aliphatique et en série aromatique et les deux tiers du cours du deuxième semestre étaient axés sur les composés hétérocycliques, les graisses, les cires, les acides gras, les sucres et les polysaccharides, les acides aminés et les protéines, les stéroides et les terpènes, et les acides nucléiques. J'avais prévu quatre tests par semestre, tests-qui furent rendus aux étudiants après correction, pour information ; ils faisaient également des devoirs et des exercices après chaque chapitre ; le cours était basé sur la version française d'un livre bien connu en Amérique du Nord. Au début de chaque cours, l'on écrivait au tableau les thèmes essentiels du sujet, et de temps en temps, des modèles sur les produits naturels étaient distribués aux étudiants. Je faisais tout pour relier le cours aux phénomènes courants tels que la pollution, les pesticides et leur synthèse, la crise de l'énergie, le "problème des fréons et de la couche d ' ozone".

Les travaux pratiques étaient basés sur le manuel accompagnant le livre cité plus haut. Les étudiants devaient interpréter le spectre infrarouge d'un produit naturel qu'ils avaient

isolé dans l'une des manipulations, Environ la moitié réussirent avec la mention bien ou très bien. Cinq seulement échouèrent. Les appréciations des étu- diants furent positives et des discussions individuelles permirent une réuti- lisation profitable. L'enseignement de ce cours fut pour moi une expérience motivante, intéressante et enrichissante

L'enseignement de ce cours de service fut pour moi un véritable défi car il m'a obligé à modifier mon enseignement afin de pouvoir satisfaire aux besoins spéciaux des étudiants provenant des programmes en dehors des cadres du Département de Chimie de l'Université de Moncton.

Le rapport entre la matière du cours et les problèmes de la vie quotidienne semble avoir stimulé l'intérêt des étudiants et par conséquent a faci- lité la tâche. L'an prochain ce cours sera encore donné sous la forme de con- férences mais avec une certaine utilisation des moyens audio-visuels.

Se servir de machines à enseigner dbshwnanise 1 'enseignement.

La méthode des cours magistraux a été critiquée récemment; simultanément sont apparues les méthodes de "type Keller" : auto-instruction, rythme d'acquisition individualisé. Dans le même temps, l'utilisation de la technologie, comme l'enseignement par ordinateur et les méthodes "multi-media", se répandait. Dans certains cas, le professeur cesse d'être un conférencier et devient un "directeur éducatif". L'influence croissante des machines à enseigner risque de déshunaniser l'enseignement au détriment des étudiants. Le problème peut Ztre résolu par une utilisation prudente de ces moyens, qui ne doivent être considérés que comme auxiliaires pédagogiques, le professeur jouant le rôle principal.

en train d'essayer des méthodes d'enseignement individualisé en utilisant particulièrement les techniques audio- visuelles, pour l'enseignement de la chimie au niveau du ler et 2ème cycle. Les cours de chimie organique et de chimie inorganique présentés sous cette forme sont bien assimilés en général. Dans les universités 1 'enseignement personnalisé est donné à des petits groupes, pour lesquels les travaux pratiques sont combinés à des conférences pour public restreint.

La plupart des universités sont

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Certaines universités utilisent les techniques des "multi media" pour l'enseignement de la chimie en première année. Les connaissances de base sont enseignées P l'aide de projections et de cassettes audio ou vidéo, et de bandes magnétiques utilisées également au laboratoire. Certains grands établisse- ments utilisent la télévision à grand écran dans les amphithéâtres et dans les laboratoires pour présenter des manipulations à un grand nombre d'étu- diants ; de nombreuses écoles ou universités utilisent la TV. en circuit fermé. L'enseignement par ordinateur se développe. Certains départements uti lisent des banques de données pouvant apporter des aides pédagogiques variées. L'Université de Saint Laurent a développé le système de cassette-projection pouvant être utilisé pour apprendre la chimie à la maison individuellement, avec la possibilité de téléphoner au professeur, quand il y a un problème ; ceci a été réalisé dans la région de Sudbury en Ontario.

du-enchaîné ont été réalisés avec plusieurs milliers d'étudiants au Canada, au Danemark et aux Etats-Unis' '. Cette technique qui offre bon nombre de résultats pédagogiques favorables, a été jugée efficace pour démontrer les concepts en chimie. Elle a été aussi employée pour des "programmes d'ini' tiation au laboratoire" 12. Le premier d'une série de rapports semestriels sur les progrès dans l'enseignement au niveau des premier et deuxième cycles des Universités Américaines a été publié récemment 13. Il décrit différents programmes de chimie parfois longs et onéreux. La préparation et l'application des prDgrammes rigoureux exigent plus d'efforts que prévu. Les propositions des innovateurs n'ont pas toujours rencontré l'adhésion de collègues formés à des méthodes plus traditionnelles. Des méthodes pédagogiques plus ouvertes à l'apprentissage, à la compréhension, à la résolution des problèmes, jointes à une participation plus active des étudiants, permettent une formation mieux adaptée à la vie professionnelle à venir.

étudiants en première année de Science devient de plus en plus hétérogène, ce qui rend l'organisation des travaux pratiques plus difficile : comment

Des essais de projections en fon-

Aux Etats-Unis, le niveau des

former chaque étudiant à un niveau opti- mal sans négliger les meilleurs Mellon l 4 a remarqué que certaines manipulations en laboratoire, simples , peu co Û t e us e s e t en r i chi s s an te s p euven t intéresser des étudiants, par exemple, en chimie inorganique descriptive, un domaine qui a été négligé pendant des années. De nombreux pays admettent la nécessité de mener des travaux de recherche pendant les manipulations de travaux pratiques. De nombreux travaux pratiques consis- tent maintenant en un projet qui permet aux étudiants de réaliser leurs propres expériences , ce qui stimule leur intérêt. Ce genre de cours est également utilisé à des niveaux inférieurs au programme de licence. Par exemple, 2 l'Université de Lethbridge, le programme de travail indépendant permet aux éléments parti- culièrement brillants de troisième année de participer aux travaux de recherche, et de publier les résultats de leur recherche dans des revues autorisées. Les Départements de Chimie dans certains établissements considèrent les travaux de recherche comme une "partie intégrante" de leur programme,

travaux de recherche en chimie va de la participation à un programne de Recherche de Licence (comme celui de l'Université de Sussex) jusqu'à une brève initiation à un travail de Recherche à l'aide d'un projet intégré à un cours. Le programme de chimie pour le diplôme supérieur exige que la dernière année l'étudiant conduise un travail de recherche dirigé par un enseignant de la faculté. Le travail et la recherche indépendants, convenablement guidés, aident l'étudiant à acquérir l'esprit de recherche, d'initiative et d'indépendance, la sûreté de jugement, la patience, l'obstination et la certitude de pouvoir utiliser la documentation en général. Il est important de bien exposer les techniques de l'enseignement aux étudiants pouvant être appelés à des postes d'Assistants. Ceci représente aussi un problème car ces assistants manquent de motivation et donc d'assiduité au travail. Cependant la situation dans ce domaine évolue favorablement. Par exemple, aux Etats- Unis, l'utilisation de sketches parodi- ques dans l'émission de TV. "Project Teach" est une technique très efficace de formation des assistants (16). Les moyens utilisés pour évaluer le niveau

La participation de l'étudiant aux

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des étudiants du premier La formation permanente cycle des changements. On a tendance à remplacer les longs examens de fin d'année par des petits tests plus fréquents et portant sur quelques chapitres. Le système d'évaluation continue remplace les examens traditionnels dans certaines universités.

En ce qui concerne l'enseignement en 3ème cycle, je vais citer deux développe- ments récents. On a mis en place, avec succès, des programmes d'instruction personnalisée à ce niveau dans certaines universités aux Etats-Unis et au Canada, Par exemple pour le cours de physique et de chimie des surfaces donné depuis deux ans à l'Institut de Technologie de Massachusett utilisant le système d'instruction personnalisée (SIP), la fréquence des tests de contrôle a été adaptée au style de vie de l'étudiant 17, Le contenu du cours a été classé en 16 groupes de sujets, un ou plusieurs constituant une "unité de valeur'' ; une petite interrogation a lieu après chacune des 7 unités. Des cassettes contenant le cours enregis- tré étaient mises h la disposition des étudiants, et cinq cours spéciaux, en option, ont intéressé 80 2 d'étudiants ; 213 ont suivi le rythme du cours et 75 2 ont eu la mention très bien, Les étudiants étaient apparemment impressionnés par ce système d'instruction personnalisée (SPP) ; mais ils ont travaillé trop individuellement et certains auraient souhaité l'aide d'un professeur pour éclaircir quelques points difficiles. Cette méthodes qui paraît s'écarter du plan classique de Keller est un exemple de SIP modifié en cours d'essai. Elle peut-être utilisée au bénéfice de l'étudiant en licence si elle est appliquée avec souplesse.

Un changement important vient d'être effectué dans la formation des Docteurs ès Sciences en chimie, en Grande-Bretagne: il y aura une partie de cours théoriques en première année du doctorat (30 semaines), ce qui représente par semaine un jour de cours dont la moitié sera liée aux projets de recherche des étudiants et le reste concernera des sujets tels que la communication, les besoins des industries et de la société. Par exemple, à un étu- diant en physique-chimie, on peut proposer des cours sur les calculs par ordinateurs, la cinétique et des sujets voisins.

ont subi et continueront à subir La formation permanente des chimistes et des enseignants de chimie, est une nécessité vitale à cette époque de technologie. L'Institut de Chimie du Canada et d'autres sociétés nationales de chimie y sont particulièrement attentifs et ont relevé ce défi. Il y a longtemps que l'I.C,C, organise chaque année des cours de formation professionnelle d'actualisa- tion des connaissances en chimie-physique, chimie organique, chimie inorganique, chimie macromoléculaire et biochimie. Certaines sections de 1'I.C.C. ont présen- té des cours de recyclage.

La Société Chimique Américaine a beaucoup contribué à la formation permanente des chimistes et des enseignants en chimie. Par exemple, une série de cours enregistrés, organisée par la S.C.A. au niveau de l'université et au niveau professionnel, constituée de plus de 30 unités, est maintenant utilisée aux Etats- Unis et dans de nombreux autres pays. Pour les chimistes et les ingénieurs chimistes travaillant dans l'industrie, la S.C.A. est aussi en train de développer une série de 10 cours appelée "projet du système d'Etudes Suivies (S.E.S.) 18, qui a pour but d'établir d'une part un "programme auto-financé, capable de fournir les matériels d'enseignement aux chimistes", et d'aukre part un "système d'enseignement prototype pouvant être utilisé par d'autres organisations pour satisfaire aux besoins des professionnels d6jà en fonction". Ces cours qui sont données sous la forme d'un enseignement individualisé, par la méthode "multi-média", contiennent pour moitié un enseignement par livres et par ordinateurs et pour le reste des textes et des sortes de conférences présentées sur cassettes "magnétoscope". Font partie du programme des cours : l'identification spectrométri- que des composés organiques, la technique de chromatographie en phase gazeuse (analytique et préparative), les plans d'expériences et les aspects économiques de la chimie.

L'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (U.I,C,P.A,) qui mène à l'heure actuelle une étude sur la formation permanente et les besoins des chimistes dans l'industrie, s'est depuis longtemps intéressée à cette question.

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Les développements internationaux

Pour répondre à certains problèmes importants, le monde à l'heure actuelle assiste à un grand nombre d'initiatives dans l'Enseignement de la Chimie, La Commission d'Enseignement de la Chimie de 1'U.I.C.P.A. s'est préoccupée des principaux aspects suivants : création d'un journal pour l'Enseignement de la Chimie dont six numéros ont déjà été publiés ; études sur l'influence des examens sur les programes de chimie ; examens de chimie dans les pays utilisant une langue autre que l'anglais ; formation continue des enseignants en chimie ; sélection des étudiants en chimie au niveau de l'enseignement supérieur ; publication d'un libre d'histoire de l'enseignement de la chimie, et étude sur les programmes de chimie à l'Université, Les projets les plus récents de cette commission sont la préparation d'une table des masses atomiques avec des explications ; des monographies en chimie ; une anthologie des matériels d'enseignement ; et une étude sur la chimie dans les pays en voie de développement,

Ce comité a aussi organisé une série de conférences parmi lesquelles on cite: 1'Evaluation en chimie - Ceylan (1968) ; l'Enseignement de la chimie à l'universi- té - Frascati (1969) ; l'.Enseignement de la chimie - Aspen (1970) ; Le Congrès International sur 1 'Amélioration de 1 'En- seignement de la Chimie - Madrid (1975). Il est en train d'organiser une Confé- rence Internat i ona 1 e s Ur "L ' Enseignement de la Chimie dans les dix prochaines années - Les problèmes et les défis", qui aura lieu cette année à Ljubljana (Yougoslavie) , dont les thèmes essentiels seront : les besoins variables de la société ; le développement et le champ d'action des sciences chimiques ; les aspirations et les comportements des étudiants ; les besoins des pays en voie de développement. Quatre conférences bisannuelles sur 1 'Enseigne- ment de la Chimie ont été organisées par la S.C.A. ; la dernière a eu lieu en 1976 à l'Université de Wisconsin et 400 enseignants en chimie du Canada et des Etats-Unis entendirent un grand nombre de conférences consacrées à l'amélioration de l'Enseignement de la Chimie au niveau du lycée et de l'uni- versité. L'Institut de Chimie du Canada a organisé de petites conférences et

des discussions sur l'Enseignement de la Chimie, en plus de ses réunions annuelles, Chaque année, le Département de Chimie 2 l'Université de Waterloo, organise une série de conférences sur l'enseignement, qui permet à un grand nombre d'enseignants de lycée du Canada et des Etats-Unis de confronter leur expérience de l'enseignement de la chimie.

La Fédération des Sociétés Chimiques d'Europe a organisé plusieurs conférences dont la prochaine Conférence Européenne sur l'Enseignement de la Chimie qui traitera des thèmes suivants : "Les activités extra-scolaires pour les jeunes ; la compétition en chimie ; la chimie comme une matière d'appui ; la formation des ingénieurs de génie civil"; et les commentaires critiques d'une publication récente "Etude de 1 'Ensei- gnement de la Chimie en Europe".

Les conférences et les discussions sur l'Enseignement de la Chimie favorisent les échanges de vues entre les enseignants et les informent des derniers développements de la chimie ; d'où la nécessité d'en organiser plus souvent.

La Recherche dans l'enseignement de la Chimie a été reconnue comme un besoin international. Néanmoins , ce type de recherche est encore dans un stade préliminaire et beaucoup reste à faire. D'ailleurs, c'est un domaine qui n'a attiré l'attention des enseignants et des établissements que récement, Heureusement , beaucoup de gens comprennent que la recherche peut apporter des contributions importantes à l'améliora- tion de l'Enseignement à tous les niveaux.

l'Enseignement de la Chimie reconnaît l'importance de la recherche daps l'enseignement puisqu'il concacre une rubrique nouvelle qui procure aux enseignants en chimie un sommaire des publications les plus importantes. Par exemple, le numéro de Décembre 1976 rendait compte de travaux de recherche sur "L'enseignement de la Chimie au niveau du 3ème cycle aux Etats-Unis et

"Difficultés rencontrées dans la compréhension des équations ioniques". Cette nouvelle initiative pourrait servir de "lien entre les chimistes intéressés par l'enseignement et les chercheurs de l'Enseignement de la

Le Journal International pour

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Chimie, car la plupart des articles traitant de ce sujet sont publiés dans des journaux rarement vus par les chimi s te s " . Conclusion

Etant donné les nombreuses questions soulevées dans cette conférence il est évident que plusieurs problèmes et défis existent présentement dans le domaine de l'Enseignement de la Chimie à tous les niveaux, mais connaissant les ressources humaines disponibles dans la communauté scientifique je suis persuadé que nous saurons comment réagir afin de pouvoir faire les améliorations qui s' imposent. Bibliographie

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2. B.T.Newbold, Can. Chem. Educ. , 6 (21, 9-12 (1971).

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7, E.S,Kean, J. Chem.Educ., 54 (3), 159-

8. C,T.Bishop, J.Chem.Educ. , 54 (3)

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23-28 (1 976).

160, (1977).

169-170 (1977).

Étude de cas dans les cours de chimie R. A. Hazygaliev

Il est bien connu que lorsqu'on pose des problèmes, les étudiants peuvent mettre en oeuvre divers aspects de leur travail personnel pour y répondre pendant le cours. Cependant, cette ac- tivité intense ne se produit pas dans toutes les situations. Nous allons montrer par quelques exemples comment nous posons des problèmes (études de cas) pendant les cours, et comment nous y répondons.

de dresser un tableau des propriétés physico-chimiques des halogènes (à l'aide du livre de cours, de documents et de la classification périodique des éléments de Mendeleev), ils feront un travail, certes personnel, mais guidé directement ou indirectement par l'enseignant. Nous pouvons transformer cet exercice en problème en posant la question suivante : "Pourquoi le fluor, le chlore, le brome et l'iode appartiennent-ils tous au groupe principal VIIa, bien qu'ils diffèrent considérablement de par leurs propriétés physiques ? I r

La curiosité des étudiants sera aigui- sée, ils chercheront activement, com- pareront les données en leur possession et bâtiront différentes hypothèses.

Au cours de la résolution du problème, ils constateront que :

1) tous les halogènes possèdent 7 électrons périphérique;

2) il manque à chaque atome un électron pour obtenir une structure électronique externe complète (8 élec- trons). Les atomes peuvent capter un électron pour donner un anion ou former une molécule diatomique par liaison co-

Si nous demandons aux étudiants

valente (mise en commun d'une paire d'é- lectrons) ;

3) par réaction des halogènes avec les métaux, on obtient des sels ;

4) les halogénures d 'hydrogène (HF, HC1, HBr, HI) et plusieurs oxydes d'ha- logènes ont des structures semblables;

sant) F, C1, Er, 1, le caractère non métallique diminue, et le caractère mé- tallique augmente;

diminue selon :

5) dans la série (où Z va crois-

6) Le pouvoir oxydant des halogènes

2 F > C12> Br27 1 7) Le pouvoir réducteur des ions

1-> Br-2 Cl-> F- Grâce 2 ce genre d'interrrogation

2

halogènures diminue selon l'ordre inverse :

les étudiants constatent que ces élé- ments appartiennent au groupe principal VIIa et se rassemblent dans la famille des halogènes, bien que se présentant dans des états différents dans les conditions standard.

compare les propriétés d'éléments d'un même groupe. De même, il est possible d'établir si un élément appartient au même groupe qu'un autre ou non.

pour étudier, par exemple, les proprié- tés de l'hydrogène. Si l'on dit aux étu- diants de rédiger un tableau des pro- priétés de l'hydrogène, ils feront un travail, original certes, mais ils ne se poseront pas beaucoup de problèmes. Mais on peut leur poser la question : "Pourquoi l'hydrogène autrefois placé dans le groupe principal Ia est-il main-

Nous avons donné un exemple OÙ l'on

On peut utiliser la même démarche

Traduit et reproduit avec l'autorisation de Khimia v Shkole, no 1, 1979, Union des Républiques Socialistes Soviétiques.

45

tenant de plus en plus souvent placé dans le groupe principal VIIa de la classification périodique ?

cours de leurs recherches la ressemblance de l'hydrogène à la fois avec les métaux alcalins et avec les halo- gènes.

Exemples de ressemblance avec les alcalins : 1) L'hydrogène possède un degré d'oxy-

dation + 1 comme les alcalins. 2) Comme les alcalins, l'hydrogène pré-

sente des propriétés réductrices.

Les étudiants remarqueront au

Exemples de ressemblance avec les halogènes : 1) L'atome d'hydrogène peut capter un

électron pour fozmer un anion (2Na+H2+-2(Na H )).

2) L'hydrogène se substitue aux halo- gènes dans certains composés (on peut donner des exemples en chimie organique).

3) L'hydrogène est un gaz comme certains halogènes.

4) La molécule est diatomique. De cette façon, les étudiants arri-

vent à la conclusion que l'hydrogène diffère 2 la fois des éléments des groupes Ia et VIIa, mais que d'après les propriétés présentées, il est possible de rattacher l'hydrogène au groupe principal VIIa de la classification périodi- que.

De la même façon, c'est sous forme de questions que l'on peut établir la formule structurale de composés. Ainsi, au moment d'établir la formule structurale de l'éthanol, les étudiants font des hypothèses et se posent des questions. La solution du problème comporte plusieurs étapes. D'abord, le problème est posé. On donne aux étudiants la for-

mule empirique de l'alcool, On leur demande d'écrire les différentes formules structurales possibles. Ils peuvent a- lors en conclure qu'il y a deux formules structurales possibles pour la molécule d'éthanol. Dans une deuxième étape, les étudiants formulent une hypothèse pour attribuer l'une de ces deux formules à la molécule d'éthanol. Troisième étape : on v6rifie l'hypothèse. Les étudiants réalisent des manipulations sur la réac- tion de l'éthanol avec le sodium. Ils notent une production d'hydrogène. Mais cela ne donne pas encore la réponse à la question. Il faut déterminer combien d'atomes d'hydrogène produit chaque mo- lécule d'éthanol - un, cinq ou même six. A cet effet, on monte une manipulation de démonstration. Si l'on prend pour l'expérience 4,6 g d'éthanol, on obtient environ 1,12 1 d'hydrogène, c'est-à-dire qu'une mole d'éthanol produit une demi- mole d'hydrogène. A l'aide des documents les étudiants concluent que la formule structurale convenable est celle qui attribue un rôle particulier à un atome d'hydrogène (lié à un atome de carbone par l'intermédiaire d'un atome d'oxy- gène). Au cours de la quatrième étape, la validité de la formule trouvée est vérifiée au niveau de la configuration électronique. Les étudiants déterminent que l'hydrogène du groupement hydroxyle doit avoir la plus grande réactivité. Ils peuvent supposer que cela est di? 2 la forte électronégativité de l'oxygène.

De cette façon, les problèmes structuraux sont résolus grâce à des recherches personnelles des étudiants. Ainsi, par l'intermédiaire de questions (métho- de des cas), ils approfondissent et ren- forcent leurs connaissances, et leur aptitude à acquérir des connaissances par eux-mêmes augmente.

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Contenu social des cours de chimie Peter Fensham

Il y a Zongtenps que l'on se pose la question de la valeur sociale de la Chimie, surtout dans l 'enseignemnt des sciences au niveau du Supérieur. Cet article va essayer de faire Ze point sur les cours de Chimie socialement pertinents.

Depuis 1968 en Grande Bretagne1 et 1972 aux Etats-Unis2 on se demande quelle est la signification sociale de la Chi- mie, tant pour l'enseignement secondaire que pour le supérieur. Par exemple dans Chemistry in Britain3 des échanges de vues récents ont reconnu l'importance de ces questions en liaison avec la baisse continuelle de l'intérêt et de l'attrait de la Chimie dans beaucoup de pays.

I Toutefois, l'idée que l'enseignement de la Chimie a une signification sociale n'est en aucune façon universellement acceptée. Certains enseignants en Chimie l'acceptent comme un axiome évi- dent en ce qui concerne l'enseignement de leur matière. Par exemple, Coulson affirme de façon catégorique "aucun cours de Chimie, de quelque niveau que ce soit, ne devrait ignorer le lien entre l'application technologique de son sujet et la communauté dans son ensemble4. D'un autre côté, Mansell remarque qu'en fait personne ne sait ce que signifie le terme "sociale" et que la Chimie, en soi, n'a rien à voir avec le fait socia15, TI est attaqué par Gill qui soutient que Mansell en réalité, ne fait qu'étudier les aspects d'un concept qu'il déclare inc onnu6 . Un autre aspect de cette discussion est que certains auteurs ont tendance 'à de-

mander qu'une place soit réservée à la Chimie dans les programmes scolaires en général. "La Chimie est la science qui empiète sur la vie de chaque individu, à tous les niveaux, et dans beaucoup de ses activités"7, Coulson a également fait remarquer que la Chimie est entière- ment qualifiée pour prendre cette place dans les programmes scolaires d'enseignement général, tion intermédiaire entre la physique et la biologie4. Dainton voit dans la Chi- mie-physique une discipline particu- lièrement adaptée pour aborder un très grand nombre de professions : elle re- quiert une approche quantitative qui n'est pas assez déterminante pour lncl- ter à négliger les implications plus larges d'une situation donnée8. D'autres, comme Mansell et Johnstone23 semblent être plus réservés et moins optimistes quant à la contribution que la Chlmle peut apporter dans la formation des citoyens éduqués ou quant à ses rapports avec d'autres domaines de la vie.

car elle occupe une posi-

Pertfnence sociale

puhqu'un terme apparemment simple c m e perthence sociale est reçu si dlf- férement par des enseignants très cult2- vés, les questions de Kardy7 sur la valeur sociale de l'enseignement de la C h h i e sont une bonne entrée en matière pour cet artlcle, El demande, entre autres : Quelles formes devrait prendre la perttnence sociale?" et quj: peut fournir des données sur des cours de Chimie socialement pertinents ?

II

Reproduit avec l'autorisation de Chemistry in Britain, vol. 12, no 148, 1976, p. 148-51. 47

Une analyse de contenus de documents écrits, utilisés dans un certain nombre de cours de Chimie, a été entreprise. Cette analyse a porté sur 3 aspects sociaux, d'après des documents comprenant des cours, des notes, des manuels de laboratoire et des épreuves d'examen. Dans tous les cours il existe à un degré plus ou moins grand selon les maîtres et selon les élèves des interactions autres que celles qu'impliquent ces matériels. Toutefois, des études sur la diffusion de quelques projets récents de programme d'enseignement des sciences ont montré de façon évidente que les enseignants se tenaient très étroitement au texte de ré- férence, lorsqu'il existait et que ce texte fixait les limites du coursg. Bien plus, il est apparu très nettement que les épreuves d'examens sont en fait le facteur qui fixe pour l'enseigné (et pour l'enseignant) l'importance et la signification des différents points du cours.

Dimensions sociales

Trois aspects sociaux, ou dimensions, de l'enseignement de la Chimie peuvent être définis. Le premier - la nature sociale des découvertes chimiques- découle du travail des sociologues des sciences tels que Mertonlo et Storerll . L'ensemble du développement des connaissances scientifiques provient à leurs yeux de ce que les hommes qui agissent en scientifiques, ont échangé de l'information et des idées d'une manière particu- lière. La science regroupe des formes particulières d'activité humaine et d'interdépendance : elle fournit des moyens pour la communication universelle, qui .transcendent les barrières nationales, tout comme les messages eux-mêmes. Si on applique ces idées à l'enseignement, on peut considérer l'étude des sciences, et de la Chimie dans notre cas particulier, comme des domaines de connaissance qui peuvent contribuer à l'appréciation, et même au développement de ces caractères sociaux particuliers. Hein12 dans une étude sur les cours de sciences élémen- taires, a montré le grand avantage des sciences sur d'autres matières sur ce point particulier.

Tableau 1. Composés chimiques ou classes de composés les plus couramment cités.

Compos és Fréquence de citation

Matières plastiques et po lymè r e s 53 Pesticides 47 Antibiotiques 39 Industrie du pétrole 36 Engrais 34 Produits pharmaceutiques 25 Détergents 20 Explosifs 18 Anesthésiques - Analgésiques 17 Acide sulfurique - Soufre 15 Hydroxyde de sodium Carbonate de sodium 1 1 Ethanol 9 Uranium et radioisotopes 9 Vitamines 8 Sucres 8 Additifs alimentaires 7 Verres et céramiques 7 Graisses 7

On peut inclure dans les cours des noms de scientifiques et des dates, des étu- des de cas sur leur travail et sur les échanges de vues qui ont conduit au dé- veloppement ou à la réfutation des dé- couvertes, concepts et théories. Des exercices et des recherches peuvent demander la mise en commun d'informations par un groupe d'élèves ou une classe entière. Les professeurs et les recueiis de données peuvent être pris comme des références pour les travaux de scientifiques reconnus. Lors de l'analyse des points forts et des limites des procédés expérimentaux actuels, la contribution des souffleurs de verre, des ingénieurs techniques et de beaucoup d'autres peut être mise en lumière. Un texte connu de niveau universitaire qui renferme des données de ce type est le livre de Moore "Phys ical chemis try" .

I

Il y a de nombreuses façons d'expli- citer ce côté social et humain dans un cours de sciences.

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Tableau 2. Prscessus chimiques le plus souvent cités.

Fréquence de citation Processus

Polymérisation Synthèse de l'ammoniac Fermentation Electrolyse Craquage Fonderie et aciérie Synthèse de l'acide sulfurique Utilisation des traceurs radioactifs Synthèse d'explosifs Saponification Emuls ions Hydrogénation Réactions photochimiques Combus t ion

40 24 24 24 20 16

12

12 10 10 9 9 9 9

Applications sociales

La seconde dimension sociale - les applications sociales - est traditionnelle, c'est la question de l'application des connaissances scientifiques dans la société. Certains enseignants en Chimie soutiennent que la Chimie intervient constamment dans la vie de tout- un-chacun. Si cela est vrai le domaine est vaste pour des cours de Chimie relatifs aux procédés chimiques et aux com- posés chimiques tels qu'on les trouve dans la vie de l'élève et de sa commu- nauté. Cependant la formation de beaucoup de professeurs de Chimie est insuffisante dans ce domaine. De plus, la plupart des professeurs n'en ont qu'une expérience personnelle limitée. Il est donc difficile pour eux d'apporter quelque chose sous cet angle sauf si leur propre matériel d'enseignement y est adapté.

Idéologie sociale

La troisième dimension sociale, l'idéologie sociale, est essentiellement de nature philosophique ou idéologique. Elle s'est cristallisée à partir d'idées récentes. Les problèmes de l'enseignement, la responsabilité sociale dans les groupes scientifiques et les mouvements de contre- culture en sont trois exemples évidents. Ceux-ci, ainsi que d'autres développements récents, nous ont rendus conscients d'une

dimension liée à l'interaction des sciences avec la société. Les interactions qui sont toujours ressenties comme des aspects bé- néfiques des sciences (résolution des problèmes humains, contribution à l'amé- lioration de la qualité de la vie) sont comptées positivement (+). En revanche, les interactions qui créent des problèmes sociaux ou réduisent la qualité de la vie sont comptées négativement (-). Si l'interaction n'est pas explicitement considérée, elle est comptée comme nulle ou neutre pour cette dimension. Toute- fois, une telle valeur nulle peut être erronée, car il y a certaines preuves que l'absence de discussion sur ces interactions n'entraîne pas que les étudiants gardent une attitude neutrel3.

Matériels et critères d'analyses

Des matériels utilisés en Chimie dans l'enseignement secondaire en Ecosse, en Angleterre, aux Etats-Unis et en Australie ont été analysés, de même que les notes de cours des étudiants et les épreuves d'examens d'une université d'Australie. Plusieurs des manuels ana- lysés sont utilisés dans un certain nombre d'autres pays ; et il est à souhaiter que les données sur les cours de l'enseignement supérieur augmenteront rapidement lorsque les professeurs et les étudiants intéressés analyseront leurs propres cours.

Les scores globaux pour les trois dimensions sont obtenus en comptant le nombre d'exemples explicites du texte.

Après avoir examiné ainsi un nombre suffisant, il est possible de donner une valeur relative aux textes ou articles qui couvrent le même domaine général à peu près au même niveau. Ce classement relatif utilise une dchelle de O à 5, O, très faible, faible, fort, très fort. Pour la dimension des applications sociales, cela correspond aux fréquences d'apparition de 0-3, 4-8, 9-14, 15-24, 25-40.

Afin d'obtenir une base plus objec- tive pour les exemples concernant la seconde dimension, le total fut compté sur 10 produits chimiques présentant un intérêt pour la société, et sur 10 procédés chimiques. Ce sont ceux qui sont rassemblés dans les tableaux 1 et 2.

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Ces classements de procédés chimiques et de composés chimiques selon leur intérêt pour la société sont l'aboutis- sement d'une étude faite près de chimistes professionnels. Un échantillon de membres de la RACI fut choisi afin de couvrir les secteurs d'emploi les plus importants. On leur demanda de faire une liste de 10 procédés chimiques soc cialement significatifs. Les 62 réponses furent données par 18 personnes de l'enseignement supérieur, 14 de la fonction publique et 30 de l'industrie.

Plus de 80 composés chimiques dif- férents et de 120 procédés furent cités en tout. Les 10 composés figurant en haut dans les tableaux ont été utilisés pour l'analyse des applications sociales ; la fréquence des différents sujets dans les listes des chimistes issus des trois secteurs d'emploi montre des différences intéressantes. Toutefois, un échantillonnage plus représentatif est nécessaire avant qu'une signification précise puisse être attachée à ce fait.

Résultats et discussion

Pour les manuels du secondaire, les résultats de l'analyse sont donnés dans le tableau 3.

Tous les textes considérés faisaient peu de place à la dimension "nature sociale". Quelques cours, dont on avait utilisé le texte, avaient des annexes qui comprenaient des exemples de cette dimension. Toutefois, nos informations suggèrent que l'utilisation de ce maté- riel supplémentaire est extrêmement limitée,

En ce qui concerne la dimension applications sociales et la dimension idéologie sociale qui en dépend, les cours se rangent en deux catégories distinctes. Il y a un groupe de "forts" comprenant les nouveaux cours de Grande Bretagne et un livre Australien rescapé dont la première édition date de 1963, avant que le mouvement international des programmes se fasse sentir dans ce pays. Le groupe des "faibles" comprend des cours issus de projets américains et un cours australien produit à partir d'un projet qui s'est appuyé très fortement sur ces travaux américains. L'idéologie sociale fut toujours soit explicitement, soit implicitement positive jusqu'à la

fin des années 1960. Tous les textes qui présentent des scores négatifs sont des éditions ou des révisions datant des 5 dernières années.

Dans le cas de l'analyse des applications sociales, une distinction fut faite entre le traitement théorique du composé chimique ou du procédé, et les références à son usage dans la société. Les résultats de cette analyse de deux livres modèles sont donnés dans le tableau 4.

Le caractère constamment -asocial de ce livre "faible" est bien mis en évidence car il n'est pas dû uniquement au choix des composés ou procédés chimiques non cités dans le texte.

Matériels universitaires

Les résultats de l'analyse des ma- tériels d'un programme universitaire ch ler cycle sont donnés dans le tableau 5.

On indique simultanément l'existence et l'étendue des développements concernant la théorie et les applications. Bien que le contenu social soit notable dans le cours de lère année, il n'en reste plus grand'chose dans les cours des deux autres années. La moitié au moins des procédés et composés chimiques n'étaient pratiquement pas traités dans ce cours. D'un autre côté, un certain nombre d'étudiants qui suivaient ces cours de Chimie, étudiaient également d'autres matières scientifiques. Une certaine couverture des sujets intéres- sant la Biologie peut être réalisée de cette façon.

Dis cus s ion

Les deux groupes de matériels dis- tingués selon les dimensions sociales correspondent aux deux positions sur la pertinence sociale de l'enseignement de la Chimie discutées au début de cet article. On peut avoir une meilleure ap- préciation de la situation en considérant la manière dont des cours et des progra - mes récents ont été influencés.

Une influence puissante a été exer- cée par le courant philosophique connu sous le nom de structure de la connaissance. La première vague de nouveaux cours de sciences aux Etats-Unis (1957-

50

Tableau 3. Contenu social des manuels de Chimie de l'enseignement secondaire.

Livres Contenu social

Applications Sources Nature Idéologie

Chekstry takes shape

A modem approach to

Chemistry - a structural vieu Stranks et al. très

Johnson and Morrison

Stove and Phillips

(Scotland) faible fort ++, - chenristry (Victoria, Australia) faible très fort +++, --

très faible + (Victoria, Australia) faible

Chems tudy Parry (US)

très faible très faible +

CBA (US) faible O O

Chemistry - The Nuffield Foundation riqde scheme (England) faible très fort +++

Chemis try Nuffield Advanced Science (England) faible fort ++, -

Tableau 4. Traitement de la théorie et des applications des sujets 3 implication sociale dans un manuel "fort1' et dans un manuel "faible" (C : CBA, S : Stove and Phillips)

Produits Théorie Application Idéo- Procédés Théorie Application Idéo- chimiques Faible Forte Faible Forte logie chimiques faible forte faible forte logie

Polymères

Pesticides S

Antibio t i- ques Dérivés de la Pétrochimie Engrais S

Produits pharmaceutiques S Détergents C , S

Exp los ifs S

Analgésiques S

Acide sulfurique Soufre C

S S +

S + -

S S + - S +

+ -

S +

S S S S

Po lymér is a- tion Synthèse de 1 ' ammoniac Ferment a- tion Electrolyse

Raffinage du pétrole Fonderie et aciérie Traceurs ra- dioactif s Synthèse d'explosifs Saponifica- t ion

Synthèse de l'acide Sul- f Ur ique

S

C S S +

c s c s + -

S S + -

S

C

C

S +

S + -

S + -

S +

51

1966) et, plus récemment les nouveaux livres d'Australie et de Grande Bretagne ont manifestement subi cette influence. Schab14, Phenixl5 et Hirstl6 ont été quelques-uns des principaux auteurs. Tous ont classé les différentes formes de connaissances en catégories et ont cherché à faire entrer les sujets et les disciplines dans ces grandes catégories. Cela est réalisé en décrivant les types de concepts, les façons de raisonner, et les processus d'accroissement des connaissances spécifiques d'une discipline donnée.

Chez tous ceux qui ont été attirés par cette approche, une hypothèse implicite est que les disciplines séparées ne sont pas des accidents historiques. Les distinctions entre les disciplines proviennent surtout de la recherche et de la méthode des chercheurs. Ce courant fut renforcé par les tenants de l'apprentissage par la décou- verte selon le slogan de Bruner. Les enfants qui apprennent la physique à l'éco- le devraient être confrontés à des expé- riences de même type que celles que réa- lise le chercheur en Physique dans son laboratoire.

Tableau 5. Traitement des aspects théoriques et appliqués de sujets présentant des implications sociales, dans des cours de Chimie de Ière, 2ème et 3ème année universitaire.

~ ~

Produits Théorie Application Idéo- Procédés Théorie Application Idéo- chimiques Faible Forte Faible Forte logie chimiques Faible Forte Faible Forte logie

Polymères 1 , 2

Pesticides

Ant ib ioti-

Dérivés de la pétro-

Engrais

ques 3"

chimie 1,2,3

Produits pharma- ce ut ique s Détergents 2

Explos ifs

Analgés i- que s l Acide sul- f urique Soufre 1 ,3*

1 + Polyméri- 1 3* 1 sation Synthèse de 1' ammoniac Fermenta- t i 0.n Electrolyse 2 1 ,3*

1 + Y - 1 Raffinage

du pétrole Fonderie et aciérie

1 +, - Traceurs ra- 3* dioactif s Synthèse d'explosifs Saponif i- cation

2 1 -k Synthèse d'acide sul- f Ur ique

+

1,3* +

3*

(%)mité à option en 32me année.

La position des tenants du courant tés inhérentes à la nature humaine, structure de la connaissance peut être qu'on cherche 2 développer. Ils doivent résumée selon les termes de Whitfield. être déterminés (programme et cours) Les programmes scolaires doivent être avant les analyses de la société où vit construits à partir de l'analyse de la l'élève et du processus d'enseignement. nature de la connaissance et des capaci- A partir d'une telle analyse, la sugges-

II

52

tion de Mansell que la Chidepar elle- 9. L.D. MacKay, Aust. J. Educ., 1968, même est peut-être dénuée de valeur so- 12, 131 : R.B. Ingle, Rep. O'LeveZ ciale, est tout à fait compréhensible. Chem. Diffus. Stud., Chelsea Coll. : Ceci conduit également à des manuels du type "groupe des faibles" .

Centre for Science education, 1971- 1972.

10. R.K. Merton, SociaZ theory and so&aZ Toutefois, d'autres programmes peu- structure, ch. 15, New York : The

vent danner plus de primauté à l'élève :le Free Press of Glencoe, 1957. contexte socio-culturel de l'élève (type d'école et type de société) et au rôle de science, New York : Holt, Rinehart la motivation dans l'apprentissage. L'effet and Winston, 1966. observé sur des programmes lorsque l'accent est mis sur la société et sur le contexte Newton, Massachusetts : Education scolaire de l'élève a ét6 discuté récem- Development Center Inc., 1967. ment (19, 20). Encore une fois, on peut 13. L.D. MacKay, Aust. Physic. 1970, 103. préférer une approche philosophique de la 14. J.J. Schwab in Theory of knowZedge connaissance pour la connaissance soute4 and probZems of education (D. nue par Whitfield. De telles positions Vandenberg, ed.). Urbana : Uninersity conduisent naturellement aux déclarations of Illinois, 1969. de Coulson et Gill et à des matériels comme ceux du groupe des "forts". Le New York : McGraw Hill, 1964. nouveau cours de niveau du baccalauréat du Joint Matriculation Board avec ses études de cas en Chimie constitue un ed.). London : Routledge, 1965. exemple de ce qui peut être fait dans les 17. J.S. Bruner, The process of educa- écoles. fion. Cambridge, Massachusetts :

Harvard University, 1960. Bib 1 io graphie

curkeuzm, (R.C. Whitfield, ed.), 1. The Dainton and Swann C o d t t e e Ch. 1 , London : McGraw Hill, 1971.

2. Report of CurrucuZum Co"ittee J. 6, 61,

3. G.C. Bond and R. Marsden, Chem. Brit. 56, 617.

1 1 . N.W. Storer The sociaZ system of

12. G, Hein, Science and teaching science

15. P.H. Phenix, ReaZms ofmeaning

16. P.H. Hirst in PhiZosophioaE anazysis and edueation, (R .D. Archambault ,

18. R.C. Whitfield in DiscipZines of the

Beports. London : HMSO, 1968. 19. P.J. Fensham, J. curkc. stud. 1974,

Chem. Ed. 1972, 49, 34. 20. E.W. Jenkins, Sch. Sei. Rev., 1975,

1974, 10, 185, A.K. Holliday and M. 21. P.J. Fensham, Research 1973 Berry, Chem. Brit. 1974, 10, 268. Brisbane : Australian Science Educa-

currkuZm (R.C. Whitfield ed.). 22. Chemistry case studies. Manchester : ch. 1 1 , Lnndon : McGraw Hill, 1972. Joint Matriculation Board, 1974.

5. A.L. Mansell, Chem. Brit.1972, 8, 397. 23. A.H. Johnstone and J. Kandy, in the 6. M. Gill, Chem. Brit. 1973, 9, 82. DisdpZine of chemistry - its pZace 7. J. M. Hardy, Chem. Brit. 1972, 8, 226, in education, 1973. .A report of the 8. F.S. Dainton, Chem. Brit. 1972, 8, Education Division. The Chemical

4. E,H. Coulson in DiseipZines of the tion Reserach Assoc. 1973.

196. Society.

53

La chimie - des faits ou des idées? Quelques réflexions sur l'enseignement de la chimie. La trop grande importance accordée aujourd'hui à l'enseignement des lois fondamentales de la chimie a conduit à négliger l'enseignement des faits

R. J. Gillespie

Je crois que l'enseignement de la chimie se trouve actuellement dans une situation difficile. C'est particuliè- rement vrai pour les cours d'introduction ou d'initiation à la chimie tels qu'ils sont faits dans le Secondaire ou dans le Premier Cycle des Universités. Les principales raisons de ce triste état de fait sont l'augmentation continuelle, la sophistication croissante des connaissances en chimie, et notre impuissance 3 endiguer ce flot d'informations.

Plusieurs indices nous portent à penser que nos cours d'initiation à la chimie sont généralement loin d'avoir porté leurs fruits, Par exemple, il n'y a pas assez de bons étudiants attirés par la chimie. Il y a environ un an, j'ai fait partie d'un jury chargé de sélectionner les candidats aux presti- gieuses Bourses du "National Research Council" (Conseil National de la Recher- che'scientifique) pour l'année 1967. Ces bourses sont attribuées aux 50 meilleurs étudiants en sciences du pays pour leur permettre de continuer leurs études dans l'université de leur choix. J'ai été frappé non seulement par le nombre relativement faible d'étudiants en chimie que nous avons rencontrés, mais aussi par leur niveau notablement plus bas que celui des meilleurs candidats dans les autres disciplines scientifiques. Mes collègues du jury ont partagé ce point de vue, et c'est pourquoi relativement peu de bourses furent décernées aux chimistes.

nombre d'étudiants pour assister à nos cours de chimie en Premier Cycle. En

Bien sûr, il y a toujours un grand

1974-75, il y avait 28 864 étudiants, dans les terminales ("level 5, grade 13") des lycées de l'Ontario qui suivaient les cours de chimie, et presque exactement la moitié d'entre eux (14 177) choisirent un cours de chimie en première année d'université dans tout l'Ontario en 1975-76 (1). Toutefois, ces effectifs sont dûs en grande partie à ce que la chimie est une matière encore exigée pour l'accès à de nombreux cours scientifiques universitaires et, au sein de l'université, pour accéder à des disciplines telles que la biologie, la médecine et les études d'ingénieur. Non seulement nos cours d'initiation à la chimie n'intéressent pas les étudiants, mais de plus ils ne donnent pas un aperçu réel de la chimie modeme à la majorité de ceux afin de pouvoir étudier d'autres disciplines.

qui les choisissent seulement

Les conséquences de l'explosion de l'information.

Cela peut sembler quelque peu surprenant, mais c'est malheureusement vrai, les nombreux et passionnants développements de la chimie au cours des 20 ou 30 dernières années ont constitué non pas un attrait supplémentaire pour la chimie mais une des raisons principa- I les de nos problèmes actuels. Le volume des informations en chimie augmente 2 un rythme écrasant. On ne peut enseigner plus d'une faible fraction de cette somme de connaissances, même à un étudiant du Supérieur, et il faut donc faire un tri très sévère. C'est ici le noeud du problème, Il est bien connu

54 Reproduit avec l'autorisation de Chenistry in Canada, vol. 23, décembre 1976, p. 23-8.

par tous les enseignants de chimie qu'il est difficile de faire un choix parmi toutes ces connaissances et de présenter le résultat de la manière la plus efficace possible. Il existe de nombreux signes révélateurs de la gravité du problème, entr'autres le grand nombre d'ouvrages de chimie à l'usage du Premier Cycle de l'Université qui sont publiés. Il est évident que de nombreux professeurs de chimie sont si déçus par ce qu'ils peuvent trouver qu'ils écri- vent leur propre manuel ; sans doute s'étonnent-ils quelque peu du faible succès qu'il rencontre, persuadés qu'ils sont,d'avoir trouvé LA manière de présenter la chimie aux débutants. La plupart de ces auteurs, que ce soit pour le Secondaire ou le Premier Cycle universitaire, tentent l'impossible. Je ne veux pas suggérer qu'il est impossible d'écrire un bon manuel de chimie fondamentale : des essais sédui- sants ont été faits. Mais le pari est impossible si l'on tente de traiter de façon satisfaisante tous les domaines qui font traditionnellzment partie des Terminales du Secondaire et du Premier Cycle universitaire.

Autre symptôme du problème auquel nous nous heurtons : la réaction de certains collègues quand on leur propose un cours de première année, Ils se plaignent qu'il y a trop de sujets qu'ils ne connaissent pas ou ne dominent pas suffisamment pour les enseigner ; l'organicien ne veut pas enseigner la mécanique quantique ou la thermodynamique, et le physico-chimiste refuse la chimie minérale descriptive ou la chimie organique. Bien sûr, nous pouvons très sérieusement nous demander si ces matières doivent figurer dans le cours de chimie fondamentale alors qu'elles paraissent trop difficiles ou trop étrangères 5 nos collègues. On pourrait dire qu'ils doutent de leurs capacités, ou reculent devant la perspective de se retrouver face à un groupe de 200 étudiants ou plus. Bien qu'il y ait sans doute une part de vérité dans de telles explications, il est néanmoins d'autres preuves que j'évoquerai plus tard, que quelques uns des professeurs de chimie auteurs d'ouvrages ne dominent pas totalement certains sujets qu'ils traitent, Comment s'attendre alors à ce que les étudiants les comprennent ?

Nous n'encourageons pas les étudiants à conside'rer les the'ories c o m e des inventions faites pour expliquer Zes faits ; alors ils les prennent pour par0 les d 'Evangi le.

Les tentatives de résolution du problème.

Comment les enseignants de chimie ont-ils essayé de résoudre le problème du volume croissant des connaissances ? D'abord et évidemment, en augmentant le volume des manuels. Selon G.P. Haight (2) un cours de chimie organique d'une année nécessitait 200 pages en 1900. Aujour- d'hui, un cours de chimie organique d'une année comprend couramment au moins 1200 pages.

les étudiants à faire face au volume de plus en plus grand de sujets d'études à l'aide de plusieurs nouvelles méthodes d'enseignement : techniques audio- visuelles comme les films ou les montages de diapositives sonoris&s, systèmes d'acquisition de connaissances individu- alisés que l'étudiant adapte à son propre rythme, livres programés,utilisation d'ordinateurs, aide individuelle à la demande. La plupart de ces efforts d'amélioration sont extrêmement louables et suivant les enseignants et les ensei- gnés, peuvent être d'une grande effica- cité. Toutefois, ils ne font qu'adoucir le mal sans le traiter à la racine. Ils gardent le malade en vie, mais ne le soignent pas. Ce souci d'assister l'enseignement a évidemment distrait l'attention de nombreux enseignants du vrai problème qui est, comme je l'ai dit plus haut, de faire un tri. Ce tri - en qualité comme en quantité - est en fin de compte le problème principal. Comment transmettre les connaissances le mieux possible, c'est un souci exaspérant, mais secondaire.

Ensuite, nous avons tenté d'aider

Le troisième essai pour résoudre le problème de l'augmentation des connaissances, et le plus important, a consisté à choisir certains principes de base , 5 concentrer l'attention sur eux et à bâtir le cours autour d'eux. C'est la tentative qui a été faite aux Etats-Unis il y a environ 15 ans dans les cours d'initiation à la chimie, par exemple avec Chem Study ou Chemical Bond Approach (CBA). C'était en quelque sorte une réaction contre les cours à l'ancienne mode, qui avaient la réputa-

55

tion de n'être que d'ennuyeux catalogues de faits : le sulfate cuivrique est bleu; le sulfate cuivrique anhydre est blanc ; l'acide sulfurique carbonise le sucre ; le sulfure d'hydrogène sent les oeufs pourris, etc... etc.,. Sous l'influence de cette évolution, les cours du Secondaire et du Premier Cycle universitaire commencèrent à insister lourdement sur les prétendus principes de la chimie. L'argument était solide à la base : la connaissance des principes rend plus aisée la compréhension et 1 'apprentissage de la réalité. Ces cours représentaient un pas en avant considérable, et sans aucun doute firent beaucoup pour un regain d'intérêt envers la chimie et l'enseignement de la chimie, Je crois cependant que le balancier eut allé un peu trop loin, et qu'il va nous falloir reconnaître quelques uns des désavantages qu'entraî- nent ces cours sur les principes de la chimie, Par exemple, donner une grande importance aux principes a conduit à négliger la réalité elle-même, dans l'optique où il n'est pas nécessaire de 1 ' apprendre , du moment qu' on peut la déduire des principes ou la trouver dans un recueil de données approprié. Apprendre des faits, n'est bien sûr plus à la mode. Lorsque je dis à un groupe d'étudiants de première année qu'ils devraient apprendre (et j'entends apprendre par coeur), une partie considérable de la classification périodique - c'est à dire ses grandes lignes et la position des principaux éléments - ils réagissent avec étonnement et incrédulité. A quoi bon se tracasser ? La classification périodique se trouve au mur de la salle ou en page de garde du manuel. Ils ne comprennent pas qu'il est assez peu important de pouvoir placer le phosphore dans le groupe V, alors qu'il est très important d'avoir en tête sa position et sa parenté avec les éléments voisins afin de mieux comprendre, ou tout au moins raisonner, sa chimie et la rapprocher de celle des éléments envi- ronnants. La classification périodique est un outil de travail pour le chimiste : il s'en servira de la manière la plus efficace en la transportant dans sa'tête.

Les lois fondamentales de la chimie.

Je me suis toutefois éloigné de mon principal propos : la chimie élémentaire est devenue avant tout une discussion sur les lois fondamentales de la chimie. Si on considère les sujets rencantrés dans

les manuels de chimie représentatifs à l'usage de la Première Année d'université, on en conclut que ces lois sont apparemment la structure de l'atome, la valence et la liaison chimique (dont une introduction à la mécanique quantique), la théorie cinétique des gaz, l'état solide, les équilibres chimiques (y compris les équilibres acide-base et redox) , la thermodynamique et la cinétique. De nombreux ouvrages y ajoutent un ou plusieurs chapitres sur la chimie compa- rée des éléments, et un chapitre de chimie organique. Ainsi le manuel moyen offre une faible, et même parfois très faible quantité de chimie descriptive bien que, d'après ma propre expérience, traiter convenablement les principes de la chimie nécessite au minimum 90 % du temps de l'enseignant et ne permette qu'une étude très ponctuelle de ce que j'appelle la chimie vraie : la chimie que les lois fondamentales sont censées nous aider à comprendre.

A mon avis, ces lois ne constituent pas la chimie en elles-mêmes. La thermodynamique, la théorie cinétique et la mécanique quantique sont des domaiues de la physique qui ont fait la preuve de leur utilité en chimie et font donc partie des outils de travail du chimiste, mais je le répète, elles ne constituent pas en elles-mêmes l'objet de la chimie. Ces outils ne sont utiles que dans la mesure OÙ nous avons des faits 2 comprendre et à expliquer. La chimie est la science des différentes formes de la matière et de ses transformations, autrement dit la science des propriétés et du comportement des substances. La synthèse de nouveaux produits et l'étude de leurs propriétéssmtl'une des principales activités du chimiste, que ce soit un chimiste de l'industrie fabriquant de nouveaux semi-conducteurs ou 'de nouveaux médicaments, etc . . . , ou un chimiste classique synthétisant de nouveaux composés dans le seul but d'observer comment se comporte une combinaison d'éléments non étudiée auparavant. Ce qui est tragique dans le fait d'enseigner un cours "fondé sur les lois fondamentales de la chimie", c'est que les étudiants qui ne continuent pas en chimie - et ils sont l'immense majorité- n'auront jamais l'occasion de voir une seule application de ces principes à une chimie concrète, A mon avis ils n'appren- dront jamais ce qu'est vraiment la chimie.

56

Ils ne connaîtront jamais la fascination de faire quelque chose de neuf, quelque chose que l'on n'a jamais vu auparavant, c'est-à-dire ce côté créateur qui distingue certainement la chimie de la biologie, la physique et des autres sciences. Ils considèreront la chimie comme une accumulation de principes abstraits apparemment sans grand rapport avec quoi que ce soit d'utile ou de pratique.

Les principes de la chimie en constituent la grammaire. Nous ne pourrons jamais estimer qu'un étudiant a acquis la maîtrise d'une langue étrangère s'il en a seulement appris les règles grammaticales ; il lui faut également un vocabulaire étendu. Après avoir fait la synthèse des deux, il sera en mesure d'apprécier la beauté de la langue et sa littérature. Il est curieux de noter que pour l'étude d'une langue étrangère,-un étudiant acceptera d'apprendre un vocabulaire considérable, alors qu'il renaclera 2 apprendre le vocabulaire de la chimie. Pourtant, c'est seulement une fois que nous avons réuni le vocabulaire - la - réalité en chimie - et les règles grammaticales - les lois fondamentales et les théories - que nous sommes en mesure de comprendre la chimie et d'apprécier son élégance, Les quelques faits concrets présentés dans les cours d'introduction sur les principes de la chimie ne sont choisis que parce qu'ils sont de bonnes illustrations desprincipes. Beaucoup d'autres, et en particulier ceux qui ne "collent" pas avec la théorie, sont commodément oubliés, Nos méthodes d'enseignement pour l'initiation B la chimie ressemblent énormément aux anciennes méthodes d'enseignement des langues, où l'on donnait une énorme importance à la connaissance de la grammaire, avec des phrases types pour illustrer les règles granmaticales - phrases qu'il était généralement impossible de placer dans le conversation de tous les jours. Les e'tudiants qui obtiennent de bonnes notes en Première Anne'e de Chimie sont ceux qui apprennent tout Ze cours par coew et Ze regurgitent tel quel à Z 'examen.

Les faits ou les théories.

J'ai intitulé mon article "des faits ou des idées", et mon opinion est qu'il y a actuellement trop de fiction et pas assez de réalité. Je ne veux pas

dire que toutes les théories sont de la fiction. Certaines d'entre elles, comme les principes de la thermodynamique et les idées de base de la mécanique quantique, sont absolument fondamentales et font,sans aucun doute possible,partie de la chimie. D'autres sont beaucoup plus éphémères et constituent ce que j'appelle la fiction en chimie. Ce sont par exemple un grand nombre des théories actuelles sur la valence et la liaison chimique, les théories sur la réactivité des mol6- cules, toutes théories qui sont appelées vraisemblablement à être remplacées par d'autres d'ici cinq, dix ou vingt ans. Ce que je prétends, c'est que l'on insiste beaucoup trop sur les théories, et en particulier sur ces théories imaginaires, et vraiment pas assez sur la réalit6.

Voyons quelques regrettables résultats de cette tendance. Apprendre les faits sans les comprendre, ce que les promoteurs des nouveaux programmes de chimie ont tant déploré au cours des 15 ou 20 dernières années, a été en grande partie remplacé par apprendre sans comprendre des théories, Les faits auraient au moins' été utiles aux étudiants, mais les théories sans les faits ne servent à rien sinon à réussir aux examens. Nous n'incitons pas les étudiants 2 constater que l'on invente des théories pour expliquer les faits ; d'où leur tendance à prendre les théories pour des Paroles d'Evangile qu'eux, croyants, doivent accepter sans discussion. Ce qui peut avoir des conséquences néfastes. La règle de l'octet et les composés des gaz rares.

Permettez-moi de choisir comme exemple la règle de l'octet formulée par G.N. Lewis pour expliquer les valences des éléments. Les gaz rares ne formant aucun composé connu et possédant huit électrons sur leur couche périphérique, il en tirait la conclusion qu'une couche périphérique de huit électrons - un "octet" - est une configuration électro- nique très stable, Il proposa donc la "règle de l'octet'' selon laquelle les éléments se combinent de façon à acqugrir une structure électronique externe de huit électrons. 30 ou 40 ans plus tard, (mais avant la découverte des composés des gaz rares), si l'on avait alors demandé à un étudiant ou à un chimiste pourquoi les gaz rares ne rdagissent pas, il aurait sans doute répondu que c'est

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parcequ'ils possèdent un octet stable sur leur couche périphérique, La théorie avait remplacé les données expérimentales qui l'avaient inspirée. Sans aucun doute l'acceptation sans discussion de la "règle de l'octet'' par les chimistes a retardé la découverte des composés des gaz rares, Nous pouvons nous demander pourquoi les chimistes ne virent pas ce que la classification périodique laisse pressentir, à savoir qu'au moins le krypton et le xénon devraient former des fluorures et des oxydes (voir tableau I)? Je pense qu'on peut attribuer leur aveuglement en grande partie au fait qu'ils ont été obnubilés par la règle de l'octet et qu'ils en sont arrivés à l'accepter sans discussion. Ils avaient oublié que la règle de l'octet avait été formulée en partant du manque de réacti- vité des gaz inertes et n'était pas par conséquent une explication de leur inertie. Bien sûr, on avait fourni par la suite elle parut plus solide et plus respecta- ble lorsqu'on y introduisit la mécanique quantique puisqu'on pouvait dire que l'octet correspond à des sous-couches s et p complètes, ce qui explique la stabilité. Il fallut attendre qu'un extraordinaire personnage, Linus Pauling, ait le courage de défier les idées reçues et de prédire en 1933 l'existence des composés des gaz rares en extrapolant à partir de composés connus d'autres groupes de la classification périodique (voir tableaux] et 2). Malheureusement la plupart des chimistes étaient si obnubilés par la règle de l'octet qu'il y eut fort peu de tentatives pour véri- fier les prédictions de Pauling et

à l'idée quelques bases théoriques;

Tableau 1. Composés perfluorés des éléments des groupes V, VI et VI1 et des gaz rares.

~ ~~ -

PF5 SF4 C1F3 (ArF2)

AsF5 SeF4 BrF 3 KrF2

SeF6 BrF5 (KrF4)

SbF5 TeF4 IF3 XeF2

TeF6 IF5 XeF4

C1F5 (ArF4) SF 6

XeF IF 7 les composés entre parenthèses n'ont pas encore été préparés.

qu'aucun composé ne fut découvert en fait jusqu'en 1962, soit 29 ans après les prévisions de Pauling, Il fallut attendre une nouvelle génération de chimistes pour que soit obtenu le premier composé du xénon, en Colombie Britannique, par Neil Bartlett, né en 1933, l'année même où Pauling fit ses prévisions. Jusqu'en 1963 les chimistes continuèrent à considérer les composés de valences élevées des éléments non- métalliques les plus lourds comme de rares exceptions à la règle de l'octet, au lieu d'en conclure que la règle de l'octet s'applique assez mal aux éléments lourds. Ce n' est qu' aujourd'hui, quelques 13 ans après la découverte des composés des gaz rares, que les chimistes reconnaissent enfin que la règle de l'octet, à laquelle on accorde toujours une grande importance dans les manuels, n'est en fait strictement applicable qu'à cinq éléments de la classification pério- dique : le carbone, l'azote, l'oxygène, le fluor et le néon. Il est passionnant d'imaginer combien aurait été différent le développement de la théorie de la valence si Ramsay, en 1898, avait fait parvenir à Moissan un échantillon de xénon au lieu d'argon afin qu'il tentât de le combiner à l'élément fluor qu'il venait juste de réussir à isoler. Un remarquable expérimentateur comme Moissan y serait sans doute parvenu, car le xénon et le fluor réagissent ensemble par simple chauffage.

Tableau 2. Oxyanions isoélectroniques et oxydes des éléments des groupes V, VI et VI1 et des gaz rares.

PO4+ so4z- c104- (Ar04)

4 4 (Kr04) 2- BrO - Se0 As04 3-

4 sbo43- Te042- IO4- Xe0

~~~

les composés entre parenthèses n'ont pas encore été préparés,

58

Valence et liaison chimique.

Si nous désirons enseigner réelle- ment plus de faits - ce que j'ai appelé la chimie concrète - il nous faudra évidement abandonner de nombreux sujets.

Si on supprime du COUPS une grosse part de théorie, qu'aZZonslzous mettre a' Za place ?

Quand on leur suggère de supprimer

réaction générale des enseignants est de dire que c'est impossible ; ils négligent déjà beaucoup trop de points, et tout ce qu'ils traitent est absolument essentiel. Et pourtant, il faut en supprimer, non seulement parce qu'il faut faire de la place à la chimie concrète, mais aussi pasceque le programme actuel est trop abondant. A mon avis on pourrait (et on devrait), supprimer la thermodynamique de tous les cours de lycée ou de première année d'université, non seulement parce que c'est une science trop abstraite pour la grande maiorité des étudiants débu- tants, mais aussi parce que nous ne pouvons pas y consacrer le temps qu'elle mérite. Un autre domaine OÙ l'on pourrait faire des coupes sombres est celui de la valence et de la liaison chimique. C'est un domaine qui m'intéresse particulière- ment, et c'est pourquoi je voudrais m'étendre un peu sur le sujet.

certaines parties du programme, la

Personne ne peut nier que la mécanique quantique est fondamentale pour la compréhension de la liaison chimique ; néanmins, je prétends que la mécanique quantique ne convient pas à un cours de secondaire ou du premier cycle universitaire. La tendance au cours des années 60 était pourtant d'enseigner un volume de plus en plus important de notions de plus en plus sophistiquées sur la valence et la liaison chimique, même dans le secondaire. Parfois, cela a été bien fait, mais souvent cela a été très mal fait. En fait, nous ne pouvons pas consacrer suffisamment de temps à la mécanique quantique qui, tout comme la thermodynamique, est un sujet abstrait et ardu.

Considérons quelques-uns des concepts que rencontre habituellement un étudiant au début d'un cours sur la valence et la structure moléculaire, - Le principe d'incertitude.

- La fonction d'onde. - L' équation de Schrodinger . - La probabilité de présence des électrons, les nombres quantiques, le spin électronique, le principe d'exclusion de Pauli. - Les arbitales atomiques, les Energies relatives des orbitales s,p et d. - Les orbitales moléculaires. - L'hybridation. Tous ces concepts difficiles sont traités d'une manière plus ou mains incomplète et on en arrive en fin de compte aux orbitales orientées et à quelques "explications" de la structure des molécules ; le plus souvent on a à peine assez de temps pour parler d'autre chose que de H20,NH et CH Il faut consacrer un temps considérable à ces notions, et les étudiants débutants n'arrivent pourtant pas à un degré suffisant de compréhension. L'équation de SchrEdinger "sort du chapeau" par un coup de baguette magique, assortie d'un petit commentaire sur les fonctions d'ondes dont la plupart des étudiants n'a probablement jamais entendu parler, et on parle tout aussi vaguement de la résolution de 1 'équa- tion. Les étudiants ne possèdent pas le bagage mathématique nécessaire pour comprendre la résolution d'une telle équation, même si l'on dispose de suffisamment de temps pour la détailler. On décrète simplement que cette résolution conduit aux nombres quantiques et à la configuration des orbitales pour l'atome d'hydrogène. En fin de compte, nous sommes en mesure de fournir quelques "explications" sur la liaison chimique et la structure des molécules. Le côté tragique de la situation, c'est que, quelle que soit la façon dont l'enseignant ou l'auteur du manuel traite le sujet, les étudiants en sont finalement réduits à accepter sans discussion et sans véritable compréhension la forme des orbitales sur laquelle est bâtie toute la théorie de la structure des molécules telle qu'on la présente le plus souvent. On a simplement remplacé la mémorisation de faits à laquelle les étudiants ne comprennent rien, que tout le monde déplorait, par la mémorisation de théories qu'ils ne comprennent pas davantage - des théories qui risquent d'être dépassées dans 20 ans et de ne pas mériter que les étudiants les connaissent à supposer qu'ils arrivent à s'en souvenir.

4' 3

Je souçonne fortement les étudiants qui obtiennent de bons résultats dans ces initiations à la chimie d'8tre ceux qui

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sont capables d'apprendre par coeur toutes ces notions et de les régurgiter le jour de l'examen ou du devoir sur- veillé. Les étudiants réellement brillants qui tentent sérieusement de comprendre la somme d'informations qu'on leur délivre, perdront tellement de temps à une tâche pour eux irréalisable que: soit ilséchoueront 2 l'examen, soit plus probablement se rendront compte qu'il leur est impossible de tout comprendre et fourniront le minimum de travail nécessaire pour réussir à l'examen et ensuite se tourneront vers la biologie, la physique ou d'autres disciplines.

L'hybridation des orbitales.

Les tentatives pour simplifier la présentation de ces notions ont eu pour résultat d'avancer dans les manuels d'introduction à la chimie des raisonnements spécieux qui sont au mieux déroutants et au pire incorrects. Dans ces ouvrages les auteurs tentent de persuader les étudiants - leur faire croire à tort serait peut être plus exact - qu'ils comprennent un certain nombre d'idées très difficiles et subtiles.

Considérons par exemple les raisonnements habituels à propos de 1 'hybridation des orbitales. Après avoir fait passer l'un des électrons d'un atome de carbone dans une orbitale p par exemple, nous avons une orbitale s et trois orbitales p contenant chacune un électron célibataire ; nous nous attendons alors à trois liaisons à angle droit et à une dans une direction non déterminée. Je cite maintenant un manuel typique de première année (3) - certains sont pires, peu sont un peu meilleurs - ''Ce ne semble pas être le cas ; les quatre liaisons ont la même énergie, sont de même longueur et forment entre elles des angles égaux de telle sorte que les quatre atomes d'hydrogène se trouvent aux sommets d'un tétraedre régulier. Pour rendre compte des énergies et des longueurs identiques des quatre liaisons on a postulé que lorsque l'on prend une orbitale s et trois orbitales p pour former des liaisons covalentes simples sur un même atome, il se produit un mélange d'orbitales appel6 hybridation ; les quatre orbitales atomiques sont ainsi transformées en quatre nouvelles

orbitales ou orbitales hybrides. Ces nouvelles orbitales sont appelées orbitales hybrides sp3,, . Quand des liaisons covalentes sont formées à partir de ces orbitales, la forme de la molécule est le tétraèdre caractéristique

4 tel qu'on le trouve dans le méthane CH ou l'ion sulfate so 2-'1. NOUS lisons

tion que l'on traite dans la théorie de la liaison comme une combinaison mathé- , matique des fonctions d'onde des orbitales s et p peut servir à expliquer (sic) 1 'orientation spatiale des liaisons dans un grand nombre de cas où l'atome central utilise plus d'une sorte d'orbitale pour former ses liaisons". Autrement dit on pose en postuZat

3 l'hybridation sp de CH est tétra'drique et ensuite

une explication de la forme tétraédrique de la molécule de méthane :

quelques lignes plus 4 loin : "l'hybrida-

parce que la molécule

l'hybridation 4 sp 5 est présentze comme

En dehors du cercle vicieux que repré s entent de tel s rais onnemen ts sur l'hybridation, ils comportent aussi des idées fausses. On lit, non seulement dans ce livre mais aussi dans beaucoup d'autres, que 1 'hybridation "se produit". C'est dvidemment totalement incorrect ~ car l'hybridation n'est pas un phénomène, elle est simplement un artifice mathéma- tique qui consiste à écrire des combinaisons linéaires convenables des orbitales atomiques de façon 2 construire des orbitales moléculaires localisées pour représenter les liaisons dans une molécule. On donne aux étudiants la fausse idée que l'hybridation est un phénomène, idée renforcée par de mauvais dessins de la forme des orbitales atomiques ou hybrides. Des schémas tels que ceux de la figure 1 (réf.3) ne représen- tent ni la densité électronique, ni les zÔnes de probabilité de présence, ni une image de la partie angulaire de la fonction d'onde. Bien qu'utilisés couramment par les chimistes dans un but de simplification, ils demeurent très trompeurs pour des étudiants débutants. Si les étudiants veulent étudier la forme des orbitales atomiques, ce qui n'est: à mon avis absolument pas néces- saire, qu'ils retiennent au moins des schémas corrects de la densité électro- nique et de la probabilité de présence de l'électron (Figure 2) (réf.4).

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Si les auteurs de manuels élémentaires ne comprennent pas J-a mécanique quantique, comment devrions- nous nous attendre à ce que les étudiants comprennent quelque chose au sujet ? Nous pourrions &riter ces difficultés et gagner un temps considérable si nous nous décidions à supprimer toutes ces informations du programme des cours d'introduction à la chimie. La mécanique quantique et la chimie quantique seraient évidemment au programme pour tous les étudiants se spécialisant en chimie, mais pas avant qu'ils aient atteint un certain niveau dans leurs études.

La théorie de répulsion des paires d'électrons de valence,

La structure moléculaire et la forme des molécules constituent bien sûr un domaine fondamental et fascinant de la chimie qui devrait faire partie de tout cours d'introduction à la chimie. Il faut donc trouver une méthode pour introduire ces importantes notions. J'aimerais suggérer qu'il n'y a pas de difficulté Tnajeure à raisonner sur les propriétés optiques de certains composés du carbone, comme l'avaient fait Vant Hoff et Le Bel il y a plus de 100 ans. Ou bien, on peut faire appel aux résultats de détermination de structures modernes, ce que font en fait la majorité des auteurs de manuels tout en le camouflant sous le jargon de la mécanique quantique et de la théorie de l'hybridation. Je suggèrerais également que 1 'on utilise une théorie nettement plus simple que je crois à la portée des étudiants, à savoir la Théorie de Répulsion des Paires d'Electrons de Valence* (réf .5), La seule donnée à accepter a priori est que les paires d'électrons occupent des

* En anglais VSEPRT = Valence SheZZ EZectron Pair Repulsion Theory

régions de l'espace sphériques et que ces portions d'espace, que l'on peut judicieusement nommer "loges" selon la suggestion de Daudel (6), tendent à se situer le plus loin possible les unes des autres. On peut présenter cet aspect important du comportement des électrons comme une consgquence du principe d'exclusion de Pauli ou simplement le considérer comme une ré-affirmation de ce même principe. En représentant, en première approximation, les paires d'électrons par des sphères, on peut en déduire, à l'aide de raisonnements simples ou de modèles convenables, l'arrangement des paires d'électrons autour d'un noyau central, et par conqéquent la forme de n'importe quelle molécule du type A G . Les notions nécessaires pour en arriver à ce point important sont : - Le Principe d'Exclusion de Pauli, - Les arrangements les plus probables - La forme des molécules du type A S . des paires d'électrons,

Vers un nouveau programme.

Première question, et la plus importante : Une fois que nous aurons éliminé un volume considérable de théorie, soit parce que mal présentée et sans utilité, comme l'hybridation, soit parce que trop difficile à ce niveau, comme la thermodynamique, qu'allons- nous mettre à la place ? Je ne prétends pas posséder la réponse complète à cette question, mais je tiens à insister sur le fait que le défi que nous devons relever est qu'il nous faut réunir un ensemble de données descriptives capables d'illustrer les propriétés des éléments, d'illustrer leurs réactions, d'illustrer la synthèse et l'édification des molé- cules, et d'illustrer la fascination de la variété et de la structure des molé- cules. Cela n'a pas d'importance que

Figure 1. 3 Forme (sic) des orbitales s et p et des quatre orbitales hybrides sp , Figure reproduite de "Chemistry - A Study of Matter" autorisation de A.B. Garett, W.T. Lippincott et F.H. Verhoek, Xerox CoZZege (1972).

avec 2'aima;bZe

61

nous ne comprenions pas toujours exactement pourquoi les molécules ont la structure qu'elles ont ; justifier cette structure sera un défi pour la prochaine génération de chimistes. Un étudiant qui a atteint le niveau de la première année d'université doit certainement avoir aussi une idée du rôle que joue la chimie dans le monde actuel. Il devrait avoir des notions sur la préparation des métaux usuels (l'aluminium, le fer, le cuivre et le nickel par exemple), sur l'obtention des éléments non-métalliques les plus courants comme 1 'azote, 1 'oxygène, le soufre, le phosphore et le chlore, et de leurs composés importants, Il devrait connaître les grandes classes de produits, par exemple les acides comme l'acide sulfurique, l'acide nitrique, l'acide chlorhydrique et l'acide hypo- chloreux ; les bases cornme la soude, l'ammoniaque ; les oxydants ou les réducteurs comme 1 'oxygène, 1 'hydrogène, les halogènes, l'eau oxygénée, etc ... La matière première à partir de laquelle on obtient les 6lénaents purs et leurs composés, c'est-à-dire les gisements et leur abondance, me semble un sujet sur lequel on devrait informer les étudiants. La notion de gisements englobe l'atmos- phère, les lacs et les océans, y compris ce qui est du fait de l'home, c'est-à- dire les polluants et les problèmes qu'ils posent. Les gisements, c'est aussi le pétrole, qui pourrait susciter une discussion sur la pétrochimie. Pour en terminer je citerai quelques thèmes choisis presque au hasard : les matiëres plastiques, les dgtergents, les engrais, les aminoacides et les protéines.

Les cours actuels utilisent souvent certaines de ces notions, choisies pour illustrer une loi particulière ; la synthèse de l'ammoniac sert fréquemment d'exemple pour les lois du déplacement des équilibres chimiques. Un tel exemple est cependant choisi surtout en vue d'illustrer une certaine loi et non parce qu'il appartient à un aspect concret de la chimie, c'est-à-dire les propriétés et la réactivité d'un élément ou d'un composé donné,

Le problème qui se pose à nous est de sélectionner un volume suffisant de ces informations et de le présenter d'une façon cohérente afin de donner aux étu- diants une vue réaliste sur la chimie moderne, de leur donner des bases de

réflexion pour les problèmes de chimie auxquels ils seront plus tard confrontés dans leur vie professionnelle,et de leur permettre de réfléchir aux problèmes chimiques que posent certaines questions sociales telle que la pollution. 11 nous faut nous demander très sérieusement : pour les centaines ou les milliers d'étudiants qui suivent les cours d'introduction à la chimie, quelle importance ont, par exemple, la dérivation de PV = n mc , l'équation de Van der zaals, la diffé- rence entre Q réversible et Q irréver- sible, l'équation de Boltzmann S=klnW, les orbitales moléculaires anti-liantes et l'énergie de dédoublement des champs cristallins, toutes choses qui figurent dans beaucoup de manuels de première année. Ce sont des thèmes que certains auteurs d'ouvrages d'initiation ont tenté d'expliquer d'une manière méritoire aux étudiants ; mais je subodore que la plupart de tout cela a été écrit pour la satisfaction de l'auteur, et pour impressionner les autres enseignants ; cela passe certainement largement au- dessus de la tête de la grande majorité des étudiants. La question n'est pas de savoir si ces notions sont importantes dans l'absolu, mais de savoir quelle importance elles ont dans un cours d'introduction consacre aux thèmes dont j'ai parlé plus haut. Vous pouvez penser que je n'ai fait dans cet exposé que réveiller l'antique querelle entre chimie théorique et chimie descriptive et vous avez évidement raison. Cepen- dant le problème demeure et il est de plus en plus urgent de le résoudre si on considère l'augmentation du volume des informations. Le "cours basé sur les lois fondamentales de la chimie'' nous a fourni une excuse pour ne pas nous pencher sur le problème au cours de ces demières années. Il est à mon avis maintenant vital que nous déterminions comment présenter ces données descriptives pour donner une image réaliste et équilibrée de la chimie moderne, qui procurerait aux étudiants en même temps qu'une connaissance utile de la chimie concrète, une idée de l'étendue du sujet et un comportement critique vis- à-vis des théories.

- 2

Bibliographie,

1. W.A.E. McBryde, Chem. 13 News, 2, 78, (1976).

62

28

l 2P

Figure 2 (a) - Représentation desorbitales 2s et 2p et de Zeur densité de charge pour Z'atome d'hydrogdne. Les Zignes de densité zéro correspondent aux noeuds, Les pointi ZZés représentent Zes vaZeurs négatives, les vaZeurs positives sont en trait continu.

2s 4- 2P

O 2s -

œ sp hybrid

- - sp hybrid

Figure 2 (b) - Formation des orbitales hybrides sp àpartir d'une orbitale 2s et d'une orbitaZe 2p.

Figures reproduites de "An Introduction to the EZectronic Structure of Atoms and Mo Zecu Zes avec Z 'aimab Ze autorisation de R. F. W. Bader, Clarke, Irwin and Co Ldt . Toronto (1 970).

2. G.P. Haight, Report on Teaching (1) , in Change Magazine, 8 (2) , 1 (1976).

F.H. Verhock, Chemistry - A Study of Matter, Xerox College Publishing, Lewington, Massachusetts, 2nd. Ed. 1972.

3. A.F. Garrett, W.T. Lippincott,

4. R.F.W. Rader, An Introduction to the Electronic Structures of Atoms and Molecules, Clark Irwin and Co., Toronto, 1970.

5. R.J. Gillespie, Molecular Geometry, Van Nostrand Reinhold, London, 1972.

6. R. Daudel, Théorie Quantique de la Liaison Chimique, Presses Universi- taires de France, Paris, 1971.

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Peut-on apprendre la chimie sans la comprendre? R. T. Sanderson

La réponse est oui, si un chimiste n'est qu'un technicien. La réponse est non s'il est un scientifique. J'en suis arrivé à penser que la Chimie est une science qui mérite d'être expliquée aux étudiants. S'ils n'ont aucune faculté de compréhension, ils deviendront toutefois des techniciens efficaces, ou des citoyens ordinaires, mais au moins ils auront eu l'occasion de découvrir l'attrait intellectuel et la fascination qu'exerce la science.

Fort de cette conviction, chaque fois que me parvient le rapport d'un colloque sur l'enseignement de la Chimie (le plus récent étant celui d'une réunion en Pologne (1)) , je l'étudie avec avidité pour voir si on s'intéresse enfin au pro- blème fondamental de l'enseignement de la Chimie : l'expliquer aux étudiants, Par ailleurs, j'étudie soigneusement tout nouveau manuel de Chimie Générale que je reçois, dans l'espoir d'y décou- vrir qu'on reconnaît timidement que les méthodes, les plans, les exercices, les systèmes d'acquisition de connaissances et toutes les formes d'enseignement sont très secondaires comparés au problème combien plus important d'amener à un niveau suffisant de compréhension. Dans les deux cas, coaloques ou manuels, les résultats sont, à mes yeux, décevants.

Vous aurez de toute façon, distin- gués lecteurs, votre propre opinion sur le sujet, et c'est pourquoi je vous con- cèderai bien volontiers que cet article est très personnel, Il est personnel en ce sens que je suis absolument convaincu,

d'aider même les étudiants débutants 2 apprécier les merveilleuses relations de cause à effet entre les propriétés élé- mentaires des atomes et celles de leurs composés. Cet article est très personnel en ce sens que, depuis 25 ans, j'ai consacré la plupart de mes efforts de recherche à rendre plus claires et plus efficaces les explications en Chimie classique. Ces efforts n'ont pas été sté- riles, mais ils auraient pu l'être tout aussi bien, car mes collègues enseignants semblent les ignorer quasi-totalement. J'ai profondément essayé de comprendre les raisons de ce désintérêt, mais j'en suis sincèrement incapable. Avant de rejeter ces lamentations qui ne sont (je le suppose) que les radotages d'un vieux grincheux frustré, veuillez, je vous prie, méditer sur les exemples suivants :

1 , La structure de l'atome : Au départ, les étudiants n'ont d'autre pos- sibilité que d'accepter le modèle quantique de l'atome presque comme parole d'évangile. Le modèle peut être pourtant considérablement consolidé par des preur ves expérimentales. La plupart des manuels de Chimie Générale parlent de l'énergie de première ionisation, et mettent ainsi en évidence la grande dif- férence d'énergie entre les principaux niveaux. Mais ils oublient totalement (2) que les énergies d'ionisation successives r jusqu'au noyau seul - fournissent une belle preuve expérimentale de cette configuration électronique que l'on demande aux étudiants d'accepter.

2, La classification périodique : malgré 1 'infinie complexité de la matière , les classif ?cations périodiques habituel- qu'on trouve, liée étroitement à cette lement utilisées sont remplies d'erreurs, complexité, une belle simplicité suscep- ne sont pas pratiques et se contredisent. tible d'être dégagée et susceptible Cependant, on continue à s'en servir,

64 Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chenical Education, vol. 51, no 11, 1974, p. 705-7.

même si les imperfections sont aussi fla- grantes qu'une numérotation différente des groupes de l'une à l'autre. La plupart de ces inconvénients disparaissent avec une forme plus élaborée de la classification périodique (3) que l'on trouve maintenant en couleur et en 2 formats, soit pour le cours, soit pour le cahier de notes (4).

3. L'histoire de la Chimie : les cours de Chimie (ou de tout autre science) dans le premier cycle sont curieusement beaucoup plus riches en histoire des sciences que ceux réservés aux futurs chimistes (ou autres scientifiques). Même lorsque l'importance des autres sujets abordés n'a pas totalement éliminé certaines références historiques des manuels de Chimie Générale, ces der- nières sont la plupart du temps données totalement en dehors du contexte politique, social et artistique de l'époque. Ainsi, les étudiants qui se trouvent avoir oublié leurs connaissances en hisr toire générale ne gagnent pas grand'chose lorsqu'on leur indique une date importante en Chimie, On peut dès à présent se procurer une affiche "Chronologie sommaire de l'histoire mondiale à l'usage du chimiste". Les dates des découvertes importantes en Chimie y sont mises en parallèle avec celles des principaux évènements mondiaux sur d'autres sujets (5) -

4. La valence et les formules chi-- miques : les étudiants continuent à se présenter en Chimie du second Cycle avec un très explicable manque de confiance en eux quant à leurs capacités de prévi- sion des formules chimiques correctes à l'aide de la structure des atomes. En fait, ces formules sont généralement faciles à prévoir si l'on a compris l'importance de la couche électronîque pérlv phérique et de sa structure incomplète. Pourquoi donc les ouvrages de Chimie Générale n'insistent4ls pas sur cette notion fondamentale au lieu de l'ignorer, ou de la considérer comme allant de soi, ou de l'obscurcir avec de mystérieux diagrammes d'orbitales ? Par exemple, pourquoi un étudiant devrait41 apprendre par coeur la formule de l'eau, alors qu'il serait beaucoup plus satisfaisant de l'aider à comprendre que c'est la formule la plus probable, compte-tenu de la structure des atomes d'hydrogène et d'oxygène ?

5. L'électronégativité : Presque tous les manuels de Chimie Générale ré- pètent que les valeurs sur l'échelle d'électronégativité ont été obtenues par la méthode de Pauling, et ils s'en servent très rarement. Bien que ces valeurs ne soient pas trop inexactes pour une utilisation qualitative, leur obtention est fondée sur une erreur démontrable (6 -8) dont il faudrait s'affranchir.. D'autre part, les auteurs continuent Zi parler négligemment de "la grande élec- tronégativité des ions fluorure", des "dTf €érentes électronégativités ,"des différents états d'oxydation'', et d'une séparation arbitrairement nette entre II liaison convalente" et "liaison ionique" selon la différence d'électronégativité ; pourtant le fait que l'on puisse changer les valeurs données à l'électronégativité a été longuement décrit, de manière quantitative et de manière logique, par le princtpe de l'égalisation de l'électro- négativité (9). En fin de compte, après 15 ou 20 ans, ce principe semble accepté même par chimistes théoriciens. Quelques considérations supplémentaires à propos de l'électronégativité et de ses applications trop souvent négligées sont pré- sentées à l'aide des exemples suivants :

6, Les potentiels d'électrodes : La plupart des ouvrages de Chimie Générale et de Chimie Physique présentent encore les potentiels d'électrodes comme des données expérimentales ne demandant aucune explication théorique. On néglige absolument d'y démontrer, à l'aide d'un cycle thermodynamique, la nature des facteurs qui y interviennent et leur importance relative bien que l'étude de tels cycles (10 - 1 1 ) permette aux étu- diants de comprendre quantitativement la grande importance du potentiel. Par exemple, le zinc est le plus proche voi- sin du cuivre dans une même période de la classification ; pourtant, leurs potentiels d'électrode sont extrêmement différents. N'est-il pas important que les étudiants comprennent pourquoi ? On montre aisément que la plus forte liaison métallique dans le cas du cuivre est la cause principale de cette différence, et grossièrement que cette liaison métal- lique plus forte est cohérente avec l'utilisation des orbitales d sous- jacentes dans le cuivre et non dans le zinc. Pourquoi les Qtudiants devraient- ils apprendre simplement que le cuivre et le zinc sont différents , 1

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7. Les liaisons covalentes : Dieu merci, la plupart des manuels actuels permettent aux étudiants de se rendre compte que la liaison chimique résulte de l'attraction qu'exercent différents noyaux sur les mêmes électrons, Mais pourquoi ne pas insister davantage sur les couches périphériques incomplètes, en les présentant comme des espaces 03 les électrons en question provenant d'autres atomes, parviennent sous l'influence du noyau du premier atome ? Montrer par exemple que le nombre d'élec- trons "liants'' est égal au nombre d'élec? trons "anti-liants" s'opposant à la liaison, est beaucoup plus parlant pour un étudiant moyen que n'importe quel dia.- gramme, totalement fictif, d'orbitales moléculaires des éléments de la famille de l'hélium (Groupe M 8).

8. La covalence polaire : La plupart des ouvrages courants de Chimie GéF nérale utilisent la distinction tranchée et irréaliste entre "liaison covalente'' et "liaison ionique", même s'il reconnaissent la plupart du temps que la grande majorité des liaisons chimiques connues sont intermédiaires. De fait, il est prouvé (12) que l'aspect prédominant attribué à la liaison ionique est très exagéré et que presque toutes les liaisons entre atomes différents (notamment dans les composés binaires) sont des co- valences polaires. Comme je l'ai dit plus haut, le concept de la covalence polaire selon Pauling (une covalence totale plus une énergie de liaison ionique supplémentaire) est inacceptable au plan de la logique. Si les électrons de liaison sont équitablement partagés (tout le temps) l'un des atomes ne peut pas si- multanément les monopoliser temporairement. Bien plus, la différence d'élec- tronégativité apporte à la liaison une contribution ionique qui ne s'ajoute pas, mais se substitue h une partie de la contribution covalente. L'énergie de la liaison ionique est toujours supérieure à celle de la part de liaison covalente qu'elle remplace ; la polarité renforce ainsi la liaison.

En fait, une liaison covalente polaire peut Stre décrite quantitativement comme étant un mélange d'une contribution covalente et d'une contribution ionique (6 - 8). Ceci est connu depuis environ 8 ans mais les livres d'enseignement n'en parlent pas et n'offrent rien d'adéquat 3 la place,

9. L'énergie de liaisdn : La méca- nique quantique ne fournira jamais des énergies de liaisons exactes, non seulement à cause de la complexité des calculs qu'entraînent les interactions entre les particules composant les atomes et les molécules, mais aussi parce que l'énergie totale des électrons avant la liaison est considérablement supérieure à l'énergie de liaison, 'énergie de faible valeur que l'on doft de plus calculer par différen- ce entre deux grands nombres. Cependant, la difficulté a été tournée grâce à des méthodes beaucoup plus simples qui permettent maintenant le calcul de l'éner- gie de liaison pour des centaines de composés (6). Ces mgthodes sont remarquablement simples, et aideraient énor- mément les élèves à comprendre la liaison chimique. En découlent facilement, le calcul des chaleurs de formation, puis l'estimation des chaleurs de réaction, que l'on peut utiliser par la suite pour expliquer une grande partie de la Chimie (13 p 14). Ces méthodes sont également applicables pour retrouver approximativement les énergies de liaison empiriques que l'on relève parfois dans la littéra- ture, en Chimie Organique aussi bien qu'en Chimie Minérale. Autrement dit, les étudiants constateraient aisément que ces valeurs empiriques ne procèdent que d'une utilisation logique des propriétés des atomes en présence, au lieu de se trouver devant un tableau de données sans explication. Comprenez-vous maintenant pourquoi cette indifférence des auteurs vis à vis de ces fructueuses possibilités d'utilisation m'intrigue ?

10. Les charges partielles : On ne peut nier qu'un calcul réussi des éner- gies de liaison est étroitement lié à l'exactitude de la valeur des charges partielles des atomes combinés, elles- mêmes aisément accessibles à l'aide des électronégativités (6 - 15 - 16). Donc, il n'y a pas de raison de ne pas utiliser les charges partielles, du moins en défi- nissant bien les réserves et les restrictions à leur utilisation. Elles sont remarquablement utiles pour décrire l'état des atomes combinés, ce qui à son tour montre une étroite corrélation avec les propriétés du composé.

1 1 . Les propriétés acido-basiques des oxydes : TI existe une corrglation imparfaite, mais néanmoins très utile, entre les propriétés acides ou basiques

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des oxydes binaires et la charge partielle de l'oxygène. Un atome d'oxygène fortement polarisé négativement est iné- vitablement très basique, car les élec- trons supplémentaires de l'oxygène peuvent être facilement partagés avec un atome accepteur. Un atome d'oxygène peu polarisé négativement est à peine basique, l'oxyde a tendance à être acide et capte la paire d'électrons d'une base convenable, par exemple un composé bi- naire possèdant un atome d'oxygène fortement polarisé négativement. On donne ainsi une bonne explication à la règle bien connue que les oxydes métalliques ont tendance à Gtre basiques, et les oxydes non métalliques à être acides, puisque l'oxygène peut se polariser très négativement dans ses combinaisons avec les atomes métalliques, mais pas avec les atomes non métalliques. Existe-t-il de bonnes raisons d'ignorer cette explication ?

12. Les solutions aqueuses acides ou basiques : On ne donne généralement aux étudiants aucune explication sur l'énorme différence du point de vue chimique entre les ions hydronium et hydroxyle, bien que tous deux soient formés des mêmes atomes. La connaissance des charges partielles des atomes d'hydro- gène et d'oxygène dans l'eau et dans ses ions permet une prévision raisonnable des différences de leurs propriétés chimiques, et explique très clairement le phé- nomène de neutralisation et le comportement caractéristique des solutions aqueuses acides ou basiques.

13. La liaison et les propriétés physiques : Dans les livres, on ne donne pas d'explication, on ne soulève jamais la question quant au brutal changement des propriétés lorsqu'on passe du carbone à l'azote. Logiquement, l'azote et l'oxygène devraient être tous deux des polymères solides. On ne peut pas dire qu'ils sont gazeux parce qu'ils forment des mblécules diatomiques, La question est : pourquoi formentrils des molécules diatomiques ? On peut actuellement expliquer quantitativement (6) pourquoi, dans ces éléments,l'établissement de doubles liaisons est favorisé par rapport a celui de simples liaisons. Sur des bases similaires, on peut expliquer quantitativement pourquoi le dioxyde de carbone est un gaz, et le dioxyde de silicium un solide. La Chimie est-elle une

science ou un simple ramassis de faits hétéroclites ?

14. Les causes des transformations chimiques : Il est bien connu que les variations d'enthalpie aux températures ordinaires, qui indiquent des modifications des forces de liaison, sont la raison principale des réactions chimiques. Toutefois, on fait rarement remarquer - sinon jamais - que la polarisation due à la différence d'électronégativité conso- lide la liaison, et que la réaction tend à évoluer,.dans le sens du renforcement des liaisons. De fait, on a pu démontrer (6) que ni l'hydrogène, ni le carbone, ne brûleraient si n'existait la forte électronégativité de l'oxygène. Il est très simple de déterminer les critères de possibilité d'une transformation chimique à l'aide d'arguments similaires. Pourquoi les étudiants devraient-ils retenir que certaines réactions chimiques se font dans un sens déterminé alors qu'ils pourraient acquérir un niveau sufr fisant de compréhension des réactions pour en prévoir le sens, en faisant confiance à leurs connaissances de base ? A partir de quelques notions fondamentales sur les propriétés des atomes, on peut maintenant prévoir la façon dont ils vont réagir, les formules moléculaires, les forces de liaisons et les chaleurs de réaction, les structures géométriques, et faire des estimations plausibles des pro- priétés physiques et chimiques du produit obtenu. Il me semble que quiconque en est capable est remarquablement proche d'une compréhension de la Chimie. Pourquoi priver nos étudiants de cet essai de compréhension ? Parce que cette méthode évite les sévères limitations de la méca- nique quantique ?

Il n'est pas de fin aux exemples que l'on pourrait citer afin de prouver que dans la plupart des cas, à en juger par les manuels les plus autorisés et les plus récents, l'enseignement de la Chimie Générale néglige et oublie malheureusement d'amener les étudiants à un degré de compréhension qu'ils sont capables d'ac- quérir aisément, Je n'aurai pas la pré- tention de déclarer que le dossier est clos. Mais j'insiste absolument sur le fait que nous trompons les étudiants dès que nous ne faisons pas du mieux que nous savons faire pour les aider à comprendre ce que l'on attend qu'ils apprennent .

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Si la mécanique quantique peut fournir une explication simple et efficace à un phénomène donné, utilisons-la par tous les moyens. Mais quand elle ne peut pas, ce qui est le cas le plus fréquent, alors devons-nous laisser convaincre de négli- ger les autres voies qui mènent à la compréhension ? -

A mon avis, l'une des principales causes du .trouble profond de l'humanité aujourd'hui est la disproportion entre ce que nous savons et ce que nous comprenons. Je considère que nous, enseignants et universitaires, avons la redoutable responsabilité de rechercher et de transmettre la compréhension, aussi imparfaitement le fassions-nous.

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Apprentissage et capacités des étudiants W. T. Lippincott

Tous ceux qui sont concernés par l'enseignement supérieur, les étudiants, les universitaires, l'administration, les instances gouvernementales, le pa- tronat et les parents sont en complet accord sur un point : les étudiants fréquentent l'université pour apprendre et pour apprendre à apprendre. Les principaux points de désaccord sont les suivants : qu'est-ce qu'apprendre, qu'est-ce qu'il est important d'apprendre, quelle quantité, comment peut-on mesurer l'apprentissage ?

L'apprentissage est défini comme l'acquisition de connaissances et de compétence mais ces deux notions sont un peu trop générales pour être utiles à ceux qui se démènent pour évaluer et améliorer l'enseignement supérieur. En termes plus pragmatiques, l'apprentissage peut être envisagé comme un mélange de maitrise de l'information et d'amé- lioration de la compréhension, accompagné d'une augmentation de l'aptitude 2 utiliser ou méditer des informations acquises. Dans ce contexte, l'enseignement au niveau universitaire exige du débutant à la fois de la persévérance et des Ca- pacités. De plus la persévérance qui est plus facile à contrôler et plus à portée de la majorité - a tendance à être de plus en plus favorisée par rapport aux capacités dans un système d'enseignement supérieur qui est censé éduquer chacun dans un climat d'équité et d'égalité des chances.

Beaucoup d'entre nous dans un souci d'honneteté et afin de ne pas pénaliser les étudiants moins capables, avons choisi dans nos programmes d'être plus exigeants

et plus fragmentés. L'information est dé- livrée par petites doses assimilables. Des guides scolaires des annales et des séances de révisions sont fournis. Dans cet effort pour rendre les examens moins dépendants des capacités on a rendu les questions d'examens plus triviales. Celles- ci sont souvent choisies dans des listes distribuées avant l'examen. Les résultats d'examens qui ne sont pas satisfaisants peuvent être améliorés en passant un autre examen ou en rendant des rapports supplé- mentaires ou des comptes rendus de livres qui pour la plupart, ne sont jamais notés. Les manuels destinés aux étudiants de pre- mière année doivent pouvoir être lus par des élèves de 8ème année d'école et ne pas dépasser leur niveau en mathématiques.

lagés par ces pratiques qui conduisent souvent à une satisfaction plus grande de l'étudiant, à des notes plus élevées et au sentiment qu'un travail sérieux ne peut pas faire de mal. Bientôt la connaissance des faits tend à être assimilées à un apprentissage complet et des activités telles que organiser, mettre en corrélation, in- tégrer et analyser deviennent de plus en plus secondaires. Ces qualités et d'autres qui dépendent des capacités telles que la facilité de communication, le quotient intellectuel (Q.I.) et la sensibilité, sont dévaluées. Cette dévaluation est accom- pagnée d'une Erosion accelérée de ce que nous pensons pouvoir attendre des étu- diants et de ce que les étudiants peuvent attendre d'eux-mêmes quant à la compréhension, la mise en application pratique et la réflexion concernant les sujets qu'ils sont censés avoir étudiés.

Les enseignants semblent être sou-

sur la persévérance Les examens sont devenus moins spéculatifs

que sur les capacités. Nos programmes centrés sur la per- sévérance n'ont pas entièrement ignoré

Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Education, vol. 53, no 3, mars 1976, p. 135. 69

les capacités. L'apprentissage par auto- test couramment pratiqué, tend à récom- penser (mais pas nécessairement developper) les capacités en permettant aux étu- diants une flexibilité plus grande et en leur donnant l'occasion d'être plus prudents dans l'emploi de leur temps. Dans presque tous les programmes d'enseignement intensif destinés aux étudiants de très haut niveau, les succès dépen- dent de l'aptitude de l'étudiant (ou de sa résistance physique) 2 assimiler beaucoup de matières dans des périodes très courtes.

L'enseignement individualisé par auto-test aussi bien que les programmes de formation intensive entrainent les étudiants (en développant les aptitudes nécessaires) à se souvenir des faits utiles pour les examens et pour leurs car- rières particulières mais aucun ne met en priorité la compréhension ; ils ne donnent pas non plus d'encouragement ou d'entrainement à la réflexion active, activité qui confère un sens à un ensemble d'informations. En fait tous ces programmes ont tendance à détourner de tout ce qui ne relève pas de l'apprentissage par coeur et d'une compréhension minimale des matières présentées - l'apprentissage par auto-tests, parce qu'il est incapable de fournir ou d'exiger plus que ce qu'on peut exiger des moins capables, et l'enseignement intensif parce qu'il n'accorde ni temps ni récompense à la compréhension et à la réflexion.

Il existe au moins deux obstacles majeurs à tout renversement de cette tendance à favoriser la persévérance au détriment des capacités dans le processus d'apprentissage. D'abord les étudiants tout au moins au début se sentent déroutés et menacés par les changements et y opposent une forte résistance. D'autre part les changements de comportement qu'on di5sire tels que l'étudiant démontre et développe sa capacité d'aller au delà de l'assimilation cognitive des faits et tende vers un usage plus régulier de ses capacités intellectuelles supérieures. sont m u r la plupart lents à se développer et à s'épanouir. Actuellement, il n'y a aucun moyen fiable à court terme qui indique dans quelles limites les enseignants les enseignés ou les programmes réussis- sent à semer et faire croître les germes de modifications de comportement de ce type. Dans le climat actuel d'évaluations quantitatives , ceci constitue une force

de dissuasionsérieuse contre les changements nécessaires.

deux raisons impératives pour que nous changions de direction assez rapidement et en y apportant tous nos soins. En premier lieu nous supportons avec langueur une détérioration réelle des performances académiques des étudiants et il faut que cela cesse.(Voir, par exemple, ce journal 52, 753 (1975)). En second lieu, le fait d'enseigner aux étudiants à réfléchir et à aller au delà de la connaissance des faits pendant leurs études n'est pour l'enseignement américain ni nouveau ni étranger. Les records de productivité scolaire éco- nomique et technologique qui accompagnent notre engagement p ssioné envers l'enseignement depuis deux siècles, parlent d'eux- mêmes sur ce point. Malgré l'absence d'indicateurs à court terme il est certain que l'enseignement américain a valorisé et developpé les capacités personnelles dans le passé. Sans doute n'avons-nous pas perdu notre génie ni notre goût pour les matériaux difficiles avec lesquels on construit des âges meilleurs.

qu'on court à insister plus sur les capa- cités est de les définir trop étroitement ou de les laisser à l'état embryonnaire Ceci, autant que n'importe quel autre facteur, explique ce déclin de leur importance dans l'enseignement supérieur américain pendant la dernière decennie. Dans les années soixante de trop nombreux enseignants et programmes n'ont pas su distinguer capacité et maturité, talent et habileté limitée, profondeur et méti- culosité. L'exigence, par les étudiants, d'un enseignement mieux adapté, autant qu'un prétexte à développer leurs capaci- tés, était une révolte contre l'apathie des responsables. Si on veut de nouveau mettre l'accent sur les capacités, on doit reconnaître leur diversité, leur tendance à se développer lentement par étapes, leur besoin d'être nourries, leur présence à des degrés différents suivant les individus et leur répartition inégale, y compris chez ceux qui ont le plus de talent.

Il y a de nombreuses façons pour les enseignants de détecter et de faire mani- fester les capacités. Miriam Rodin, psy- chologue à l'Université d'Etat de Dan Diego, en cite quelques unes: mettre les étudiants dans un état d'irritation et de confusion tel que seule une réflexion sérieuse les apaisera, insister sur une

D'un autre côté, il existe cependant

Peut-être le danger le plus grand

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compréhension plus profonde, les encourager à tolérer l'ambiguité, donner plus de valeur aux questions qu'aux réponses, les habituer à la réflexion rationnelle et aux exposés, cultiver une sensibilité toujours plus large et une ouverture aux idées et aux informations nouvelles. A ceci, nous ajouterons qu'il faut dans chaque enseignement susciter et récom- penser une compréhension authentique ainsi que les capacités d'organisation d'analyse et synthèse et de réflexion créative sur les sujets étudiés.

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Libre opinion - savoir et aptitude de l'étudiant : un autre point de vue Elizabeth S. Kean

L'Editorial qui a paru récemment dans le "Journal of Chemical Education" reflète une opinion importante et convaincante sur l'enseignement en général et celui de la Chimie en particulierl. La raison principale de cet éditorial est due au fait que l'enseignement au niveau universitaire exige à la fois de la per- sévérance et des capacités, et que les évènements récents ont conduit à des modifications nécessaires dans les programmes qui favorisent cette persévérance au détriment des capacités. Je voudrais discuter plusieurs points développés dans cet éditorial et suggérer quelques approches nouvelles aux problèmes courants de l'enseignement. Celles-ci reposent sur une façon de voir l'enseignement qui ne met pas en conflit les capacités, la persévé- rance et l'égalité des chances.

Le mot "capacités" tel qu'il est employé dans cet éditorial semble être le synonyme de "aptitudes", c'est-à-dire ensemble de tous les dons qu'un individu possède. Alors que l'enseignement devrait permettre et encourager tous les étudi- ants à développer leurs talents, je soutiens quant à moi qu'il y a une raison fondamentale de repousser un système d'enseignement basé principalement sur les aptitudes des étudiants : comment mesurer ces aptitudes de la meilleure façon ? C'est une tâche impossible. Pouvoir mesurer les aptitudes d'un étudiant, c'est connaître les limites de cet être humain. Aucune mesure, y compris le Q.I. qui est souvent utilisé à tort, n'a encore été inventée qui puisse faire cela.

Ce que les enseignants peuvent mesurer, et c'est ce qu'ils font, ce sont les résultats des étudiants dans des séries

d'épreuves bien spécifiques que ces mêmes enseignants ont préparées. Alors qu'on espère que les résultats de l'étudiant sont en relation avec ses aptitudes, ils représentent en fait plus ou moins directement le travail qu'il a fourni ainsi que l'utilisation de ses capacités et ne sont pas une mesure absolue de sa capa- cité à réussir les épreuves, étant donné le système éducatif correct qui l'entoure.

Ceci ne veut pas dire que les enseignants ne portent pas de jugements sur les aptitudes apparentes des étudiants, en particulier de manière relative. Cer- tains étudiants apparaissent plus aptes à apprendre que d'autres, surtout en ce qui concerne la rapidité avec laquelle ils traitent l'information et la facilité avec laquelle ils la retiennent. Mais, passer en revue cet ensemble d'aptitudes en même temps que la persévérance comme facteurs déterminants dans l'apprentissage de l'étudiant me semble être un point de vue plutôt restreint sur le processus d'enseignement. Les deux sont complémen- taires, mais également insuffisants. De plus, on peut penser à d'autres dons ou talents utiles et nécessaires pour l'étu- diant et qui contribuent d'une manière significative à sa réussite : qualité des expériences éducatives antérieures (y compris l'habitude de passer des tests), approfondissement et développement des matières fondamentales relatives aux notions et principes enseignés, selon que la manière dont l'étudiant apprend ou recueille des informations et les traite est semblable à celle de l'enseignant, etc... Persévérance et aptitude seules ne peuvent pas rendre compte du degré de réussite plus ou moins grand.

72 Reproduit avec l'autorisatoin du Journal of Chemical Education, vol. 54, no 3, mars 1977, p. 159-160.

Si les résultats doivent être la base d'un système d'enseignement, la question immédiate qui se pose alors est la suivante : "résultats de quoi ?". Comment pouvons-nous évaluer l'enseignement reçu par l'étudiant et sur quelles bases ? Personne ne contredira l'idée que l'enseignement idéal devrait conduire à la véritable compréhension et la récompenser, ainsi que la capacité d'organiser, d'inté- grer, d'analyser, de faire la synthèse et de réfléchir d'une manière constructive sur l'enseignement qu'on reçoit. Cependant, peu de gens parmi nous comprennent assez bien le processus d'éva- luation pour évaluer de telles qualités sans ambiguïtés. Et en dépit de la nos- talgie du bon vieux temps, je doute fort que beaucoup l'aient fait.

Il y a certainement de nos jours des contraintes qui tempèrent notre ardeur aux nobles tâches de synthèse , d'analyse et de généralisation, cependant, l'o- rigine de ces contraintes n'est pas dans le désir de paraître sympathique aux étu- diants les moins doués, mais dans le véritable nombre des étudiants à qui s'adresse actuellement notre système d'enseignement. Rend-on les questions d'examens plus triviales (admettons un instant que ce soit le cas) afin de permettre aux moins "doués" de réussir, ou bien est-ce parce que de telles questions sont plus faciles à noter ? Tester les connaissances (à un niveau plus élevé et plus complexe), étant donné le nombre d'étudiants, exige une créativité et une habileté dans les techniques d'évalua- tion qui ne sont guère enseignées au cours de la formation d'un chimiste. La réponse à une question d'examen qui essaie de mesurer les compétences de niveau su- périeur ne peut être jugée de la même manière qu'un résumé du J.A.C.S. C'est difficile. Peut-être ne devrions-nous pas être surpris de savoir que cette créati- vité est peu répandue maintenant (comme d'ailleurs par le passé). Rien ne prouve que l'enseignement a été meilleur dans le passé. En fait, beaucoup d'observations suggèrent qu'il était moins bon, quoiqu'incontesté en ces temps plus calmes.

De plus, un système d'enseignement basé sur les capacités apparentes des étudiants pourrait faire perdre le désir d'amélioration. Si les enseignants estiment: que les étudiants, en particulier ceux qui échouent, sont en quelque sorte

limités par leurs capacités à apprendre, alors leur responsabilité vis à vis de ces étudiants est minime. Si une cause satisfaisante et une explication des échecs des étudiants se trouvent dans leur manque de moyens pour apprendre, les enseignants n'ont pas besoin de chercher plus loin. Si vous exposez tout votre savoir à vos étudiants et qu'ils ne peuvent pas en profiter d'une manière efficace, la faute leur en revient et elle est liée à leur manque de moyens innés. Pourquoi alors améliorer le système d'enseignement ?

Cependant, une véritable améliora- tion peut être obtenue si les enseignants voient dans les échecs des étudiants les leurs propres. Si les enseignants sont vraiment convaincus que la plupart des étudiants ont des possibilités innées d'apprendre et en particulier, si c'est le contenu de l'enseignement et son style qui rendent l'apprentissage non seulement possible mais effectif, alors l'élan existera pour innover et, nous l'espérons, améliorer. Comme Brunner le dirait, il existe une manière correcte d'enseigner n'importe quelle notion à n'importe quel niveau2.

Ce qui est intéressant à propos du développement intellectuel chez l'étu- diant est de savoir jusqu'à quel point: il dépend non pas des aptitudes mais de l'épanouissement de ces aptitudes par des méthodes d'enseignement appropriées. Celles des innovations faites pour récom- penser la persévérance au détriment des capacités sont sans doute celles qui permettent un espoi? pour l'avenir. Les enseignants de Chimie ne sont pas satisfaits, et à juste titre, de ce qui se passe pendant leurs cours ; ils recherchent quelque chose de mieux. Si les tentatives initiales d'apprentissage par auto-test semblent récompenser l'apprentissage par coeur et la compréhension minimale, peut-être la 2ème et 3ème généra- tion d'outils utilisés pour cet apprentissage feront-elles un grand pas (ou au moins quelques pas hésitants) vers le développement de talents du plus haut niveau. Pourquoi sommes-nous surpris que les programmes d'éducation s'occupent du fait qu'il faut d'abord marcher (acquisition de bas niveau) avant de courir (acquisition de haut niveau) ? Nous, chimistes, tolérons les expériences non sophistiquées utilisant de nouvelles

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techniques chimiques et instrumentales qui comportent un grand risque d'erreur. Mais en tant qu'enseignants de Chimie, nous attendons de toute innovation de l'enseignement qu'elle produise des ré- sultats spectaculaires ; et quand elle ne le fait pas, nous la rejetons comme étant sans valeur ou dangereuse.

La diminution des réussites des étudiants dans les tests normalisés en fonction du niveau national a aussi été reliée, au moins partiellement, à la récompense de la persévérence au détri- ment des "capacités". Toutefois, d'autres raisons ont été invoquées concernant cette diminution. Je n'en mentionnerai que deux :

La première est que le passé scolaire de beaucoup d'étudiants qui se pré- sentent maintenant à ce test peut être considérablement différent de celui que le test lui-même propose de contrôler. Ceci n'est pas dû au nombre croissant d'étudiants testés provenant d'écoles de bas niveau, lesquels n'entraient pas traditionnellement à l'université, donc n'auraient pas subi ces tests dans le passé3, mais il se peut que ceci reflète plutôt des changements dans les programmes des lycées et dans la manière d'enseigner, lesquels ne sont pas actuellement pris en compte dans les tests nor- malisés.

Une deuxième possibilité est que les variations dans les résultats scolaires obtenus reflètent partiellement les con- séquences de la taille de la famille et les différences d'hge entre les enfants ; en effet, les enfants qui sont nés dans les grandes familles ayant des naissances rapprochées manifestent des résultats intellectuels moins élevés, ce qui serait dû au moins partiellement aux relations préférentielles enfant - enfant par opposition aux relations parent - enfant4. Donc on peut penser que le nombre élevé des enfants actuellement scolarisés provenant de telles familles est responsable de la baisse des résultats. Avec un taux de naissance plus faible et de plus petites familles, la tendance des résultats devrait s'inverser à l'avenir.

Je ne suggère pas sérieusement que ces raisons là (particulièrement la der- nière) soient les premières responsables de la baisse des résultats de réussite

scolaire obtenus durant cette denière décennie. Sans doute, n'y a-t-il pas de raison unique et convaincante et il se peut qu'aucune des raisons citées ne soit en elle même significative. Ce qui est important, c'est que nous ne soyons pas satisfaits des causes et des solutions faciles, rapides et simples à ces pro- blèmes complexes.

Le terme "modification de comportement" a été utilisé dans 1'Editorial pour caractériser le processus qui encourage le développement de l'usage des talents intellectuels chez les étudiants. Le terme lui-même peut prêter à confusion plutôt qu'à éclaircissement. Les conseillers d'éducation ne sont pas tout 3 fait d'accord sur la signification de ce terme. Puisque les chimistes, en gé- néral, ne sont pas particulièrement doués en psychologie de l'enseignement, il est probable que les significations attri- buées à ce terme par les lecteurs de ce Journal sont nombreuses. Toutefois, cette phrase, au moins pour moi,évoque des images de récompenses et de punitions utilisées habituellement pour provoquer des changements dans les attitudes des étudiants. Alors que tout le monde est probablement d'accord pour souhaiter le passage d'un niveau bas de talents intellectuels à un niveau plus élevé, il y a déjà des divergences quant à la manière de procéder. Quels types de récompenses et de punitions seraient efficaces avec des étudiants particuliers ?

Dans les systèmes d'enseignement de masse , un grand nombre d'étudiants sont soumis aux mêmes expériences. Ce qui est récompense pour un étudiant peut être punition pour un autre. Nous sommes bien loin d'être d'accord sur la manière de stimuler un apprentissage qui soit valable et efficace : (1) en amenant les étudiants à un état d'équilibre psychologique qui réduirait les tensions et les conflits entre ce qu'ils apprennent et ce qu'ils ont déjà appris5 ou (2) en provoquant un déséquilibre psychologique, introduction délibérée de tels conf lits6.

Quel que soit le modèle que le lecteur peut préférer, il faut noter que tous deux demandent de savoir dans quel état se trouvent les étudiants à l'instant oa ils entrent dans la salle de cours : niveau de leur travail intellec-

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tuel, somme de connaissances élémentai- res possédées sur le sujet considéré, etc,.. Particulièrement au lycée ou au niveau du premier cycle, l'éventail de la formation des étudiants peut être très large. Mais il faut également noter qu'aucun modèle n'est concerné par des limites internes possibles à 16. réussite de l'étudiant, mais tente plutôt de dé- verrouillerune potentialité qui existe chez chaque étudiant,

11 se peut qu'il ne soit pas possible, sauf dans des circonstances rares et favorables, que les enseignants ac- quièrent cette connaissance pour la ma- jorité de leurs étudiants ; et plus il y aura d'étudiants, moins cela sera possible. Cependant, si un enseignant ne peut pas savoir ol'l se situe chaque étu- diant pris individuellement quand il ou elle commence un cours, il lui reste la possibilité de fournir un très large éventail de moyens d'apprentissage, 2 des niveaux de complexité variable et comportant des approches différentes. Plus la classe est hétérogène, plus on a besoin de personnaliser le programme, si on veut que tous les étudiants aient une chance réelle de s'épanouir intellectuellement et de maitriser le contenu de l'enseignement.

Donner des moyens d'apprentissage aux étudiants qui viennent avec des niveaux différents peut prendre du temps et coûter de l'argent et de l'énergie. Peu d'enseignants disposent de quantités illimitées del'un ou de l'autre . Cepen- dant, cela ne doit pas servir de prétex- te pour ne rien faire. Les enseignants ont besoin par-dessus tout de chercher les réponses, d'après leur propre situation, à des questions telles que : Est-ce que je sais ce que j'attends que les étudiants soient capables de faire ? Est-ce que j'ai prévu des objectifs larges et des objectifs plus lîmités ? Quels sont les talents intellectuels de haut niveau que les étudiants devraient dé- velopper ? Comment puis-je alder les étu- diants à les acquérir ? Comment puis-je dire plus clairement à mes étudiants ce que j'attends qu'ils fassent ? Quels matériels puis-je leur fournir (qu'ils soient commerciaux, fait sur place, SOI phistiqués ou bricolés) qui leur permettent d'effectuer des expériences satisfaisantes ? Le cours ne commence-t-il pas à un niveau trop élevé pour certains

étudiants ? Est-ce que certajns étudiants peuvent mieux apprendre par une-démarche concrète et facilement accessible que par une approche traditionnelle, théorî- que et très abstraite ? Estnce que certajns étudiants ont besoin de présenta- tions détaillées et visuelles plutat que d'avoir une première présentation verba- le du cours.'Y-a-t-il suffisamment de tels étudiants pour justifier la prépa- ration de matériels spéciaux pour ceux- ci ?Près de qui trouverai-je des conseils. pour améliorer mon enseignement ? Est-ce que deux d'entre nous ou plus, enseignant ensemble, donneraient un cours plus souple et plus créatif que si chacun de nous le fait séparément ? Qu'est-ce qui me limite : le temps, l'argent, mes connaissances, ma volonté, mon propre manque d'attention pour améliorer le cours ?

Beaucoup d'étudiants apprennent difficilement par les méthodes traditionnelles. Ils manquent souvent de souplesse pour adapter leurs manières d'apprendre et leurs compétences au système d'enseignement. Si on veut mettre ces é- tudiants au défi de développer au maximum leur potentiel (sans pour autant que nous tentions de délimiter celui-ci), c'est au système de s'adapter aux étudiants.

Un système d'enseignement qui est "destiné à éduquer chaque homme (chaque personne ) dans un climat d'équité et de chances égales6 pour tous" ne doit pas avoir à choisir de récompenser soit la persévérance, soit les aptitudes ; alors un étudiant courageux améliorera ses résultats dans un contexte éducatif qui encouragera chacun et lui permettra de développer ses compétences jusqu'au niveau le plus élevé. Trop souvent cependant, à force d'insister sur certains aspects limités de l'enseignement, 1'6- galité des chances, pourtant proclamée, est restée ces dix dernières années un mythe très populaire mais sans réalité. La politique d'ouverture de l'enseignement supérieur est souvent à double tran- chant. Des étudiants d'origines socio- culturelles différentes sont souvent admis dans les Universités et ils se trouvent alors face à un contexte d'enseignement rigide avec peu de soutien pour les aider à développer les facultés d'apprentissage nécessaires 3 1'Universi- té. Tant qne de tels services ne seront pas disponibles pour tous les étudiants

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qui en ont particulièrement besoin, au 3. lycée ou au premier cycle de l'université, l'égalité des chances ne sera qu'un vain mot.

4. Tous les étudiants méritent de réus-

S'ils échouent, la faute en incombe peut- être non pas à leurs capacités supposées limitées, mais à notre incompétence à dé-

puissent réussir. Un échec provient sans doute de ce que l'étudiant n'a pas pu suivre l'enseignementrmais c'est nous, les enseignants, qui avons échoué.

sir dans notre système d'enseignement. 5.

6.

7. bloquer le système de telle sorte qu'ils

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11

Elizabeth S. Kean University de Nisconsin Madison 53706

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Piaget pour les chimistes où on explique ce que les << bons >> étudiants ne peuvent pas comprendre J. Dudley Herron

Pour quiconque ayant enseigné la Chimie au collège, il est évident que cette matière paraît difficile,parfois même incompréhensible pour un grand nombre d'étudiants, particulièrement chez les non-scientifiques. Malheureusement, le fait que les étudiants aient des dif- ficultés est de loin plus apparent que ne l'est la cause de ces difficultés. Cet article s'efforce d'en expliquer les raisons et suggère des modifications dans notre approche de cet enseignement pour l'améliorer au profit d'un grand nombre d'étudiants.

Partons de l'idée selon laquelle il est évident qu'un nombre substantiel d'étudiants lors de leur entrée au collè- ge - environ 50 X parmi les diplômés - est incapable de fonctionner au niveau intellectuel décrit par Piaget comme formel opérationnel. Mais le contenu de la Chimie et la démarche faite normalement pour l'enseigner nécessitent que l'étudiant opère à ce niveau formel opé- rationnel, s'il veut comprendre les concepts présentés.

Avant de discuter la signification de la pensée formelle opérationnelle, laissez-moi rapporter quelques anecdotes illustrant le type de difficultés qui, je pense, s'y rapportent.

Le premier incident que je raconte- rai eut lieu au Cours de la discussion sur une expérience d'électrolyse. J'avais posé la question de savoir comment s'assurer que, lors d'une électrolyse, les gaz proviennent de l'eau et non pas du carbonate de sodium utilisé en tant qu'électrolyte. Après tout, aucun gaz ne s'est dégagé jusqu'à ce que nous ajou- tions l'électrolyte ; pourquoi ne pas supposer que le gaz provient de l'élec-

trolyte ? Au milieu de la discussion, un étudiant me regarde bizarrement et dit : "Voulez-vous dire que l'eau dis- paraît et qu'elle se transforme en ces gaz que vous ne pouvez même pas voir ? Pensez-vous que les gaz viennent de l'eau ? Je ne le pense pas ! C'est impossible ! L'eau n'a rien à voir avec des gaz !.

Un second incident se produisit au cours du second semestre, avec des étu- diants diplômés en Economie domestique. Je leur avais fait passer un examen et ceux qui avaient échoué sont venus me voir. J'ai essayé de découvrir ce qui n'allait pas. J'ai posé quelques questions telles que : "Dites-moi précisément dans votre langage , quelle est la dif- férence entre H+, H et H2 ? Quelques-uns nommaient bien ion, atome et molécule, ces trois entités, mais aucun des étu- diants ne semblait avoir une idée de la différence entre les particules repré- sentées. "Regardez" dis-je "Ditesmoi ce que cette équation chimique veut dire : CH4 + 2 O2 - -?- CO2 + 2 H20. La plupart des étudiants n'en avaient aucune idée. Au cours de l'examen final, moins de 50 % des étudiants semblaient comprendre que c'était C1-qui était dans "le sel de table" et non pas Cl2,ou même qu'il y avait une différence entre les deux.

Le troisième incident est une obserc vation générale plutôt qu'un évènment précis, Au cours des ans, j'ai observé que tout concept correspondant à un rapport est extrêmement difficile à saisir pour de nombreux étudiants : ainsi par exemple, les concepts de densité, vitesse, accélération, molarité et taux de réacti- on. Les étudiants sont capables de mémo- riser une formule pour faire des calculs numériques sur ces sujets, mais semlilent

Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chenical Education, vol. 52, no 3, mars 1975, p. 146-150. 77

avoir une telle difficulté de compréhen- sion du concept qu'ils sont incapables de l'appliquer à un problème différent de ceux analysés et discutésen classe (par exemple, les étudiants qui ont appris à calculer la densité à partir de la masse et du volume sont souvent incapables de répondre à de simples questions telles que "l'eau a une densité plus faible que l'acide sulfurique. De 100 g d'eau ou de 100 g d'acide sulfurique, lesquels occupent le plus grand volume ? ,,

Si je pensais que les demi-percep- tions de concept - bien plus encore l'absence de perception de concept - que j'ai rapportées étaient dues uniquement à un mauvais enseignement de ma part, je n'en parlerais pas. Et contrairement 2 ce que quelques professeurs sont portés à croire, ces étudiants ne font pas partie de ceux qui ne font aucun effort pour apprendre ; ce sont au contraire de "bons" étudiants qui font de consciencieux efforts pour réussir. Mais justement, ces étudiants nepeuvent pas arriver à comprendre des notions abstraites telles que atomes, molécules et gaz parfaits. Sont-ils simplement "niais" ? Je le pense. Mais non pas comme nous disons normalement d'une personne qu'elle est niaise ou stupide ? Je pense que ce sont des étudiants qui n'ont pas progressé au cours de leur développement intellectuel jusqu'au stade des opérations fornelles.

Quelques-uns d'entre nous sont fa- miliarisés avec les travaux du psycholo- gue suisse Jean Piaget . Pour ceux qui ne le sont pas un résumé en trois paragraphes doit suffire à les présenter.

Piaget voit dans le développement intellectuel quatre étapes : sensoriel, moteur, pré-opérationnel, opérationnel concret et opérationnel formel. Suivant Piaget, nous nous attendrions à ce que les étudiants atteignent l'état opéra- tionnel formel vers l'Zge de 12 ans environ et achèvent pratiquement leur dé- veloppement intellectuel de base vers 1'8ge de 15 ans. Malheureusement, un grand nombre d'études démontre qu'il n'en est pas ainsi. Love11 a testé un certain nombre d'étudiants en Angleterre et trouvé que seulement entre 23 % et 37 % d'une population composée de 39 lycéens, 10 étudiants d'école normale et 3 adultes présentaient une pensée formelle l . Dansxne étude faite par Dale

en Australie, seulement 25 % des étu- diants âgés de 15 ans étaient capables de résoudre totalement un test destiné à mesurer leur pensée formelle2. Une étude largement publiée, faite il y a quelques années à l'Université d'Okla- homa indique que 50 % des collégiens testés fonctionnaient au niveau opéra- tionnel concret de Piaget et que seulement 25 % pouvaient être considérés comme ayant une pensée totalement formelle. Des études faites par Eklind4,par Tower et par Wheatley5 ont montré qu'environ 60 % seulement des jeunes collé- giens testés estimaient que le volume d'une boule d'argile restait constant quand l'argile était rouléeen saucisse. Les implications de ces travaux deviennent claires surtout quand nous comparons le comportement intellectuel d'un étu- diant resté au stade opérationnel concret avec celui d'un étudiant arrivé au stade opérationnel formel.

Pour commencer, il est utile de garder présent à l'esprit que'lles opéra- tions concrètes sont concrètes, du moins relativement ; leur activité de structu- ration et d'organisation est orientée vers des faits concrets et vers des évè- nements ayant lieu dans le présent immé- diat". L'étudiant opérationnel concret ne pense pas en termes de possibilités et est incapable de comprendre des concepts abstraits qui s'écartent de la réalité concrète. L'étudiant opérationnel formel, cependant, ''commenc& à penser en termes de possible et à envisager toutes les variations. Ceci le rend capable de raisonner sans accessoirks visuel$'. Dire qu'un étudiant qui n'a pas atteint le stade d'opérations formelles ne peut pas raisonner ou résoudre de problèmes est faux. Il le peut, mais le point de départ pour un étudiant opérationnel concret est toujours le réel plutôt que le potentiel. Son raisonnement est toujours basé sur les observations réelles et est limité à des extrapolations depuis ses expériences sensorielles. 11 n'envisage pas toutes les possibilités et ne consi- dère pas une observation comme étant seulement un exemple de tout ce qui est possible.

Puisque même ceux qui ont atteint un niveau d'opérations formelles reviennent à la pensée opérationnelle concrète quand ils sont dans un domaine non fami- lier, il n'est que juste de donner des

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exemples pour rendre clairesles distinctions entre ces deux niveaux.

La différence entre pensée opéra- tionnelle concrète et pensée opération- nelle formelle réside dans le fait que la première a lieu en terme8 d'expérience concrète, tandis que ce sont les mêmes opérations logiques, appliquées aux abstractions, qui caractérisent la pen- sée opérationnelle formelle. Par exemple, un étudiant qui opère à un niveau opéra- tionnel concret peut correctement répon- dre à la question "Y a-t-il plus de sphè- res vertes ou plus de sphères en plastique ?Ir apr& avoir VU le maître placer plusieurs sphères blanches et plusieurs sphères en plastique vert dans une boîte. Cependant, seuls les étudiants qui opé- rent à un niveau f o m e l répondent cor& rectement quand le professeur leur dit : quelques-unes des molécules en solution

sont bleuedt7. Un étudiant a répondu : alors toutes les molécules sont bleues".

Un second étudiant : "quelques-unes des molécules sont bleues" et un troisième : "aucune des molécules n' est bleue". Qui a raison ?

11

II

De même, des étudiants qui opèrent à un niveau concret peuvent facilement mettre en ordre des bitonnets, du ?lus court au plus long. Cependant, quand on dit : "Bill est plus grand que John, Bill est plus petit que James ; quel est le plus grand des trois ? Seuls les étudiants qui ont commencé à utiljser des opérations formelles peuvent répondre correctement.

Une fois les opérations formelles atteintes, les sujets commencent à penser en termes de possibilftés et sont capables de considérer systématfquement toutes les possibi13,tés dans une situation donnée, Un des moyens utilisés pour distinguer sujets concrets et formels consiste à présenter au sujet quatre bouteilles numérotées remplies de solution incolore (acide sulfurique dilué, eau oxygénée, eau pure, thiosulfate de SO- dium) et un flacon compte-gouttes rempli d'une solution étiquetée "g" (iodure de potassium), On demande alors au sujet d'utiliser le contenu des bouteilles nu- mérotées pour produire une couleur jaune quand "g" est ajouté. Le procédé sulvi par les étudiants au niveau opérationnel concret est la méthode par essais et erreurs, Toutes les combinaisons possi-

bles ne sont pas examinées, d'ailleurs il apparait que le sujet n'est pas capable de répertorier les combinaisons possibles, Par contre, le procédé utilisé par ceux qui sont formels est syst&ma- teque ; les cambinaisons possibles sont prises en compte méthodiquement,

Une trbisFème\ caract6rlstique des opérations formelles est la connaissance d'une nécessité logique t "toutes choses étant égales par ailleurs". Ceci: peut Stre illustré par un autre test servant à déterminer si les étudiants opèrent à un niveau opérationnel formel, Le test des baguettes flexibles consiste à donner à l'étudiant des poids et plusieurs baguettes métalliques qui diffèrent par leur longueur, leur épaisseur et leur nature. On demande alors à l'étudiant de trouver quels facteurs ont de l'influence sur la flexibilité des baguettes.

La réponse-type concrète consiste à suspendre des poids égaux sur une t?ge cgurte, 6paisse et sur une tige longue fine pour "prouver" que ''les baguettes les plus longues sont plus flexibles, Ulté- rieurement, il se peut que l'étudiant utilise le mgme matériel pour "prouver" que les tiges fines sont plus flexibles. Au contraire, l'étudiant formel contrôle les "variables", c'est-à-dire qu' il voit la nécessité, ''toutes choses étant égales par ailleurs", de faire varier certains facteurs pour en voir l'effet sur la courbure de la tige.

Bien qu'il y ait d'autres distinctions entre pensée concrète et pensée formelle, celles-ci devraient suffire.

En se fondant sur le modèle intellectuel de Piaget, Lawson a démontré que certains concepts sont compréhensi- bles pour les étudiants qui sont encore au stade concret opérationnel du déve- loppement alors que d'autres concepts sont compréhensibles seulement pour ceux qui ont atteint le stade d'opérations formelles.

Lawson a montré qu'il existe une relation directe entre l'apprentissage de concepts formels et le niveau du dé- veloppement intellectuel défini par Piaget. La figure ci-dessous montre le pourcentage des questions de niveau concret et de questions de niveau formel auxquelles ont répondu les lycéens, à

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des stades variés de leur développement intellectuel. 11 faut noter qu'aucun étudiant parvenu au stade que Lawson appelle stade post-concret n'a répondu correctement aux questions de niveau formel (il s'agit d'un niveau de transition de la pensée concrète à la pensée formelle). En outre, seuls les étudiants qui présentaient un développement réel de la pensée formelle (au-delà du niveau IIIa décrit par Piaget) étaient capables de répondre à plus de la moitié des questions de niveau formel (les pourcentages présentés dans la figure sont légèrement plus faibles puisqu'ils ont été corrigés pour éliminer l'influence du hasard),

Mais, peut-on se demander, oh est le problème ? Ce que nous enseignons actuellement en Chimie exige-t-il souvent une pensée formelle ? A mon avis, certainement et je ne suis pas seul à le penser. Robert Karplus fait un commentaire à propos du niveau de pensée nécessaire pour répondre à diverses questions sci- entifiquesg :

1 1 Je fus surpris, lorsque j'exami- nai pour la première fois 8 tests venant de professeurs de Biologie de n'y trouver aucune question susceptible à mon avis d'entraîner une pensée formelle... Alors qu'en Chimie j'en trouvais partout. Il m'était difficile de trouver des questions auxquelles on pouvait répondre à un niveau concret, sauf le rappel des faits concernant les propriétés des élé- ments et des composés.

Sans prétendre à l'exhaustivité, j'ai établi une liste des exemples de performances qui sont habituellement attendues des étudiants débutant en Chi- mie qui, à mon avis, peuvent être obtenues au stade de pensée non-formelle ; je les ai comparés ensuite avec des exemples de performances qui, je pense, devraient nécessiter une pensée formelle. Ils sont présentés dans le tableau ci- '

dessous.

En examinant cette liste, j'ai tout 3 fait conscience de mettre l'accent sur les performances correspondant à la colonne "ne peuvent pas faire". En effet, je suis très réservé chaque fois que l'une des questions d'un test n'exige qu'un effort de mémoire. D'après ce qui précède, on peut deviner que, sauf erreur de jugement de ma part, mon propre en-

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seignement de Chimie est en étroite relation avec le niveau de développement intellectuel des étudiants, tel qu'il peut être mesuré par les tests de Piaget.

Le semestre passé, 20 étudiants ont été choisisau hasard parmi ceux inscrits dans l'enseignement que je dirigeais. 17 ont subi une série de tests de Piaget sous la directim de 3 étudiants diplô- més des Sciences de 1'Education. Les ré- sultats obtenus sur cette série de tests

100 O Items concrets I Items formels

80

Pourcentage 60 d'items 5o

une reponse 40 ayant,reçu

Conc. Tronr. C w . Rnt- II0 Conc. Ilb Conc.

I Unml :1 O am. rmal

Niveau opérationnel des sujets

Comparaison des réussites aux items de niveaux concrets et formels. D 'apre's Lauson (8).

ont été corrélés avec la note obtenue sur le chapitre du cours P l'aide de la corrélation moment - produit de Pearson. Le coefficient de corrélation a été de 0,8.

Il est difficile de prédire si cette corrélation s'étendrait à d'autres cours de Chimie, mais je pense que le coefficient de corrélation serait assez élevé. Dans le cadre du travail accompli au dernier semestre, 33 collégiens ont été testés avec la même série de tests de Piaget et les points obtenus ont été corrélés avec ceuxobtenus à un examen de Chimie subi au semestre précédent. Mal- heureusement, les étudiants de cet échan- tillon n'étaient pas représentatifs de ceux d'une classe de Chimie, une grande proportion d'entre eux faisant partie des meilleurs élèves. Cette restriction sur le choix de l'échantillonnage,ainsi que l'intervalle de temps entre le passage de l'examen de Chimie et les tests de Piaget, devraient entra?ner un coefficient de corrélation plus faible que celui correspondant à la réalité. Or, on trouve 0,7 ce qui est assez élevé.

Ceci démontre à l'évidence que parmi les étudiants de premier cycle une forte proportion ne fonctionne pas au niveau formel, peut-être jusqu'à 50 Z des étudfants non-scientifiques ; cependant, le contenu de la Chimie et l'enseignement que nous ën'faisons habituellement exigent de l'étudiant qu'il opère à un niveau formel s'il veut saisir les concepts pré- sentés. Si ce que je dis est vrai, alors il y a un problème. A vrai dire, je Pen- se qu'on sera moins d'accord avec mon "si" qu'avec mon ''alors''. Mon collègue Derek Davenport a évoqué les mêmes pro- blèmes bien que nous arrivions à des conclusions Identiques par des vo2es tout à fait différentes, Pour citer Derek "Pendant la période des retombées de Spoutnlk, le contenu des cours de Chimie a été complètement modiffé, C'était une bonne chose car on avait accumulé un fatras inutile. En même temps, le niveau intellectuel s'est élevé au point que la moyenne des étudiants (et un bon nombre d'Assistants) s'est trouvée souvent com- plstement coupée de la réalité. Des ga$ts inconnus ont été expliqués par des th&-- m'es hermétiques, ce qui pvovoqua pTus ou moins Ze chaos. Comme la "Reine Rouge", on devait courir vite pour simplement rester à la meme place et deux fois plus vite pour rivaliser avec l'avant-garde" (12) (c'est moi qui souligne).

Dans la mesure OÙ l'ensejgnement scientifique a été modifié, dans le sens d'une explication de faits chimiques, que les étudiants n'ont pas l'occas%on d'ex- périmenter,à l'aide de théories fmpéné- trables, l'Enseignement Scientifique est devenu compliqué pour ces "lions" étu- diants qui ne peuvent pas comprendre les abstractions. Mai's à mon avEs, une grande part de la Chimie "estff abstraction. La tentation de revenir à un cours basé sur la mémorisation pure et simple d'un catalogue de notions chimiques descriptibes me répugne autant que le fait de persé- vérer dans des cours basés sur la m h o - risation pure et simple d'une théorie hermétique. La solution, à mon av$s, est de reconnaître pourquoi la théorie est hermétique ; c'est-à-dire, reconnaître qu'une grande part de nos étudiants travaille à un niveau inférieur au niveau de la pensée formelle et aborde l'enseignement de la Chimie d'une façon telle qu'il faut soit contourner le problème, soit le maitriser. Nous pouvons contourner le problème si nous essayons

de rendre notre enseignement accessible à ceux des étudiants qui ne sont pas au niveau de la pensée formelle. Nous pouvons le maitriser si nous encourageons et aidons les étudiants à atteindre ce niveau. Je veux maintenant traiter ces deux aspects.

Laissez-moi préciser ce que je veux dire par rendre la matière accessible 2 l'étudiant de niveau concret. Dans le tableau ci-dessus, je suggère que le concept d'acide considéré comme quelque chose qui fait virer au rouge le papier tournesol est un concept concret. La signification du concept est facilement appréhendée 2 partir d'observations sensorielles et nécessite de simples compétences de classification. Mais j'ai suggéré aussi que le concept d'acide en tant que substance qui libère des ions hjrdrosène dans l'eau (Arrhenius ), en tant que donneur de protons (Brbnsted - Lowry), ou en tant qu'accepteur de paires d'électrons (Lewis) est formel. Ces conceptions d'un acide ne peuvent pas être appréhendées directement à partir d'observations sensorielles puisqu'il n'y a pas de moyens de ressentir des protons ou des paires d'électrons. Ces concepts ne prennent leur signification que par l'idée ou par la compréhension logique que l'on a de la nature des molécules qui réagissent.

Avant d'aller plus loin, laissez- moi adresser un avertissement à ceux d'entre vous qui disent : "c'est de la foutaise ! Je n'ai pas de peine à enseigner aux étudiants les théories de Brdnsted-Lowry ou de Lewis concernant les acides et les bases".

Avant de conclure aussi rapidement, prenez soin de vous assurer que les étu- diants qui ont "étudié" ces concepts ne sont pas seulement en train de rabacher des mots sans en saisir le sens. Ce dont il s'agit ici est d'apprendre en compre- prenant et non d'apprendre par coeur.

J'ai suggéré - et je crois - que les concepts formels ne sont pas réellement accessibles aux étudiants non-formels dans leur pensée, mais ce que'je crois aussi vraiment c'est que nous pouvons leur permettre d'acquérir des concepts de remplacement qui peuvent se substituer aux concepts réels, afin qu'ils puissent appréhender un certain nombre (mais pas

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tous) des problèmes dont nous les grati- fions et faire plus tard sans trop de difficultés la transition entre ces con? cepts de remplacement et les concepts exacts. La solution, je pense, est de proposer systématiquement l'usage d'accessoires concrets représentant un modè- le du concept abstrait. Nous le faisons déjà, mais pas assez. Par exemple, je pense que nous pouvons très bien faire acquérir aux étudiants le concept d'acide en utilisant largement des modèles matériels oh une boule représente un proton qu'on est en train d'enlever à un substrat acide. Le modèle est concret et l'étudiant peut imaginer le processus que nous décrivons d'après ce modèle.

En plus des modèles matériels mani- pulés par l'étudiant, on peut utiliser des films pour fournir des modèles macroscopiques de systèmes microscopiques. Plusieurs exemples de tels modèles peuvent être vus dans les fllms de Chem Study, par exemple l'utilisation d'un bassin à vagues pour expliquer les fran- ges d'interférences dans "cristaux et structure cristalline", l'utilisation de modèles moléculaires pour décrire l'absorption de l'énergie des ondes dans Il Spectroscopie moléculaire" et l'anima- tion utilisée pour décrire le comportement des molécules dans "TntroductJon à la Cinétique des réactions". Il est probable que le concept développé par 1'6- tudiant voyant de tels modèles n'est pas exactement le concept que nous essayons d'enseigner mais il en est une approximation raisonnable et il a une utilité considérable dans le traitement de pro- blèmes variés auxquels l'étudiant peut être confronté.

Il est évident que les possibilités d'utilisation des modèles matériels ayant pour but d'aider à comprendre les concepts abstraits en Chimie sont très vastes. Pour l'enseignant (qui est sûr d'être formel dans sa pensée) ce qui demande de l'imagination, c'est de se rendre compte qu'il est important de consacrer du temps et des efforts à jouer avec des boules et des bâtonnets et d'y faire jouer les étudiants. Mais il est facile de prouver que ce temps supplé- mentaire est bien employé, à moins que l'on ne soit intéressé que par des étu- diants qui apprennent par coeur des fragments d'informations. Dans une étude faite dans l'Ouest de la Virginie, on a

trouvé que des étudiants auxquels on demandait de construire des modèles ma- tériels pour représenter les réactifs et les produits intervenant dans chaque équation discutée en cours obtenaient dans tous les tests faits pendant le semestre une note d'environ 24 % plus éle- vée que les étudiants qui n'utilisaient pas les modèles. On a remarqué que pour les questions mesurant seulement la mé- morisation, les étudiants qui n'utilisaient pas les modèles avaient des ré- sultats légèrement meilleurs (environ 5 %), mais que pour les questions qui nécessitaient une pensée logique, les étudiants qui avaient utilisé les modèles obtenaient des notes de 30 à 65 % plus élevées. Dans un test de rétention des connaissances proposé au deuxième semestre aux étudiants qui continuaient le cours, la différence entre les deux groupes étatt pratiquement la même.

D'autres stratégies peuvent être utilisées dans l'enseignement de la Chi- mie pour rendre le sujet plus accessible aux étudiants ayant une façon d'appré- hender pas tout à fait formelle. On peut aborder certains concepts de plusieurs façons et dans certains cas telle approche fait plus appel 3 une pensée formelle que telle autre. Par exemple, je dirais que la présentation de l'oxydo-réduction en tant que perte et gain d'électrons nécessite une pensée formelle tandis que la présentation de l'oxydo-réduction en termes d'augmentation ou de diminution du nombre d'oxydation ne fait appel qu'a une pensée concrète. A première vue, ceci peut paraître présomptueux puisque les deux définitions du concept sont en termes de gain ou de perte. Mais on peut considérer que le nombre d'oxydation se présente comme un système de comptabili- té dans lequel l'étudiant apprend un ensemble de règles qui s'appliquent facilement pour trouver le nombre d'oxydations d'un atome et ensuite la variation de ce nombre. L'étudiant n'a pas à faire intervenir son imagination au sujet de la nature des atomes(qui ne sont pas du tout concrets) pour appliquer les règles qui servent à équilibrer les équations d'oxydo-réduction ou pour arriver aux conclusions que nous voulons leur faire découvrir au cours de l'enseignement. En outre l'enseignement de l'oxyda-réduction fait de cette façon n'interfère pas avec l'association faite plus tard par l'étu- diant entre l'oxydation et la perte

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Compétences ordinairement attendues des étudiants de Chimie généraleet qui sont .à la portée de ceux qui n'ont pas atteint un niveau formel

opérationnel.

Ce que les étudiants qui n'ont pas atteint un niveau d'opérations formelles peuvent un niveau d'opérations formelles ne faire peuvent pas faire

Ce que les étudiants qui n'ont pas atteint

1. Toute mesure de routine ou observa- 1. Mesures de densité, de chaleurs de réaction et d'autres grandeurs "déri- vées" qui ne sont pas observées directement.

tion

2. Faire des déductions qui sont des extrapolations directes d'observations : c'est-à-dire, "les objets en bois brûlent" déduction obtenue de l'observation de plusieurs objets en bois qui brûlent.

3. Comprendre l'idée selon laquelle le rapport de la masse (ou du volume) de l'hydrogène à la masse de l'oxygène dans l'eau est constant. (Ceci peut être présenté dans la colonne l'peut faire'' à condition que cette idée soit développée à partir d'une observation réelle de données ou à partir d'un procédé qui rend l'étudiant capable de comprendre la source des données.

4. Construire des courbes de refroidissement pour des substances pures ou im- pures et déduire de la forme de la courbe de refroidissement d'une substance inconnue que celle-ci est pure ou impure.

5. D'après la description du comportement d'un gaz utilisant un modèle physique (telque lesimulateur dynamique molécu- laire), prédire les effets d'une augmentation de température sur l'éner- gie cinétique moyenne et la distribution des énergies parmi les mo- lécules d'un gaz.

6. La notion de molarité étant connue, préparer 1000 ml d'une solution 1 M.

7. Suivre une série de règles pour trouver la formule empirique d'un composé,

8. Concevoir le poids atomique comme la masse d'un nombre donné d'atomes ;

2. Tirer les conclusions qui sont "doublement é1oignées"des observations. Par exemple : le pa ier, le bais et l'essence brûlent ; ce sont des composés carbonés ; les composés car- bonés brûlent.

3. Montrer que puisque les rapports des masses et les rapports des volumes restent constants pour des substances telles que l'eau, on est conduit à la conclusion que les composés peuvent être représentés comme des particules constituées d'atomes combinés en des proportions définies.

4. Expliquer d'où provient le palier dans la courbe de refroidissement d'une substance pure durant le changement de phase.

5. En utilisant les postulatsdela thédrie cinétique, prédire sous quelles con- tions de température et de pression les gaz réels n'obéiront pas à la loi des gaz parfaits.

6. La notion de molarité étant connue, préparer 25 ml d'une solution 2,5 M. Préparer 1000 ml d'une solution 0,25 M 3 partir d'une solution mère 3 M.

-

7. Comprendre pourquoi on obtient des formules empiriques en suivant les règles.

8. Concevoir le poids atomique comme le rapport de la masse d'un atome à la

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c'est-à-dire, le poids atomique est le poids (masse) de 602 O00 O00 O00 O00 O00 O00 O00 atomes.

9. Utiliser le symbole correct pour ré- soudre des problèmes dans les cas où les unités fournissent une indication sur les opérations à effectuer.

10. Equilibrer les équations, écrire les formules, calculer les poids molécu- laires... en appliquant des séries de règles.

1 1 . Concevoir un acide comme une substance qui fait virer le tournesol au rouge.

12. Démontrer qu'une solution contient des ions en mesurant la conductivité électrique ; mesurer le courant passant dans une solution ; montrer que la masse du métal déposée sur une électrode augmente régulièrement avec le courant ou avec le temps.

13. Appliquer les règles concernant lesvi- tesses de réaction pour prévoir les changements devitesse qui résulte- raient d'une variation de température et de concentration.

14. Observer l'effet d'un changement de température, de concentration ou de pression dans la concentration d'un constituant du système originellement à l'équilibre et prévoir la nature du système lorsque des modifications supplémentaires du même type sont faites.

15. Connaissant le volume de base néces- saire pour neutraliser 1 g d'acide, calculer le volume de base nécessai- re pour neutraliser une certaine quantité d'acide.

16. Placer différents métaux dans une solution contenant un ion métallique et utiliser les données pour déter- miner la place de ces métaux par rapport au métal en solution. (commencer en établissant un ordre des activités)

masse d'un autre atome qui est choisi comme référence.

9. Utiliser rapportset proportions pour résoudre les problèmes que l'on pourra rapporter à un problème type qui a été mémorisé.

10. Trouver les règles pour équilibrer les réactions, écrire les formules etc... à partir de principes géné- raux tels que la loi de conservation de la masse ou la loi des proportions déf hies.

1 1 . Concevoir un acide comme un donneur de protons ou un accepteur de paires d'électrons.

12. Prédire les changements dans la du- rée qui seraient nécessaires pour compenser un changement observé dans l'intensité du courant ; utiliser la quantité d'électricité et le temps pour calculer le nombre d'atomes de métal déposés.

13. Expliquer l'effet des changements de température ou de concentration en utilisant la théorie des collisions.

14. Prédire l'efsét sur d'autres compo- mtsdu système quand ces mêmes va- riatians de température, de pression ou de Concentration sont faites. A partir de l'expression de la constante d'équilibre, prédire l'effet sur la concentration d'un constituant du sytème,d'un changement dans la concentration d'un autre constituant.

15. Connaissant la concentration d'une base et le volume nécessaire pour neutraliser un volume donné d'acide, calculer la concentration de l'acide.

16. Utiliser les données d'une série d'expériences telles que celles où les métaux apparaissent seulement sous forme ionique tandis que d'autres apparaissent comme des métaux pour établirun ordre des activités).

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Aucune des rubxiques ci-dessus n'a été testée pour établir que Zes sujets de niveau opérationnel concret peuvent réussir Zes opérations notées dans la colonne de gauche, alors que les opérations notées dans la colonne de droite ne peuvent e'tre accomplies que par les sujets de niveau ope'rationnel formel. Cette liste est fondée sur une différence hypothétique faite d'apre's le jugement personnel de 1 'auteur quant à l'activité mentaZe nécessaire pour chaque opération. A noter que cette dichotomie inte lltimtue 2 le constitue une division commode d 'un tout. En conséquence de chacune des Zistes varient -en difficuzté.

les tests

d'électrons quand, par exemple en élec- trochimie,des observations concrètes peuvent amener l'étudiant à la conclusion que l'augmentation du nombre d'oxydation d'un atome peut être la conséquence d'une perte d'électrons. Au contraire, pour comprendre l'oxydation en termes de perte d'électrons, il faut imaginer quelque chose qui n'a jamais été vu et comprendre un système de postulat - déduc- tion, en fait la théorie atomique. Donc il me semble que ce concept d'oxydation ne peut être compris que par les étudi- ants de niveau opérationnel formel,

La méthode quelquefois appelée analyse dimensionnelle(ou analyse des uni- tés) est largement utilisée pour résou- dre les problèmes de Chimie.p&rce que les enseignants qui l'ont essayiktrou- vent qu'elle est efficace tandis que les notions de rapport et de proportion sont souvent une source de confusion pour les étudiants. Pour qu'un étudiant applique correctement et avec logique la méthode des rapports et des proportions aux pro- blèmes chimiques, il doit posséder une pensée formelle. Puisque tous les pro- blèmes stoechiométriques comportent le concept de rapports et de proportions, je suis convaincu que tout étudiant qui comprend pleinement ce qui se passe agit en fait à un niveau formel, quelle que soit sa façon de résoudre le problème. Mais l'analyse dimensionnelle fournit un procédé accessible presque à un imbécile pour résoudre correctement les problèmes stoechiométriques, sans la nécessité d'une pensée formelle. De plus, et je considère que c'est très important, ce procédé organise les données chimiques du problème de façon à amener l'étudiant à voir le raisonnement qui caractérise la solution. En dernier lieu, il n'inter- fère pas avec la perception des rapports logiques impliqués dans l'équation et admis dans la résolution du problème.

Je suis fermement convaincu que nous pouvons trouver beaucoup d'autres sujets de Chimie, généralement présentés d'une manière qui demande une pensée formelle, qui pourraient être présentés d'une fa- çon telle qu'un substitut raisonnable de l'idée soit accessible aux étudiants n'ayant pas atteint le niveau des opéra- tions formelles. Cependant, je crois qu'il est fallacieux de penser que quelqu'un qui ne possède pas le niveau de la pensée formelle puisse l'comprendre'' la Chimie. La Chimie et la plupart des ma- tières scientifiques sont formelles par nature. Une fois reconnu ce point, nous ne pouvons pas continuer à éluder la responsabilité qui nous incombe de dé- velopper la pensée formelle.

Puisque Piaget suggère que les étu- diants devraient développer une pensée formelle vers 1'8ge de 15 ans et puisque nous savons que beaucoup de gens le font, nous pourrions nous demander "pourquoi la moitié environ des étudiants non-scientifiques de premier cycle ne présen- tent-ils pas une pensée opérationnelle formelle ?" Une explication possible que l'on ne doit pas totalement ignorer, est l'héritage génétique. Cependant, il existe plusieurs observationsipar exemple une plus grande proportion de garçons que de filles présente une pensée formelle) qui suggèrent d'autres raisons. Plusieurs études ont montré que l'éducation peut conduire à une amélioration de la pensée formelle3. Nous sommes au stade prélimi- naire de la recherche dans ce domaine, mais certains faits cohérents semblent émerger. En premier lieu, l'inclusion d'expériences concrètes - c'est-à-dire de possibilités de toucher, sentir, voir et manipuler effectivement les matériels qui amèneraient au concept - semble être importante.Mais les expériences concrètes ne sont pas particulièrement utiles si l'étudiant ne fait que toucher, sentir, voir et manipuler sans être forcé de penser à ce qu'il fait. C'est bien

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ce qui se passe dans la plupart de nos travaux pratiques et ne semble pas très efficace. 11 apparaftrait que les expé- riences pédagogiques qui encouragent les échanges d'idées abstraites et la mise en question des preuves et qui poussent à donner une "signification" aux faits observés sont celles qui conduisent au développement de la pensée formelle. Mais ces expériences pédagogiques exigent du temps, nécessitent une grande part d'interactions entre étudiants ou entre enseignants et étudiants et sont difficiles à supporter à la fois pour l'étudiant et l'enseignant. Les étudiants qui n'ont pas encore atteint un niveau opérationnel formel trouvent très probablement l'expérience si frustrante qu'ils veulent abandonner?et l'enseignant a tendance à considérer ces étudiants comme trop stupides pour comprendre la matière quelle qu'elle soit. S'il s'agit d'un enseignement principal, les étudiants vont échouer faute de pouvoir le supporter, alors qu'ils le devraient. S'il s'agit d'un enseignement annexe destiné aux futurs maîtres d'école primaire, in- firmières ou diplômés d'économie domestique, la réaction habituelle est de faire l'hypothèse que ces individus sont trop sots ou trop peu intéressés pour comprendre la Chimie. L'enseignement est alors fait de soste que seule compte la mémorisation d'informations qui ont peu de signification pour l'étudiant. Si l'étudiant fait un effort raisonnable et se débrouille pour se rappeler une bonne partie de la matière à apprendre sans le faire de façon trop confuse, il obtient le bénéfice du doute et est reçu à l'examen.

Nous semblons être dans un cercle vicieux. Nous présentons la matière à un niveau abstrait avec trop peu de supports concrets même pour les meilleurs étudiants parce que les étudiants sont intellectuellement incapables de comprendre les idées, ils mémorisent ; nous faisons un test à partir duquel nous découvrons que les étudiants n'ont appris que ce qui pouvait être appris par coeur ; nous en concluons que les étudiants ne peuvent pas réellement penser et que nous ferions mieux de nous contenter d'enseigner ce qui peut être appris par coeur ; comme nous limitons notre enseignement à ce qui demande de la mémoire, les étudiants ne sont jamais obligés de développer leur intellect jusqu'au niveau des opé-

rations formelles,et comme ils ne déve- loppent pas leur pensze jusqu'à ce niveau d'opérations formelles, ils ne comprennent pas la matière abstraite que nous leur présentons.

Je crois que nous pouvons faire des progrès considérables dans l'enseignement de la Chimie aux étudiants non-scienti- f iques en reconnaissant qu'un grand nombre d'idées sont présentées d'une ma- nière qui nécessite une pensée formelle pour arriver à une compréhension même approximative du concept. Il est possible de rechercher d'autres approches vers ces idées qui se fondent moins sur des opé- rations formelles. Cependant, puisque la science est formelle par nature, nous devons faire aussi un effort consciencieux pour accroître le développement intellectuel des étudiants de premier cycle. Il ne faut pas supposer que les bons'' étudiants sont formels mais il faut certainement les aider à le devenir. 11

86

Bibliographie

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87

L'équilibre chimique et ses difficultés conceptuelles A. H. Johnstone, J. J. MacDonald et G. Webb

Cet article est basé sur une étude (1) de la nature et de l'origine des difficultés conceptuelles rencontrées par les élèves étudiant le concept d'équilibre chimique en vue de l'obtention du baccalauréat (Scottish Certifi- cate of Education In Higher Grade) (2), et du certificat supérieur (Certificate of Sixth Year Studies) (3), en chimie. Les difficultés de compréhension relatives au programme du deuxième bacca- lauréat sont analysées dans cet article; les difficultés relatives au certificat supérieur seront examinées plus tard.

Une approche cinétique de l'équi- libre chimique est adoptée au niveau du baccalauréat. Les élèves commencent par étudier les facteurs qui déterminent la vitesse de réaction : concentration, température, lumière, pression, état de division et catalyse,

Ceci conduit à la formulation de la théorie des collisions, selon laquelle les collisions bimoléculaires existent et doivent être assez énergétiques et de préférence orientées correctement, pour que la réaction ait lieu. Les notions de complexe activé et d'énergie d'activation sont introduites. L'équilibre chimique est présenté comme un équilibre dynamique, qualitativement décrit comme un système de composition constante dans lequel ont lieu simultanément et continuellement des réactions dans les deux sens avec la même vitesse. Le système à l'équilibre est le même quelque soit le point de départ, et ne peut être établi que dans un

récipient fermé. La démarche de principe suivie dans 1 'approche cinétique au niveau du baccalauréat es t indiquée dans la figure numéro 1.

Figure 1 - De'marche de principe concernant l'approche cine'tique au niveau du baccalaurdat .

Equil ibre chimique

Vitesses de 'réaction égales et opposées

Etape Energie dé terminan te d ' activation

\ Mé can i sme de la réaction

\ Théorie

1 \ \ des

collisions - Variation

d'enthalpie

?f implique la rever- s ib ilitë étudiée avant le niveau du

S t o ech icm6 t r i e Equation chimique

baccalauréat

Conservation de la Réaction chimique

Conservation du nombre

88 Reproduit avec l'autorisation de YEducation in Chemistry, vol. 14, no 6, novembre 1977, p. 169-71.

Une recherche effectuée dans la littérature (4-9)a révélé plusieurs domaines présentant des difficultés conceptuelles et une enquête menée parmi les enseignants et parmi d'autres personnes concernées par l'enseignement de la chimie a suggéré quelques autres difficul tés *

Après quelques études préliminaires,

multiple a été un test sur l'approche cinétique comprenant 23 questions à choix préparé pour dé terminer 1 ' é tendue des idéès fausses. Pour chaque question on proposait 4 réponses A, B, C et D dont une seule 6tait correcte ; de plus une réponse E dans chaque question pour minimiser l'influence du hasard.

Le test a été distribué immédiate- ment après les examens du baccalauréat à 255 élèves de 13 écoles secondaires de toute 1'Ecosse.

Les données concernant 1 'échantil- lon des élèves et leurs programmes dans le test sur l'approche cinétique sont présentées dans le tableau 1.

"Ne sait pas" était proposée

Difficultés conceptuelles

Plusieurs domaines où se rencontrent des difficultés conceptuelles ont été mis en évidence par cette étude. En voici quelques uns : , Notion de côté droit et de côté gauche d'un équilibre.

, Interprétation de la convention de la flèche inverse.

, Influence des variables sur les systèmes àI'Cquilibre, y compris la loi de Le Chatelier et l'hydrolyse des sels.

. Catalyse. , En,ergie.

Notion de côtd droit et de côtd gauche. Les élèves ont eu à résoudre le

problème suivant, La bonne réponse est notée *, et le pourcentage des élèves choisissant chaque réponse est indiqué, Dans le système classique de Haber à l'équilibre :

Une augmentation de la pression des produits à droite seulement de l'équi- libre déplacera celui-ci vers la gauche.

Quel commentaire de cette phrase choisissez-vous ? 20 % A : c'est correct. 28 Z B : c'est incorrect. L'équilibre

N2(g) + 3H2(g) =+ 2NH3(g)

*21% c :

1 9 Z D :

1 2 % E :

(Pouvoir

serait en fait déplacé vers la droite. c'est complètement déraisonnable c 'est irréalisable. c'est juste tant que l'hydrogène et l'azote sont éliminés continuellement. je ne sais pas quelle réponse choisir. de. discrimination 0,27).

Les résultats obtenus à cette question fournissent matière à s'inquié- ter, A peu près 4 élèves sur 5, terminant le cours du niveau 4 semblent visualiser les systèmes en équilibre comme étant constitués de deux compartiments séparés et indépendants plutôt que d'un seul ; ou, au mieux, ils n'en sont pas sûrs. Ceci les conduit à des déductions fausses dans ce problème.

Quelle est l'origine de cette conception erronée de ''côté droit et de côté gauche". On peut seulement soupçon- ner que quelques-uns des divers moyens employés pour introduire et développer la notion d'équilibre chimique, aboutissent sans le vouloir à ce que les élèves aient une représentation à deux compartiments du système en équilibre. C'est un principe fondamental de la psychologie de l'apprentissage d'Ausubel (10) qu'un sujet nouveau présenté à un élève est initialement rattaché à la partie de sa structure cognitive du moment à laquelle la nouvelle notion ressemble ou paraît ressembler. Ce faisant l'élève peut modifier le nouveau concept pour le faire s'adapter à sa structure cognitive et ceci peut conduire à une mauvaise inter- prétation. 11 semble qu'il y ait plusieurs occasions où ce phénomène peut se produire dans l'enseignement de l'équilibre chimique

Les élèves arrivent à l'étude de l'équilibre chimique avec l'image déjà bien établie et consolidée d'un équili- bre statique à deux côtés, image qu'ils ont formée à partir d'expériences en mécanique et en physique. A moins de prendre expressément soin d'attirer l'attention sur les différences qui existent entre cette notion en chimie et cette mê-ne notion en physique, plus intuitive, les élèves peuvent implicitement - et à juste titre - interpréter ce que dit l'enseignant sur l'équilibre chimique en fonction de ce qu'ils savent déjà sur les équilibres physiques ; et il en résulte une image d'un équilibre statique ayant les deux côtés figés.

89

Tableau 1. Composition de l'échantillon et performances des élèves.

~. .

Sous groupe Groupe entier 1 2

Groupe de la chimie de niveau O A B o u c Nombre d'élèves 182 73 255 Moyenne obtenue dans le test sur l'appro- Che cinétique 10,2 6,7 9,2 Ecart - type 3,6 2,5 3,8

Coefficient de fiabilité (Kuder-Richar- dson) 0,71 Coefficient bisérial de corrélation entre les résultats au test et la performance précédente à l'examen au niveau O, (c'est une mesure de la validité de ce test) 0,54. -

L'utilisation de l'équation chimique avec la flèche inverse placée au milieu de l'équation contribue aussi à renforcer cette représentation avec les deux côtés séparés. Les élèves risquent encore de faire l'hypothèse implicite de l'équilibre à deux côtés. Malheureuse- ment, ils ne vont pas dire qu'ils l'ont faite et l'enseignant est pratiquement ignorant de ce qui s'est passé. Les élèves ont probablement tendance à supposer que l'enseignant a voulu dire précisément ce qu'ils pensent.

. Diverses analogies physiques sont utilisées pour faire passer le concept d'équilibre chimique. (Tableau 2). Quelques une d'entre elles et en particulier les deux plus connues (Numéro 1 et Numéro 4), font intervenir en réalité deux côtés. Par conséquent, il n'est pas surprenant que les élèves fassent des' hypothèses implicites sur la notion de côtés gauche et droit de l'équilibre. En fait on peut même trouver surprenant que certains ne le fassent pas.

Tableau 2. Analogies avec l'équilibre

1.

2,

3.

4.

5.

90

chimique.

De l'eau est transvasée entre deux récipients par différents béchers. Souris sautent d'un récipient dans l'autre, dans les deux sens. Deux bocaux de poissons rouges communicants. Boîte d'enthalpie fonctionnant sous ventilation avec des niveaux ajus- tables de "réactif" et de "produit". Une balançoire simple.

6. 7.

8.

9.

10. 1 1 . 12.

Une balance mécanique. Un élève marchant h contre-sens sur un escalier mécanique. Un évier dans lequel l'eau entre et d'où elle sort à la même vitesse. Elèves dont certains entrent dans la classe pendant que d'autres sortent. Nageur nageant à contre-courant. Danse h 1'Ecole. El èves "moléculaires " . . Quelques systèmes réels en équi-

libre possèdent eux-mêmes deux côtés distincts : le partage de l'iode entre deux solvants et l'équilibre entre le monochlorure et le trichlorure d'iode dans lequel ce dernier est apparemment transféré dans la partie supérieure du tube, tandis que le premier reste dans la partie inférieure, consolident probablement cette représentation d'un système en équilibre .

, Les variations d'enthalpie sont souvent représentées à l'aide d'un dia- grannne qui montre un côté gauche et un côté droit à différents niveaux, avec une barrière entre les deux.

Par conséquent, l'élève peut se faire d'un système en équilibre, une image fausse dont l'enseignant est tout à fait inconscient, image qui peut l'amener à des conclusions fausses dans les problèmes auxquels il est confronté et à imaginer par exemple, que la pression du côté droit d'un système h l'équilibre peut être augmentée sans augmenter la pression du côté gauche. Ce raisonnement peut être probablement étendu à d'autres variables telles que la température et la concentration (qui n'ont pas été testées dans cette étude).

Quelle est alors la réponse ? Elle est d'être conscient du genre d'hypothèses que les élèves feront probablement dans des circonstances données pendant le cours et de les éliminer vigoureusement dès qu'elles apparaissent. Ceci pourrait sembler exiger de l'enseignant un sixième sens pour lire les pensées des élèves, mais ce n'est peut-être pas trop difficile, si les enseignants sont conscients des types d'hypothèses que les élèves sont susceptibles de faire.

modifier son approche de façon à ne pas engendrer en premier lieu de mauvaises

Ou encore l'enseignant pourrait

interprétations. Ceci est particulière- ment le cas lors de l'emploi des analogies ; celles qui peuvent donner lieu B une interprétation erronée. doivent peut-être être évitdes. Ainsi les analogies l à 6 (tableau 2) créent peut- être plus de problèmes qu'elles n'en résolvent. Ces analogies sont très proches de ce qu'elles prétendent expliquer et sont donc susceptibles d'être confon- dues par les élèves avec le véritable équilibre chimique. Ceci impliquerait que les analogies les plus sûres sont, ou bien si bloignées du problème réel de l'équilibre qu'il n'y a pas de danger de confusion, ou bien, si proches qu'il n'y a pas de possibilité de con- tradiction. Malheureusement, il y a relativement peu de ces analogies "plus sûres".

Interpre'tation de ta convention de la f lèchë inverse.

On a présenté aux élèves le me suivant. Comparer les équilibres suivants

1. C H NH (as) + H20(aq) -6, 2 5 2 c2H5m3+ (as) +

2. NH3(aq) + H20(aq)- -b

et dire laquelle des réponses suivantes est correcte.

30 % A

I I % B

*15% c

14 % D

30 % E

Dans les deux cas la vitesse de la réaction inverse est plus grande que celle de la réaction directe . La vitesse de la réaction directe dans 1 est plus grande que la vitesse de la réaction directe dans 2 . Dans les deux cas les vitesses des réactions directe et inverse sont égales et le système 1 contient un pourcentage plus élevé de produits que le système 2 Le pourcentage des réactifs dans chaque système est le même. Je ne sais pas laquelle de ces réponses est correcte,

pouvoir de discrimination = 0,22). Dans cette question on cherchait 3

préciser le sens donné par les élèves au symbole de la flèche inverse, dans le cas OÙ les flèches directe et inverse ne sont pas de même longueur,

Ceci montre que les élèves admettent seulement superficiellement qu'à l'équilibre les vitesses sont égales et opposées ; 15 X seulement ont choisi la réponse correcte dans la situation ci- dessus. La réponse A est très fréquente. La flèche la plus longue est interprétée comme impliquant à l'équilibre une vitesse plus grande de la réaction dans ce sens, ce qui est impossible. Même la réponse B illustre la même tendance 8 assimiler la longueur de la flèche à la vitesse de la réaction.

Effets des variabtes, On a posé aux élèves diverses

questions qui ont permis de tester leur capacité, de prévoir l'évolution de la composition d'un mélange à l'équilibre lorsqu'il est soumis à une contrainte telle que l'augmentation de la tempéra- ture ou de la pression, ou encore lorsqu'on fait varier la concentration d'un des produits du mélange,

Les questions ont été relativement bien traitées mais il est apparu que le raisonnement du type Le Chatelier était difficile pour la majorité des élèves. Les deux questions concernant la varia - tion de la concentration dans le cas d'une hydrolyse avaient pratiquement le même pouvoir de discrimination, le plus élevé de toute l'épreuve. Seuls les élèves les plus brillants étaient capables d'aboutir, par des raisonnements du type Le Chatelier, à une bonne conclusion.

à tester l'aptitude des élèves à appliquer le Principe de Le Chatelier, l'une demandait de prévoir l'influence de l'augmentation de la température sur un mélange à l'équilibre de N O et de NO2, enfermé dans une ampoule de volume constant. Cette question a plutôt été posée pour vérifier la faillite du Frincipe de Le Chatelier que pour tester l'incompré- hension des élèves. En effet peu près un élève sur deux a raisonné correctement sur l'influence de la température et pourtant presqu'aucun n'a été capable de dire que l'augmentation de la pression qui découle naturellement de l'augmentation de la température n'avait aucun effet sur le mélange. Ce résultat est plutôt à mettre au passif du Principe que des élèves, car c'est un point trop délicat pour des élèves du niveau-H. Presque tous les élèves sont victimes

Parmi les six questions destinées

2 4

91

de l'interprétation erronée qui consiste à dire que l'augmentation de la pression (dÛe au fait que l'on chauffe le système à volume constant) fait varier la composition d'un mélange de façon à faire diminuer la pression.

Cata Zyss. Les élèves souffrent à différents

degrés de plusieurs conception erronées relatives à l'action et à l'effet des catalyseurs sur les vitesses de réaction et sur les systèmes à l'équilibre : "les catalyseurs n'ont aucun effet sur la vitesse de la réaction inverse" ,

la réaction inverse", "les catalyseurs provoquent une augmentation du pourcentage de produits dans le mélange à l'équilibre'', et "les catalyseurs peuvent être employés pour déplacer l'équilibre dans le sens désiré".

les catalyseurs diminuent la vitesse de 11

Energi e . La majorité des élèves ont des

difficultés à faire la différence entre l'énergie potentielle et l'énergie ciné- tique au niveau moléculaire ; et beaucoup n'apprécient pas bien la variation des vitesses des molécules. La majorité des élèves ne possède pas encore la notion de la conservation de 1'Energie.

Pourquoi ces difficultés conceptuelles existent-elles ?

Il est probable que même avec un enseignement idéal, un nombre important d'élèves éprouverait encore des difficul- tés à saisir la notion d'équilibre chimique, à cause du caractère abstrait inhé- rent au sujet. Dans des situations moins idéales c'est-à-dire dans toutes les situations réelles, surgissent des difficultés conceptuelles qui auraient pu être évitées. Ces difficultés peuvent provenir d'un enseignement mal fait, mais c'est probablement assez rare. Une interprétation fausse de l'effet de l'augmentation de la pression à volume constant pourrait entrer dans cette catégorie, mais les enseignants Ecossais ne traitent pas assez à fond cette partie du programme pour que cette conception soit éliminée. Cependant, elle existe et c'est donc qu'il y a un pro- blème.

Il est plus probable qu'une interprétation erronée résulte d'une hypothèse implicite faite par l'élève d'après ce qu'il pense que l'enseignant sous-entend et non pas d'après ce que l'enseignant veut dire réellement, hypo- thèse implicite dont l'enseignant est tout à fait inconscient. Ceci rendrait compte des malentendus sur des notions comme les côtés gauche et droit de l'équilibre, le symbole de la flèche inverse et la catalyse en général.

Le caractère abstrait du concept d'équilibre chimique expliquerait la difficulté fondamentale rencontrée par beaucoup d'élèves, particulièrement ceux qui sont moins scolaires, pour assimiler le concept d'équilibre dynamique, pour faire la différence entre les situations d'équilibre et les situations hors d'équilibre, pour traiter des problèmes du type Le Chatelier et pour tenir compte des problèmes d'énergie en géné- ral.

Comment peuvent être évitées ces difficultés conceptuelles ?

Les cas d'enseignement imprécis peuvent être facilement corrigés. En ce qui concerne la variable pression et l'erreur prcjvenant d'une mauvaise application du Principe de Le Chatelier, une solution serait peut-être de traiter à fond ce Principe en insistant davantage sur ses limitations qualitatives, Cependant, nous ne pensons pas que ce soit à conseiller au niveau -H. Une autre solution serait d'abandonner (partiellement ou comp1ètement)le Principe et de le remplacer par l'expression de la constante d'équilibre représentant la loi d'équili- bre, traitée d'une manière essentiellement qualitative. 11 est certain que les sys- tèmes en équilibre statique, sur lesquels on insiste beaucoup en Physique, peuvent Gtre confondus avec les systèmes en équi- libre dynamique sur lesquels on insiste dans les cours de chimie,ce qui sème la confusion dans l'esprit des élèves qui utilisent le Principe. L'emploi de la constante d'équilibre pourrait éliminer cette difficulté.

Les enseignants doivent être conscients des hypothèses implicites que les élèves sont susceptibles de faire dans une situation d'enseignement donnée, et ils doivent ou bien employer une

92

méthodologie qui évite ou minimise ces interprétations erronées ou bien, dans le cas OÙ ce n'est pas possible, mettre en garde énergiquement contre ces conceptions par l'emploi à bon escient d'exemples positifs et, particulièrement, d'exemples négatifs.

Au delà de toutes ces reconnnanda- tions, il faut reconnaître que le sujet de l'équilibre chimique est tellement abstrait que même avec une présentation concrète, une grande partie est assimilée seulement par les élèves qui ont déjà atteint .le niveau des opérations formelles Par conséquent, il y a des élèves pour qui la notion se révëlera être probablement toujours en totalité ou en partie une pierre d'achoppement.

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93

Réflexions sur l'enseignement intégré. L'exemple des sciences physiques Jacques Bénard

FAUT-IL REPARLER D'INTEGRATION ?

Le thème de l'enseignement scientifique intégré n'est pas nouveau. 11 a fait dans le passé l'objet de congrès, de colloques et de nombreuses publications lui ont été consacrées. Est-il donc nécessaire dans ces conditions de revenir une fois encore sur ce thème au risque de répéter des arguments déjà maintes fois avancés ?

On serait tenté de penser que c'est 12 une tâche inutile. Néanmoins la lecture de l'abondante littérature consa- crée au sujet laisse supposer que les choses ne sont pas aussi simples qu'on pourrait l'imaginer. En effet, au-delà des déclarations d'intentions très géné- rales qui recueillent facilement l'adhé- sion subsistent bien des incertitudes. Au nombre de ces déclarations on doit rappeler celle donnée par l'UNESCO : "L 'enseignement intégré des sciences consiste dans un mode de présentation des concepts et des principes scientifiques qui permet d'exprimer 1 'unité fondamentale de la pensée scientifique et d'é- viter de mettre trop ou trop tôt l'accent sur les différences entre les divers domaines scientifiques".

Qui oserait rejeter un projet aussi attrayant même persuadé que cette prise de conscience de l'unité fondamentale de la pensée scientifique restera, quoi qu'on fasse, l'apanage d'un petit nombre d'esprits distingués, au terme de longues et savantes études ? Mais comment définir ce qui est trop et quand

il est trop tôt ? Car ceux qui enseignent savent que les difficultés commencent au moment où il s'agit de traduire de tels principes en termes concrets.

De multiples expériences pédagogi- ques ont été réalisées par des maîtres enthousiastes et les résultats de ces expériences ont fait l'objet de nombreuses publications, au sujet desquelles on peut faire trois remarques : 1. Leur quasi-totalité exprime un jugement favorable à l'intégration de l'enseignement des sciences, ce qui pourrait s'expliquer soit parce que cette méthode pré- sente une supériorité écrasante par rapport aux méthodes plus traditionnelles, soit encore parce que personne n'a voulu courir le risque d'apparaître comme rétrograde en exprimant certaines réser- ves à son sujet.

2. Bon nombre d'arguments avancés en faveur de l'intégration de l'enseignement des sciences sont fondés sur la comparaison des mérites idéalisés de cet enseignement par rapport aux défauts réels d'un enseignement non intégré réalisé par de mauvais maîtres.

3. La comparaison entre enseignement in- tégré et enseignement non intégré des sciences est souvent présentée d'une ma- nière manichéenne, alors qu'il existe de nombreuses possibilités intermédiaires adaptables au niveau et 5 la finalité des enseignements.

94 Traduit et reproduit avec l'autorisation de L'actualité chimique, mars 1979, Société chimique de France.

L'INTEGRATION ET SON CONTEXTE

Avant d'aborder le thème spécifique de l'intégration de la physique et de la chimie dans l'éducation essayons de pré- ciser l'idée qu'on peut se faire d'une intégration de l'enseignement des sciences en général. Ceci doit évidement être en fonction du contexte dans lequel vivent et surtout vivront demain nos 615- ves et nos étudiants : contexte scientifique, technologique et sociologique.

Tout d'abord quelques mots du contexte sci en ti f i que.

L'évolution des disciplines scientifiques : physique, chimie, biologie, sciences de la terre, manifeste une tendance croissante à l'unification des concepts sur lesquels elles sont fondées. Cette tendance se manifeste également, bien qu'à un moindre degré, dans les mé- thodes expérimentales utilisées dans la recherche, en particulier en physique et en chimie.

En contrepartie l'attitude de la communauté scientifique évolue dans le sens d'une spécialisation croissante. Cette situation est illustrée par la spé- cialisation des colloques, des congrès et des revues, par le compartimentage des instances responsables de la sélec- tion des hommes et du financement des programmes de recherche. Il s'agit là d'obstacles 2 la communication auxquels il faut ajouter l'ésotérisme des langa- ges.

On se trouve donc confronté de nos jours dans le monde scientifique à deux tendances antagonistes, la première de nature synthétique qui se situe au niveau des concepts généraux, la seconde de nature analytique qui résulte de la complexité croissante des problèmes abor- dés par les chercheurs.

De ces deux tendances contradictoires, il faut reconnaître que la seconde a eu pendant la plus grande partie de ce siècle une influence prépondérante sur l'éducation à tous les niveaux, avec pour conséquence un découpage souvent excessif des unités d'enseignement en compartiments étanches, De là vient, 2 n'en pas douter, ce désir légitime des partisans de l'intégration de briser ces barrières et de retrouver cette unité profonde des choses à laquelle se réfère le texte de l'UNESCO.

Qu'en est-il maintenant sur le plan technologique ?

La résolution d'un problème technologique se situe dans une toute autre perspective. L'unité ne résulte plus tom- me en matière scientifique du rapprochement des concepts initiaux, mais de la définition des objectifs. Elle se situe en aval et non plus en amont. Elle est pratiquement imposée par la sanction de la réussite : il faut construire un moteur répondant à telles exigences, un microprocesseur adapté à telle fonction logique, une colonne de distillation Ca- pable d'isoler telle coupe pétrolière. Ces objectifs ne peuvent généralement être atteints que grâce à des études conver- gentes confiées à des experts de divers disciplines. Chacun d'eux, après avoir pris connaissance du but à atteindre, met en oeuvre des méthodes propres 5 sa spé- cialité et ce n'est qu'ensuite qu'il con- fronte les solutions particulières auxquelles il a abouti aux solutions pro- posées par les autres experts afin de réaliser finalement une synthèse répon- dant à la finalité du projet.

On constate ainsi que la réalisation d'un projet technologique exclut le plus souvent touteidée d'intégration au niveau des concepts, mais exige en contrepartie une collaboration pluridisciplinaire au sein d'un groupe opérationnel. Le technicien pris au sens d'homme engagé dans une réalisation concrête, sera donc efficace dans la mesure OÙ il saura être la fois un excellent expert dans sa propre discipline et un home de dialogue avec les experts des autres disciplines: Il faut ajouter à ces particularités, qui le distinguent de l'home de science, qu'il doit avoir le sens de la décision, décision qui repose le plus souvent sur l'acceptation d'une solution de compromis.

Reste à évoquer le rôle du contexte soci ol ogique .

Il est bien évident que les responsables de l'enseignement des sciences à l'école et à l'université ne peuvent se désintéresser aujourd'hui de ce contexte. Le progrès scientifique a profondément modifié les conditions de vie de l'individu et la structure même des sociétés. La question est souvent posée de savoir si les méthodes d'enseignement encore pra- tiquées aujourd'hui sont adaptées à cette

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nouvelle situation et des débats passion- nés s'engagent fréquemment à ce sujet. La plupart des maîtres scientifiques n'y participent qu'avec réticence, par crainte d'être entrainés sur un terrain où ils risqueraient de perdre de vue l'objecti- vité à laquelle ils sont fondamentalement attachés. Cependant pas plus que le professeur ne peut ignorer dans son enseignement les applications techniques des sciences qu'il enseigne, il ne peut se dispenser d'attirer l'attention des élèves sur toutes les conséquences qui en résultent sur le plan économique, social et même parfois éthique. Comme on le voit il s'agit moins d'une véritable intégration que d'une sensibilisation à des données extérieures à la discipline.

INTEGRATION, COORDINATION, SENSIBILISATION.

L'analyse sommaire qui précède montre qu'il faut établir, en matière scientifique, une distinction entre : L'intégration qui se situe au niveau des concepts généraux. La pluridisciplinarité coordonnée qui est requise en particulier lorsqu'il s'agit de réaliser des objectifs concrêts. La sensibilisation qui établit des relations occasionnelles entre diverses disciplines.

On peut illustrer cette distinction en citant quelques exemples choisis préci- sément dans le domaine des sciences physiques : Exemples d'intégration au niveau des

concepts : Thermodynamique chimique avec thermodynamique statistique. Spectroscopie moléculaire avec stéréo- chimie. Cristallographie avec propriétés mécani- ques des corps solides.

Exemples de pluridisciplinarité coordon- née au niveau des objectifs : Conception et réalisation d'une colonne à distiller (physique des transferts, thermodynamique, chimie, science des ma- tériaux). Conception et réalisation d'un circuit intégré (électronique du solide, cristallographie, chimie-physique, électrochi- mie, etc.. .). Association de la spectrographie de masse et de la chromatographie gazeuse pour des buts analytiques.

Exemples des sensibilisations occasionnelles. Innombrables dans tous les secteurs de la chimie et de la physique.

De façon générale seuls les problè- mes très simples peuvent être considérés comme monodisciplinaires. La plupart des problèmes concrets sont en revanche plu- ridisciplinaires et ce n'est que par une sélection plus ou moins arbitraire des facteurs mis en jeu que l'on peut les considérer en première approximation tom- me monodisciplinaires. C'est sans doute la raison pour laquelle l'enseignement, qu'il soit secondaire ou supérieur, est souvent accusé d'être étranger à la vie réelle, dans la mesure où sa structure est compartimentée en spécialités trai- tées d'une manière indépendante. De là à rendre cette situation responsable du manque d'intérêt que manifestent beaucoup de jeunes pour l'école, il n'y a qu'un pas qui est parfois franchi. Que faut-il penser et peut-on espérer que la substitution progressive d'un enseignement scientifique intégré à l'enseignement traditionnel serait susceptible d'améliorer les choses ? Telle est la question à laquelle il faut maintenant essayer de répondre.

UN ETAT D'ESPRIT PLUS QU'UNE RECETTE

faite au début de cette étude : le pro- blème de l'enseignement intégré ne doit pas être posé sous forme d'une alternative dont les deux termes extrêmes seraient : intégration ou non-intégration. Il existe en effet beaucoup de solutions intermédiaires possibles, qui correspondent à des niveaux d'enseignement dif- férents, à des associations de disciplines différentes, à des finalités de formation différentes. La tendance à l'in- tégration doit donc être considérée plus comme un état d'esprit que comme une recette applicable à toutes les situations.

quer en faveur de l'introduction d'un tel état d'esprit sont les suivants :

Rappelons tout d'abord une remarque

Les avantages que l'on peut invo-

Au niveau de l'enseignement secondaire, rapprocher l'enseignement de la réalité concrête, presque toujours complexe, en s'affranchissant des barrières parfois artificielles qui existent entre les diverses disciplines traditionnelles.

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Au niveau de l'enseignement scientifique supérieur, faire prendre conscience de l'unité fondamentale de la dé- marche scientifique et éviter la dupli- cation de certains enseignements.

Au niveau de l'enseignement technique supérieur, entraîner les étudiants à l'élaboration de projets et à la prise de décisions fondées sur la con-sidération de facteurs de nature très diverse.

En contrepartie le principal incon- vénient que l'on peut redouter d'une extension excessive de l'enseignement inté- gré est sans doute d'encourager une tendance latente chez les enfants à la super- ficialité et à la dispersion de la pensée. Quoi qu'on fasse on ne peut échapper à la règle qui veut que ce qui est gagné en étendue soit perdu en profondeur. Il ne faut pas oublier que l'un des grands-pro- grès de l'humanité fut d'apprendre à sé- lectionner dans l'extrême complexité du monde sensible un certain nombre de variables, supposées provisoirement indépen- dantes. Descartes a résumé cette démarche intellectuelle en quelques phrases historiques et le fait que la plupart de ces variables ne soient pas réellement indé- pendantes n'enlève rien à sa valeur. Ce qui est par contre inexcusable c'est comme l'on fait trop de cartésiens, d'en rester à ce stade et d'ignorer l'existence de cette interdépendance, lorsqu'on pré- tend accéder à un niveau supérieur de la connaissance.

De nos jours l'abondance des informations, principalement visuelles, favorise une formation de type impressionnante, qui intègre de multiples sensations sans les soumettre le plus souvent à une analyse logique.

On pourra objecter que c'est carica- turer l'enseignement intégré que de l'assimiler à de tels errements et l'on aura probablement raison, néanmoins il parait difficile de nier qu'une intégration pous- sée des diverses disciplines dans l'enseignement à tous les niveaux, favoriserait cette tendance. Tout est donc finalement question de degré dans l'intégration, le degré dépendant des matières enseignées, du niveau de l'enseignement et de sa fi- nalité.

DES SOLUTIONS DE COMPROMIS

Considérant spécialement le cas des sciences physiques, comment peut être réaliskcette coexistence que nous ju- geons souhaitable entre l'enseignement intégré et l'enseignement non intégré ?

Au début de l'enseignement secondaire l'approche des sciences physiques doit Gtre de toute évidence intégrée au maximum. Celui-ci doit en effet prendre comme point de départ une vision globale du monde sensible dans laquelle la sélec- tion des facteurs, supposés en première approximation indépendants, n'a pas encore été réalisée. La différenciation des disciplines apparaît ultérieurement en même temps que la notion de corrélation et se concrétise dans celle de la loi physique ainsi que dans la description des espèces et de leurs caractères. Il est aujourd'hui de bon ton, dans certains milieux d'éducateurs, de mépriser tout ce qui est descriptif. Erreur fatale car comment en physique et en chimie écha- fauder des raisonnements sans connaître ces données de base que sont les proprié- tés concrètes ?

Il va de soi que selon les sujets l'intégration pourra être pratiquée plus ou moins longtemps, mais il est indispensable que, dans les années médianes de l'enseignement secondaire, chacune des deux sciences acquière sa personnalité dans l'esprit des élèves. C'est là que les possibilités de compromis entre l'in- tégration et la non intégration doivent intervenir grâce à ce que nous avons ap- pelé plus haut la pluridisciplinarité coordonnée et la sensibilisation. Le compromis est aisé à réaliser si, comme cela a lieu dans un certain nombre de pays, le même professeur enseigne à la fois la physique et la chimie. Encore faut-il toutefois que la formation que celui-ci a reçue à l'université l'ait préparé à cette tâche ce qui n'est pas toujours le cas.

seignement secondaire il parait nécessai- re de prévoir un certain nombre de leçons de synthèse centrées sur des thèmes plu- ridisciplinaires bien choisis, qui vien- draient s'insérer à intervalles réguliers entre les enseignements plus traditionnels. Ainsi les élèves s'exerceraient à appréhender alternativement le monde qui les entoure suivant deux démarches com-

Dans les dernières années de l'en-

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plémentaires, exactement comme peut s'explorer un ensemble de données rassemblées dans un tableau à double entrée.

Les mêmes principes devraient pouvoir être appliqués dans l'enseignement supérieur : présentation largement inté- grée dans les débuts, puis pluridiscipli- narité coordonnée dans la période inter- médaire d'approfondissement des connaissances et enfin retour à la synthèse au niveau le plus élevé. Ceci vaut bien entendu pour le cursus de formation scientifique général tel que celui destiné aux futurs maîtres de l'enseignement secondaire et des adaptations sont indispensables pour la formation des chercheurs de haut niveau ou celle des ingénieurs. Des expériences intéressantes ont été faites depuis quelques années dans l'enseignement de certains secteurs de la physique et de la chimie à l'université, en vue d'intégrer des disciplines jusqu'a- lors professées d'une manière indépendante. Ainsi la redistribution des contenus de la chimie-physique, de la chimie minérale et de la chimie organique traditionnelle en trois nouveaux ensembles qui sont la chimie moléculaire, la chimie des solutions et la chimie de l'état solide. De même le regroupement de la physique et de la chimie des corps solides dans ce qu'on appelle la science des matériaux. Ces novations sont intéressantes dans la mesure où elles constituent une rupture par rapport aux traditions et où elles font apparaître des perspectives nouvelles souvent plus conformes à l'état pré- sent de la science et de la technique.

UNE

qui que

EBAUCHE DE CONCLUSION

Si l'on voulait résumer les réflexions précèdent, on serait tenté de dire les efforts poursuivis par les édu-

cateurs en faveur de l'enseignement inté- gré, en particulier dans le domaine des sciences physiques, ont été bénéfiques, dans la mesure OÙ ils ont attiré l'attention sur certains défauts de l'enseignement traditionnel compartimenté à l'ex- cès en disciplines qui s'ignorent trop souvent.

l'enseignement des sciences, en particulier dans l'enseignement secondaire, pa- raît utopique à moins qu'elle consiste dans une redistribution des matières traditionnelles suivant de nouvelles têtes de chapitres, ce qui n'aurait pour effet que de créer de nouveaux domaines indé- pendants les uns des autres.

Toutefois l'intégration poussée de

En contrepartie on prend conscience de l'intérêt d'une voie intermédiaire qui ferait alterner, dans des proportions variables suivant les disciplines, les niveaux et les types de formations, un enseignement monodisciplinaire et un enseignement pluridisciplinaire véritable in- tégré. La concrétisation de cette voie, délicate sur le plan pédagogique, ne saurait être limitée au couple physique-chimie et devrait prendre en considération l'ensemble des disciplines y compris les disciplines non scientifiques.

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Recherches sur l'enseignement des sciences Quelques réflexions et observations R. F. Kempa

Depuis plus de 10 ans maintenant, nous assistons à une augmentation inces- sante du nombre des recherches dans le domaine de l'enseignement et de la péda- gogie. La preuve en est l'apparition, durant cette période, de plusieurs revues nouvelles (1) spécialement consacrées aux problzmes de l'enseignement des sciences, et la création de divisions d'enseignement des sciences dans plusieurs universités dans ce pays et à 1 ' é tranger .

Il ne fait aucun doute rêt croissant pour la recherche sur l'enseignement des sciences est la con- séquence directe du mouvement de réforme des programmes scientifiques durant ces 15 dernières années. La réforme de ces programmes a soulevé plusieurs questions, par exemple, sur la structure des diffé- rentes disciplines et son impact sur le choix des nouveaux modes d'enseignement, sur les buts et les objectifs de l'enseignement des sciences, l'efficacité des approches pédagogiques, et les divers media disponibles pour la communication des concepts scientifiques, les effets des nouveaux programmes au niveau de l'enseignement des sciences, et l'attitude vis à vis des sciences qui en dé- coule. Tous ces problèmes ont attiré l'attention des chercheurs dans le domaine de la didactique des sciences. Rien ne l'indique mieux que la revue récente publiée dans "Recherches pédagogiques en Sciences Naturelles" par Shulman et Tamir (2). Il est inévitable que des recherches issues de projets de développement de programmes scientifiques ou en liaison étroite avec eux soient essentiellement

que l'inté-

''empiriques''. Leur but est, après tout , de fournir au respansable des programmes des connaissances et des informations telles qu'il puisse les utiliser pour améliorer la qualité de ce qu'il produit et augmenter l'efficacitg pédagogique des processus d'enseignement qu'ii prône. La valeur de telles recherches est indiscu- table. Elles ont conduit à poser des questions pertinentes là où autrefois on se contentait de jugements de valeur. Par exemple, la croyance très ancrée au méri- te intrinsèque de "l'apprentissage par la découverte", a été soumise à un examen minutieux ; le résultat fut que certaines de nos conceptions antérieures devaient être modifiées de façon substantielle, au vu des découvertes récentes (3). De même, des recherches en cours sur la formation et la maîtrise des concepts scientifiques peuvent changer nos opinions sur l'adaptation immédiate des notions de Piaget d'un contexte général à un champ d'expérience spécifique. La meilleure réussite des recherches en enseignement des sciences axées sur les programmes est, peut-être, qu'elles ont conduit à la réalisation de modèles et de techniques solides, pour diriger des activités de développement, comprenant non seulement la création de nouveaux procédés et ma- tériels pédagogiques, mais aussi leur essai systématique et l'évaluation formative correspondante (4).

En dépit de ses réalisations évi- dentes, la recherche en enseignement des sciences n'a pas été exempte de critiques. Ces critiques, telles qu'elles furent avancées, tendent à porter sur trois points essentiels :

Reproduit avec l'autorisation de Studies in Science Education, vol. 3, 1976, p. 97-105. 0 Copyright 1976, Centre for Studies in Science Education.

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1) l'absence d'une structure théorique adéquate sous-jacente à beaucoup de recherches sur l'enseignement en sciences ,

la conception et la réalisation des recherches ,

3) l'attention insuffisante portée aux problèmes d'enseignement spécifiques aux sciences, et aux caractêristiques de l'étudiant en sciences.

Il n'est pas inutile de réfléchir un moment sur ces trois aspects de la critique, ne serait-ce que pour savoir quelles le- çons tirer de l'expérience passée. En ce qui concerne le premier point, Shulman et Tamir (5) font observer qu'"une caracté- ristique importante d'une grande partie de la littérature sur l'enseignement des sciences, est la très grande disparité entre la nature profonde et véritable- ment importante des questions soulevées par les philosophes qui travaillent dans ce domaine, et les études empiriques trop souvent triviales menées par les chercheurs expérimentaux dans ce domaine". Ce genre de commentaire ne peut être ignoré, bien qu'on puisse ne pas être d'accord sur le fait que les études empiriques sont souvent triviales. En réalité, ces études sont nées dans un contexte "pratique" qui conduit à l'examen de problèmes assez particuliers, liés par exemple à l'établissement de nouveaux programmes ou à une situation d'enseignement spécifique. Ainsi, les résultats des études empiriques souffrent souvent de ne pouvoir être généralisés. Les résultats concernant l'efficacité d'un nouveau programme, par exemple, ne pourront guère être transposés dans un autre contexte où les matériels pédago- giques, le personnel, les étudiants et l'environnement scolaire peuvent être différents. C'est la même chose pour toutes les recherches où les relations que le chercheur se propose de découvrir sont hautement dépendantes du contexte. Il est peut-être regrettable que beaucoup d'études sur l'enseignement des sciences entreprises et signalées ces dernières années n'échappent pas à la critique d'être fortement dépendantes du contexte, et donc peu ''payantes", en dépit du temps et de l'argent qui y ont été consacrés.

2) les insuffisances méthodologiques dans

Si les recherches concernant l'enseignement des sciences doivent produire un ensemble de connaissances approfondies

sur les véritables facteurs qui l'affec- tent, la première exigence est de les rendre moins dépendantes du contexte, et de reconnaître l'intérêt très limité des enquêtes du type "A en fonction de B". Ce qui est souhaitable, il me semble, c'est une recherche plus orientée vers une décision, c'est-à-dire une recherche qui donne lieu à des découver- tes sur la base desquelles on prendrait des décisions positives sur la stratégie de l'enseignement, le contenu des programmes et d'autres sujets concernant l'efficacité de l'enseignement en sciences. Une telle recherche devrait se foca- liser plus directement qu'elle ne l'a fait dans le passé sur l'élève et son attitude psychologique et sur le large éventail des problèmes en relation avec l'enseignement des sciences : problèmes sociaux, d'environnement, ou d'interactions. C'est dans ce domaine très vaste que nous avons à développer des théories adéquates. C'est l'une des tâches les plus stimulantes pour l'avenir.

Le souci causé par le manque de théories en enseignement des sciences n'est pas nouveau. Watson l'a déjà ex- primé en 1962 : "Probablement la critique la plus sévère faite à beaucoüp de nos recherches est l'absence commune de tout fondement théorique pouvant s'appliquer, même modestement, à une recherche parti- culière" (6). Ce commentaire a été fait au début d'une ère de développement très actif des programmes de sciences, qui a fait naître et justifié beaucoup des recherches empiriques récentes. Cette épo- que, semble-t-il, est maintenant dans sa phase finale. Les recherches visant 2 établir des programmes, de type empirique, devrai.ent donc être remplacées par des recherches plus fondamentales.

Tournons-nous maintenant vers le second point des critiques sur les recherches en enseignement des sciences : celui qui concerne les défauts méthodo- logiques dans ces recherches. Il n'est pas inutile de commencer par des excuses. Il apparaît clairement que beaucoup de recherches sont critiquables du point de vue de leur conception, des moyens mis en oeuvre et même, parfois, des conclusions qu'on en a tirées. En vérité, l'enseignement des sciences en tant que discipline de recherche est encore jeune. Les chercheurs de cette discipline n'ont pas, en général, bénéficié d'un entrahe-

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ment rigoureux aux techniques des sciences sociales. Au contraire, leur culture universitaire correspond à une spécialisa- tion dans une matière scientifique. A partir de cela, ils arrivent dans un domaine qui, pour être exploré de façon rigoureuse, demande une spécialisation en sciences tout autant qu'une expérien- ce en sciences sociales. Les chercheurs en didactique des sclences ne sont pas ignorants des limites actuelles inhéren- tes à leurs activités. Auto-analyse et auto-critique sont chose courante dans les articles concernant les recherches sur l'enseignement des sciences. C'est ce qu'on voit dans plusieurs contributions récentes parues dans le "Journal of Research in Science Teaching'' (7).

Quelles sont, dans leur détail, les critiques élevées contre les recherches sur l'enseignement des sciences, du point de vue de la méthodologie et de l'instrumentation ? La première et peut- Gtre la plus évidente des observations que l'on peut faire est la prépondérance, parmi les recherches rapportées,des études à court terme dans lesquelles on ne compare ou mesure que peu de variables. On a soutenu que de telles recherches ne tiennent compte ni de la complexité in- trinsèque d'une situation d'enseignement, qui a de nombreuses variables, ni de notre besoin d'obtenir des informations sur les effets à moyen et à long terme de l'enseignement des sciences. Cela ne veut pas dire que des études au coup par coup sont sans valeur intrinsèque lorsqu'elles sont réalisées à l'intérieur d'un système adéquat de référence : bien conçues, de telles recherches peuvent et doivent conduire à une compréhension plus approfondie des problèmes de l'enseignement des sciences. Toutefois, nous ne devrions pas oser entreprendre des gtudes isolées si ces conditions ne sont pas remplies. Citons Cronbach : "une recherche sérieu- se n'est pas faite en une seule étude. La comprghension vient à partir d'un ensemble d'études'' (8).

Un moyen d'améliorer la situation est d'assurer une meilleure coordination dans les activités de recherches sur l'enseignement des sciences, et ce à un niveau national et même international. Même si les centres d'intérêt sont différents dans différentes situations, ils sont complémentaires. Des études peuvent conduire à un ensemble et donc à une compré-

hension plus profonde des problèmes géné- raux et fondamentaux de l'enseigmenent des sciences. Comme Shulman et Tamir le font justement remarquer "la communauté des chercheurs sur l'enseignement des sciences doit être préparée à développer des centres de recherches dans lesquels des équipes de chercheurs coordonnent leurs efforts pour s'attaquer aux pro- blèmes communs'' (2).

Un des problèmes les plus difficiles dans les recherches courantes sur l'enseignement des sciences est de trouver l'instrumentation appropriée (+), surtout pour mesurer des variables non cognitivesptelles que l'attitude vis à vis des sciences, la compréhension de l'entreprise scientifique, l'esprit critique, etc... Dans une mise au point ré- cente, Gardner a souligné quelques-uns des problèmes liés à la mesure des attitudes vis à vis des sciences (9). Il note par exemple la prolifération des échelles d'attitudes et demande à juste titre jusqu'à quel point elles mesurent réellement la même chose. En l'absence d'information sur ce qu'une échelle d'attitudes mesure vraiment et, en particulier, les résultats des mesures des attitudes par différents moyens, nous sommes à peine capables d'atteindre une connaissance générale utilisable sur cet important domaine des résultats de l'enseignement des sciences.

sur la façon de comparer

La principale difficulté paraît être ce que sous-entendent les chercheurs quand ils parlent "d'attitudes vis 3 vis des sciences" ou de qualités non-cogni- tives, similaires ; il y a vraiment: peu d'accord sur les caractéristiques de ces qualités. Cela résulte d'ailleurs de l'absence remarquable de toute construction théorique précédant le développe- ment des instruments destinés à leur évaluation. A titre d'exemple, il suffit de penser au nombre considérable d'étu- des effectuées au Etats Unis concernant les effets des nouveaux programmes de sciences sur "l'esprit critique". L'instrument le plus couramment utilisé pour ces études a été 1"'évaluation de

t Par instrumentation, on entend l'ensemble des tester, des rbpertoires*du mat& riel de euyveillance etc;., développés par les chercheurs comme outils pour la poursuite de leurs recherches.

101

l'esprit critique selon Watson et Glaser'' (10) , mis au point pour mesurer l'esprit critique dans un contexte global non spécifique. L'utilisation de ce type d'instrument pour mesurer l'esprit critique dans un contexte spécifique relié aux sciences semble complètement injus- tifiée. Non seillement une telle démar- che ignore le problème important de ce qui constitue "l'esprit critique" dans un contexte scientifique, mais de plus elle suppose que les compétences acquises en sciences se transfèrent immédia- tement et quantitativement aux processus de pensée étrangers à la science. Comme il a été démontré dans une étude récen- te, cette hypothèse sur le transfert n'est pas justifiée ( l l ) , car on a mon- tré que l'esprit critique en général est sans aucune relation avec l'esprit critique utilisé dans un contexte spécifi- quement scientifique.

L'exemple suivant illustre bien un dilemme général. Les responsables des programmes d'études ont 3 juste titre mis l'accent sur l'importance des attitudes pcsitives, de l'intérêt constant de l'esprit de jugement et de bien d'autres qualités qu'on souhaite voir ré- sulter des méthodes de l'enseignement des sciences. La plupart du temps toutefois, ils n'ont pas réussi à exprimer en termes opérationnels et sans ambiguï- té les caractéristiques de ce;qualités, telles qu'ils les voyaient. Au lieu de cela, c'est au chercheur, qui essaye d'évaluer l'efficacité d'un programme dans son propre contexte spécifique, qu'on a laissé le souci d'établir les tests mesurant l'attitude, l'intérêt, l'esprit critique, etc... 11 n'est pas surprenant au demeurant que différents chercheurs alent donné des interpréta- tions diversement nuancées de ces notions générales.

Il serait malhonnête de prétendre que le problème d'une instrumentation inadéquate n'est réservé qu'aux recherches sur l'enseignement des sciences. Il n'existe pas moins dans d'autres domaines de recherches sur l'enseignement, par exemple dans la mesure de la créati- vité et de la personnalité. Cependant, on est bien obligé d'admettre que dans ces domaines il y a eu plus de progrès faits en direction du développement de bases théoriques authentiques que dans le domaine de l'enseignement des scien-

ces. Remédier à cette situation doit être considéré comme un défi à relever pour les chercheurs en didactique des sciences. La grande majorité des recherches sur l'enseignement des sciences effectuées ces dernières années ont eu tendance à s'enfermer dans un paradigme psychomé- trique. Ce qui signifie qu'elles ont développé des instruments et rassemblé des données qu'elles ont analysées ensuite par des méthodes statistiques bien établies. Peut-être l'explication n'est- elle pas uniquement la facilité relative avec laquelle sont effectuées de telles recherches; elle peut tenir à une préférence (compréhensible) du chercheur, habitué aux sciences, envers les ''données numériques". Sans vouloir diminuer les nombreux aspects positifs des "recherches à données numériques", on doit reconnai- treleumlimites. Les recherches effec- tuées dans la meilleure tradition des bons "plans d'expériences'' découlent d'affirmatiors théoriques faites a priori et d'hypothsses que l'on cherche à vérifier expérimentalement ; mais elles conduisent rarement à la création de notions ou de th6ories nouvelles. Les chercheurs travaillant dans d'autres domaines de l'enseignement ont bien vu ce problème méthodologique et se tournent de plus en plus vers d'autres modes de recherches. Pour ne citer que deux exemples, la recherche avec participation d'obser- vateurs et les "études de cas'' tournent résolument le dos aux méthodes axées sur la mesure (12). Leur valeur, en tant que moyen d'identifier les facteurs importants de la réussite ou de l'échec des processus d'enseignement, a été largement démontrée. Les chercheurs en didactique des sciences peuvent peut-être en tirer un bénéfice s'ils sont préparés à adopter ces modes de recherches pour l'analyse de leurs propres problèmes.

La troisième critique faite aux recherches sur l'enseignement des sciences est qu'elles ont eu tendance à se préoccuper de ce qui est enseigné et de l'efficacité de l'enseignement, sans tenir suffisamment compte de l'étudiant qui, après tout, est au centre du processus d'enseignement des sciences. Hurd pense clairement à cette situation quand il plaide pour que nos recherches soient moins centrées sur les méthodes et plus centrées sur les gens". Considérons par exemple les nombreuses tentatives

II

102

faites ces dernières années pour évaluer l'efficacité des programmes scientifiques GU pour comparer différentes stratégies d'enseignement. Il est devenu classique dans de telles recherches de mesurer et de comparer les performances de groupes d'étudiants dont on a supposé tacitement l'équivalence et l'identité initiales. En programmant des expériences à grande échelle on peut espérer éliminer ou ré- duire les effets sur les mesures de certaines variables comme la personnalité du maître ou de l'élève, les interactions sociales dans les salles de classe, les espoirs du maître et les motivations des étudiants, en somme tout ce qui a été souligné sans cesse par les sociologues ou les psychologues. Mais en faisant cela, ne sommes-nous pas en train de fermer nos yeux à certains des problèmes réellement importants pour le succès ou l'échec du processus d'enseignement ? La situation de l'enseignement est complexe, avec des interactions entre les matières, la mé- thode d'enseignement, le maître et 1'615- ve et les élèves entre eux. Elle ne peut pas être réduite à un simple paradigme comprenant uniquement la manière d'aborder le programme et les résultats de l'enseignement. Ce qui nous intéresse, c'est de découvrir et d'évaluer par un moyen quelconque, le plus approprié possible, les principales forces d'interaction qui existent dans ce réseau complexe ainsi que leur effet sur l'apprentissage dans les sciences. L'information obtenue par de telles études ne serait pas seulement d'un intérêt académique : elle accroîtrait notre compréhension fondamentale du problème de l'enseignement des sciences ; elle transformerait le recherche qui de non-fonctionnelle deviendrait fonctionnelle et, enfin et surtoutyelle pourrait fournir pour l'établissement d'un programme une base bien plus solide que celles dont nous disposons actuellement. Il vient à l'esprit d'autres domaines OÙ des recherches plus orientées vers 1'6- lève peuvent se montrer profitables. Certains d'entre eux découlent de la question apparemment simple de savoir qui sont nos étudiants et quelles quali- tés particulières les caractérisent. Afin de développer ce point qu'on se rappelle les nombreuses raisons différen- tes invoquées pendant ces 10 dernières années pour expliquer la désaffection envers les sciences qui a été une des caractéristiques du changement dans l'en-

seignement. Il y a eu des références pé- riodiques à la difficulté des cours de sciences, comparés à ceux des autres matières ; la nécessité de l'étude de plusieurs matières s'étendant sur de longues durées et caractéristique de nombreux cours de sciences, a été tenue pour responsable ; de la même façon, il y a eu d'innombrables spéculations sur la diminutiop de l'attrait des sciences en tant que telles et la baisse concomitante du prestige des professions scientifiques. Quelles que soient l'influence réelle ou imaginaire que ces facteurs aient pu avoir sur la baisse d'intérêt envers les sciences, il est douteux qu'ils en soient la seule ou même la principale cause. A vrai dire, on peut se demander si la raison réelle pour laquelle certaines personnes sont attirées par les sciences, et d'autres pas, ne tient pas à leur personnalité psychologique globale. La fameuse étude de Hudson sur les écoliers anglais reprise récemment par les Australiens Cropley et Field, va bien dans ce sens : en effet, on a pu distinguer, chez les étudiants choisissant des orientations universitaires différentes, des motivations et des profils intellectuels différents. Ainsi, les étudiants en sciences dans leur ensemble ont tendance à utiliser la pensée convergente et présentent une anomalie marquée du Q.I. non-verbal. Les Ca- ractéristiques inverses semblent s'appliquer aux étudiants qui choisissent l'histoire ou les langues modernes comme discipline universitaire (14), D'autres études dans ce domaine ont relevé une variété de facteurs qui semblent plus ou moins corrélés avec l'orientation scientifique (15). Certains sont d'ordre psychologique, d'autres sont sociologiques ou liés à l'environnement.

Il faut admettre que nos connaissances dans ce domaine complexe sont encore insuffisantes, et que beaucoup de recherches doivent être entreprises avant que se dessine une situation plus claire. L'identification des relations entre les diverses caractéristiques possédées par les étudiants et le sujet de leurs études n'est en ellemême qu'une première étape de ce travail. Plus importante encore est l'identification des causes sous-jacentes à de telles relations. Pour l'instant, nous ne pouvons que spéculer à leur sujet, mais ces spéculations elles-mêmes sont intéressantes. Se pourrait-il par exemple

103

que des étudiants en science fussent atti- rés par les sciences parce que les processus intellectuels, les modes de pensée et les méthodes mis en jeu dans les ma- tières choisies s'accordent très étroi- tement avec leurs penchants innés ? Com- ment comprendre autrement pourquoi des étudiants également doués et provenant d'environnements socio-économiques presque identiques, choisissent des sujets aussi opposés les uns des autres.

La spéculation ne s'arrête pas là. On peut se demander, par exemple, ce qui se passerait si nous décidions de changer radicalement la façon de présenter les sciences à nos étudiants, si nous employ- ions d'autres questions et d'autres modes de résolution des problèmes que ceux qu',on utilise couramment ? Est-ce que ceci amènerait vers les études scientifiques des types d'étudiants différents de ceux qui choisissent les sciences maintenant ? Certainement ! Si les études de sciences sont rejetées par certains simplement parce qu'il y a un fossé entre leurs Ca- ractéristiques et leurs tendances psycho- logiques d'une part, et le type d'activi- té cérébrale exigé actuellement dans nos cours de sciences d'autre part, nous devons nous préparer à offrir différents types de possibilités d'apprentissage des sciences.

Une réflexion comme celle-ci peut paraître "tirée par les cheveux" et même utopique à certains. Cependant, c'est à peine plus qu'une extension des idées de Bruner selon lesquelles il y a chez n'in- porte quel étudiant "une prédisposition pour certains types d'enseignement" et que "l'optimisation de l'enseignement résulte d'un accord entre la méthode pé- dagogique et le style de l'élève''. (16).

Ce serait une erreur de supposer que les difficiles problèmes posés ici se réduisent à la question de savoir pourquoi certains étudiants choisissent les sciences et d'autres non. Elles ont des implications bien plus importantes, à la fois pour l'enseignement et pour la mise au point des programmes. Si l'on est d'accord avec le commentaire de Bruner sur l'optimisation de l'enseignement, on ne peut que porter une attention croissante à l'identification des "styles cognitifs" des étudiants, qui comme les décrit Messick (1 7) représentent "des J habitudes de traitement de l'information'',

c'est-à-dire une manière typique pour chaque étudiant de penser, de résoudre des problèmes et de mémoriser. Une masse d'informations considérable, concernant les différents modes d'enseignement, est maintenant disponible.; mais elle n'est pas tellement en relation avec les pro- blèmes spécifiques de l'enseignement des sciences. Les problèmes méthodologiques soulevés par l'identification et la mesure des styles cognitifs sont considéra? bles, comme l'a pertinemment fait remarquer Brown récemment (1 8) , Toutefois, au moins dans son principe, elle semble constituer le domaine de recherche le plus valable pour le pédagogue scientifkque. Citons Messick :

"Par exemple, dès que nous serons capables de déterminer les styles cognitifs des étudiants, nous aurons la possibilité de les placer de façon spécifique dans les salles

"de classe, peut-être en les groupant de façon homogène, ou en les mélan- geant de façon particulière.. . Nous pourrions également envisager de choisir des méthodes d'enseignement particulières, spécialement adaptées à certains styles et à certaines matières.. ."

Pour l'instant, nous sommes encore loin de pouvoir adapter les méthodes d'enseignement à la manière d'apprendre de chaque étudiant pris individuellement. D'ailleurs, pouvoir faire cela dans le contexte d'une salle de classe se montre- ra peut-être, en dernière analyse, absolument impossible. Ce qu'on devrait arriver à faire en tout cas, sur la base d'une meilleure caractérisation de l'élève, de sa manière d'apprendre et de réagir, c'est une approche plus scientifique des méthodes d'enseignement des sciences et une optimisation de leurs résultats.

Ce qui a été exprimé ici est une opinion personnelle, un point de vue OÙ la réflexion et l'espoir ont été traités ensemble. Les recherches en didactique des sciences sont devenues une partie reconnue de l'ensemble des activités pé- dagogiques : elles ont grandi à partir d'un stade embryonnaire où elles étaient étraitement liées à l'établis sement des programmes. Leur but immédiat est de trouver une existence indépendante. Pour arriver et pour prospérer, ces recherches doivent sortir des limites de l'empirisme, et se tourner vers les questions théori-

104

ques impliquées dans l'apprentissage et l'enseignement des sciences. Cette transition demandera du temps, de nouvelles ressources, et par dessus tout plus de volontaires résolus et capables de prêter attention aux nombreux problèmes qui se posent à nous. La formation de cette main d'oeuvre est en soi un objectif important, car ce sont des hommes et des femmes qui la recevront maintenant que dépendront les progrès de l'enseignement des sciences pour les élèves et les étu- diants de la prochaine génération.

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Quel type de science devrait-on enseigner en Afrique? O. L. Oke

S'il est bien possible que quelque chose comme une "Science Africaine", ou pour être plus précis une "Chimie Afri- caine'' n'existe pas, il existe sûrement une forme d'éducation scientifique qui serait adaptée à l'Afrique.

Il est grand temps, je pense, que nous fassions quelque chose pour l'introduire, maintenant que 12 plupart de nos Universités ont 15 à 20 ans.

Le système d'éducation en vigueur dans les pays d'Afrique Orientale dérive du système anglais. L'enseignement des sciences est basé sur l'hypothèse géné- rale, que la science est et demeure la science , en Europe comme en Afrique, et donc qu'elle est la même partout. Des maîtres de conférences anglais consciencieux, n'ont toutefois pas assez conscience des inadaptations du système actuel d'éducation scientifique du Supé- rieur. Ils ont adopté le système de trois matières scientifiques dans le cours de la première année, par exemple mathémati- ques, physique et chimie pour ceux qui préparent un diplôme de chimie : chimie et mathématiques (ou physique) en seconde année et chimie uniquement en dernière année. Des examinateurs extérieurs furent délégués par la Grande Bretagne pour vé- rifier que le niveau était aussi bon qu'en Angleterre. Le résultat est que les étudiants, issus probablement d'un milieu rural et ayant une maîtrise imparfaite de l'anglais et une habitude d'apprendre par coeur les scjences ou les mathématiques, peuvent acquerir un ensemble de connaissances qui se situe à un bon niveau lorsqu'il est testé par les examinateurs an-

glais extérieurs. Toutefois, pour l'étu- diant lui-même, les sciences font partie d'une culture étrangère, qui n'a rien à voir avec les besoins de l'Afrique, mais qui cependant sont une preuve de son intelligence et donc un moyen d'obtenir un travail dans un poste stable, bien rému- néré, généralement un poste de professeur dans un lycée (au moins au début de sa carrière).

Ce système constitue un cercle vicieux : l'étudiant diplômé enseigne les sciences à ses élèves, de sorte qu'ils deviendront capables d'entrer à l'Uni- versité et d'obtenir un diplÔmelpuis de devenir professeurs pour former à leur tour d'autres étudiants en sciences. A l'Université d'Ife, par exemple, près de 80 % de nos étudiants en chimie vont dans des lycées comme professeurs, 10 % sont initiés à la recherche de sorte qu'ils peuvent revenir à l'université comme assistants, et les 10 % restant vont dans l'Industrie, dans les centres de recherches agricoles gouvernementaux, les pêcheries et dans les hôpitaux après recyclage.

Naturellement quelques étudiants franchissent le cap des premiers obstacles et deviennent des chimistes ou des scientifiques valables ; mais le point essentiel demeure que pour beaucoup d'é- tudiants les sciences restent un langage btranger qu'ils ne parlent pas comec- tement et dans lequel ils ne sont pas capables de penser, Nous avons donc besoin, d'une approche africaine des sciences. Essayons de définir ce que cette approche devrait être.

106 Reproduit avec l'autorisation de Modern Approaches in Chemistry, vol. 7, février 1975, p. 20-21.

D'abord, quelle transition devrait on faire, pour ces 'étudiants, pour les amener de l'état où ils se trouvent avant d'étudier les sciences, jusqu'à l'état de scientifiques ? Il est grand temps que nous nous libérions de notre point de vue étroit, maintenu par de nombreux scientifiques, que les sciences ne peuvent pas être envisagées de diffé- rentes façons adaptées à un environnement particulier. Nous pensons que la chimie peut être envisagée de différen- tes façons : qu'elle peut avoir d'autres buts que des buts purement chimiques, et qu'elle peut avoir un lien véritable avec d'autres domaines d'étude tels que les affaires, l'administration, l'agriculture, les problèmes de nutrition etc ..., aussi bien que la physique et la biologie.

Le problème central de l'enseignement des sciences en Afrique est l'éla- boration d'un programme scolaire qui soit le mieux approprié aux réalités africaines. Les contenus devraient tenir compte des besoins et des aspirations à la fois des étudiants et de leur socié- té. L'Afrique a besoin de gens imagina- tifs et indépendants dans le contexte africain, qu'ils soient dans une école, dans un laboratoire industriel ou dans des entreprises. Le rabâchage est un moyen médiocre pour former les cadres dynamiques dont le besoin est le plus grand. On devrait supprimer le profes- sionalisme étroit qui est devenu celui de la science et faire qu'elle se déve- loppe naturellement 5 partir des centres d'intérêt et du milieu socio-culturel de l'étudiant débutant. Ainsi l'étude des sciences foumira une compréhension de la réalité physique, une comprbhen- sion de l'environnement, et des moyens de le contrôler et de l'utiliser pour le développement national, Je dirai en formulant autrement la question posée par le Professeur Barrow : "Quelle science est convenable pour les Universi- tés africaines , étant donnés l'origine des étudiants, les besoins de leurs pays et leur manque accablant de ressources ?"

Les pays africains ont besoin de prendre eux-mêmes en main à plusieurs niveaux et dans de nombreux domaines leur société et leur économie en développenent Les diplômés de l'Université, et il y en a vraiment peu, doivent jouer ce rôle. En tant qu'éducateurs nous croyons qu'une

bonne éducation peut former les futurs cadres. Cependant nos programmes scolaires, et nos habitudes d'enseignement ont peu à voir avec les situations que nos étudiants africains rencontrent une fois diplômés. Par exemple en chimie, nous passons des heures sur la synthèse organique, alors que la production organique de synthèse en Afrique est presque négligeable. A l'opposé, nous passons relativement peu de temps sur les moyens d'extraire une espèce dans un milieu complexe, quand bien même beaucoup d'étudiants finiront comme chimistes analytiques, chimistes des produits naturels, ou, on peut l'espérer pour le futur, comme spécialistes en technologie des matériaux. Nous passons des années au sens littéral, sur des sujets tels que la théorie de la liaison des molécules simples, ou la thermodynamique des solutions très diluées, et très peu de temps sur les sciences et les technologies des matériaux, en dépit du besoin de logement en Afrique. Nous attendons de nos étu- diants qu'ils retournent dans les zones rurales pour y mettre en pratique les technologies. Mais pour les préparer à ces tâches, nous leur enseignons les rayons X. Cela signifie que lorsqu'un homme de terrain se révèle en Afrique, il doit normalement aller en Angleterre ou aux Etats-Unis pour obtenir de l'aide 1

Malheureusement, les changements nécessaires ne se produiront pas si : 1) l'enseignement secondaire en sciences ne sert que comme préparation pour l'enseignement supérieur,

2) l'enseignement supérieur est trop ti- moré pour changer.

Un symposium intemational sur l'enseignement de la chimie en Afrique, devrait se tenir dans un futur proche, Le congrès de l'Enseignement de la Chimie à Nairobi en 1971, soutenu par l'Unesco, et qui fut un franc succès a établi des liens entre les chimistes de l'Afrique. J'ai été frappé par le fait que les par- ticipants africains ont unanimement reconnu l'inadaptation de l'enseignement actuel de la chimie. Ces délégués africains ont limité leurs sujets de confé- rences principalement aux objectifs de l'enseignement de la chimie dans les pays en voie de développement. Ils ont négligé de parler des vrais pro- blèmes en chimie et de l'enseignement de la chimie en Afrique. Ainsi, bien que des

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visiteurs d'outre mer doivent à nouveau participer à cet enseignement, car ils ont beaucoup de choses à nous apporter et nous avons besoin de leur expérience, c'est à nous Africains, que revient le soin de traiter les aspects les plus importants du problème. Nous aurons, certes, des points de vue très variés, mais nous tomberons tous d'accord pour constater l'inadaptation des programmes importés des Etats-Unis ou du Royaume- Uni.

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Développement et évalution de programmes scientifiques en Papouasie-Nouvelle Guinée L'évolution d'un modèle de développement de programmes scolaires

Maddok et Kirina

Le développement des programmes scolaires en PapouasieNouvelle Guinée, a connu une évolution rapide qui ne re- monte qu'au début des années 60. L'enseignement primaire existe en Papouasie- Nouvelle Guinée depuis la seconde guerre mondiale, mais le vrai démarrage de l'enseignement a commencé après la guerre. Un programme de sciences naturelles calqué sur le modèle Australien était inscrit au programme officiel de l'enseignement primaire, mais était gé- néralement négligé par les instituteurs. L'enseignement dans les lycées a commen- cé à se développer vers la fin des an- nées 50 et la science est devenue une matière h part entière dans les programmes des lycées au début des années 60.

Le développement des premiers programmes a d'abord été entre les mains de commissions ad-hoc constituées d'enseignants et de membres de l'administration sans que soient prévues de dispositions pour l'évaluation. Les années 70 ont vu l'introduction du développement de programmes scolaires sous la forme de projets, avec un programme d'enseignement primaire scientifique en trois étapes, qui a été poussé jusqu'à sa réalisation, et avec un projet d'enseignement secondaire scientifique qui est mis en oeuvre au niveau de classes pilotes.

L'enseignement primaire en sciences.

La Science dans l'Enseignement Pri- maire en Trois Etapes. (SEPTE).

Ce projet SEPTE fut le premier projet d'élaboration de programmes à se dé- velopper dans des directions bien orga-

nisées, en constdérant l'évaluation comme une partie intégrante du projet. Ce projet a fait l'objet d'un rapport final par le conseiller de l'Unesco Williams en 1971.

Au début de 1968 les grands traits étaient définis, le programme décidé provisoirement et les taches de rédaction réparties. Au milieu de l'année, la plupart des leçons des étapes 1 et 2 étaient prztes et le format de présentation des fiches choisi dans sa forme définitive. La rédaction fut terminée en octobre, et en janvier 1969, des institutions pilotes connuencèrent l'enseignement.

Les étapes 1 et 2 furent poursuivies pendant 8 mois, avec un progrannue d'éva- luation utilisant des critères relativement simples, centrés sur la classe : disponibilité du matériel, temps pris pour les activités, facilité de prépara- tion, engouement des élèves et réaction de l'instituteur. En août 1969, 120 le- çons avaient été enseignées au moins 20 fois et évaluées par 20 instituteurs et 5 inspecteurs. Les étapes 1 et 2 sous leur forme définitive furent étendues de 40 écoles pilotes en 1969 à 320 écoles en 1970.

En 1970, un essai de l'étape 3 débu- ta selon les mêmes principes, et en même temps une subvention fut octroyée pour l'évaluation sonmative du projet. L'éva- luation, jusqu'à cette étape, avait été une évaluation formative, par les personnes impliquées dans ce projet. Le travail de les lycées avait déjà

~- Mackay sur les sciences dans (Mackay 1967 et Gardner 1971) établi un précédent pour cette

Reproduit avec l'autorisation de Research in Science Educalion, no 4, 1974, p. 23-33. 109

évaluation externe. Cette évaluation in- dépendante (Wilson 1972 a) utilisait des Fiches d'observation remplies par les instituteurs, par le personnel de direction des collèges, par un chercheur et ses assistants, et l'observation directe effectuée par le chercheur et ses assistants. Cette évaluation portait sur l'é- quipement logistique et le matériel, les classes elles-mêmes, les leçons, les activités d'application. On analysa le projet leçon par leçon, étape par étape, selon la situation de l'école (urbaine ou rurale), selon l'expérience de l'instituteur, selon l'organisation de l'école et selon le district ; en somme ce fut une étude d'ensemble indépendante pour savoir comment le projet fonctionnait dans les écoles.

La conclusion générale fut que le projet répondait, à bien des égards, à ce qu'on attendait avec l'enthousiasme des élèves apparaissant comme une consé- quence particulièrement marquante. Toutefois, il n'atteignit pas totalement un de ses buts qui était de stimuler la curiosité. (Les élèves posèrent très peu de questions). D'autres types de dif- ficultés furent l'échec de beaucoup d'enseignants à tirer parti de l'orientation pratique donnée aux cours, le succès li- mité des activités comportant une discussion, l'utilisation du dialecte, et l'impossibilité pour beaucoup d'écoles de créer la classe de sciences qui était partie intéZrante dumhéma. Le même chercheur est maintenant engagé dans l'éva- luation de l'étape 3, et le rapport provisoire (Wilson 1972 b) indique que cette étape n'a pas eu, et de loin, le succès des étapes 1 et 2.

Co- dans d'autres endroits du Pacifique, le programme de l'enseignement primaire en sciences est perçu comme un programme-clé. Beaucoup d'enfants doivent quitter le système d'éducation à la fin de l'école primaire, et l'enseignement élémentaire en sciences constitue leur seul contact avec l'idée de science, pourtant considérée comme très importante pour les citoyens dans un pays en voie de développement, dans le monde modeme. Le projet en trois étapes SEPTE repré- sente un évènement dans l'évolution du développement des programmes scolaires en Papouasie-Nouvelle Guinée. Les moyens en argent et en personnel ont été fournis par le Département de l'Education, avec

une aide supplémentaire des Nations Unies pour un projet complètement planifié et comprenant la rédaction, l'expérimenta- tion, l'évaluation formative, et l'éva- luation sommative indépendante, avec quelques personnes employées à plein temps pour les étapes de développement et d'évaluation. Ce modèle fournit un tremplin pour les projets concernant les Sciences dans l'Enseignement Secondaire et les Sciences Sociales dans l'Enseigne- ment Secondaire qui doivent suivre.

La Science dans le Secondaire.

Cormne dans d'autres pays du Pacifi- que tels que les îles Samoa ou les îles Fidji, et connue dans d'autres parties du monde, l'accent a été mis lors du déve- loppement des programmes scolaires de sciences en Papouasie-Nouvelle Guinée, sur les Sciences "générales" ou "inté- grées". L'enseignement des sciences dans les écoles a été envisagé comme une aide importante pour le programme de dévelop- pement de ce pays. C'est à l'initiative et selon le choix des nationaux expatriés que s'est développée l'éducation scientifique, et ce n'est que durant les trois demières années que les habitants de la Papouasie-Nouvelle Guinée ont eu leur mot à dire, avec la nomination d'un des leurs (Kirina) comme membre du Comité des Programmes Scientifiques en 1972 et comme responsable officiel du programme scolaire scientifique en 1973.

Adiseshiah, de l'Unesco, fut probablement le premier à faire une déclara- tion sur ce que devrait Ztre l'éducation scientifique dans son pays, au cours de la conférence Camille Wedgood en 1965. 11 insista sur le fait que les écoles secondaires en Papouasie-Nouvelle Guinée pouvaient utiliser la botanique, la biologie, la chimie des sols, non seulement pour initier les étudiants à la science comme composante de la civilisation moderne, mais aussi comme point d'entrée dans la culture nationale de la Papoua- sie-Nouvelle Guinée, et comme image de ses réalités économiques. Le but de l'enseignement des sciences devrait être d'amener les étudiants à posséder les capacités d'invention et d'innovation dont nous avons besoin. A la suite de la visite de Adiseshiah, les Nations Unies fournirent au pays une aide en argent, en équipement et en personnels pour développer l'enseignement scientifique.

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Au début des années 50, il n'y avait pas de système secondaire en tant que tel mais quelques élèves pouvaient entreprendre une sorte d'enseignement post-primaire. Cela les conduisait à un examen de niveau 8, puis à préparer l'admission aux cours de formation pédagogique à Sogeri, Keravat et Dregerhafen, et à la prépara- tion de la profession d'auxiliaire de bureau. La biologie, la physique et la chimie fournissaient les bases d'un cours qui utilisait les manuels prescrits. Ce programme était basé sur les idées de l'enseignement des sciences traditionnel en Australie à cette époque, et fut déve- loppé sans aucune estimation réelle du rôle joué par la science dans la culture naissante en Papouasie-Nouvelle Guinée. Les lycées, en tant que partie intégrante du système d'enseignement secondaire nais- sant, ne furent pas créés avant la fin des années 50, et vers 1962 on trouvait un système qui conduisait à un examen inter- médiaire, et un très petit nombre de ly- cées "sélectifs" conduisant à la classe de Ière. Ce système se transforma rapidement en un système d'enseignement secondaire unifié avec des collèges d'enseignement général mixtes dans les districts vers 1965.

Le démarrage du développement des programmes de sciences fut également basé sur l'opinion des Australiens à cette éPo- que, et les programmes Australiens furent copiés tels quels , ç8t à mettre en place les germes de la science en Papouasie-Nouvelle Guinée. L'autre programme scolaire utilisé était celui des écoles sélectives remplacé par la suite par le programme de Wyndham. Ces deux programmes se révélèrent inadaptés pour un usage général en Papouasie-Nou- velle Guinée, et entre 1963 et 1965 les co 1 lèges utilisèrent un programme déve lop- pé pour Sarawak. L'examen d'étude inter- médiaire, en 1964 et 1965, était basé sur ce demier programme. Le programme de Sarawak comportait une première année intégrée, et conduisait à trois possi- bilités en seconde et troisième année, l'option C étant considérée comme prépa- ration h un cours de sciences d'un niveau plus élevé. A l'opposé du programme australien, le programme de Sarawak (Pro- gramme de Sciences) tenait compte de l'environnement de Sarawak qui était plus proche de celui de la Papouasie-Nouvelle Guinée.

bien qu'on comen-

La formation continue des maîtres commença à devenir une partie importante de l'ensemble et en 1963, un premier sé- minaire se tînt au lycée de Goroka, où un laboratoire de fortune avait été construit à partir d'une salle de classe ; ce séminaire fut le premier d'une série assez régulière de séminaires de formation continue.

1965 vit le début des travaux sur un programme de sciences adapté à la Pa- pouasie-Nouvelle Guinée, et à partir de cette date, on n'a pas cessé de prendre en compte les besoins de la Papouasie- Nouvelle Guinée. Mais comme il a été dit plus haut, cette prise en compte se faisait selon le point de vue des expatriés car les membres du comité du programme étaient des enseignants expatriés. Ils se réunissaient quelques jours par an et travaillaient au développement du programme pendant leur temps libre. Rien ou presque n'avait été fait sur les supports matériels et rien sur l'évalua- tion.

Il y a eu en gros 3 phases dans cette demière étape du développement. La première version des programmes des classes de sixième et cinquième,opéra- tionnelle en 1966, ressemblait beaucoup aux programmes existant ailleurs. La suite de ce programme pour les classes de quatrième et troisième devait être opérationnelle en 1967. Elle répondait beaucoup mieux au souci d'adaptation aux besoins de la Papouasie-Nouvelle Guinde et admettait une grande souplesse permettant 5 l'enseignant de choisir les contenus les mieux adaptés aux particu- larités régionales (Maddock 1968) . Malheureusement le comité qui créa cette version était encore un comité ad-hoc à mi-temps, et n'avait pas de ressources pour produire des matériels. Il n'y avait ni expériences pilotes ni évaluation sys- tématique. Les enseignants enthousiastes et aimant prendre des initiatives appré- ciaient la liberté que leur donnait le programme ; ceux qui étaient plus conservateurs furent perdus sans instructions détaillées et sans méthodes pédagogiques, De plus, la formation professionnelle était en route au Collège de formation des Professeurs de Goroka, et les professeurs de Papouasie- Nouvelle Guinée étaient près d'entrer dans les écoles pour la première fois, ce qui créait des besoins en matériel pédagogique.

111

Ce fut à ce moment que des fonds furent disponibles, sous forme de subventions à des chercheurs indépendants, pour les problèmes intéressant la Papouasie- Nouvelle Guinée. L'un des premiers 3 recevoir une aide fut Mackay, qui fit la première recherche sur les rBsultats de 1 'enseignement des sciences dans les lycées de Papouasie-Nouvelle Guinée (Mackay 1967), avec une étude subséquente en 1970 (Mackay 1971). Gardner (1971) re- çut également une aide et s'occupa des problèmes de vocabulaire en liaison avec 1 'enseignement des sciences.

Dans l'intervalle, les Nations-Unies commencèrent à mettre en route un service pour l'enseignement des sciences, avec des équipements fournis par 1 'Unicef , et avec l'aide d'un conseiller de l'Unes- co pour les sciences, qui se concentra d'abord sur le progranme de sciences primaire en trois étapes SEPTE. En 1970, il y avait du personnel payé par l'Unesco au Collège de Professeurs de Goroka, et l'étape actuelle du développement secondaire commençait en s 'appuyant sur le modèle de projet f o u m i par le développe- ment du p r o g r m e de sciences primaire en trois étapes (SEPTE).

L'ensemble des programmes des classes de sixième à troisième fut rapidement révisé en fin de trimestre, ce qui donna un programme provisoire solide , bien plus traditionnel que la version 1967 des classes de 4ème et 3ème. On établit des plans pour le développement d'un cours nouveau s'étendant sur 4 ans, et qui devait être conduit par tranches de 2 ans. Ce cours devait faire suite à celui éta- bli par le programme de sciences primaires en trois étapes (SEPTE), et le projet prit une importance primordiale. Le comité comprenait encore des membres qui étaient des éducateurs en exercice (instituteurs , professeurs de collège , maî- tres de conférencede l'Université et des inspecteurs de lycées) travaillant pour la plupart pendant leur congé ; mais pour la première fois dans le développe- ment des programmes d'enseignement secondaire il y avait des personnels payés dont le travail principal était le déve- loppement des programmes scolaires - trois personnes de l'Unesco et un membre du Ministère de l'Enseignement de la Pa- pouasie-Nouvelle Guinée. En 1973, il y avait deux personnes de l'Unesco attachks au Collège de Goroka et trois employés du

Ministère, travaillant à plein temps dans le Secteur des Programmes, dont le projet constituait l'activité principale.

Le comité initial contenait toujours des citoyens expatriés, orientés vers des disciplines traditionnelles et qui ne parvenaient pas réellement à partager le point de vue de la Papouasie-Nouvelle Guinée. Toutefois il proposa des maté- riels pour les professeurs, sous la forme d'une version provisoire d'un guide pour les professeurs : ce support manquait dans tous les travaux de développement des précédents programmes de sciences. En 1972, pour la première fois, il y avait une représentation de la Papouasie Nouvelle Guinée dans le comité, et en 1973, le membre de cette représentation fut rattaché 5 plein temps au Département des Programmes, pour le développement des programmes de sciences.

Les matériels de la phase d'essai pour la classe de sixième furent rédigés durant l'année 1971, utilisés au stade pilote en 1972, révisés pour un nouveau stade pilote en 1973. Un programme de développement suivant le schéma de la classe de sixième fut arrêté pour les classes de 5ème, 4ème et 3ème dans les années suivantes. Les matériels pour la classe de 6ème furent mis à l'essai dans les classes pilotes en 1972. Les écoles étaient choisies selon la convenance des membres du comité qui devaient agir comme surveillants pour les activités des éco- les pilotes ; mais elles constituaient un échantillon représentatif d'écoles publiques et privées, d'externat et d'internat, d'écoles mixtes ou non, et de professeurs dont certains étaient des diplômés de Papouasie-Nouvelle Guinée, provenant du Collège de Goroka. A la fin du stade pilote de 1972 les matériels de classe de 6ème furent revus et utili- sés dans un nouveau stade pilote en 1973; les matériels sont maintenant dans la phase de réalisation pour la première année dans toutes les classes de 6ème en 1974.

Développement d'un modèle d'évaluation.

L'évaluation des matériels de la lère étape pilote suivit le modèle du programme de développement primaire en trois étapes, qui s'était révélé efficace dans le développement des matériels de sciences élémentaires. On utilisait

112

une fiche pour l'évaluation par les enseignants, qui comprenait 9 questions concernant les élèves et le travail en classe, et une fiche d'évaluation globale sur laquelle les professeurs devaient estimer le succès obtenu par une unité particulière. Les deux questionnaires furent généralisés sous un format tel qu'un seul jeu pouvait être uti- lisé pour toutes les unités d'enseigne- men t e

A partir des observations des inspecteurs, faites pendant les leçons, et de discussions avec les professeurs pilotes, il apparut qu'il y avait des pro- blèmes avec les matériels du stade pilote. Les réponses aux questions des fiches d'évaluation montraient aussi qu'il y avait des problèmes, mais ne foumis- s a k t pas d'information spécifique utilisable par le comité. Ce dernier reçut en retour des commentaires généraux qui en fait n'aidaient en rien à décider des améliorations à mettre en place. La nouvelle rédaction dut donc être faite en se basant largement sur l'intuition. Certains collaborateurs avaient le sentiment que les réponses (feedback) ne montraient pas réellement que les maté- riels n'étaient pas convenables, et étaient très enclins à les laisser en l'état bien que les inspecteurs aient clairement indiqué à partir des observations faites en classe, que tout n'était pas bon ; en fait, l'analyse du feedback n'était pas en bon accord avec les observations des inspecteurs.

En général, si l'évaluation montrait que, par exemple, une unité était consi- déréè comme peu satisfaisante par un nombre important de professeurs, elle ne donnait aucune indication claire sur ce qui n'allait pas ni sur les améliorations à apporter. Il devint clair, que si l'é- valuation devait aider à la révision des matériels, elle devait prendre une forme telle qu'elle puisse se faire sur des parties spécifiques des matériels. Il fallait donc plutôt qu'une fiche géné- rale applicable à toutes les unités, une feuille séparée pour chaque unit6,facile à remplir après chaque leçon et qu'on puisse exploiter à l'aide d'une forme quelconque d'index numérique.

La première année, au stade pilote, ne comprenait pas de programme de tests, c'est-à-dire que, à part l'évaluation

par le professeur, il n'y avait pas de moyen d'évaluer la réussite du programme. Il n'y avait d'ailleurs pas de programme de tests dans le projet SEPTE.

La deuxième année des expériences pilotes, on introduisit un système d'éva- luation établi par un professeur de haut niveau et un' programme de tests, Une feuille de contrôle détaillée fut prépa- rée pour chaque unité, aussi bien pour les matériels révisés destinés à la classe de sixième que pour les materiels nou- vellement élaborés pour la cinquième, qui devaient être utilisés en pilote pour la lère fois en 1974. Chaque activité, ou phase clé de l'unité, était accompagnée d'une référence 5 un "guide du maître", détaillé. Les colonnes numérotées 1 à 5 étaient classées sous la rubrique "Indi- ces de succès", tandis que cinq "types de problèmes'' comprenaient : livre du maître, matériels, compréhension des élèves, formation des maîtres et divers. A la fin de chaque leçon, les professeurs pilotes devaient indiquer le degré de réussite des activités correspondantes, et cocher les colonnes appropriées :

5 - succès total : l'ensemble des activi- tés se déroule 6ans aucun problème et aboutit à d'excellents résul- tats.

anicroches mais en général l'activité s'est déroulée sans difficultés ré- elles et a conduit à de bons résul- tats.

3 - satisfaisant : quelques menus pro- blèmes ont été rencontrés, mais ils ont été résolus de façon satisfaisante moyennant quelques efforts.

2 - difficile : il y a eu de nombreux problèmes de sorte que l'activité est un échec presque complet.

en cours de route, que l'ensemble de l'activité peut être considéré comme un désastre total.

4 - succès : il y eutquelques petites

1 - échec : il y a eu tant de problèmes

Quand l'activité considérée tombait dans les rubriques 1 , 2 ou 3, on demandait de cocher la ou les colonnes "types de pro- blèmes" correspondantes, et de rédiger un commentaire libre dans un espace réservé au verso de la feuille d'évaluation, afin de préciser en détail la nature des difficultés,

113

Des inspecteurs visitèrent les éco- les pilotes, au moins une fois par semaine, pour observer les leçons et discuter des problèmes rencontrés. Les inspecteurs avaient pour but d'homogénéiser l'évaluation en insistant sur le système de notation et d'aider aux interpréta- tions des indices lors de l'exploitation finale des résultats,

L'emploi de cette méthode, quoique non exempte de certains problèmes, attira imrnédiatement l'attention sur les activi- tés qui n'allaient pas. Quoiqu'aucune "valeur absolue" ne pût Gtre placée en regard des indices de succès individuels, le profil des indices, dans une unité, mettait en lumière celles des activités qui avaient bien moins de succès que les autres. Par exemple, l'exercice sur la façon de faire du feu se dharquait nettement des autres activités (Tableau 1 , unité 2 de la classe de 6ème). Les ré- sultats de l'analyse et des types de problème indiquent que la difficulté majeure provenait de l'équipement. Le résumé des commentaires libres indiquait la nature de ce problème d'équipement. A la suite de cette évaluation, l'activité fut maintenue dans l'unité, mais on fournit plus d'assistance dans le guide du

'

maître afin de faire marcher l'activité. Dans d'autres unités ayant obtenu un mauvais indice, les types de problème indiquaient que les difficultés seraient difficiles à surmonter et ces activités furent supprimées.

Cette évaluation par indices de succès et type de problèmes entraîna une amélioration de l'information en retour et aida grandement dans la révi- sion, mais elle pouvait être encore beaucoup améliorée. Un échantillon pilote bien plus grand aurait été très avantageux. Vers la fin de l'année, les professeurs choisissaient les indices avec moins de discrimination et se donnaient moins de peine pour les commentaires libres. Un des critères primitifs pour la sélection de 6 classes pilotes seulement, était la facilité d'accès des inspecteurs, qui étaient également membres du comité. Toutefois les inspecteurs ne pouvaient venir écouter que quelques leçons, et leur évaluation restait fondamentalement subjective. Cela aurait été toujours le cas pour un échantil€on- nage plus grand, mais les indices auraient été plus sûrs. 11 était égale-

ment difficile pour les inspecteurs d'oublier qu'ils avaient eux-mêmes participé à la rédaction des matériels.

Toutefois la méthode se révéla assez simple à appliquer par les professeurs du stade pilote, et les résultats furent facilement recueillis. Elle convînt aussi bien aux écoles pilotes qu'au Département des Programmes, et nonobstant quelques problèmes apporta une contribution importante aux progrès du projet.

Des tables rondes OÙ les membres du comité et les professeurs pilotes dis- cutèrent de la situation globale, se ré- vélèrent très utiles pour l'interpréta- tion de l'évaluation. Malheureusement elles souvent.

ne purent pas avoir lieu très

Livre de l'élève.

En plus du Livre du Maître on déve- loppa un matériel supplémentaire sous la forme d'une série de livres pour les 6- lèves. Au fil des ans alors que se pour- suivait le développement d'un programme de sciences en Papouasie-Nouvelle Guinée l'idée d'un manuel qu'on mettrait entre les mains des élèves a perdu du terrain. Les livres des élèves furent envisagés comme un support d'étude sous la forme de lectures, afin de compléter le travail fait en classe.

Evaluation à l'aide de tests.

L'indice de succès et l'évaluation par les maîtres envisageaient l'évalua- tion sous l'angle de l'organisation d'une salle de classe, bien qu'on deman- dât aux maîtres d'estimer la compréhension des élèves, parmi d'autres facteurs, Cinq objectifs généraux furent établis pour le cours ; mais ils utilisèrent des termes très généraux comme "compréhen- sion" "attention". Par suite, la première année de stade pilote manquait d'indications claires, en ce qui concerne ces objectifs, sur ce que les élèves étaient censés faire. L'évaluation finale ne put donner d'indications précises pour savoir si les objectifs spécifiques des élèves avaient été atteints.

Durant l'année 1974, on produisit des tests pour toutes les unités, avec pour certaines une liste d'objectifs spécifiques. Ces tests se voulaient des

114

Tableau 1.

Force externe

Force interne

Développement et questions

Travail (S0U:eVer)

Travail (tirer)


Introduction des discussions

Punaise

Roue hydraulique


Se frotter les mains

Gr i 11 age Lame de scie à métaux/lime

Deux bat ons

Questions

Faire du feu


Classement d'échantillons

Questions

Bioxyde d' azote

Résumé de l'évaluation des professeurs

Partie de 'l'Unit6 2 de la classe de 6ème

Seconde Version Pilote - 1973 d'après le maître de problème

yenne 1 2 3 4 5 M o GM EM CE FM A 3 1 2 1 6 3.5 O 3 2 0 1 O 0 1 7 6 4.4 O 0 2 0 0

O 3 1 6 4 3.8 O O 4 O O O 0 1 4 9 4.6 O 0 2 0 0

O 0 2 7 7 4.3 O 0 3 0 0

O O 1 8 7 4.4 O O 2 O O O O O 6 9 4.6 O O 2 O O O 0 2 6 8 4.4 O 0 1 0 0 O 1 3 O 1 2 4.4 1 2 3 1 O O O 2 1 13 4.7 O O 2 O O O O 4 2 1 0 4.4 3 O 1 O O

O O 2 4 1 0 4.5 O 1 O O O O O 1 3 1 1 4.6 O 1 1 O O O 0 5 4 7 4.1 O 1 1 0 1

1 5 4 5 5 4.3 O 0 2 0 0

4 6 5 1 1 2.3 O 6 1 0 5

O O 2 9 4 4.4 O O 1 O O O 0 0 7 9 4.6 O 0 1 0 0

O 0 3 6 5 3.5 1 0 3 0 0

O O 1 4 1 0 4.6 O 1 1 O 1

O O O 3 1 3

O O 1 5 1 0 O O 3 2 1 1

Eau bouil lan te

Condensation

Chauffage

4.8 O O 1 O O 4.6 O O 2 O O 4.5 O O 2 O O

Types de problèmes : GM = Guide du maître EM = Equipement/Matériels CE = Compréhension de l'élève

FM = Formation du maître A = Autre problème (quel qu'il soit)

tests avec critères de performance et dans une salle de classe, les objectifs permettaient de vérifier si les objectifs spécifiques de l'enseignement n'avaient spécifiques avaient été atteints. Toute- pas été atteints par un pourcentage éle- fois, dans la réalité, ils apparurent vé des élèves des classes pilotes. bien plutôt comme des tests normatifs. Ce que cela signifie, c'est que, bien En particulier, l'une des caracté- que d'après l'évaluation du maître, la ristiques importantes des premières uni- plupart des activités étaient rentables tés - le développement des premiëres

115

idées sur la structure particulaire de la matière - avait été très mal comprise La plupart des questions des tests axées sur le modèle particulaire n'eurent de bonnes réponses que pour 20 5 30 2 des élèves.

Certaines écoles furent utilisées comme contrôle pour plusieurs unités. Ces écoles de contrôle utilisaient le "Programme Provisoire", programme retenu en attendant la réalisation du projet pilote. Il définissait des buts qui étaient exactement les mêmes que ceux du programme pilote, mais avec une approche différente. Les résultats de certains items montraient que la réussite n'était pas meilleure dans les écoles pilotes que dans les écoles de contrôle.

Alors que l'évaluation par le maître pouvait être effectuée manuellement, les tests créaient un tout autre problème, car près de 1000 fiches devaient être traitées. Elles furent traitées par un ordinateur au centre de calcul du Minis- tère du Service Public ; mais les dé- lais d'attente pour la réception des tests effectués dans les écoles, puis le délai pour la perforation des cartes au centre de calcul, ne permirent de disposer des résultats des tests que longtemps après l'évaluation.

Bien que les tests aient montré que certains objectifs clés du nouveau programme n'avaient pas été réalisés, un problème majeur était de savoir ce qu'on allait faire. Pour le comité qui avait mis au point le programme, ces objectifs étaient importants, en réalité l'idée du modèle particulaire est chère au coeur de certains de ses créateurs. Toutefois certains maîtres ont présenté des critiques sur sa pertinence dans la situation de Papouasie-Nouvelle Guinée.

Le programme de la classe de sixiè- me est maintenant entré dans toutes les écoles depuis 1974. Le stade - pilote a permis une amélioration considérable des matériels originaux ; cependant la version finale est encore loin d'être parfaite. Les parties les plus franchement mauvaises, d'après l'évaluation par les maîtres en 1973, ont été améliorées ou éliminées, et l'effet que cela aura sur le résultat des tests n'est pas encore connu.

Il y a encore de fortes réserves sur ce que seraient les performances des étudiants, et une mise en question de ce que devrait être la science, en géné- ral, dans la situation que connaît la Papouasie-Nouvelle Guinée.

Dilemme pour le Futur.

Le pro j et d ' ens e i gnemen t s e con da i r e en science représente une étape d'évolu- tion capitale dans le développement des progranunes de sciences en Papouasie-Nou- velle Guinée, bien qu'il soit encore loin d'avoir la structure élaborée et les ap- puis qu'ont les projets aux noms presti- gieux dans le monde de l'enseignement des sciences, tels que Nuffield, BSCB, PSSC, ISCS et ASEP. On a fait des progrès grâce à des comités ad-hoc travaillant de façon appropriée et utilisant le maté- riel des programmes étrangers pour aboutir 2 un projet structuré et à un modèle comportant le développement et l'évalua- tion, avec certains personnels administratifs employés à plein temps,

Certaines difficultés majeures sont devenues apparentes : l'échantillonnage du pilote était restreint et choisi pour des raisons de commodités, le personnel et la structure du soutien étaient trop réduits pour traiter tous les problèmes qui se présentent dans un projet de cette ampleur, afin de respecter le calendrier de développement requis par la situation en Papouasie-Nouvelle Gui- née. Et de plus il y avait trop peu de Guinéens concemés :

Le manque de stabilité du personnel impliqué dans ce projet a été un problème majeur. Le personnel administratif du Département des Programmes est retombé à 1 personne à plein temps après l'année record où 3 personnes étaient employées. Le personnel de l'Unesco sera parti à la fin de 1974, et deux membres expatriés du comité qui ont eu des responsabilités dans le développement du programme de sciences tout au long de son histoire ont quitté le pays. Le résultat de tout ceci est que la seconde étape pilote pour la classe de cinquième sera modifiée de façon radicale par rapport à la classe de sixième, tandis que les classes de 4ème et 3ème semblent devoir être retar- dées d'au moins un an.

116

Le problème capital du type de sciences dont a réellement besoin la Papouasie-Nouvelle Guinée n'est toujours pas résolu. Le type de pressions venant de l'Enseignement Supérieur avec des idées assez arrêtées sur ses propres besoins, existe en Papouasie-Nouvelle Guinée comme ailleurs dans le monde, Toutefois les faits montrent qu'une proportion importante de la population scolaire passe à côté d u courant de la vie culturelle, à la fin de l'école primaire, après la classe de cinquième et après la classe de troisième. Leurs besoins sont souvent bien loin de ceux qui sont dépeints par les organismes de l'Enseignement Supérieur. La politique Gouvernementale en matière d'éducation est fortement basée sur une préparation des gens 2 une vie rurale.

Le développement futur devra être conduit B partir du modèle de dévelop- pement et d'évaluation établi jusqu'ici mais il faudra étendre le modèle en tenant compte du plan de développement des sciences en Papouasie-Nouvelle Gui- née. Bien que le projet de science élémentaire en trois étapes SEPTE ait précédé le projet de l'enseignement secondaire, et bien que quelques membres du comité aient participé aux projets, le projet pour l'enseignement secondaire n'a pas assez tenu compte du projet du primaire dans son développement.

Les classes terminales du secondaire se développent de façon indépendante et le développement de leur programme scolaire est considéré comme une affaire intérieure de l'école. Le développement

Étape 4

I Étape 3

I Étape 2

I Étape 1

I Fu-

s o f l Dimension du contenu scientifique

Cadre socio-culturel de la PaDouasie-Nouvelle Guinbe

Figure 1 - Termes de réf6rence.pour le développement des programmes de sciences en Papouasie - Nouvelle Guinée,

117

des programmes de sciences peut titre considéré comme une structure tridimensionnelle qui comprend le contenu scientifique, les objectifs intellectuels et l'éducation des élèves, tous considé- rés dans le contexte social de la culture de la Papouasie-Nouvelle Guinée (cf. Figure 1). On doit examiner de façon rigoureuse cette infrastructure culturelle pendant le contrôle du fonction-

entre dans sa phase de réalisation, quand des décisions pour l'avenir seront prises sur cette base. Le modèle orienté vers la recherche, qui a été développé jusqu'ici, devra être élaboré et renforcé autour d'un noyau de responsables appartenant à la Papouasie-Nouvelle Guinée.

-nement du présent projet, alors qu'il

Un aspect des buts visés qui n'a pas été incorporé dans le présent projet de programme de science en Papouasie-Nou- velle Guinée est la prise en compte des objectifs affectifs, qui sont une composante importante dans l'énonciation des buts recherchés.

Maddock (1973) a développé un instrument de mesure de l'attitude, potentiellement utilisable pour le programme d'évaluation. Le Ministère de l'Enseigne- ment en Papouasie-Nouvelle Guinée, a débloqué des crédits pour la poursuite de ce travail en accord avec sa politique d'aide aux recherches indépendantes, intéressantes pour la nation. Pour une partie ces recherches auront pour but de donner à des chercheurs et à des constructeurs de programmesde Papouasie Nouvelle Guinée, une formation dans les techniques de recherches nécessaires. On espère que cette formation conduira à une extension du modèle d'évaluation, afin d'y incorporer le domaine affectif: domaine à peu près négligé dans le déve- loppement des programmes dans le monde entier,

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118

Sciences physiques à l'université : espoirs et craintes J. A. Leisten

Le Rédacteur en Chef m'a demandé une présentation des changements dans les Universités, surtout en ce qui concerne les sciences physiques, les Universités des pays en voie de développement compa- rées à celles du Royaume Uni, et les perspectives d'avenir, S'il avait désiré une liste exhaustive et neutre de tous les développements et de toutes les opinions, il aurait certainement contacté une autre personne. M'étant ainsi un peu excusé, je vais essayer d'écrire quelque chose de constructif sur ce qui m'inté- resse et sur ma propre expérience.

Commençons par les sciences physiques enseignées dans les Universités du Royaume Uni : en quoi le changement a-t- il été le plus grand depuis les dix ou vingt dernières années ? On répondra à coup-sûr "les sujets eux-mêmes", car les sciences physiques sont un domaine de recherche fécond ; et malgré la pénurie financière, le moral des équipes de recherches a toujours été excellent, et le niveau d'érudition et de motivation semble toujours progresser. On a quelquefois entendu des réserves, et l'une d'elles, qu'il faut rapporter ici, est que la qua- lité des thèses (Ph.D. degree), pour lesquelles les étudiants en sciences physiques travaillent, est trop dépendante du sujet et du directeur de thèse. Au pire, le programme de recherche limite parfois trop le domaine des idées et des techniques que rencontre l'étudiant. Les jeunes Universités des pays en voie de dévelop- pement font très attention à ce défaut. Elles recherchent continuellement des cours de troisième cycle qui pourraient faire avancer la maturité scientifique de leur meilleurs diplômés aussi vite

que possible, sachant que les docteurs d'état qui reviennent dans leur pays seront bien rapidement mis en face de res- ponsabilités. Des concertations sur ce problème ont eu lieu au Royaume-Uni ; certains laboratoires l'ont bien compris, et font travailler des étudiants à des projets de recherches communs à plusieurs directeurs de thèse, afin de couvrir un plus grand domaine de recherche. Si on portait plus d'attention à l'utilité de l'enseignement, par exemple de cette fa- çon, il n'y aurait pas de crainte à avoir sur le système des thèses, ou sur leur utilité dans les pays en voie de développe- ment ; en effet la Recherche en Sciences Physiques forme à l'Enseignement, aussi bien que n'importe quelle autre activité purement universitaire. Les problèmes de recherche typiques demandent aux étudiants beaucoup de travail ainsi que de la per- sévérance mais suscitent plus que d'autres l'intérêt et le sens de l'urgence, car ils offrent un bon espoir de solution positive. Les problèmes du monde sont moins bien clairement définis ; cependant si on fixe comme objectif B 1'Education d'aborder tout problème de façon rationnelle et constructive, alors les laboratoires de recherches en sciences physiques, en plus du fait qu'ils forment des spécialistes techniques, rendent un énorme service aux cadres de la société dans les pays dévelop- pés comme dans les pays en voie de dévelop- pement.

Le niveau de recherches très élevé en sciences physiques, l'accumulation des connaissances qui en résulte, et en particulier la sophistication des théories, ont créé des problèmes sérieux et Conti- nuels pour l'enseignement ; leurs consé- quences et les solutions suggérées cons-

Reproduit avec l'autorisation de Overseas Universilies, vol. 23, 1976, p. 11-16. 119

titueront le reste de cet article, car c'est précisément dans cet aspect des choses que l'auteur est essentiellement engagé. Cet article comprend trois parties. Premièrement les difficultés de l'enseignement, non résolues, ont rendu les sciences physiques de plus en plus rébarbatives pour les étudiants du premier cycle. Deuxièmement, les sciences physiques devraient se trouver au coeur du système d'enseignement universitaire, plutôt que de perdre du terrain au profit des sciences sociales et autres sujets, comme maintenant. Troisièmement, pour renverser la tendance dans le nombre d'é- tudiants qui s'inscrivent, des changements d'attitude et d'approche vis à vis de l'enseignement du premier cycle sont nécessaires. Ces trois propositions vont être discutées chacune à leur tour.

On a avancé un tas de raisons expliquant la dégringolade du nombre d'étu- diants en sciences physiques, chacune ayant sans doute quelque chose de vrai. C'est dommage, du point de vue de l'auteur, car leurs effets combinés ont caché la vraie raison et ont inhibé une action curative efficace. On a dit par exemple, que les sciences physiques sont une discipline trop sévère pour la jeunesse mo- d e m e ; et pourtant l'intérêt et les exigences requises pour faire de la musique instrumentale, de l'athlétisme et d'autres disciplines semblent augmenter sans cesse. On nous dit que les jeunes rejettent la science, parce que certaines de ses implications dans la vie de tous les jours sont mauvaises. Mais est-ce que cette considé- ration, non complète, influence vraiment les élèves de classe terminale ? La raison la plus évoquée est peut être l'absence de débouchés ; mais la diminution des effectifs dans les Universités scientifiques date d'avant le chômage des cadres scientifiques au Royaume Uni, et se produit dans les pays en voie de développement, OÙ il y a un besoin crucial en diplômés, scientifiques essentiellement. L'auteur ne connait qu'une seule raison du déclin de l'intérêt pour les sciences physiques qui résiste à l'examen, et c'est au sens très général, l'enseignement. Car à mesure que les sciences ont progressé et à mesure que des idées nouvelles ont, été introduites dans les cours de longueurs fixées, les étudiants se sont sentis moins sûrs dans leur comprghension, plus enclins à la confusion, moins capables de lire autre chose que leur spécialité,

moins motivés, et de plus en plus tentés par d'autres sujets d'étude. Cette dété- rioration n'a été tolérée que parce qu'elle s'est produite avec une lenteur insidieuse durant les dernières décennies. Mes lecteurs comprendront ceci dans la mesure où ils seront convaincus par ma seconde proposition - à savoir que la proportion des étudiants inscrits en sciences physiques devrait augmenter - et ceci est le sujet du paragraphe suivant.

Les Universités Britanniques se sont multipliées durant l'après-guerre, et on peut soutenir que les Universités créées successivement ont épousé trop étroite- ment les aspirations des premières Uni- versités ; il en est résulté une surpro- duction de spécialistes vers les années 60. Quoi qu'il en soit, un enseignement universitaire de masse est inévitable, en dépit de contretemps économiques pas- sagers, et chaque discipline doit décider soit de restreindre l'entrée des étu- diants à de petites ,minorités, très moti- vées par vocation ou par intérêt professionnel, soit d'accepter le nouveau défi et d'enseigner à un plus grand nombre de manière non traditionnelle, quitte à pe prendre qu'une petite proportion d'étu- diants dans les cours ultérieurs plus spécialisés. Beaucoup de scientifiques préfèrent la seconde attitude pour les sciences physiques, et cette conclusion occupe une place centrale dans mon sujet de réflexion. On peut commencer par le raisonnement banal suivant : les sciences physiques sont primordiales pour l'élé- vation du niveau de vie. Il y a ensuite l'argument qu'une économie future pros- père ne dépendra pas seulement des techniciens et des scientifiques, mais éga- lement du reste de la collectivité qui doit être scientifiquement bien éduqué. On peut prédire par exemple qu'une industrie qui doit satisfaire les besoins d'une population techniquement avancée, sera mieux placée sur les marchés'exté- rieurs les plus fructueux, et que les scientifiques seront capables de travailler plus efficacement dans une telle société, que dans une autre qui serait indifférente ou hostile à la science (un point sur lequel on ferme les yeux de façon anormale à une époque OÙ des considérations sociologiques sont habituellement prises en compte). Toutefois la raison essentielle en faveur d'une extension de l'enseignement des sciences

120

physiques même à des non spécialistes n'est pas directement d'ordre matériel. Car, en plus des applications évidentes des sciences physiques qui ont rapidement changé le monde, il y a un héritage intellectuel passionnant, mûr pour être présenté de façon rationnelle, d'ailleurs respecté par beaucoup des étudiants qui changent maintenant d'orientation. Dans cette période de loisirs croissants, et avec cette tendance qu'ont les Universi- tés à se diversifier, ce qui conduit à des sujets de recherches de qualité iné- gale et de poids variable pour l'intérêt des jeunes gens, il y a certainement peu de chance que les sciences physiques quittent l'enseignement général. Pour des raisons économiques et culturelles, et pour beaucoup d'autres qui sont entre les deux, les sciences physiques devraient être proposées à un plus grand nombre d'étudiants, à des futurs dirigeants ou cadres de plus en plus concernés par les questions de technologie, à des politi- ciens, à des juristes à qui on demande de plus en plus de comprendre les questions scientifiques, à des commerçants qui doivent être au courant des questions de recherches de façon à inspirer confiance en leur firme, à des journalistes et écrivains qui peuvent faire changer l'attitude des gens vis-à-vis de la science mais dont l'influence par le passé a souvent été plutôt négative ; et surtout aux maîtres de l'enseignement primaire autant qu'aux autres, car bien des problèmes d'enseignement disparaî- traient si le contact avec les idées des sciences physiques, avait été pris plus tôt et plus naturellement dans la vie.

Même les collègues qui sont tout à fait d'accord avec cette proposition semblent résignés à la diminution, chaque année, du nombre d'étudiants en scienceet sce2tiques sur les moyens d'y remédier, comme j'ai pu l'observer à deux reprises, récemment, au cours de visites dans des départements de chimie faites à l'époque des nouvelles inscriptions d'étudiants. Ces collègues chercheurs sont peut être prudents, et c'est compréhensible, vis à vis des revendica- tions excessives et intéressées des enseignants. Cependant l'auteur a depuis longtemps estimé que les remèdes 2 ce déclin de l'intérêt pour les sciences physiques sont l'affaire des enseignants et il a recherché un tel remède pendant les onze ans qu'il a passésavec ses col-

lègues de l'Université du Malawi. Ce travail est arrivé à maturité, et l'auteur s'y réfèrera pour convaincre de l'importance des changements à apporter dans l'enseignement du premier cycle, en prenant un exemple concret. Cela servira d'excuse à plusieurs paragraphes consa- crés 3 une description de la façon d'enseigner au Malawi et à ce qui en résulte.

Notre premier souci en créant un nouveau cours de chimie a été de concréti- ser la conviction que les programmes étaient devenus trop denses pour être assimilés, et qu'une réduction des ma- tières enseignées rendrait aux étudiants motivation et courage. Le choix et le mise au point ou des conférences magis- trales. En simplifiant 3 l'extrême, nous avons rassemblé les théories après avoir familiarisé les étudiants avec les faits. Le mécanisme de tout ceci est assez secondaire, mais mérite une brève description. Les intentions pédagogiques sous-entendant cette approche demandent des cours écrits, réécrits plusieurs fois au vu des résul- tats, les entretiens eux-mêmes étant pré- parés dans des livres du maître. Pour faire passer un certain nombre d'idées, il faut non seulement des changements fréquents de sujet, mais également des changements d'activité. En une semaine par exemple, le premier thème pouvait être le sujet d'une courte discussion, le second, d'une expérience de deux heures, le troisième pouvait concerner les réponses par écrit à quelques questions courtes, le quatrième, la projection d'un film. Toutes ces conditions n'étaient pas faciles 2 réunir dans des classes nombreuses avec des cours de courte durée, et donc nous abandonnâmes le système du cours magistral pour notre enseignement de base, Pour obtenir la flexibilité nécessaire, nous avons construit des salles polyvalentes plutôt que des amphithéâtres et des laboratoires, et avons donné les cours dans ces salles à des groupes de 20 étu- diants pendant des périodes continues de 4 à 6 heures. (Un de mes collègues biolo- giste me demanda comment pouvait se justifier un enseignement fait pendant des périodes aussi longues et d'une seule traite ; il crut que la réponse "pour être sûr qu'ils aient un peu de variété" était volontairement paradoxale ; mais nous pensions Zi ces étudiants qui vont à quatre endroits différents en une seule matinée, et sont assis 50 minutes dans chacun afin de prendre des notes). Nous

121

avons gardé ce système d'enseignement pendant onze ans. Nous trouvons que cet enseignement donne un contact suffisamment intime pour que les travaux dirigés par petits groupes (Tutorial system), ne soient plus nécessaires ; de plus il a l'avantage d'une économie en personnel sur le système conférence - iaboratoire- mode de traitement des sujets ont consti- tué une partie importante de cette réfor- me, et une attention soutenue nous a convaincus qu'une bonne partie de ce qui est présenté en général dans un cours pouvait être éliminé sans que celui-ci perde de sa cohérence ou de sa substance ; mais ce n'est pas un aspect sur lequel insister dans un article pour des lecteurs non spécialistes. Ayant décidé de limiter le contenu du cours à ce que les étudiants pourraient apprendre, plutôt que d'y laisber le contenu traditionnel, et ayant ainsi rendu possible une solution du pro- blème de l'enseignement, nous pouvions tourner notre attention vers la méthodo- logie.

Les façons d'enseigner varient fortement selon les sujets. A un extrême (l'histoire ?> les étudiants lisent et écoutent des choses nouvelles la plus grande partie du temps, tandis que, à l'autre extrême, la répétition et la mise en pratique sont de règle. En musique instrumentale par contre, il ne suffit pas de lire les notes et de savoir comment les jouer, elles doivent être jouées de façon répétée dans différentes séquen- ces avec de nombreuses variations de hauteur et de rythme. A notre avis, l'enseignement à l'Université en sciences physiques s'était trop rapproché du premier de ces extrêmes : il faut en effet que les principes physiques soient affrontés de façon répétitive, dans différents contextes, avant qu'ils soient ancrés dans l'esprit des gens, Nous avons donc entre- pris de confronter les étudiants aux &- mes principesde base, semaine après semaine, en utilisant des entretiens, des démonstrations, des problèmes, des expé- riences, des discussions, des films, des jeux de cartes &me, selon un programme prévu à l'avance avec toutes les variations possibles dans les sujets et dans les méthodes. Nous n'ignorions pas la valeur d'une présentation claire dans laquelle les idées sont placées dans un contexte logique, mais nous avons essayé de faire de temps à autre des exposés de

travaux dirigés, bien qu'il n'ait pas été introduit spécialement pour cette raison.

Des lecteurs pourront penser que la nature de l'enseignement qui vient d'ê- tre décrit est un peu trop programmée, et en fait nous en s o m e s venus à la mê- me conclusion. Nous avons donc ajouté des éléments compensateurs sous la forme de problèmes pratiques et d'exposés thé- oriques. Les deux méthodes sont introduites graduellement auprès des étu- diants, essentiellement pour fixer au maximum leur attention, et les deux sont conformes à la politique d'enseignement qui a déjà été expliquée. Par exemple les problèmes de laboratoire reposent sur des principes sc;.entifiques qui sont déjà familiers aux étudiants, et ceci reflète notre intention de ne pas saturer l'esprit des étudiants avec seulement de la théorie. Le système des Thè- mes, en plus du choix usuel "des sujets de pointe", permet des conférences géné- rales inhabituellement faciles à donner et à écouter. Trop souvent il semble que les étudiants en sciences physiques sont limités à quelques manuels, tandis que leurs camarades en Art ou en Sciences Sociales utilisent la bibliothèque librement, et que les étudiants en sciences physiques sont tellement écartelés jusqu'aux limites de la compréhension qu'ils en paraissent inarticulés, tandis que leurs camarades littéraires peuvent soutenir une discussion sur leurs sujets. Donc, un des buts de notre sys- tème de "Thèmes" est de rendre accessible une discipline difficile et de l'amener 2 un niveau comparable 5 celui des autres matières, de telle sorte que le diplôme d'éducation universitaire gé- nérale de nos candidats soit crédible.

L'argument que l'enseignement scientifique à l'université est insuffisam- ment adapté au besoin des étudiants, provoque des passions violentes de la part de ceux qui connaissent le problè- me. Une conférence sur la conception des hauts-foumeaux ou sur l'industrie du caoutchouc ne parait guère plus valable, et même bien moins intéressante pour les étudiants que les sciences pures ; des cours de sciences appliquées ajoutés aux cours existants peuvent aggraver l'indi- gestion intellectuelle dont souffrent déjà les étudiants. Toutefois, si des départements de sciences physiques veu-

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lent garder leurs étudiants 2 une époque où l'enseignement supérieur est largement répandu, ils doivent faire plus que maintenant pour réfuter l'accusation qu'ils forment des professeurs d'Univer- sité. L'auteur s'est convaincu, non sans mal, que les sciences appliquées ont besoin d'un plus grand développement, mais que celui-ci doit être imbriqué dans la structure de l'exposé des sciences physiques ; sans en diminuer la rigueur, il sera d'un intgrêt majeur, même pour les étudiants les plus brillünts. Nos étu- diants de première année mesurent le pourcentage d'eau dans la margarine. Ils semblent apprécier l'idée que si les fa- bricants dépassent le taux légal de 16 % ils vendent de l'eau au prix de l'huile de palme, et ils travaillent avec plus d'enthousiasme sur leurs échantillons que sur un composé chimique quelconque dont ils ont à peine entendu parler. Et pourtant, cet exercice d'arithmétique chimique et de technique de laboratoire correspond bien au contexte d'un cours de sciences physiques s'adressant à des étudiants qui viennent juste de passer le baccalauréat, Dans un laboratoire correspondant à un niveau plus élevé, une expérience similaire pourrait être l'estimation de la viande dans les sau- cisses : cet exercice demande plus de réflexion et d'imagination que les lecteurs ne le supposeraient, et ouvre la possibilité d'un contrôle des supermar- chés locaux. Hors de leur contexte, ces exemples pourraient paraître prosaïques à la limite, sans lien avec la chimie ; mais notre intention n'est pas d'alléger la théorie, mais de redresser la balance, présenter une. image plus générale du sujet à étudier, en rapport plus étroit avec les centres d'intérêt des étu- diants. Un objectif idéal est de rassembler les divers aspects: théorie, application, implications sociales, dans l'esprit des étudiants. Un test apparemment empirique, a eu une histoire spectaculaire dans notre laboratoire car il confirma la concentration dangereuse d'un inhibiteur du mercure dans un échan- tillon de chloramphénicol provenant d'un hopital. A partir de ce test, en quelques étapes, on arrive à une grande géné- ralisation théorique "L'entropie de 1'U- nivers ne peut qu'augmenter". 11 est possible, en sciences physiques, de cré- er des exercices d'applications nombreux at très variés, sur un canevas théorique, ce qui manifeste l'importance du sujet.

Ceci est une autre voie ; nous la suivons actuellement, bien que nous en soyons à peine à mi-chemin.

Un aspect final doit être mentionné avant de considérer les résultats de cette approche au Malawi. La chimie est maintenant fermement basée sur des principes physiques, la physique s'intéresse de plus en plus aux molécules et atomes des chimistes, et les cours de physique et de chimie ont de grands domaines de recoupement ( thermodynamique, mécani- que quantique, spectroscopie, état solide). Ils diffèrent plus par leur sépara- tion traditionnelle que par leur substance. La chimie moderne est si luxu- riante que beaucoup de parties gagne- raient à être enseignées dès l'école, et à des cours de niveau général, ceci grâce à l'inclusion dans une perspective physique très large, Les personnes com- pétentes qui l'ont enseignée de cette façon ne souhaiteraient sûrement pas restreindre la vision de leurs étudiants à une chimie conçue comme un sujet séparé. On peut même craindre (ou espérer ?) que les étudiants eux-mêmes rejetteront les raisons humaines et historiques, ayant conduit à la fâcheuse séparation de ces matières si naturellement proches, de la même façon que des jeunes montrent de l'impatience devant les différences mineures et les rivalités existant entre certaines religions. Malgré des difficul- tés pratiques à surmonter et des habitudes à perdre, on voit mal la frontière entre les sciences physiques au niveau universitaire général, alors que la physique et la chimie continuent d'être enseignées séparément. Dans l'esprit de ces remarques, nous avons replacé la physique et la chimie dans un cours de Sciences Physiques de première année d'Université. L'extension aux autres années a été rejetée après des discussions animées.

En tant qu'enseignant sérieux, l'auteur n'est pas près d'oublier la remarque d'un ancien élève (maintenant professeur d'université), lequel lui disait qu'il a plus appris dans la série de conférences la plus mauvaise I On ne devrait jamais proclamer que telle façon d'enseigner produit de meilleurs scientifiques. Toutefois un lecteur qui pen- serait que notre approche pourrait être des plus médiocre pour produire des spé- cialistes, pourrait peut-être être bien

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surpris d'entendre qu'un groupe considé- rable des meilleurs diplômés a déjà passé la thèse et suit des cours de 3ème cycle au Royaume Uni ou ailleurs. En outre, ils ont, sans exception, terminé leur scola- rité avec succès, pendant des durées normales d'études, après y être entrés plus ou moins directement après .notre Premier cycle. De plus, notre départe- ment a une excellente réputation dans notre région, car il fournit des situations professionnelles valables, comprenant des situations à l'université. Des comparaisons ponctuelles avec les résultats obtenus dans d'autres pays en voie de développement nous suggèrent que nous avons fait des progrès spectaculaires pour une spécialisation ultérieure en chimie. Ce résultat obtenu avec un cours d'attrait général inhabituel, peut donner matière à réflexion : car notre objectif le plus intéressant a été de populariser la chimie, d'amener aux sciences physiques des étudiants qui dans une autre Université auraient peut- être choisi les sciences sociales ; et des preuves de ce résultat sont fournies par l'examen du nombre grandissant, dans notre Université, d'étudiants qui suivent avec succès les différents cours. Les résultats montrent un ordre prévisible parmi les sciences : la biologie est en cinquième position, la physique en 8ème et les mathématiques en 1Oème. Ceux qui connaissent les Universités Africaines auraient probablement attendu la chimie à la 6ème place, entre la biologie et la physique. Mais en fait, la chimie a le plus de diplômés de toutes Les matières) y compris, les sciences sociales, bien que la demande professionnelle en chimistes soit faible au Malawi ; et encore ceci en dit moins que l'histoire complè- te : en effet, nous avons été obligés d'éliminer des étudiants valables qui voulaient faire des études de chimie, car leur nombre dépassait nos ressources en personnel enseignant. De telles restrictions pour entrer dans un départe- ment de Sciences sont certainement rares actuellement. Si nous regardons maintenant les défauts de notre organisation, nous reconnaissons que nous n'avons pas réussi aussi bien que nous l'espérions, à rendre nos étudiants sûrs d'eux-mêmes et clairs dans leurs idées, nous avons peut-être réduit plutôt que résolu les problèmes d'enseignement discutés dans les premiers paragraphes, et sans aucun doute notre succès est,

plus relatif qu'absolu : mais nos diplÔ- més ont suivi normalement 8 ans d'enseignement en sciences, alors que leurs homologues du Royaume-Uni en ont suivi facilement onze. Il n'est pas facile d'é- viter toutes les conséquences d'enseignements raccourcis dûs aux besoins pressants et urgents des pays neufs en voie de développement.

Dans quelle mesure cette expérience et ses résultats peuvent-ils être reliés aux conditions propres au Royaume-Uni ? Résumons notre approche : Nous avons essayé de restreindre la matière 2 ce que les étudiants peuvent réellement maîtriser. Nous avonsétudié les principes de base de façon simple. Nous avons enseigné de façon plus variée que le seul cours magistral. Nous avons donné des sujets et des projets plutôt simples, de façon à encourager plutôt qu'à décou- rager. Nous avons ponctué les exposés théoriques d'illustrations mondiales et d'exercices. Nous avons montré notre préférence nette pour un canevas de Sciences Physiques Générales sur lequel nous dispersions la chimie. Aucune de ces conditions n'est particulière au Malawi, ni inapplicable ailleurs, ou spécialement originale. En fait, si des références à des travaux parallèles dans d'autres pays étaient rapport& dans le présent article, il aurait simplement été d'une longueur double, L'intérêt de notre expérience repose sur une variété de mesures pédagogiqueprometteuses qui ont été prises simultanément, de façon logique et rationnelle, ce qui est plu- tôt rare, De ceci, il ressort deux idées primordiales, que l'auteur veut absolument voir prendre en considération par tous et partout : La première, amplement vérifiée par nos résultats, est que les sciences physiques exercent une grande attirance intrinsèque vis-à-vis des jeunes et attirent beaucoup d'étudiants, pourvu que les obstacles ne soient pas exagérément élevés. Au Malawi, nous n'avions rien fait de plus que présenter les sciences physiques dans des conditions de compétition équitable avec les autres matières académiques. La seconde idée, apparentée à la première, est que le fossé, entre les programmes imposants et les connaissances réelles qu'acquiè- rent les étudiants, est si profond dans bien des cas, que des coupes judicieuses et assez importantes dans les sujets augmenteront et non pas diminueront le

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niveau du travail des étudiants. De plus ces coupes rendent les études plus satisfaisantes et plus attrayantes, Il s' ensuit que refuser un programne qui ne présente que des chapitres ronflants et évaluer de façon plus réaliste les niveaux académiques, font nécessairement partie d'une critique efficace des pro- blèmes d' enseignement * Une plus grande attention à ces idées pourrait renverser la tendance des étudiants à fuir les sciences physiques au Royaume-Uni : l'auteur le croit, car c'est dans ce domaine qu'il a senti le besoin de changement qui l'a conduit à l'initiative présente.

L'idée selon laquelle les Universi- tés ont besoin d'étendre l'enseignement des Sciences Physiques semblait ci-dessus concerner surtout le Royaume-Uni, mais l'essentiel de ce qui a été dit semble également adapté aux pays en voie de développement. De même que l'enseignement libéral en Angleterre est limité par la croyance que les sciences physiques sont destinées à des spécialistes (les chercheurs, quel mot pernicieux I), de même dans une Université Africaine la culture générale semble associée au dieu de la pluie (en qui les étudiants ont cessé de croire depuis longtemps) plutôt qu'à la chimie ou la physique. Une sous- estimation de la valeur générale des sciences dans l'éducation a poussé les Universités des pays en voie de dévelop- pement à suivre le modèle des vieilles universités avec leur spécialisation exagérée en sciences ou en sciences humaines. C'est un sujet beaucoup trop vaste pour 2tre discuté en quelques ligne's, mais puisque le choix est encore ouvert dans quelques Universités, il est bon de noter qu'une spécialisation excessive et prématurée de ce type a conduit pratiquement à une situation humaine et sociologique précaire : "des lit- téraires sont à la barre, et des scientifiques aux rames" : Ceci est exactement le contraire de l'idéal qui devrait produire une classe dirigeante en accord avec un environnement et une époque scientifiques. En fait la séparation rigide des étudiants entre sciences et sciences humaines dans nos amphithéatres pourrait sembler aussi artificielle au siècle prochain, que nous semble artificielle maintenant la séparation entre étudiants et étudiantes dans les Univer- sités du 19ème siècle. Autrement dit,

on peut se poser la question de savoir s'il faut balayer l'enseignement général et le remplacer par des enseignements spécialisés, ce qui se produit dans beaucoup de pays en voie de développement ; car les enseignements spécialisés en Afrique n'ont pas été particulièrement efficaces pour fournir des spécialistes des matières difficiles et nous avons, semble-t-il, montré qu'un cours d'enseignement très général peut faire au moins aussi bien. Ce n'est pas toujours de la meilleure façon que les vieilles Universités influencent les plus jeunes, et le prestige du British honour degree conduit peut-être à l'accepter de façon un peu trop facile ailleurs,

Cette dernière phrase doit sembler discourtoise envers les Universités du Royaume-Uni, qui ont aidé celles des pays en voie de développement. Et c'est une raison supplémentaire pour dire ici, toute l'aide que nous, et sans aucun doute beaucoup d'autres centres, avons reçue du personnel des Universités Britanniques et du catalyseur efficace qu'est le Conseil Inter Universitaire (Inter-University Council). En onze ans, nous avons eu la visite de cinq enseignants (visiting lecturer), envoyés par le Conseil Inter-Universitaire, dont trois, plusieurs fois. On aurait pu penser qu'ils ne seraient pas les plus ardents : en fait tous et chacun avaient l'amour de leur matière, et le désir de le montrer ; ils furent assez habiles et pragmatiques pour s'intégrer aux situations existantes et apporter leur contribution dans le domaine des idées généra- les ou de leur spécialisation. La motivation et le plaisir qu'ils donnèrent aux étudiants et aux enseignants sont incommensurables.Là aussi il est bon de saluer les contributions variées et essentielles de beaucoup de collègues de l'Université du Malawi, lesquels ont étZ volontaires pour travailler dans le cadre d'une stratégie pédagogique inhabituelle avec l'espoir d'obtenir des résultats inhabituellement positifs. Cet article est autant le leur que celui de 1' auteur,

Quelques mots au sujet des "craintes" pour justifier le titre de cet article plutôt consacré à l'"espoir'', Une lettre qui résumait en 1972 beaucoup de ce qui a été écrit ici n'a pas apporté une seule réponse de la part de ceux qui

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1' ont lue, et l'auteur a de bonnes raisons de se demander si le présent article aura un effet plus bénéfique. Une personne cynique pourrait faire observer que l'on verse des larmes de crocodile sur l'abandon des sciences par les étudiants, car la recherche est plus rentable que l'enseignement et la diminution du nombre d'étudiants ne change pas les salaires. Certains col- lègues semblent même contents de ce que le problème soit insoluble ou sans importance, mais j'espère bien avoir persuadé le lecteur qu'ils ont tort ; cependant la plupart des scientifiques sont profondément concernés par la si-

tuation de l'enseignement et feraient plus pour lui s'ils le pouvaient. La faute en revient à un système qui encourage toutes sortes d'expériences en matière d'enseignement (parfois ésoté- riques), mais qui rend difficile la mise en pratique, à une échelle assez grande pour être utile, des changements même les mieux étudids et les plus sûrs. Ainsi l'auteur a dû partir bien loin pour faire ce qui semble également désirable en Angleterre même. La balle se trouve maintenant sûrement dans le camp des hommesdes ministères et des administratifs. Mais ceci pourrait être le sujet d'un article en soi.

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III. Chimie de l'espace

Nous luttons tous pour actualiser nos connaissances sur la chimie et sur l'enseignement de la chimie. C'est une guerre que nous perdrons petit à petit mais que nous devons affronter, Les parties suivantes sont consacrées à des articles qui donnent des informations utiles. Bien que ces informations spéciali- sées ne soient pas souvent utilisables telles quelles dans l'enseignement de la chimie, elles serviront à rendre plus vivantes certaines parties du programme en montrant des domaines où des chimistes expérimentateurs utilisent leurs connaissances et leur talent de manière passionnante.

Dans le premier, Buntress (USA) examine la chimie de l'atmosphère des planètes. Il suggère qu'il y a de grandes chances pour que la vie existe dans l'Univers ailleurs que sur la Terre ; il décrit quelques réactions chimiques qui pourraient se produire dans l'espace. Le second article, de Brown (Australie), décrit quelques molécules interstellaires dont la présence a été décelée ré- cemment. Dans le troisième, nous revenons chez nous et Etudions la chimie de notre toute proche voisine, la Lune. Enfin un article surprenant de Vladimov (URSS) nous dit comment il pourrait être possible de créer à l'avenir une industrie sur la lune.

Les 4 articles suivants concernent la chimie à l'échelle du Cosmos.

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La chimie des atmosphères planétaires W. J. Huntress Jr.

L'atmosphère de la Terre est un des principaux éléments rendant la vie possible en notre demeure céleste. Notre propre atmosphère nous est très familière, et durant les deux siècles précédents nous avons dGterminé sa composition chimique globale. Ce n'est que récemment que nous avons réalisé l'importance des 616- ments présents à l'état de traces, et la fragilité de l'équilibre entre l'atmos- phère de la Terre, ses océans et son ac- tivité biologique et technologique. Au delà de l'atmosphère terrestre les astronomes et les scientifiques ont toujours cherché à connaître les atmosphères qui existent sur les autres planètes du sys- tème solaire, et à savoir si, par exemple, ces atmosphères différentes pourraient entretenir notre propre forme de vie ou toute autre forme. A l'aube de l'ère Spa- tiale, l'astronomie a de nouveaux moyens d'information et des engins spatiaux sont disponibles pour un examen détaillé de ces mondes inexplorés. Au cours des deux dernières décennies, nous avons beaucoup appris sur l'origine et l'évolution des planètes, ainsi que leurs atmosphères, en utilisant les données obtenues à la fois par des observations terrestres et à partir d'engins spatiaux. Afin de dé- crire la chimie des atmosphères plané- taires, nous commençons donc par un aper- çu de nos connaissances actuelles et des théories qui esseient d'expliquer les faits. Ces théories présentées ici sous un jour favorable ne sont pas les seules, et il est fortement recommandé au lecteur de se référer aux discussions plus détaillées et aux descriptions d'autres théories indiquées dans la bibliographie, et dans les références citées dans ces articles.

JUPITER WNUS SATURN

PLUT0

NEPTUNE

Figure 1. Taille des planètes

Vue d'ensemble des connaissances actuelles

La densité ou l'épaisseur de l'at- mosphère entourant une planète et les gaz qui peuvent être présents dans cette atmosphère dépendent principalement de l'intensité du champ de gravitation de la planète et de la température à la limite de cette atmosphère. Plus la planète est grosse et plus les molécules retenues sont légères. Plus la température est basse à la limite de l'atmosphère et moins les gaz ont de chances de quitter le champ de pesanteur de la planète. Etant donné un courant gazeux provenant de l'intérieur, une planète plus grosse avec une atmos- phère externe plus froide aura tendance à garder une atmosphère plus importante.

Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Education, vol. 53, no 4, avril 1976, p. 204-208. 129

La figure 1 montre les tailles relatives des planètes. On voit facilement que la Terre n'est pas du tout la pla- nète la plus majestueuse du système solaire. Nous appartenons à la classe des plus petites planètes, appelée pour cette raison groupe tellurique ; il est cons- titué de Mercure, Vénus, Mars et la Ter- re. Le groupe des planètes géantes com- posé de Jupiter, Saturne, Uranus, Nep- tune est quelquefois appelé groupe jovien, du nom de l'élément le plus gros. Plus d'un millier de planètes de la taille de la Terre tiendraient à l'aise dans le volume de Jupiter. Cette division des planètes en deux groupes, basée sur la taille est tout aussi naturelle du point de vue de la chimie atmosphérique. En effet seules les planètes géantes ont des champs de gravitation suffisamment inten- ses pour empêcher l'hydrogène de quitter leurs atmosphères.

Le tableau 1 donne la composition approximative des atmosphères planétai- res telles qu'on les connait actuellement. Les planètes telluriques ont des atmos- phères fortement oxydantes (CO2, 02) tandis que les planètes géantes ont des at-

Cette différence provient surzkt la fuite de l'hydrogène hors de l'atmosphère des planètes telluriques. La Terre doit être considérée comme un cas particulier dans le groupe de ces planètes, et ce pour deux raisons. Premièrement elle a des océans, deuxièmement elle possède la vie. Ces deux éléments évolutifs rendent l'atmosphère terrestre radicalement dif- férente de celle qu'on aurait pu attendre. Par exemple Vénus est légèrement plus petite que la Terre (12400 km de diamètre contre 12700 km pour la Terre) et possède donc à peu près le même champ de gravitation. Vénus est notre plus proche voisine et a souvent été désignée comme notre pla- nète soeur. Pourtant l'atmosphère de Vé- nus contient très peu d'oxygène (moins de 0,OOlW) ; elle est principalement compo- sée de gaz carbonique (97% environ). A la surface la pression atmosphérique est près de 90 fois celle qui règne à la surface terrestre, tandis que la tempé- rature est d'environ 48OoC. Pour ces deux planètes de la même taille situées l'une près de l'autre dans l'espace, comment expliquer de telles différences ?

La différence entre l'atmosphère de la Terre et celle de Vénus serait due au fait que Vénus s'est condensée dans une

'

mosphères très réductrices (H CH NH3)

position beaucoup plus proche du soleil, et donc à une température bien plus éle- vée que celle de la Terre. Par conséquent Vénus, ou bien a perdu rapidement son eau à partir d'une atmosphère de vapeur chaude, très tôt dans son histoire (l), ou bien n'a jamais eu beaucoup d'eau comparativement 2 la Terre (2). Dépourvue

Tableau 1. Composition des atmosphères

Vénus Terre Mars Jupiter

c02 N2 c02 H2 Espèces chimiques prépon- He dérantes O2

H20 Ar H2° CH4 port an tes O2 c02 O2 NH3

H2°

Espèces chimiques moins im-

CO H2° CO

O3 O3 O3 2H3

C2H6 HC 1 HF

de grandes étendues d'eau liquide à sa surface, Vénus a conservé dans son atmos- phère tout le CO qui s'est dégagé de l'intérieur au debut de son histoire. Si tout le CO fixé dans les sédiments ma- rins de la Terre (ou dissous dans les océans) était libéré dans l'atmosphère, notre planète aurait une atmosphère qui ressemblerait à celle de Vénus. En plus de la forte limitation du CO atmosphé- rique par les océans, l'équifibre oxy- gène-azote de l'atmosphère terrestre est maintenu par l'activité biologique de surface. L'azote et l'oxygène sont thermo- dynamiquement instables en présence d'eau et devraient être transformés lentement en nitrates ; mais ils sont continuellement reformés par action biologique. Les bactéries sont principalement responsables à la fois de la formation d'azote à partir des nitrates, et de la fixation de l'azote atmosphérique. Les plantes sont les principales responsables de la production d'oxygène, quoique la photodissociation de la vapeur d'eau atmosphé- rique puisse également contribuer à la formation de l'oxygène. Les interactions variées et les équilibres entre atmos- phère, hydrosphère et biosphère ne sont

2

2

130

pas complètement répertoriés jusqu'ici, attendre à partir de la condensation d'une mais le sujet a été largement passé en matière de composition donnée par la co- revue par Meadows (3) et par Margulis et lonne de gauche du tableau 2. La diffé- Lovelock (4). rence entre les compositions atmosphéri-

Les atmosphères des planètes géantes sont composées principalement 'd'hydro- gène et d'hélium avec des pourcentages variés de composés hydrogénés tels que CH*, NH3, H O. Ces atmosphères sont ex- tremement épaisses et difficiles à pé- nétrer et ces planètes sont parfois appe- lées les géantes gazeuses, car on ne sait pas si elles ont une surface solide à pro- prement parler. Ces planètes sont presque entièrement composées de gaz, deve- nant de plus en plus denses et de plus en plus chauds vers le centre. La composition de l'atmosphère de Jupiter, et même de la planète toute entière, est proche de ce qu'on appelle la "composition cosmique". C'est la composition que l'on observe par spectroscopie dans le soleil et les autres étoiles de notre Galaxie, et même dans les étoiles des autres galaxies. L'abondance remarquablement constante de ces éléments dans les diverses condensations stellaires de ma- tière, est donnée dans le tableau 2. Com- me on peut le voir, l'universest composé principalement d'atomes d'hydrogène et d'hélium avec de petites quantités de carbone, d'azote, d'oxygène, et des traces de bien d'autres éléments. Si un tel mé- lange de matières cosmiques était transformé en planète (sans perte de matière) l'énorme quantité d'atomes d'hy- drogène devrait conduire 2 la formation d'hydrogène moléculaire et de composés hydrogénés du carbone, de l'azote et de l'oxygène. C'est exactement le cas de Jupiter. En fait les rapports CH4/N2 et NH /H observés dans l'atmosphère de Ju- 2 piger sont exactement ceux que l'on peut

2

ques des planètes géantes et celles du groupe de la Terre, réside dans la capa- cité de garder l'hydrogène et dans le degré de rétention des composants volatils durant l'étape initiale de formation des planètes.

Tableau 2. Composition en matière volatile stable des atmosphères planétaires

Abondances Composants Composants cosmiques vola t i 1s vola t i 1 s

retenus non retenus

...

... H2

0,0010 O H20 02' H20 0,0006 C CH4 CO2

NJ33

0,89 H 0,lO He He

N2 ... 0,0002 N 0,0001 Ne Ne

Tableau 3. Composition des gaz de roches primaires libérés au dessus de 1200°K

Chondrite N Basalte équi libre terrestre calculé

64 26 c02

H2 CO 4

2

2 N2

CH4

50 55 40 36

3 6 2 3 2 3

... 1 O00 1500 H2° L'équilibre de solubilité limite les quantités totales libérées

Origine et évolution des atmosphères planétaires

Les planètes telluriques

Un des phénomènes révélateurs de l'évolution de l'atmosphère terrestre est le fait que les gaz dits rares sont justement rares, au moins sur la Terre. En fait ils ne sont pas rares dans l'u- nivers, et comme le montre le tableau 2 ils sont plutôt abondants. La Terre est tout à fait capable de retenir le néon dans son atmosphère, mais il n'est pré- sent qu'en très faible quantité, de l'or-

dre de fois celle correspondant à l'abondance cosmique. Cela implique que lorsque la Terre s'est formée, elle n'a incorporé que des poussières relativement non-volatiles (avec quelques gaz occlus ou combinés chimiquement) et a perdu les constituants très volatils, comme les gaz rares, dans le nuage primitif, qui s'est ensuite disséminé dans l'espace. D'autres arguments sont fournis par les rapports isotopiques des gaz rares qui sont totalement différents des rapports

131

observés dans le soleil. Par exem le

le soleil, tandis que presque tout l'argon de l'atmosphère terrestre est cons- titué de 40Ar provenant de la décomposi- tion de 4oK dans l'intérieur de la Ter- re. Ces faits conduisent à l'hypothèse que l'atmosphère terrestre et les océ- ans ont été dégazés à partir des maté- riaux solides de la Terre et qu'un certain dégazage de l'intérieur se poursuit maintenant. Toutefois le dégazage plané- taire aurait pu être catastrophique et se produire très tôt dans l'histoire de la Terre (5) ou bien il a pu être plus progressif avec une vitesse sans doute plus grande peu après la formation de la Terre qu'à l'époque actuelle. Cette at- mosphère secondaire précoce fut ensuite modifiée de façon substantielle par la fuite dans l'espace de la plus grande partie de l'hydrogène. On considère géné- ralement que ce schéma global est applicable à toutes les planètes du groupe tellurique mais dans le cas de la Terre, la modification par voie biologique a été tout aussi importante.

On peut penser que l'atmosphère terrestre primitive, à la suite du dégazage à l'échelle planétaire était très réduc- trice. Cette hypothèse s'appuie sur 1'6- tude des météorites et des très vieilles roches ainsi que sur des calculs théori- ques. Le tableau 3 montre la composition des gaz libérés par les météorites les plus primitives et par les basaltes terrestres, à des températures supérieures à 1200'K (6). La troisième colonne du tableau 3 montre ce qu'on attendrait sur la base d'un équilibre chimique entre les roches fondues et les gaz à 1200'K. L'hy- drogène, le gaz carbonique et l'eau sont les constituants principaux des gaz libé- rés. Lorsqu'un tel mélange est refroidi en atteignant la surface d'une planète, sans contact avec les roches brûlantes, l'équilibre chimique se déplace fortement vers la formation de méthane et d'eau, surtout si l'eau est éliminée en se con- densant pour former les océans :

36Ar est bien plus abondant que 49 Ar dans

Les atmosphères secondaires initiales des planètes du groupe de la Terre furent donc essentiellement de nature réductrice, cons- tituées surtout de H2,. CH4,.H2,0 et d'un peu de CO et CO2. L'oxydation du methane dans l'atmosphère par processus thermiques,

photolyse solaire, et autres mécanismes requérant de l'énergie fut alors favorisée par la fuite dans l'espace de l'hydrogè- ne formé :

f - CO2 + H 4 2 CH4 + 2H20

La durée pendant laquelle la planète fut en mesure dé retenir son atmosphère ré- ductrice initiale dépend alors des vitesses relatives du dégazage de l'hydrogène et de sa fuite hors de l'atmosphère.

En raison de sa haute température de condensation à proximité du Soleil, Vénus s'est probablement condensée à partir de matériaux contenant beaucoup moins de silicates hydratés que les matériaux qui ont formé la Terre (3). En conséquen- ce Vénus n'aurait jamais contenu beaucoup d'eau, comparativement à la Terre. Selon une autre hypothèse n'excluant pas la précédente, à la température plus éle- vée régnant sur Vénus, l'eau est restée dans l'atmosphère au lieu de se condenser en océans primitifs. Plusieurs chercheurs (4) ont montré que dans ce cas Vénus aurait subi un effet de serre transitoire qui aurait élevé très fortement la température au SOI, et entracné la photolyse de l'eau en oxygène et hydro- gène, puis la perte d'hydrogène dans l'espace, et l'élimination de l'oxygène par oxydation superficielle des roches brÛ- lantes. Dans tous les cas Vénus n'aurait ni possédé initialement ni vu se former une atmosphère réductrice.

La Terre, contrairement 5 Vénus, a gardé des quantités considérables de mi- néraux silicat'es hydratés, n'a pas subi d'effet de serre transitoire et donc a rejeté de grandes quantités d'hydrogène et d'eau dans son atmosphère, au cours de sa première enfance. Ce processus de dégazage a formé des océans immenses et une atmosphère réductrice riche en mé- thane. Cette atmosphère primitive a pu durer de 10 à 100 millions d'années avant que l'hydrogène ne s'éChappe en quantité suffisante pour que l'atmosphère devienne oxydante. De grandes quantités de gaz carbonique atmosphérique ont été dissou- tes dans les océans et déposées sous forme de sédiments carbonatés. L'apparition de la vie dans les océans et sur terre aurait alors fortement modifié les gaz restant dans l'atmosphère. Au début, les cellules vivantes ont pu se nourrir avec les matières organiques formées dans l'atmosphère réductrice et les océans.

132

Cela aurait accéléré l'oxydation de l'at- mosphère et(tandis que le méthane était irréversiblement converti en gaz carbonique) la photosynthèse se serait déve- loppée et aurait permis une évolution ul- térieure du biotope. Avec l'apparition de la vie animale (possible grâce à la grande quantité d'oxygène issue du méca- nisme de photosynthèse végétale), l'é- quilibre 02/C0 s'est établi lentement tandis que le $aux d'azote dans l'atmos- phère était contrôlé par les bactéries. La chimie et la minéralogie de certains sédiments suggèrent que l'atmosphère était beaucoup moins oxydée qu'aujour- d'hui, à une époque relativement récente, il y a 2,7 milliards d'années.

Mars s'est également condensée à une température suffisamment basse pour être composée de grandes quantités de minéraux hydratés, et a probablement re- jeté aussi des quantités considérables d'eau et d'hydrogène dans son atmosphère primitive. Dans le cas de Mars toutefois la faible gravité a permis à l'hydrogène de s'échapper rapidement. Ainsi, si l'at- mosphère initiale était réductrice, elle fut probablement convertie en une forme oxydée en 10 O00 à 100 O00 ans (6). Mars a actuellement très peu d'eau dans son atmosphère, mais suffisament pour former un océan profond de 3/1000 de cm si elle se condensait à sa surface. Tou- tefois, en raison de l'atmosphère ténue de CO (la pression au sol n'est que le 1/150 de celle qui règne sur la Terre) et de la basse température, cette quan- tité d'eau atmosphSrique correspond à une forte humidité, proche de la saturation. Mars n'est pas un désert mais une planète tropicale ! Il y a des preuves de la présence de quantités d'eau consi- dérables adsorbées sur le sol, soit dans le permafrost superficiel, soit dans les calottes polaires subsistant l'été (7). Le constituant principal de ces calottes hivernales très étendues est le CO at- mosphérique congelé. L'eau liquide ne peut exister actuellement sur Mars, à cause de la faible pression atmosphérique et de la température. Cependant des dé- tails de surface ressemblant à d'anciens lits de rivières ont été observés sur Mars, ce qui tendrait à montrer que Mars a eu de l'eau liquide à sa surface, un moment de son histoire. Toutefois d'autres explications de ces paysages ont été avancées. La question "La Vie est-elle apparue sur Mars ?" renvoie donc inévi- tablement à la question de savoir si

2

2

à

Mars a pu garder son atmosphère réductri- ce pendant un temps suffisamment long, et si des volumes d'eau liquide assez importants ont existé à sa surface durant son histoire passée.

Les planètes joviennes

L'origine et l'évolution des atmos- phères des planètes joviennes, du moins d'après nos idées actuelles,sont dans une certaine mesure plus faciles à décrire que celles du groupe tellurique. On suppose que ces planètes ont gardé tous les éléments volatils à partir desquels elles se sont formées. Même l'hydrogène atomique n'a pu s'échapper des atmosphères de Jupiter, Saturne, Uranus ou Neptune au cours des époques géologiques. En con- séquence les atmosphères de ces planètes sont restées essentiellement les mêmes qu'à l'origine, fortement réductrices et contenant de très grandes quantités d'hy- drogène moléculaire. Très peu (ou pas du tout) de matière originelle volatile existant à proximité de ces planètes a pu s'é- chapper durant la phase de condensation et donc leurs atmosphères reflètent probablement très fidèlement la composition du cosmos. Les densités moyennes de Ju- piter et de Saturne suggèrent que ces planètes sont presque entièrement cons- tituées de matière dont la composition correspond à l'abondance cosmique. Au contraire les plus petites planètes du groupe jovien (Uranus et NePtunelont des densités qui suggèrent soit que les gaz les plus lourds tels que l'hélium, le méthane, etc... ont une plus grande abondance relative que l'hydrogène, soit que ces planètes ont des noyaux constitués de roches de type terrestre relativement plus importants que ceux de Jupiter et de Saturne. Que Jupiter et Saturne aient des noyaux rocheux de petit diamètre ou qu'elles aient des noyaux d'hydrogène principalement métallique et contenant des éléments plus lourds dispersés, est une question qui n'est pas encore tran- chée.

Les principales différences relevées dans les abondances relatives des gaz des atmosphères des planètes joviennes sont peut être dues à des différences de tem- pérature. En plus de l'hydrogène, l'ammoniac et le méthane ont tous deux été dé- tectés dans les atmosphères de Jupiter et de Saturne. De petites quantités d'eau, d'acétylène, et d'éthane ont également été détectées récemment sur Jupiter. Sur

133

Jupiter les rapports des abondances relatives de ces gaz apparaissent en accord avec les rapports des abondances cosmiques C/H et N/H. Cn n'a pas observé d'ammoniac sur Uranus ni sur Neptune. Cela est du très probablement aux très basses températures des atmosphères d'Uranus et de Neptune OÙ l'ammoniac est-condensée dans l'atmosphère sous forme de nuages, échappant ainsi 2 toute observation SpeC- troscopique.

Processus chimiques dans les atmosphères planétaires.

La formation de nuages est la preuve la plus visible de l'existence de processus chimiques et physiques dans les atmosphè- res des planètes. Même dans l'atmosphère ténue de Mars on a observé des nuages de différents types, semblables à ceux de l'atmosphère terrestre, qu'ils soient habituels ou peu fréquents. Sur Mars on a remarqué des nuages de compositions va- riées constitués de particules de neige carbonique (8). Pendant le jour martien, l'étendue de la couverture nuageuse sur la planète est tout à fait ré- duite par rapport à celle de la Terre. Sur Vénus toutefois la planète est tout le temps entièrement masquée par des nuages, de sorte qu'il n'est pas possible d'observer la surface. Le spectre et la polarisation de la lumière solaire ré- fléchie par ces nuages suggèrent fortement l'existence d'une solution d'acide sulfurique concentrée (75-902) (9). En fait HC1 et HF ont tous deux été détec- tés dans l'atmosphère vénusienne au-dessus de la couverture nuageuse en quan- tités inférieures à une P.P.M.

Les atmosphères des planètes joviennes sont elles aussi complètement enve- loppées par des nuages. Pour Jupiter, Saturne et Uranus, on observe en lumière visible des structures en formes de bandes ; ces bandes s'étendent parallèle- ment à l'équateur de la planète. Sur Ju- piter et Saturne, elles vont du blanc au rouge foncé en passant par le jaune. Les bandes ont des nuances vertes sur Uranus, tandis que Neptune montre un vert éclatant. Dans ces derniers cas, la couleur verte est très probablement due à des absorptions par le méthane. Pour Jupiter et Saturne on a proposé divers chromophores, comprenant des solutions de métaux dans l'ammoniac liquide, des composés organiques colorés, de l'acide

cyanhydrique polymérisé, des composés soufrés polymérisés et du phosphore rouge. ,Les agents colorant n'ont cependant pas encore été identifiés (IO).

de stabilité gaz-liquide P/T des matiè- res cosmiques probablement présentes dans les atmosphères des planètes joviennes (11). Les courbes correspondant aux températures et pressions pour divers modèles d'atmosphère des planètes joviennes y sont superposées, la température et la pression diminuant quand l'altitude augmente. Selon ces modèles, il y aurait formation de nuages de types variés à différentesaltitudescorrespondant aux ~

points particuliers du diagramme P/T. Si on part d.e la couche nuageuse la plus basse, la première couverture de niiages devrait être constituGe d'une solution

La figure 2 montre les diagrammes

L 1

-

TEMPERATURE, O K

600 c I I 1 0.01 0.1 1 10 102 10'

Pression totale (bars)

Figure 2. Diagramme température pression pour des hydrures simples (en pointillé). En trait plein on a représenté les pla- nètes externes. Des nuages devraient se former quand les lignes en pointillé et en trait plein se croisent (d'après Le- wis (2)). - E Y

80 H20 ICE .-

P .m

Y

u-

250 +

LW) SOLUTION 300 - I 1 I A I I

9 6o

7 404 -8 -7

- + .-

-6 *1.75 2.25

Log de la masse des nuages g/m 3 !?.-, OKlkm

az .

Figure 3. Couches nuageuses dans 1 'atmos- phère de Jupiter basées sur un modèle de composition solaire (Lewis (2)).

134

NH -H O, suivie par de la glace, NH4SH et finalement, pour Jupiter et Saturne, par de l'ammoniac solide. La figure 3 (11) montre la position et la densité des nuages en fonction de leur altitude, dans un modèle d'atmosphère jovienne de composition cosmique. Pour Uranus des nuages de méthane sont possibles dans les couches supérieures de l'atmosphère, et pour Neptune même des nuages d'argon sont possibles.

L'un des aspects les plus étranges de la chimie de l'atmosphère des planè- tes joviennes est le problème de la syn- thèse organique et de l'évolution dans ces atmosphères réductrices "cosmiques". Cette question fut soulevée par l'expé- rience classique de Stanley Miller (12), qui soumit à une décharge électrique un mélange de méthane, d'ammoniac et d'eau. Le résultat fut une substance rouge ressemblant à du goudron qui se déposa sur les parois du réacteur et dont l'hydrolyse révèla des quantités appréciables d'acides aminés, matériaux de base de la vie. Au départ la phase gazeuse contenait de l'acide cyanhydrique et des al- déhydes. Beaucoup d'expériences semblables, utilisant différentes sources d'irradiation, telles que des électrons de haute énergie, des rayons gamma, des rayons X, des photons X, UV et visibles, différents types de décharges électri- ques ou même de la chaleur ont été dé- crites depuis l'expérience originale de Miller-Urey. En général les expériences en phase gazeuse produisent des précur- seurs organiques tels que HCN, le formal- déhyde et des aldéhydes, des 3( -amino- nitriles et des hydrocarbures saturés et insaturés. En solution ces précurseurs réagissent apparemment plus avant pour produire des aminoacides, de l'adénine, de la guanine, des sucres et même des polypeptides, des nucléosides et des nu- cléotides si certains composés phosphorés sont présents (13). Le même processus peut très probablement se produire actuellement dans les atmosphères des pla- nètes joviennes, Jupiter et Saturne en particulier ; en effet il y a de grandes ressemblances entre les couleurs des nuages en forme de bandes et celles obser- vées au laboratoire. Tous les matériaux nécessaires sont présents dans les atmos- phères de ces planètes. Il se peut qu'elles ne possèdent pas d'océan mais dans leur atmosphère existe probablement une importante couche nuageuse de vapeur

3 2 d'eau. A certaines altitudes (Fig.2) la température et la pression sont très favorables à une évolution organique (et peut-être biologique !) .

Les sources d'énergie nécessaires aux réactions chimiques conduisant à la synthèse de matières organiques dans les atmosphères des planètes extérieures sont nombreuses, 1) le rayonnement solaire ultraviolet dans les couches supérieures de l'atmosphère 2) des décharges élec- triques dans les épaisses couches nuageuses de la basse atmosphère. Le rayonnement solaire U.V. de courte longueur d'onde et donc de haute énergie est ab- sorbé et produit des ions dans les hautes couches de l'atmosphère. Par exemple :

Ces ions et ces électrons peuvent réagir ensuite pour produire de nouvelles es- pèces selon le schéma ci-dessous pour la synthèse de HCN :

Dans les couches basses de l'atmosphère, la lumière UV de plus grande longueur d'onde est absorbée pour produire des radicaux libres. Par exemple :

H2 h? + CH4 - CH + 2

Ces radicaux peuvent aussi participer à d'autres réactions. Par exemple :

* CH2 + CH4 - P2Hi-J [C2H6]: H2 - C H + H2 2 6

OÙ la collision finale stabilisante a lieu avec le principal constituant de l'atmosphère : l'hydrogène moléculaire. A des altitudes encore plus basses, la lumière de plus grande longueur d'onde, située dans la partie visible du spectre, est réfléchie assez facilement sur les couches nuageuses, tandis que le rayonnement infrarouge du soleil peut exciter des mouvements vibrationnels et rotation- nels dans les molécules et échauffer l'at mosphère.

des photons solaires, les mêmes espèces En plus des réactions déclenchées par

135

peuvent être formEes et les mêmes réactions produites sous l'effet de décharges élec- triques dans les régions nuageuses de l'atmosphère, ou par réactions d'ionisa- tions et de dissociation induites par les rayons cosmiques.

Beaucoup de recherches sont actuellement effectuées en laboratoire pour élucider les processus chimiques individuels et les réactions impliquées dans l'évolution des composés organiques dans les atmosphères planétaires, dans les co- mètes et dans l'espace interstellaire. Quelques progrès ont été réalisés et l'on a identifié certaines réactions, qui conduisent à la synthèse de composés organiques simples à partir des atomes et m.0- lécules des gaz originels. Ce travail met en évidence le caractère inéluctable de ces synthèses de composés organiques dans toutes les situations, et l'universalité de la chimie organique à travers le Cos- mos. Ces faits nous conduisent même à conclure que l'évolution chimique organique n'est pas du tout limitée 2 notre propre planète perdue au bord d'une galaxie, mais qu'elle se produit communé- ment dans l'Univers : de ce fait la pos- sibilité d'existence de la Vie ailleurs dans l'Univers est effectivement très grande.

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136

Les missions Apollo et la chimie de la lune Richard A. Pacer et William D. E m m a n n

Le but de cet article est de pré- senter une description des caractéris- tiques chimiques principales de la Lune à la lumière de plusieurs missions Apol- lo, On présente ensuite une brève discussion de ses caractéristiques physiques générales. Enfin, plusieurs théo- ries des origines de la Lune seront con- frontées,spécialement celles exposées à la Cinquième Conférence des Sciences de la Lune.

Caractéristiques générales du paysage lunaire,

Vue de la Terre, la caractéristique la plus évidente de la Lune est sa division en zones claires et en zones sombres. Un tiers de la surface visible est sombre, le reste clair. La Lune n'a pas de lumière propre, et elle ne brille que parce qu'elle réfléchit la lumière solaire qui arrive sur sa surface. Toute- fois, tandis que la Terre réféchit environ 40 Z du rayonnement solaire qu'elle reçoit, à cause de son atmosphère, la Lune n'en renvoie que 7 Z. En termes techniques, on parle de l'albedo moyen (ou pouvoir réfléchissant) qui est de 0,07 pour la Lune et de 0,40 pour la Terre (1). Les régions claires de la Lune correspondent à des plateaux monta- gneux, tandis que les zones sombres, plus basses, sont appelées mers. En plus de ces deux niveaux de relief , il y a d'innombrables cratères avec leurs lignes, des ruisseaux, des crêtes et des escarpements.

Les cratères lunaires sont immenses comparés 3 ceux de la Terre, Par exemple les cratères Théophile et Tycho sont bien plus grands que le plus grand des

cratères identifié jusqu'à présent sur la Terre, qu'ils soient d'origine volcanique ou météorique (2). Ces dépres- sions encloses par un mur circulaire dominent le paysage lunaire, apparaissent dans les vallées, en haut des pen- tes rocheuses, dans les mers, et à l'in- térieur d'autres cratères. Les plus grands sont entourés de manière carac- téristique par des parois montagneuses escarpées, et ont le fond généralement plus bas que le paysage avoisinant. On a observé également des alignements de petits cratères contigus, formant une chaîne de cratères. On pense que la plupart des cratères lunaires sont dus à des chutes de rdtéorites. Quelques uns peuvent être d'origine volcanique, mais la preuve de l'existence de cratères volcaniques est encore un point contro- versé

Le nom donné aux plaines douces et sombres de la Lune, les mers, suggère la présence d'eau à une certaine époque de l'histoire de la Lune. Toutefois la photographie à grande échelle et l'analyse chimique directe des échantillons rappor- tés sur Terre, montrent que ces mers ont été formées par de vastes coulées de lave. A l'exception de la Mer Orientale, toutes ces vastes étendues sont sur la me^me.face de la Lune, et souvent débouchent les unes dans les autres. La plus grande de toutes, l'Océan des TempStes, dépasse en taille la Mer Médhrrannée. Beaucoup de matières présentes à la surface de ces mers sont recouvertes d'une espèce de verre, et cette matière vitreuse est un constituant important des sols lunaires. Ce verre s'est formé par refroidissement rapide de matières entrées en fusion à

Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Educatwn, vol. 52, no 6, juin 1975, p. 350-356. 137

la suite d'un choc. Les 1.2 principaux océans et mers lunaires sont :

Mare Imbrium (Mer des Pluies) Mare Crisium (Mer des Crises) Mare Fecunditatis (Mer de la Fécondité) Mare Nectaris (Mer du Nectar) Mare Tranquilitatis (Mer de la Tranqualité) Mare Serenitatis (Mer de la Sérénité) Mare Vaporum (Mer des Nuées) Mare Nubium (Mer des Nuages) Mare Humorum (Mer des Humeurs) Mare Frigoris (Mer du Froid) Mare Orientale (Mer Orientale) Oceanus Procellarum (Océan des Tempêtes)

Les dômes sur la Lune sont de forme circulaire ou allongée en bosse, souvent garnis de cratères, et beaucoup ont un pouvoir réfléchissant élevé, qui les fait apparaître comme des points brillants. Ils ressemblent aux régions en dôme sur la Terre?qui sont formées par intrusion de composés qui soulèvent les couches rocheuses superficielles. Certains sont très vastes et d'aspect plat, mesurant jusqu'à 30 km de diamètre et 300 m de hauteur.

Alors que les mers sombres sont concentrées sur la face visible de la Lune, la partie cachée est presque en- tièrement constituée de collines. On pense que la croûte épaisse de la face cachée a enrayé la coulée de matière fon- cée vers la surface (basalte). La croûte mince de la face visible permet un épan- chement plus aisé de cette matière sombre constituant les mers. La plupart des petites collines peu nombreuses de la face visible se trouvent dans l'hémisphère sud. Les chaînes de montagnes les plus importantes sont situées dans l'hémisphère nord, avec les Apennins culminant à 6000m au-dessus du niveau de la Mer des Pluies, ce qui est remarquable,

Des d6pressions en auge, souvent sinueuses, reconnues pour être des ruisseaux, serpentent sur la surface proche du bord des mers, et également au fond des cratères. Ces ruisseaux ressemblent beaucoup à des canaux qui auraient autrefois charrié des matériaux fluides, probablement des coulées de lave liquide.

Les falaises sont une caractéris- tique courante du paysage lunaire ; leurs altitudes varient de quelques mètres à plusieurs centaines de mètres.

Une falaise est un accident géologique causé par une poussée verticale de la croûte, et qui laisse un bord de la surface à une altitude plus élevée que l'autre.

On observe des lignes brillantes qui partent de certains cratères, particu- lièrement des plus jeunes. Apparemment leur brillance diminue avec le temps. Ces rayons semblent être formés par des éjections provenant de cratères sous l'effet d'un choc très violent.

Les crêtes lunaires ressemblent à des chaînes de montagnes. Elles sont de faible hauteur, la plupart de quelques centaines de mètres, avec des sommets arrondis ou plats. Leur étroitesse et leur longueur dgmesurée sont particuliè- res à la Lune. Les ruisseaux et les falaises ont souvent des directions paral- lèles. Les falaises sont situées essentiellement dans les mers, quelquefois à leur bord comme dans la Mer des Crises. Quelques unes semblent être la trace des sommets de cratères ensevelis sous les mers.

Les missions Apollo et les échantillons recueillis.

Les six missions Apollo qui ont mis en oeuvre un alunissage de l'Homme, ont permis de récupérer au total 381 kg de roches lunaires et de sols. Ces échantillons ont été étudiés par environ 1000 scientifiques appartenant à 19 nations, Ces missions furent :

Apollo 1 1 : 16-24 juillet 1969

Apollo 12 : 14-24 novembre 1969

Apollo 14 : 31 janvier - 9 février 1971 Apollo 15 : 26 juillet - 7 août 1971

Apollo 16 : 16-27 avril 1972

Apollo 17 : 7-19 décembre 1972

Mer de la Tranquillité

Océan des Tempêtes

Collines Fra Mauro

Monts Apennins

Monts Descartes

Vallée Taurus-Littrow

Les échantillons récupérés comprenaient des sols, des brèches, des roches cristallisées. Presque tous les sols lunaires contenaient de la matière vitreuse ; ceci les distingue des sols terrestres. La mission Apollo 15 rapporta des sols contenant beaucoup de matière verte

138

tandis que les sols provenant d'Apollo 17 étaient riches en matière orangée. Cette matière vitreuse se trouve sous la forme de magnifiques sphérules et de gouttes, de masses irréguliPres,étalCSes sur les roches de surface ; elle est aussi présente comme agent de texture entre les sols, et sillonne les petites dépressions circulaires qui marquent toutes les roches de la surface de la Lune exposées au bombardement de l'espace (3). Une brèche est une roche frag- mentée dans laquelle les parties individuelles sont anguleuses plutôt qu'arron- dies cormne les cailloux d'un conglomérat. Les brèches lunaires sont constituées de fragments de roches diverses, compactés ou agglomérés en agrégats avec plus ou moins de coh&ion. Ces brèches sont le résultat d'une solidification sous un choc ou d'une agglomération par un impact, Certaines ne comprennent pas moins de deux générations de micro-brèches, plus vieilles. Les roches cristallines sont des basaltes primaires. Un basalte est une roche ignée en fibres très fines, contenant souvent du verre, et constitu6 de moins de 50 X de Si02, Les basaltes sont généralement de couleur foncée, et sont principalement constitués de roches de type plagioclase et pyroxène. On connaît aussi des basaltes contenant de l'olivine. Sur la Terre les basaltes forment des plateaux surélevés au-dessus des plaines et tapissent lesfonds océaniques. A ce jour au moins quatre types de roches cristallines lunaires ont été identifiés.

Basaltes des mers : D'aspect similaire aux basaltes volcaniques normaux de la Terre, mais dont la composition en diffère surtout par les éléments mineurs ou à l'état de trace.

Roches anorthositiques : Ces roches sont constituées presque exclusivement de minéraux de type plagioclase, solutions solides allant de l'anorthose CaAl Si O à l'albite 2 2 8 NaA1Si308. Ces roches se trouvent com- munément dans les régions des collines de la Lune.

Basaltes KETRP : Le symbole KETRP se rapporte à un groupe d'éléments très concentrés dans ces basaltes : Potassium (K), Eléments de Ter- res Rares (ETR) et Phosphore (P), Les basaltes KETRP renferment également en grande abondance des éléments lourds na-

turellement radioactifs. Les roches de cette composition sont inconnues sur Terre. On les trouve surtout dans la Mer des Pluies et dans l'Océan des Tem- pêtes,

Basaltes HTA : Le symbole HTA signifie Haute Teneur en Aluminium. Ces basaltes ont Eté trou- vés dans la région des Monts Descartes lors de la mission Apollo 16.

Les anorthoses sont relativement peu fréquentes sur Terre et se présentent rarement sous des formes topographiques frappantes. Les anorthoses de la Terre, comme celles qu'on trouve dans les monts Adirondacks, sont souvent associées 2 des gisements de titane. Sur la Lune ce n'est pas le cas.

Chaque échantillon rapporté de la Lune a reçu un numéro spécifique indiquant la mission, la station d'échantil- lonnage, le type d'échantillon et son numéro de partie. Ainsi l'échantillon 75015,l est par exemple la partie 1 , d'une roche numérotée 15, de la station de prélèvement 5, lors de la mission Apollo 17.

Le schéma suivant résume les principaux types d'échantillons lunaires qui ont été rapportés :

Echantillons lunaires

Roches Sols '(fines cristallines particules) Brèches

I Roches Roches de type , basaltfques , Anorthose

Basalte Basaltes Basaltes des Mers KETRP HTA

Comparaison Terre-Lune

Les différences chimiques et physiques principales entre la Terre et la Lune sont les suivantes.

1) La gravité de la Lune n'est que le sixième de celle de la Terre,

2) L'eau est absente sur la Lune (sauf peut-être à l'état de traces).

3) L'atmosphère n'existe pas sur la Lune (voir le paragraphe concernant le

139

vent solaire). La Lune est plus riche que la Terre en élément réfractaires (éléments à haut point de fusion comme le calcium ou le titane) mais plus pauvre en éléments volatils tels que le plomb et le sodium. La Lune a beaucoup moins de fer que la Terre mais 2 l'inverse des échan- tillons terrestres, les échantillons lunaires contiennent couramment du fer métallique. La densité de la Lune n'est que les 315 de celle de la Terre. La Lune manque apparemment de ces larges affleurements de roches graniti- ques riches en silice et de roches sédimentaires qui couvrent 75 Z de la surface des continents de la Terre. La Lune n'a pour le moment aucun champ magnétique, excepté des traces de magnétisme rémanent dans les roches de surface. Les tremblements de Lune sont plus rares que les tremblements de Terre et ils se produisent à une plus grande profondeur. L'énergie des séismes lunaires est environ 10 - 1 1 fois celle des séismes de la Terre.

constituée de couches, avec une croÛ- te, un manteau et un noyau. Toutefois le noyau ne ressemble en rien au noyau Ni-Fe de la Terre. Certains chercheurs pensent que le coeur de la Lune est partiellement fondu et est constitué de sulfure de fer (point de fusion V- 2OOOC).

11)La Lune est solide sur plus de 60 Z de son diamètre , alors que la Terre n'est solide que sur 1 Z de son dia- mètre, près de la surface.

12)Le centre de gravité de la Lune est déplacé assez loin du centre géomé- trique, en direction de la Terre.

13)La température au sol varie dans un plus grand domaine que sur la Terre, allant de + 110°C au zénith à -18OoC juste avant l'aube.

volcanisme ont été actifs sur Terre durant toute son existence, alors qu'ils ont apparemment cessé sur la Lune il y a 3 milliards d'années. On suppose que la Terre comme la Lune se sont formées il y a environ 4,6 milliards d'années,

10)La Lune, tout comme la Terre, est

14)Les processus géologiques tels que le

Brève histoire de la Lune

La paragraphe suivant est une brève histoire de la Lune, telle qu'elle est généralement admise par la plupart des scientifiques. Toutefois les mécanismes détaillés concernant certaines étapes de son activité sont très controversés.

1) Une nébuleuse solaire se condense en planète et satellites il y a 4,6 milliards d'années environ.

2) La partie externe de la Lune fond sur une épaisseur de 160 km environ, à cause de l'activité radiogénique.

3) Il se produit une différenciation : les matériaux légers montent et forment une croûte, tandis que les maté- riaux plus lourds se rassemblent sous l'action de la gravité.

4) Des débris célestes, certains de taille aussi grande que l'objet qui a for- mé la Mer des Pluies, s'accumulent pendant les 600-700 premiers millions d'années après sa formation,

duite par la décomposition radioactive des Eléments, se répand dans les bassins en excavation (formation des basaltes des Mers).

6) De petites météorites continuent de frapper la Lune et produisent des petits cratères mais avec une fré- quence décroissante.

7) Le volcanisme actif se termine il y a environ 3 milliards d'années.

8) Et maintenant : une planète relativement inactive.

5) La lave, fondue par la chaleur pro-

Caractéristiques chimiques de la Lune

Les minéraux les plus couraqts sur la Lune sont le pyroxène, le plagioclase et l'olivine. D'autres minéraux importants sont l'ilménite, la cristobalite et la pyroxferroïte. Aucun élément nouveau n'a été trouvé sur la Lune mais par contre trois nouveaux minéraux apparaissant tous dans des roches ignées ont été découverts. Ces minéraux sont indiqués dans le tableau 1 (extrait de Marwin (3)) en même temps que les éléments minoritaires ou à l'état de trace qui ont tendance à se concentrer dans certains d'entre eux.

140

Tableau 1 - Minéraux lunaires (a) Ab ondan t

Plagioclase (Ca,Na) (Al ,Si) 408

Secondaire

Ilmeni te

2 4 Chromite U1vi;spinel Fe Ti04 Sp ine 1 1 e

Perovskite CaTiO Dysalanyte Ca,REÊ! ,Ti03 Rutile Ti0

Nb-REE-rutile Baddeleyite ZrOZ Zircon ZrSi04+REE,U,Th,Pb Quartz Si02 Tri dymi t e Si02 Cristobalite Si02 Feldspath potassique KAlSi308+Ba Apatite Whitlockite Ca3 (P04) 2+REE ,U,Th Z i rkel i te Amph i b o 1 e

Fer Fe Nickel-fer (Fe ,Ni ,Co) Cuivre Cu Troi 1 i te Coheni te Fe 3C Schreibersite (Fe ,Ni) 3P Corindon A1203 Geo t hi t e HFe02

Nouveaux Minéraux

Armalcolite (Fe ,Mg)Ti205 Tranquillityite(Fe,Y,Ca,Mn)(Ti,Si,Zr,Al,

Pyroxferroite CaFe6(Si0 )

Pyroxenes (Mg,Fe 7(si206>

Olivines (Mg ,Fe) (Si04)

T Z O a M g h O

Cr-Pleonaste (Fe ,&f (Al ,Cr) 204

(h ,Ta) (Cr ,V,Ce ,La)Ti02

Ca5 (P04) 3 (F ,Cl)+REE ,U ,Th ,Pb

CaZrTiOg+Y ,REE ,U,Th,Pb (Na, Ca ,K) (Mg ,Fe ,Mn ,Ti ,Al) 5 si8022(F>

Fe S

Cr) O3 3 7

a) un signe (+) indique les éléments minoritaires ou à l'état de trace qui ont tendance à se concentrer dans une espèce donnée. Les trois nouveaux minéraux ont tous été trouvés durant la mission Apol- lo 1 1 , dans la Mer de la Tranquillité, L'armalcolite fut baptisée ainsi en l'honneur des astronautes de la mission Apollo 1 1 : Armstrong, Aldrin et Collins.

De nombreux laboratoires ont noté les abondances des éléments majoritaires, minoritaires et à l'état de traces dans les échantillons lunaires. A 1'Universi- té du Kentucky nous avons analysé des échantillons de toutes les missions

Apollo et de deux missions russes (Luna 16 et 20) qui revinrent sur Terre avec des échantillons lunaires. La technique que nous avons utilisée dans notre laboratoire est l'analyse par activation de neutrons (AAN). Cette technique est par nature non destructive. A part ceux qui ont une faible radioactivité indui- te, les échantillons sont pratiquement inchangés et pe'uvent être renvoyés à la NASA pour des études ultérieures.

Les données, obtenues en grande partie dans notre laboratoire, concernent les éléments prépondérants et minoritaires d'une collection d'échantillons lunaires. Ces données sont présentées dans le tableau 2. La mission Apollo spécifique est indiquée par 1 ou 2 chiffres dans le numéro de l'échantillon. Comment arriver à un modèle indiquant la composition globale de la Lune entière à partir des abondances élémentaires rele- vées dans les échantillons trouvés en six endroits de la surface de la Lune ? L'un des moyens est de comparer les: rapports des abondances de certains éléments clés (8) et de les ajuster avec un nombre limité de composants qui constituent la Lune, c'est-à-dire qu'on suppose la Lune constituée de certains composants et on en tire les conclusions.

Wanke (9) a proposé un modèle dans lequel la Lune est composée d'un mélange contenant d'une part un constituant for- mé à haute température semblable aux inclusions riches en calcium et en aluminium trouvées dans la météorite chondritique Allende, d'autre part un matériau de composition élémentaire équivalente à celle des bronzes de type chondritique mais à un degré d'oxydation différent. Le condensat formé à haute température serait responsable de l'enrichissement de la Lune en mati5riaux réfractaires. En effet, au commencement du refroidissement du gaz de composition cosmique, les premières espèces à se condenser seraient des composés très réfractaires, de calcium, d'aluminium, de magnésium, de titane et de silicium. Le condensat formé à haute température serait enrichi en ces composés. La présence sur la Lune d'éléments qui se condensent à basse température serait à mettre au compte de matériaux du type bronzite. (La bronzite est une sorte de silicate de fer et de magnésium ayant une teneur en fer allant jusqu'à 15 2 de FeO. On la trouve à

14 1

Tableau 2 - Abondances des éléments majoritaires et minoritaires des 6chantillons des missions Apollo.

% 2 % % % x % % % Echantillon O Si Al Mg Fe Ca Ti Mn Na 10022,32 39,3 19,4 4,2 4,1 15,7 7,4 7,1 0,177 0,36 Basalte 12001,47 42,O 21,4 6,5 6,6 13,8 6,l 1,2 0,159 0,34 so 1 14003,13 43,2 23,2 9,2 7,O 8,4 7,O 1,2 0,104 0,47 so 1 15058,76 38,6 21,8 4,8 8,3 14,8 8,3 1 , l 0,207 0,32 Basalte 60025,72 46,O 20,O 19,5 0,l 0,3 12,3 < 1 0,009 0,33 An0 r t h o s e 72161,5 41,4 20,O 7,6 6,8 12,2 7,7 2,8 0,149 0,35 so 1

la fois dans les roches ignées et dans les météorites),

A titre d'exemple, en utilisant le rapport K/La observé dans les échantil- lons lunaires et la concentration de potassium et de lanthane d'une part dans les condensats formés à haute températu- re (mesurés dans les inclusions de la mé- téorite Allende) d'autre part dans les chondrites normales, W k k e (9) a calculé les abondances élémentaires absolues de la Lune.

Alors (I-A) = CHT est la fraction condensat haute température.

Soit A la fraction chondritique.

- -

4- 7

Avec les valeurs R=70, [ K J ~ ~ ~ Y O ,

K]_ch_ond = 88 ppm , [Laihond = ppm et [La] HT = 4,9 ppm, on calcule une composifion de 69 % de CHT et de 31 % de chondrites ; le tableau de Wgnke (tableau 3) montre les dernières étapes du calcul des abondances élémentaires de la Lune.

Naturellement d'autres modèles peuvent être imaginés si l'on choisit d'autres constituants qu'on mélange pour former la Lune. Ganapathy et Anders (IO) par exemple ont utilisé un modèle à sept constituants pour estimer les abondances élémentaires de la Lune et de la Terre. Ils supposent que ces planètes se sont formées exactement selon le même processus que les chondrites, c'est-à-dire une condensation par étapes du gaz solaire, puis plusieurs étapes de fractionnement géothermique. Les 7 constituants sont :

condensat précoce, silicate refondu, silicate non refondu, matériau riche en Eléments volatils, troilite (FeS), métal refondu, et enfin métal non refondu. En utilisant les abondances connues de 1 'u- ranium, du fer, du manganèse, du potas-

Tableau 3. Composition élémentaire de la Lune selon le modèle de (Wgnke (9).

CHT chondrite Lune chon-

CHT x 0,69 drite x 0,31 (calc.)

% Mg 695 Al' 17 Si 14 Ca 18 Ti 0,91 Fe

PPm Na K Rb cs Mn Sr 130 Ba 47 sc 114 Y 33 La 4,9 Eu 1,14 Zr 93 Hf 3,3 Nb 6,6 Ta 0,3 Mo 6 W 1,84

495 11,7 997 12,4 0,63

90 32 79 23 394

293 496 092 4 1,30

0,79 64

5 700 800 298 0,107

2260 10 3 9 5

795 292 0,35 O ,078 10 092 035 O ,025 197 O, 15

1770 1770 250 250 0,87 0,87 0,033 0,033

700 700 3 9 1 93 1 3 1 33

091 3 9 5

0,06 294 O, 16 4,s 0,008 0,2 0 9 5 4 9 5

0,05 1.35

293 81 097 24

O ,O2 0,81 3 9 1 67

U 0,12 0,083 0;Oll Oi003 0;086

142

sium et du thallium dans ces constituants, ainsi que les rapports des abondances Ob- servées sur la Lune et sur la Terre - K/U, Tl/U, et FeO/MnO, on a pu calculer les abondances élémentaires de la Lune et de la Terre telles qu'elles sont données dans

GIL (Gros Ions Lithophiles). Les élé- ments lithophiles sont ceux qui ont une énergie libre d'oxydation plus grande que celle du fer (ramenée à 1 gramme

le tableau 4. Ce modèle diffère de celui de Wlnke, en ce que les calculs sont ba- sés directement sur des condensations successives, plutôt que sur une composition mesurée expérimentalement' dans les inclusions Allende du matériau condensé à haute température,

points de désaccord entre les abondances des éléments individuels du modèle de Wgnke (9) et celles du modèle de Ganapathy et Anders (lO), il est évi- dent que comparée à la Terre, la Lune est enrichie en éléments réfractaires (Mg, Al, Si, Ca, Sr,Ba, Ta, Zr, Hf, Terres Rares) et s'est appauvrie en éléments volatils (H, B, C, N, F, C1, Br, 1, Métaux alcalins, Zn, In, T1, Hg, Cd,Pb, etc . . .) . Ganapathy et Anders ont également rapporté les a- bondances du tableau 4 aux abondances de la nébuleuse solaire primitive (abondance cosmique) , telles qu'elles dérivent des analyses des météorites chondritiques. Ceci étant, on s'aper- çoit que la Terre et la Lune se sont toutes deux appauvries en éléments volatils par rapport aux "abondances cosmiques". Toutefois la perte sur la Lune est au moins 10 fois plus importante que celle de la Terre,

Une autre caractéristique chimique importante de la Lune, en plus de la perte en éléments volatils, et de l'enrichissement en éléments réfractaires, est ce qu'on appelle "l'anomalie de l'Europium''. Il s'agit de l'abondance anormalement basse de l'Europium par rapport aux autres éléments donnant des ions lithophiles volumineux (Fig.1, extraite des données de Gast (11)) , Sur la figure 1 , les abondances lunaires ont Eté rapportées aux abondances des météorites chondritiques. On suppose que dans ces météorites, les abondances primitives relatives sont restées celles de la nébuleuse solaire qui s'est condensée pour donner le système solaire. Ainsi, s'il n'y avait pas eu sur la Lune de fractionnement parmi les éléments des Terres Rares, la courbe de la Fig.1 devrait être une droite horizontale. Or cette figure montre nettement qu'il y a eu un fractionnement parmi les éléments

Bien qu'il subsiste beaucoup de

Tableau 4 - Abondances des éléments de la Lune et de la Terre selon Ganapathy et Anders (10) (9.

Modèle Modèle

Lune Lune Elément de la Terre Elément de la Terre

H 2.2 78 Cu ~~4(,10-~) 35 1240 Zn Li Be PPb B PPb C N 0% F

Na

Al% Si% P S% c1

K Ca% sc Ti v Cr Mn Fe% Co Ni% La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb DY Ho Er Tm Yb Lu

'Ne

MgX

6Ar

8.7 2.7 Ga 186 56 Ge 13 470 As 9.9 350 Se 0.26 9.1 Br ppb 41.42 28.50 84Kr 30 53 Rb 12 430 Sr

17-37 13.21 Zr 5.83 1.77 Nb 18.62 14.34 Mo

538 2150 Ru 0.39 1.84 Rh 0.70 25 Pb

900 1580 Y

37 1330 Ag PPb 96 170 Cd PPb

3380 1030 Sb PPb

1200 4780

6.37 1.93 In ppb 40 12.1 Sn

340 103 Te

330 590 135xe 9.00 35.87 Cs ppb

240 940 Ba 0.51 2.40 Hf 1.57 0.48 Ta ppb 4.2 1.28 W 0.53 0.162 Re ppb 2.9 0.87 Os 0.86 0.26 Ir 0.33 0.100 Pt 1.18 0.37 Au 0.22 0.067 Hg ppb

1 Pb

1.49 0.45 T1 ppb 0.33 0.96 0.29 Bi ppb 0.104 3.7 0.145 0.044 Th ppb 210 65 0.95 0.29 U ppb 59 18 0.160 0.049

0,101 204Pb ppb 0.055 1.97

- 6.8 57 19.9 93 0.66 5.5 1.66 13.8 0.90 3.6 1.30 6.1 3.8 134 0.18 6.6 0.33 0.58 60 18.2 10.9 3.29 65 19.7 3.3 1.00 9.8 2.96 4.9 1.48 1.05 0.32 0.25 1.00 9.6 80 0.58 21 0.075 2.7 0.085 0.71 7.6 64 0.20 0.94 0.48 17 0.13 4.8 33 59 16.8 5.1

96 29

250 76

0.95 0.29

0.75 0.230

3.6 1.10 3.5 1.06 6.9 2.1 0.072 0.29 0.28 9.9 0.136 4.9

(a) En ppm, sauf indication contraire : Zes gaz r m e s sont en unite' 10-10cm3 CNTF/g.

143

d'oxygène), Ils se concentrent dans les roches ou dans la couche de poussière, sous forme d'oxydes ou plus souvent sous forme d'oxysels et en particulier de silicates. Les éléments GIL comprennent Sr, Ba et les Terres Rares.

Basalte

O

- .- c

2 40- u 'W

101"' ' ' " ' ' " ' BaULaCe Nd SmEu Gd Dy Er TbLu Sr

Figure 1 - Abondances des Terres Rares des e'léments GIL dans m basalte lunaire. Les abondances ont éte' rapportées à celles des me'te'orites chondritiques. Figure extraite de Gast (5).

On pense que l'abondance anormale de l'Europium est reliée à la fugacité différente de l'oxygène aux époques de formationsdifférentes des basaltes terrestres et lunaires. L'étude des élé- ments présents à l'état de traces sur un groupe relativement restreint de basaltes terrestres (basaltes des fail- les océaniques) montre que l'Europium est partiellement réduit en Eu2+ (Eu2+/Eu3+-0, 2). Philpotts (1 2) a ana- lysé les diverses phases existant dans les basaltes lunaires et a trouvé que le rapport Eu2+/Eu3+ était cinq fois plus grand dans le liquide ayant engen- dré les basaltes. L'ion Eu2+, de charge plus petite et de rayon ionique plus grand que les autres ions de Terres Ra- res trivalents, possède des propriétés chimiques différentes, ce qui aurait conduit au fractionnement observé. Les ions Eu2+ et Sr2+ ayant des caractéristiques ioniques très voisines, il n'est pas surprenant que l'abondance du strontium d ival en t soit é g al emen t an0 rmalemen t basse dans les basaltes lunaires. Si un fractionnement a appauvri ces basaltes en Strontium et Europium, oh donc ces éléments se sont-ils déposés ? Ils de-

vraient se trouver dans les phases en- richies en ions divalents de grande taille. Le seul minerai courant correspondant à cette description est le plagioclase. Effectivement les échantil- lons d'anorthose (un plagioclase riche en calcium) prélevés dans les montagnes ont bien montré qu'ils avaient une abondance en Europium et Strontium anormalement élevée, comme il est indiqué sur la figure 2.

t KETPR

J

t 94 4 ,Anorth.

I I Roche 1

- BOLOC. Nd SmEuGd Dy Er YbLu Sr

Pig. 2 - Abondance en Terres Rares de certains éléments à gros ions lithophiles trouve's dans les anorthoses lunaires. Les échmtillons tels que celui du n015145 sont suppose's provenir des montagnes 2unaires.Les abondances sont rapportées à celles des mé- te'orites chondritiques.

Clayton et coll, (13) ont décrit les variations de composition isotopique, des sols lunaires pour plusieurs éléments légers : H, C, O, N, Si, S et K. En particulier O, Si, S et K montrent tous des enrichissements en isotopes lourds dans les sols par rapport aux roches. Toute- fois aucun enrichissement n'a été obser- vé pour la matière vitreuse, Les enrichissements isotopiques pour l'oxygène et le silicium sont reliés entre eux, et avec diverses autres mesures de la maturité des sols, telles que la quantité de gaz rares ou les traces des particules observées dans les grains solides et for- mées sous l'influence des rayons cosmi-

144

ques venant de l'espace. On suppose que les séparations isotopiques sont dues à une volatilisation de matériaux par la chaleur produite sous l'impact de micro- météorites, suivie d'une solidification de ces matériaux enrichis en'isotopes lourds sur la surface des particules des sols lunaires. On pense que l'action du vent solaire (flux d'atomes d'hydrogène et de protons provenant du Soleil) provoque aussi une séparation isotopique résultant de la perte des composés volatils formés. La perte par diffusion des composés enrichis en isotopeslégers serait favorisée. On a également observé dans les sols lunaires des enrichissements en isotopes lourds 41K et 34S, Les matériaux correspondants enrichis en 616- ments légers 32S et 39K n'ont pas été trouvés : il est probable que dans tous les cas où la séparation isotopique a été observée la Lune a laissé échapper ces isotopes légers par vaporisation,

Le vent solaire et son effet réducteur.

Le vent solaire est essentiellement un gaz ionisé ou plasma, composé de particules provenant du Soleil, et qui se répandent dans l'espace. Il transporte environ 106 tonnes par seconde de gaz qui s'échappent du soleil et se répan- dent dans tout le système solaire à la vitesse de plusieurs centaines de km/sec. Les constituants principaux du vent solaire sont des gaz ionisés, de l'hydro- gène et de l'hélium.

échantillons lunaires la principale source non pas seulement d'hydrogène et d'hélium, mais aussi de carbone, azote, argon et néon. Comme ce vent solaire ne peut péné- trer la surface externe d'une gubstance que sur une épaisseur de 1000 A à peu près il y a une concentration de ces éléments bien plus grande dans les sols que dans les roches cristallines lunaires (13). Avec ces sols exposés à la surface du ré- golithe et divisés en particules assez petites la saturation en ces éléments légers est possible dans un laps de temps de quelques années (14). Ces Cléments, à saturation, atteignent une concentration de l'ordre du ppm seulement.

non négligeable de l'hydrogène piégé s'é- Chappe à nouveau sous forme d'eau, ce qui conduit à un appauvrissement en oxygène du régolithe, Une grande quantité d'eau est ionisée photochimiquement en quelques mois et plus de la moitié est balayée de la

Ce vent solaire est en fait pour les

A l'origine en tout cas, une fraction

Lune par le vent solaire, tandis que moins de la moitié se redépose sur la surface lunaire. Ainsi,,en quelques années, une couche de 1000 A d'épaisseur située à l'ex- térieur des grains exposés à la surface du régolithe est réduite à un point tel qu'une exposition ultérieure au vent solaire ne peut plus éliminer l'oxygène. Puisque la vitesse de pulvérisation due aux impacts de micrométéorites est faible à cette échelle de temps (vitesse de mélange des sols ou turnover), pratiquement chaque grain de matière lunaire de surface pos- sède une fine pellicule fortement réduite et non stoechiométrique en oxygène. Miller et coll. (7) ont dosé l'oxygène et les éléments majoritaires et minoritaires par activation directe de neutrons sur toute la masse de chaque échantillon lunaire; Ils ont trouvé un défaut d'oxygéne de 1 à 2 2 par rapport à la stoechiométrie dans les poussières et dans de nombreuses brè- ches lunaires. Ils ont remarqué toutefois que l'ordre de grandeur véritable de la perte-en oxygène par action du vent solaire ne peut finalement être établi que par usage des techniques analytiques adaptées aux analyses de surface.

Conditions réductrices durant la diffé- renciation de la Lune,

Wznke (9) et d'autres considèrent l'absence de fer ferrique dans les basaltes lunaires comme un indice d'une faible pression partielle d'oxygène (10-13 atm) durant la formation de la Lune. Avec de telles conditions réduc- trices l'Europium se trouve à l'état +2 plutôt qu'à l'état +3, ce qui entraîne l'anomalie de l'Europium précédemment discutée. Ehmann et Chyi (15) attribuent le faible fractionnement Zr-Hf parmi les roches de types lunaires à la présence des ions Zr3+ dans les magmas lunaires tandis que le Hafnium reste à l'état d'ion Hf4+. Le zirconium trivalent a un rayon ionique assez nettement plus grand que ceux de Zr4+, Hf4+ et Ti4+, ce qui l'a empéché de prendre la place des ions Ti4+, et donc d'être stabilisé dans les premiers minéraux cristallisés de titane. Ainsi on s'attendrait à des rapports Zr/Hf faibles dans les premiers minéraux de titane, et à des rapports plus élevés dans les oxydes et silicates de zirconium qui cristallisèrent plus tard à partir des résidus liquides. Le zirconium terrestre existe exclusivement à l'état d' ion Zr4+, Cependant les conditions très réductrices ayant régné durant la

145

phase de différenciation de la Lune auraient pu produire des ions Zr3+ de la même façon que les ions Eu3+ ont été produits.

L'atmosphère lunaire,

qu'elle peut être assimilée à un milieu dans lequel les atomes et molécules su- bissent très peu de collisions et décri- vent des trajectoires balistiques impo- sées par la gravitation entre les chocs avec la surface lunaire. L'absence d'at- mosphère lunaire appréciable peut être attribuée principalement à un mécanisme efficace de fuite des particules, trop lourdes pour s'échapper par agitation thermique. Les molécules gazeuses neutres ou les atomes sont photoionisés par le vent solaire, puis en l'absence de champ magnétique important, le champ électrique du vent solaire accélère les ions formés (16,17). En gros, la moitié de ces ions frappe la surface lunaire, mais l'autre moitié s'éChappe. Le champ magnétique empêche ce processus d'éva- sion sur Terre. Si on suppose que l'at- mosphère lunaire est en équilibre, cela nécessite un apport de 5 g/s pour contre- balancer les pertes. Si l'apport de ma- tière est d6 au vent solaire il faut qu'au moins 1 2 des protons du vent solaire réagissent avec les matériaux de surface pour donner des molécules lourdes. Si l'apport de matière est fourni par dégazage de la Lune, elle doit être environ 10 fois moins active géologique- ment que la ferre.

Les principaux constituants de l'atmosphère lunaire sont H 36Ar et 4OAr (16) . Les ions oxygène monoatomique du vent solaire doivent réagir rapidement avec les matériaux lunaires vu que beaucoup d'espèces chimiques sont dans des états réduits. Cela expliquerait qu'on ne trouve pas d'oxygène atomique ou moléculaire dans l'atmosphère,

L'atmosphsre de la Lune est si ténue

4He, 20Ne, 2'

Formation chimique des zones lunaires et évolution de la croûte.

cord sur le fait que la Lune a été chaude, et au moins partiellement en fusion, à une certaine époque de son histoire ; mais l'importance de ce chauffage et de cette fusion est encore controversée.

Tout le monde est en général d'ac-

Taylor et Jackes (18) donnent des preuves de la formation de la Lune par accrétion homogène (c'est-à-dire par addition uniforme de matière provenant de l'extérieur de la même façon qu'un cristal croît). Ceci est basé sur les faits suivants :

entre les rapports des éléments volatils et non volatils (Cs/V ou K/Zr) à la fois dans les échantillons des mers et ceux des montagnes,

roches de la croûte est dictée, non pas par la différence de volatilité, mais bien par les rayons ioniques et les valences, ce qui implique des équilibres cristalr=liquide. Cela implique la fusion de presque toute la Lune. Ringwood et Green (19) postulent que le chauffage nécessaire pour cette fusion et cette différenciation consécutive (développe- ment de zones chimiquement différentes) a été probablement f o u m i par l'énergie due à l'accrétion pendant un laps de temps très court, inférieur à un millier d'années. Une durée d'accrétion aussi courte n'est possible que si l'accrétion a lieu à partir de matériau en orbite terrestre, c'est-à-dire par coagulation à partir d'un anneau de "sédiments" autour de la Terre.

1) il existe une bonne corrélation

2) La distribution des éléments des

A la suite de cette fusion due à l'accrétion, la première phase de silicates qui se sépara fut une olivine riche en magnésium ; elle entraîne égale- ment le nickel divalent et en moindre quantité les ions Cr2+ et Co2+ (18). L'orthopyroxène précipite ensuite. La plupart des cations, sauf Mg2+, Fe2+, Ni2+, Co2+et Cr2+, exclus des sites de l'olivine, et de l'orthopyroxène, migrè- rent vers la surface. Le calcium et l'a- luminium qui font partie du groupe qui migre vers la surface jouent un rôle important dans le développement de la croûte lunaire.

atteignit 12-17 % en Al2O3, le plagioclase riche en anorthose précipita et se concentra en-dessous de la surface gelée, tandis que les phases riches en Mg et Fe s'enfoncèrent. La zone enrichie en Ca-Al incorpora les ions Sr2+ et E&+, mais la plupart des autres ions métalliques en furent exclus. Ainsi, avec une cristal- lisation ultérieure à la fois en surface (croûte de Ca-Al) et en profondeur (manteau constitué de Mg et de Fe), des

Quand la concentration en aluminium

146

zones furent créées, Il se forma une zone fer-oxyde de titane et les éléments sidérophiles (éléments ayant une affini- té pour le fer et qui préfèrent la phase du métal libre, tels que Pd, Pt, Au, Co, Ni et W) furent éliminés ensuite par formation de zones supplémentaires. Ceux des éléments qui ne purent pénétrer dans le plagioclase situé au-dessus ou dans les sites Mg-Fe en dessous, furent alors piégés entre les deux, Dans ces régions on trouve K, Ba, Rb, Cs, Th, V, Zr, Nb, et les Eléments des Terres Rares. Ils furent alors incorporés dans les basaltes KETRP, qui avec les autres basaltes trou- èrent finalement la surface de la face cachée de la Lune, après une période de fusion partielle et de déplacement vers le haut. On pense que la source de chaleur fut l'énergie libérée par la désin- tégration radioactive de l'uranium et du thorium (19). Ce chauffage aurait conduit à une instabilité par convection, et à une éruption des matériaux qui ont cons- titué les mers il y a quelques 3 ou 4 milliards d'années (magmas basaltiques). La redistribution des sources de chaleur radioactives qui en résulta aurait pu causer à son tour l'arrêt du volcanisme, il y a environ 3 milliards d'années.

Masursky (20) avance que la convection du manteau a eu lieu durant la dif- férenciation, et que la Lune étant liée à la Terre par gravitation pendant cette période, la matière anorthositique de surface a été distribuée de façon asymé- trique sur la Lune. Il en résulte une croûte mince de faible densité du côté de la Terre, et une croûte épaisse de l'autre côté. La prépondérance des mers sur la face visible est due à ce que le magma basaltique a pu traverser la croûte beaucoup plus fine de cette face de la Lune. Dans les régions des mers on trouve associés à ces intrusions de magma, des 11 mascons" (régions de concentration de masse). Cela signifie que les basaltes fondus emplirent les bassins j usqu' au niveau dicté par le principe de l'isos- tasie (état d'équilibre hydrostatique où la matière subit une pression égale de tous côtés). Toutefois l'équilibre isostatique ne fut pas maintenu car les matériaux fondus se refroidirent rapidement et se solidifièrent à une époque où la croûte était trop rigide pour s'af- faisser sous eux. Il y eut égalemerit une élévation du matériau dense du manteau, sous l'effet d'impacts dans plusieurs

bassins circulaires (ceux qui ont été identifiés comme ayant des mascons). Tout ceci créa dans ces régions une force de gravité supérieure à celle attendue d'après la distance au centre de la Lune. Ce phénomène est décrit comme une anomalie de gravité positive. Il en découle que le centre de masse de la Lune est plus près de la Terre que son centre géo- métrique. C'est ce qu'illustre la figure 3, d'après Marvin (3).

croûte

Figure 3 - D i a g r m e schdmatique du manteau et de Za croûte lunaire, montrant Ze dbplacement du centre de masse par rapport au centre géombtrique de Za Lune. L'écheZZe de Za croûte est exagbrée. Figure extraite de Marvin (3).

A l'opposé, Strangway et Sharpe (21)pré- fèrent un modèle d'une Lune relativement froide qui aurait eu primitivement une fine couche fondue et serait devenue chaude très récemment ; assez chaude pour que l'intérieur soit presque en fusion. Il est difficile de concevoir la formation des Mers basaltiques dans ce modèle, autrement qu'en invoquant la chaleur produite localement par des impacts colossaux.

Ages des échantillons lunaires.

ont été utilisées pour dater les échan- tillons lunaires sont les méthodes Rb/Sr, Pb/Pb, K/Ar et Sm/Nd. Avec ces techniques ce qui est véritablement mesuré c'est le

Les te chni que s radio i s o t opique s qui

147

laps de temps écoulé depuis la cristalli- pendante et capture) - la Lune se serait fiar la laire et aurait été capturée par le

sation des roches. Prenons méthode Rb/Sr. Le rubidium 7Rb, se dé- sintègye en 87Sr avec une période de

formée quelque part dans le système so-

champ de gravitation de la Terre. 4,7.10'" années. En mesurant le rapport des abondances de chacun des isotopes par rapport à un isotope de référence (86Sr n'est pas formé par une décrois- sance radioactive), il est possible de calculer 1'Pge d'un échantillon :

Aucune de ces théories ne peut être définitivement éliminée sur la base des informations obtenues par les missions Apollo et de l'étude des échantillons lunaires rapportés. En fait,= sont plu- tôt des modifications de ces trois théo-

OÙ A Rb est la constante radioactive de 87Rb t 1 'hge depuis la différenciation Rb-Sr et [87Sr/%r] initial = le rapport isotopique initial du strontium. Ce dernier peut-être déterminé de plusieurs manières y compris par des mesures sur des minéraux d'une même roche ne contenant pas de rubidium, et donc pas de strontium radiogénique.

Bien que quelques échantillons aient été datés de 4,5 milliards d'années ( 1 l), la plupart ont des âges de 3 à 4 milliards d'années, et beaucoup sont groupés dans la tranche de 3,9 - 4,O milliards d'années (22-24). Cela nous amène à supposer qu'une fraction importante des bassins des mers fut creusée il y a environ 3,95 milliards d'années et remplie par des laves basaltiques durant le milliard d'années suivant. Toutefois il se peut également qu'on observe ce regroupement d'8ges parce que les deux derniers grands impacts (par les projectiles de la Mer Orientale et de la Mer des Pluies) mas- quent la trace d'évènements plus anciens à la surface de la Lune, près des sites d'alunissage des missions Apollo (24). De toutes façons, l'absence d'échantil- lons d'âges inférieurs à 3 milliards d'années montre que la surface de la Lune est inactive depuis ce temps.

Origine de la Lune.

proposées pour décrire l'origine de la Lune : - Théorie de la fille (scission) - la Lune se serait séparée de la Terre. - Théorie de la soeur (planètes doubles) la Terre et la Lune se seraient formées simultanément à partir du &me nuage de gaz et de poussières. - Théorie de l'épouse (formation indé-

Trois théories principales ont été

ries qui ont été proposées,

(25) puis développée par Ringwood (26) suppose que la Lune s'est formée autour de la Terre partir d'un anneau semblable à l'anneau de Satume. Dans ce modèle, la Terre s'est accumulée au centre de gravité d'un nuage de particules. Tandis que l'accrétion continuait, la proto-Terre centrale devint chaude de même que les parties extérieures du nuage qui devait former la Lune. Les élé- ments volatils furent perdus à cause de cet échauffement, surtout dans la partie externe et diffuse du nuage. Lorsque l'extérieur du nuage s'est refroidi, les particules condensées ont formé un nuage autour de la Terre peut-être semblable à l'anneau de Satume. Finalement, la Lune s'est formée par accrétion aux dépens de ces particules appauvries en éléments volatils. La chaleur résultant de la chute de ces particules durant l'accré- tion fut suffisante pour provoquer la fusion de la Lune. A la suite de la formation de la Lune, la matière encore en orbite dans le système solaire, continua 3 frapper la Terre, ajoutant les 10 Z extérieurs de la planète. Comme cette matière ne provenait pas du nuage chaud, elle contenait toujours beaucoup d'élé- ments volatils, ce qui justifie la plus grande abondance de ces éléments sur la Terre par rapport à la Lune, A cause de sa faible taille et de sa faible pesanteur,très peu de cette matière riche en éléments volatils put atteindre la Lune et s'incorporer.

Wood et Mitler (27) proposent une modification de la Théorie de l'épouse pour justifier l'origine de la Lune. Dans ce modèle, la proto-Lune (prédé- cesseur de la Lune) n'est que partiellement capturée. Si un candidat à la capture passe à moins de 2,5 diamètres terrestres du centre de la Terre (Limite de Roche), il est dialoqué par les forces dues aux marées. Les fragments détachés du côté de la face terrestre de

L'une d'elles, proposée par Opik

148

l'objet sont satellisés sur des orbites elliptiques. Les débris de l'autre face quittent la Terre sur des orbites hyperboliques. Des fragments appartenant 5 une catégorie intermédiaire sont captu- rés et prennent des orbites très allon- gées - mais ces fragments sont ultérieu- rement perdus, dans la mesure OÙ ils atteignent leur apogée dans des positions où le Soleil exerce une influence gravi- tationnelle plus grande que la Terre. La fraction retenue sur une orbite terrestre dépend à la fois de la vitesse d'approche et de la distance du périgée. Les diffé- rentes catégories de fragments et leurs sorts sont illustrés sur la figure 4.

\ I I 77 l

Figure 4 - Sort des fragments produits quand la proto-Lune s'est disloquée en dépassant la limite de Roche de la Terre avec une vitesse parabolique. On a re- présent& les fragments de 10 couches de la proto-Lune (en haut à gauche) ; chaque couche est à peu prBs équidistante du centre de masse de la Terre. Les fragments 1 à 5 sont perdus sur des orbites hyperboliques, les fragments 8 à 10 sont capturés sur des orbites fermdes. Les fragments 6 et 7 sont dgalement capturds, mais sur des orbites tre's allongées et s 'évadent facilement. La ligne en pointilld représente le lieu des points où 1 'attraction gravitation- nelle du soleil est dgale à celle de la Terre (rayon de cette courbe = 259000 km) Figure extraite de Wood et Mitler (271.

tes), très peu de matière du coeur devrait être retenue en orbite terrestre. Cela expliquerait la faible abondance lunaire en fer et en autres éléments sidé- rophiles. La matière du manteau et de la croate de la proto-Lune devrait être sé- lectivement retenue en orbite terrestre, et celà constituerait une matière pre- mière pour produire l'accrétion de la Lune telle que nous la connaissons au- j ourd 'hui .

L'un des principaux tenants de la formation de la Lune par séparation est John O'Keefe (28). Celui-ci remarque que la Lune possède à peu près la même den- sité que celle du manteau de la Terre, ce qui suggère que la séparation s'est produite aprds la formation du noyau terrestre. Comme les éléments sidéro- philes tels que Au, Pt, Ni, Os, Ir, etc.. ont été lessivés quand le fer en fusion s'enfonça pour former le noyau, cela explique aussi pourquoi les roches de la Terre et de la Lune sont appauvries en ces métaux, et pourquoi elles le sont de la même façon. Durant la séparation beaucoup de matière distilla tout simplement. Naturellement les éléments les plus volatils furent éliminés les premiers, la plus grande partie de la masse s'échap- pant de la Lune, plutôt que de la Terre, en particulier sur une orbite proche de la Terre. Ceci explique que la Lune soit plus pauvre en éléments volatils que la Terre, ou que l'ensemble du système solaire.

modèles ont été développés pour expliquer l'origine de la Lune, tous en accord raisonnable avec les renseignements obtenus par les Missions Apollo. Il en ré- sulte que la Lune a eu une histoire bien plus complexe qu'on ne l'avait supposé avant les missions Apollo, Les renseignements supplémentaires obtenus par l'étude en cours des échantillons des missions Apollo et les données qui seront obtenues dans le futur par des missions d'exploration éloignée conduiront certainement à de nouvelles théories. Il se passera probablement beaucoup de temps avant qu'une seule théorie soit considé- rée comme généralement admise par la communauté scientifique.

Pour résumer, un grand nombre de

Toutefois si la proto-Lune était déjà fondue et différenciée (par formation de zones de compositions différen-

149

Exploration future. 10. Ganapathy, R., and Anders, E., Geo- chim. Cosmochim. Acta, Suppl. 5,2,

. D'après l'opinion de nombreux scien- 1181 ,( 1974). tifiques associés au programme spatial 1 1 . Gast, P.W., "Lunar Geophysics", The Apollo, il est peu pensable qu'il y ait Lunar Science Institute, Houston, d'autres alunissages d'hommes avant la 1972, p. 630. fin de ce siècle. Mais celà ne veut pas 12. Philpotts, J., Earth Planet. Sei. dire que nos connaissances sur les carac- Lett., 9,257 (1970). téristiques physiques et chimiques de la 13. Clayton, R.N., Mayeda, T.K., and Lune seront limitées à leur niveau actuel. Les échantillons recueillis par les six missions Apollo continuent d'être étudiés 1974, p.129. par des laboratoires du monde entier. Des 14. HousleY, R.M., Cirlin, E.H., and instruments d'analyse de plus en plus Grant, R.W., "Lunar Science-V",The performants apporteront de nouveaux ren- Lunar Science Institute, Houston, seignements sur la chimie de la Lune. Les 1974, p.360. techniques de surface en chimie analyti- 15, Ehmann, W.D., and Chyi, L.L., Geo- que qui sont un domaine en croissance chim. Cosmochim. Acta, Suppl .5,2, rapide en sont un exemple. 1015 (1974).

Hurd , . J .M. , "Lunar Science-V" , The Lunar Science Institute, Houston,

De plus il est possible que des missions de véhicules spatiaux inhabités non seulement sur la Lune, mais aussi sur Mercure, Mars, ou les autres planètes du système solaire, augmenteront nos connaissances sur l'origine et sur l'histoire du sys- tème solaire. On s'attend à ce que de telles missions recueillent des échan- tillons par télécommande et continuent d'analyser les objets du système solaire par la photographie, l'infrarouge, les rayons X, et par d'autres techniques.

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p.343.

150

Recherches sur l'origine de la vie R. D. Brown

Cet article est tiré de la conférence Stanhope prononcée par le Pr. Brown au CONASTA XXIII à Melbourne en 1979.

Conceptions anciennes :

L'origine de l'homme et l'origine de la vie ont eu une place prédominante dans la pensée humaine depuis très longtemps. Les tribus primitives ont bâti des mythologies concernant la création, dont certaines étaient très élaborées. L'Inde ancienne, Babylone, 1'Egypte avaient des légendes et des croyances religieuses basées sur la puissance créa- trice des dieux et des démons. Dans ce pays ainsi que dans la Chine antique ré- gnait l'idée très répandue de la généra- tion spontanée de petits animaux ou d'in- sectes tels que des mouches , des scara- bées, des grenouilles, des serpents, etc.., à partir de la boue, du fumier ou de sources semblables, sous l'influence de la chaleur et de l'humidité. Le concept gé- néral de la génération spontanée a domi- né l'esprit des peuples jusqu'au Moyen- Age, sous l'influence prépondérante de la pensée d'Aristote (384-322 A.C). Il y eut des légendes sur les oies nées des arbres, les agneaux nés des plantes, et sur le petit homme, l'homoncule, pour lequel Paracelse (1498-1541) donna une recette de fabrication.

La recherche scientifique sérieuse sur la gén6ration spontanée débuta au 17ème siècle (par exemple Redi en 1668) et culmina, avec le prix de l'Académie des Sciences de France, accordé à Pas- teur en 1862 pour avoir démontré que la génération spontanée de micro organismes n'a pas lieu. C'est à la même époque que Darwin et Wallace publièrent leurs idées sur l'évolution et la sélection naturelle (Darwin et Wallace, 1858 Darwin, 1859).

Point de vue d'0parine : Alors que le concept de sélection

naturelle nous a permis de visualiser l'évolution graduelle de formes de vie supérieures sur la Terre, le problème de l'origine des premiers véritables organismes est resté obscur assez avant dans ce siècle ; peut être parce que Pasteur en ayant complètement remis en cause le principe de la génération spontanée avait également critiqué le processus d'auto- organisation nécessaire pour créer la vie primitive à partir de matières rudimentai- res et inanimées. Il fallut attendre 1924 pour que le biochimiste russe A.I. Opa- rine développe une ébauche de schéma selon lequel des molécules simples auraient pu évoluer en molécules biologiques plus complexes,puis en systèmes de molécules et finalement en une première cellule primitive. Et ce ne fut que plus tard vers les années 50 que débutèrent des études chimiques intensives basées sur les idées d'oparine. Oparine avait émis l'hypothèse que le processus a commencé dans l'atmos- phère primitive de la Terre avec des hydrocarbures simples qui donnèrent d'autres molécules organiques simples puis de la matière apparentée aux protéines. Des expérimentateurs dont S. Miller était le chef de file (1953), ont montré récemment que si l'on part de mélanges simples de gaz tels que le méthane, l'ammoniac, l'hy- drogène et l'eau, et si l'on utilise une source d'énergie telle qu'une décharge électrique, on obtient des composés d'importance biologique comme par exemple des aminoacides.

Naturellement les étapes sont nombreuses entre ces molécules simples pré- biotiques et la plus simple de cellules vivantes. Beaucoup de travaux ont été faits pour combler les lacunes de cette

151 Reproduit avec l'autorisation de Chemistry in Britain, vol. 10, no 12, 1974, p. 471-5.

partie de l'histoire, bien qu'il y ait de grands domaines d'incertitude, spécia- lement dans les étapes précédant immédia- tement l'apparition de la cellule. Tou- tefois, la grande majorité des chercheurs s'accorde à penser que cette histoire qu'on peut raconter par petits bouts et qui explique comment la vie est sortie de la soupe chimique prébiotique est dans l'ensemble bien fondée. Je ne vais pas poursuivre cette partie de l'histoire plus loin,mais plutôt revenir en arrière et examiner plus à fond les premières éta- pes, parce qu'il y a là des développe- ments nouveaux intéressants. Commençons donc par étudier l'atmosphère primitive de la Terre.

L'atmosphère primitive de la Terre :

Quand la Terre fut d'abord formée par condensation d'un grand nuage de gaz et de poussières, elle fut réchauffée par la libération de l'énergie gravifique. Les géochimistes pensent maintement qu'elle se réchauffa vers 1000-1200 K pendant la première centaine de millions d'années. Ainsi le halo de gaz initial qui se condensait autour de la Terre en formation subit des variations thermiques considé- rables durant la période chaude de la vie de la planète. Une nouvelle atmosphère se forma petit à petit au fur et à mesure que la jeune Terre se refroidissait. Ce fut dans cette nouvelle atmosphère entourant la Terre et dans des bassins d'eau chaude, sur les bords' léchés par les vagues et formés il y a 4 milliards d'an- nées à la surface de notre planète, que le long processus d'évolution chimique commença sérieusement pour donner la matière vivante.

Formation du système solaire : Il y a beaucoup à dire au sujet de cette époque de chimie prébiotique, mais je veux d'abord retracer à nouveau l'histoire depuis le début, à partir de la formation du système solaire. Le mécanisme est discuté par les astronomes, mathé- maticiens et autres depuis des siècles. Parmi les diverses possibilités qui ont été conçues, la seule qui semble être admise généralement est celle initialement proposée par Kant et Laplace : le soleil et ses planètes sont les produits de l'ef- fondrement gravifique d'un nuage immense de gaz et de poussière. Il y avait bien quelques problèmes liés à la distribution du moment angulaire dans le sys- tème solaire, mais on a pu en rendre

compte et par exemple très récemment le Dr. Prentice de l'Université Monash a développé une théorie des nébuleuses en condensation qui montre clairement comment les planètes se forment avec le nombre et la taille que nous leur connaissons. La partie centrale de ce nuage en condensation devint le Soleil et se ré- chauffa lors de la libération de l'éner- gie gravifique jusqu'à ce que des réac- tions nucléaires démarrent et que le So- leil devienne une étoile brillante. Ce- pendant les parties extérieures restent plus froides et quoique les masses pla- nétaires les plus grosses deviennent chaudes, le résidu de petits fragments, de gaz et de poussière, de météorites, de comètes etc... reste très froid et donc chimiquement intact.

Il existe actuellement un certain nombre de grands nuages de gaz et de pous- sièresvisibles la nuit dans le ciel. Dans certains d'entre eux on discerne des glo- bules sombres qui ressemblent aux nébu- leusesdans la phase de condensation en étoiles. Dans certains cas, on a observé des sources de rayonnement infrarouge qu'on a attribuées à des étoiles en formation. Les grands nuages de gaz et de poussières qui sont les "usines d'étoiles" sont situés principalement à l'intérieur des bras spiralés de notre Galaxie ou d'autres galaxies. Lors de l'observation optique, ces nuages paraissent blancs et ininté- ressants , mais durant ces dernières an- nées les radiotélescopes ont fourni une riche moisson de renseignements sur la nature de ces nébuleuses sombres, car les ondes radio et les microondes pénètrent facilement dans les poussiSres, ce qui nous permet d'étudier les molécules gazeuses situées.à l'intérieur de ces nébu- leuses.

trouver de grandes concentrations de mo- lécules dans ces nuages. Jusqu'à la der- nière décennie les astronomes avaient pensé que l'Univers dans son ensemble était com- posé d'atomes ou de fragments atomiques dans les étoiles, et que le milieu interstellaire très ténu était constitué d'a- tomes d'hydrogène et de quelques nuages de poussières (qui étaient supposés peu intéressants ou sans importance). Puis les radio-astronomes ont comencé à dé- couvrir des molécules dans ces nébuleu- ses, à peu près à l'époque où d'autres astronomes commençaient à s'intéresser plus particulièrement à ces nuages en tant que sources d'étoiles et de systè-

Ce fut une grande surprise que de

152

mesplanétaires nouveaux. L'enthousiasme s'accroît rapidement en 1969 quand les premières molécules polyatomiques furent découvertes dans les nébuleuses sombres (ammoniac,eau et formaldéhyde). Mon propre groupe de recherche a été particu- lièrement engagé dans cette partie de l'histoire,et de ce fait j'aimerais dé- crire brièvement la nature du travail que nous faisons.

Molécules polyatomiques dans les nébu- leuses obscures.

tifiées parce qu'elles absorbent ou émet- tent des micro-ondes à une fréquence très précise qui est en quelque sorte l'em- preinte digitale de chaque molécule. Par exemple la molécule d'eau absorbe ou émet une fréquence de 22.235.079.460 Hz. Ces signaux représentent un changement de l'énergie cinétique de rotation de la molécule gazeuse, produit quand la molé- cule entre en collision avec un photon de cette fréquence exacte. Vous remar- querez que ces fréquences sont mesurées avec une grande précision, ce qui nous permet d'identifier la molécule avec cer-

Les molécules sont détectées et iden-

O .: ô u w

Avant de rechercher une molécule dans les nébuleuses, on doit d'abord mesurer la fréquence au laboratoire. La figure qui suit montre les résultats de ces mesures pour les molécules de méthanimine CH =NH, molécule instable que l'on doit fabriquer spécialement au moment où elle entre dans le spectromètre micro-onde.

2

chaleur (1 100")" CH2 = N - H + H2 CH3 - NH2 Connaissant la fréquence mesurée,

on utilise un grand radiotélescope, tel que celui de Parkes (qui est bien adapté 2 ce genre de travail) et on l'accorde à la longueur d'onde appropriée. Les signaux recherchés sont faibles et sont normalement noyés dans le bruit de fond - le bruit aléatoire répandu dans la Galaxie. On doit accumuler le signal reçu par le radiotélescope, souvent pendant des jours, de façon à éliminer le bruit, suffisamment pour percevoir le signal. Le résul- tat est un signal correspondant exactement au signal du laboratoire si la molé- cule est présente dans le nuage de pous- sière.

I 1 1 I

I I I I I \

I I I I

I I I I \

5 289 5 290 5 291 5 292 Fréquence (MH,)

Absorption de la méthanimine gazeuse au laboratoire (Haut) et observation de notre Galaxie pour les mêmes fréquences avec le radiotélescope de Parkes (Bas).

153

Les sources de molécules les plus fructueuses sont deux nébuleuses géantes ; l'une est la Grande Nébuleuse d'Orion (non pas la partie claire, mais un nuage obscur situé derrière elle), et l'autre, la meilleure "usine de molécules", est un nuage proche du centre de notre Gala- xie, à une distance de 10 kpc soit 30000 années-lumière et nommé Sgr - B2. ces dernières années sont présentés dans le tableau suivant. Certaines ont été dé- couvertes par notre groupe à Parkes, aux Etats-Unis, tandis que les petites ont pratiquement toutes été trouvées grâce au radiotélescope millimétrique de Kitt Peak (comme je souhaiterais que nous po- sédjons un tel radiotélescope en Austra- lie !).

Une des caractéristiques excitantes des molécules découvertes est qu'elles comprennent tous les précurseurs les plus importants des molécules biologiquement importantes. Ainsi Calvin par exemple, dans son livre sur l'évolution chimique, dresse une liste de quelques molécules clés de l'évolution chimique et les plus simples d'entre elles apparaissent dans la liste des molécules de nébuleuses.

ces molécules et l'origine de la vie dans l'univers ? Certains astronomes, tels que Car1 Sagan, disent carrément que non, parce que la nébuleuse est complètement al- térée d'un point de vue chimique durant le processus de condensation en étoiles et en planètes. Ces scientifiques ont alors attiré l'attention sur l'atmosphère planétaire primitive comme origine chimique de la vie. Je vais maintenant revenir 2 cette proposition car elle présente à mon avis de sérieuses difficultés.

Les géochimistes préoccupés de l'aspect chimique des formations planétaires ont proposé plusieurs descriptions diffé- TëÏZFE-de ce processus ; mais la seule qui semble bien en accord avec les diverses observations expérimentales est celle développée par le professeur Ringwood de A.N.U. L'état chimique de la nébuleuse en condensation est bien représenté par

Les types de molécules découvertes

Y-a-t-il une relation directe entre

M. Colin : Evolution chimique (OUP 1969). Une discussion plus détaillée des compo- sés organiques dans les météorites est donné dans un article de "Science" 182, 781 (1973) par E. Auders, R. Hayatsu et

-

la composition d'une forme très rare de météorite appelé chondrite charbonneuse. Elle contient beaucoup de matière carbo- née et le fer est présent sous forme oxy- dée (Fer (II) plutôt que fer métallique). A mesure que la Terre s'est condensée à partir de matériaux semblables elle s'est réchauffée et le fer a été réduit' par le carbone en fer métallique qui existe encore dans le noyau. Le carbone initialement oxydé en monoxyde de carbone a for- mé avec l'hydrogène et des silicates vo- latilisés une atmosphère primitive mas- sive, chaude, qui fut perdue (et qui selon Ringwood devint finalement la Lune). Com- me la Terre se refroidissait, une nouvelle atmosphère et une nouvelle hydrosphère dominées par H O, CO et N se formèrent 2 2 par dégazage de l ' i n h e u r de la Terre.

Une telle atmosphère oxydante ne gé- nère pas facilement des molécules de pré- curseurs biologiques tels que les aminoacides sous l'influence de décharges élec- triques ou d'autres sources d'énergie. Nous devons donc considérer une hypothèse autre que le concept original d'0parine sur la génèse de tels matériaux dans la première atmosphère.

Molécules interstellaires

OH

Si0

CN

CO

cs ocs

H2°

NH3 HCN

HNCO

H2S

C2H

H2 CH CH+

H2C0

H2CS*

HC02H

HCCCN

CH2NH*

HCONH2

CH30H

CH3CN

CH3CCH

CH3CH0

CH30CH3

C2H50H

H C O ~ C H ~ *

CH~CHCN*

* CH3NH2

M.H. Studier.

154

(a) Découvertes avec le radiotélescope de Parkes.

Autre point de vue : Une autre hypothèse que je soutiens est reliée aux chondrites charbonneuses. Au cours de la première histoire de la Terre, disons 4 milliards d'années, le résidu de la nébuleuse primitive aurait été considérable et la chute de poussières,météorites etc... aurait été bien plus importante qu'actuellement. Des études chimiques minutieuses des chondrites charbonneuses, parmi lesquelles notre propre météorite Murchison qui tom- ba le 28 septembre 1969, ont été réalisées très récemment. On a découvert dans de telles météorites un certain nombre de molécules organiques complexes, y compris une série entière d'acides aminés ; du fait qu'ils n'ont pas d'activité optique, on est certain de leur origine extra-terrestre. Si tel est le moyen par lequel les premières mares chaudes peu profondes furent ensemencées par des molécules organiques et devinrent des prébiotiques, alors nous pouvons faire remonter les origines chimiques de la vie directement aux molécules existant dans les nébuleuses obscures et de 12 au véritable début de la chimie dans l'Univers.

Mon histoire est donc trks spécu- lative et incomplète. L'avenir en com- blera sûrement les lacunes et plusieurs, sinon toutes les étapes que j'ai mention- nées,seront révisées. Nous sommes à pré- sent à un stade excitant du développement de cette histoire scientifique, stade que personnellement je trouve fascinant, et qui, je l'espère, vous aura aussi in- téressés.

Une discussion plus détaillée sur les composés organiques dans les météorites est donnée par E. Auders, R. Hayatsu et M.H. Studier, "Science" 182, 781 (1973).

155

L'industrialisation de la lune << La lune est faite de fromage de Chester D, une vieille erreur

A. Vladimov

De nos jours même les écoliers savent qu'il n'y a pas d'homme sur la Lune (et c'est bien dommage I), pas de couche de poussière épaisse, pas d'air et pas d'eau libre. En fait il y a 2 peine de l'hydrogène. Quant à l'oxygène, l'analyse des roches lunaires a montré qu'il est présent à l'état combiné avec d'autres Eléments sous forme d'oxydes de silicium et de métaux. Il n'y a alors pas de doute possible : la Lune n'est pas faite de fromage de chester, mais elle est constituée de minéraux tout 2 fait courants sur notre propre planète.

Comparons la composition de la Terre et de la Lune, pour les éléments les plus importants, On peut dresser un tableau de Mendeleev réduit à ces 616- ments (cf. Fig. 1) et montrer la prm- portion de chacun dans la croûte terrestre et dans la Lune.

Alors que la Terre contient de grandes quantités d'hydrogène, d'oxygène de sodium, de magnésium, d'aluminium, de silicium, de calcium et de fer, la Lune est plus riche en ces éléments (2 l'exception de l'hydrogène) qu'en tous les autres .

Naturellement les roches lunaires ont leurs caractéristiques propres : elles contiennent peu d'eau, peu de potassium et de sodium (et d'éléments volatils en général), mais beaucoup de titane et de fer. Dans l'industrie moderne le fer est important, tout comme d'autres éléments qui ne sont pas par- ticulièrement abondants sur Terre, tels que le cuivre, le nickel, le zirconium, le tungstène, le plomb et l'uranium.

On peut les trouver tous sur la Lune, quoique en quantité plus faible que le fer et l'aluminium. La Lune a plus que sa part de Terres Rares qui sont tellement importantes en électronique.

Il faut d'énormes quantités d'é- nergie pour l'extraction, le raffinage et la fonte des métaux. L'aluminium, le titane et le magnésium sont à cet égard particulièrement réfractaires. Serait-il plus facile d'avoir affaire à ces drôles de clients sur la Lune ? Car la Lune a quelque chose que la Terre ne possède pas: un vide total. d'un vide artificiel sous une montagne d'air serait d'un prix exorbitant.

La réalisation

A quoi bon ? A quoi bon, au fond, industriali-

ser la Lune ? Est-ce que le jeu en vaut vraiment la chandelle ...

La Lun? sera évidemment un objet d'intérêt purement scientifique pour un bon bout de temps. Elle fournit une illustration du passé géologique de la Terre, et reste une base idéale pour la recherche spatiale, et un champ d'expé- riences pour la technologie spatiale. Enfin, et ce n'est pas le moins important, elle sera le principal port ter- rien pour les expéditions interstellaires et une station-service pour les voyages interplanétaires.

Mais le plus important de tout est que la Lune demeure une mine de ma- tières premières. Car les contraintes énergétiques et écologiques très strictes pesant sur l'utilisation des ressources terrestres deviennent de plus en plus évidentes. Qui n'a pas entendu

156 Traduit et reproduit avec l'autorisation de Khimia i zhizn (la chimie et la vie), vol. 10, 1977, p. 67-72.

parler 2 maintes reprises de la pollution de l'environnement, du réchauffe- ment de notre planète, de la pénurie d'eau douce, et de la fin imminente des gisements de pétrole.

Il est temps que les hommes commencent à prospecter les sources d'énergie et de matières premières du Cosmos sans se préoccuper du temps qu'il faudra pour amortir le capital engagé. L'important serait d'engager nos ressources pour assurer la permanence du développement de la civilisation pendant qu'il en est encore temps. Dans tous les cas, l'industrie de la Lune ne travail- lerait pas à perte. Les conditions sur la Lune rendraient possible une production organisée avec des techniques nouvelles dont il ne saurait être question sur la Terre. Les techniques seraient tellement neuves, tellement spéciales et ouvriraient les perspectives d'une telle révolution industrielle, que leur introduction pourrait Etre comparée B l'invention de la roue.

Quelques détails techniques.

Les problèmes de la technologie lunaire ont attiré l'attention de nombreux scientifiques éminents. Dans un récent travail sur la future industrie de l'espace K. Ehricke, par exemple, a proposé unschéma détaillé d'exploitation de la Lune. Il pense qu'un complexe industriel lunaire comprendrait trois parties : une zone industrielle sur la surface de la Lune, des installations en orbite lunaire et des moyens de transport.

La partie la plus importante est naturellement celle qui sera sur la surface de la Lune. Elle aurait plusieurs départements : énergie, matières premiè- res, production, transport et services d'intendance. L'industrie sur la Lune devrait bien sûr être mise en route par une première équipe qui établirait les premières centrales, des systèmes cy- bernétiques (comprenant les services d'information et d'intendance, des robots et des semi-automates commandés à distance), les moyens de transport du personnel et de l'équipement de la Terre vers la Lune. Les opérations de construction sur la Lune seraient très certainement entièrement effectuées par des robots et des machines télécormuandées.

Revenons maintenant à notre premier sujet. Sur T.erre on trouve habituellement les métaux dans des gisements oh les concentrations sont des centaines, voire des milliers de fois plus grandes que dans les roches avoisinantes. Il n'y a pas de minerais dans les océans, mis à part les nodules. Les métaux et les autres substances existent en solution (jusqu'à 3,5 % en poids de matière).

L'analyse des roches de la Lune montre qu'elles sont intermédiaires entre celles de la lithosphère et celles de l'hydrosphère de la Terre, La croûte lunaire peut être considérée comme une mer de silice dans laquelle sont dissous les autres éléments. (Il existe aussi bien sûr des concentrations de métaux à certains endroits de la Lune mais cela n'a probablement rien à voir avec les conglomérats de minerais dispersés à travers la lithosphère de la Terre). Par conséquent le moyen le plus acceptable pour extraire les métaux de la Lune res- terait la fusion. Cette méthode pourrait être combinée avec des procédés chimiques. Il serait ainsi possible d'extraire des métaux dans la proportion de leurs abondances dans la croûte lunaire. Les produits de la métallugie lunaire les plus importants seraient alors le titane, l'aluminium, Le fer, le molybdène et les métaux rares.

Des explosions nucléaires sous la Lune pourraient foumir l'oxygène et l'eau pour l'industrie lunaire. Elles pourraient permettre d'extraire diffé- rents éléments et composés, et de creuser des tunnels et des cavités pour des installations industrielles.

Quelles sources d'énergie peut-on utiliser pour la métallurgie lunaire ? Il est tentant de penser à un équipement utilisant l'énergie solaire pendant le long jour lunaire. Mais les grands ré- flecteurs, même s'ils sont construits à partir de matériaux lunaires sur place, peuvent augmenter fortement le coût de l'énergie ; et pour le démarrage de l'industrialisation de la Lune, une autre source d'énergie est absolument néces- saire. Celle-ci pourrait provenir de charges nucléaires. (Nous devons supposer que l'homme ne se laissera pas aller à utiliser des ogives nucléaires selon leur destination primitive). Les charges nucléaires présentent l'avantage considérable sur les autres sources d'é-

157

....... ...... ....... ...... ....... ...... ....... ...... ....... ...... ....... ...... O ....... présent et abondant

Proportion des éléments importants pour l'industrie et présents dans la croQte terrestre et la croOte lunaire.

absentà I'état naturel

M::::::::::::: ..................... m:;~;:!:;: rare mais important pour l'industrie éléments des Terres Rares 1 - pratiquement non existant .....................

........... .......... ........... .......... ........... ..................... 2 - moins de 0,0001 % (en volume) 3 - moins de 0,01% 4 - moins de 1 % 5 - plus de 1 %

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nergie de posséder la plus grande concentration d'énergie par unité de masse. Si on les fait exploser à une profondeur suffisante, on peut être sûr que cela ne modifiera pas l'état de la surface lunaire.

L'énergie d'une explosion nuclé- aire peut être emmagasinée dans un gaz surchauffé, qui passera ensuite dans des turbines , qui entraîneront des généra- teurs électriques ou des machines. Une explosion sous le sol lunaire dégagera une quantité colossale d'oxygène, qui entre pour environ 40 % dans la composition des roches de fond lunaires. Cet oxygène peut être utilisé c o m e agent oxydant pour d'autres générateurs d'énergie auxiliaires, Si cet oxygène est soustrait assez vite de la cavité formée par l'explosion nucléaire, Ehricke compte que de riches gisements métalliques ne manqueront pas de se former dans la roche lunaire avoisinante. Des transformations qui ont demandé sur Terre des temps géologiques s'étendant sur des dizaines ou des centaines de millions d'années seraient alors effec- tuées en quelques millisecondes sur la Lune, grâce à l'utilisation pacifique de charges nucléaires.

Cette technologie, fondamentalement nouvelle, impose un lien étroit entre les départements énergie et matières premières de l'industrie lunaire. A partir des résultats des tests souterrains et en considérant la structure assez peu dense des roches lunaires, on peut compter qu'une charge nucléaire de 1 kilo- tonne, fera éclater quelque 330 O00 tonnes de roches lunaires, Le volume de la cavité atteindra quelques dizaines de milliers de mètrescubes. Au bas mot, 10 % des roches seront volatilisées ; et l'oxygène représentera environ 30 % de ces roches vaporisées. Cela signifie qu'une charge de 100 kg peut produire 10 O00 tonnes d'oxygène. (Les poids donnés ici et plus loin sont indiqués comme à l'habitude, c'est-à-dire tels qu'ils seraient à la surface de la Terre).

Afin de pouvoir dliminer l'oxygène rapidement (pour éviter l'oxydation du silicium et des métaux), une cheminée d'évacuation doit être creusée depuis la surface de la Lune jusqu'à la cavité où est placée la charge nucléaire. Entre cette cavité et la fin du conduit, il

est nécessaire de construire une cloison qui sera détruite au moment de l'explosion, Au dessus de la sortie du conduit, vers la surface,on installera, à l'avance, des systèmes de récupération et de purification avec des réservoirs pour l'oxygène (voir la figure ci-dessus). La liquéfaction sera facilitée par le froid cosmique de la nuit lunaire.

L'eau sera produite en deux éta- pes : préparation de la chambre initiale et mise en place de la charge nucléaire, explosion ensuite. La cavité ainsi for- mée est ensuite remplie d'hydrogène, puis on fait exploser une seconde charge nucléaire. L'oxygène dégagé réagit alors sur l'hydrogène. Une explosion ultérieu- re dans la cavité sera beaucoup moins puissante. En effet, la première explosion rendra la cavité initiale des millions de fois plus grande, de sorte que7 après une seconde explosion de même puissance que la première, la pression sera des milliers de fois plus faible. 11 s'ensuit alors soit que la puissance de la seconde charge doit être augmentée, soit que la seconde explosion doit avoir lieu dans le voisinage de la cavité. La cloison étanche sera pulvérisée et l'o- xygène chaud se répandra dans la pre- mière cavité, où tout est prêt pour le recevoir. Pour 10 O00 tonnes d'oxygène il faut 1400 tonnes d'hydrogène, ce qui produira quelque 11000 tonnes d'eau.

Cette méthode par explosion peut être aussi utilisée pour obtenir d'autres substances. Les sciences constituent une famille qui s'agrandit et peut- être verrons-nous naître une nouvelle discipline qui pourrait s'appeler ''physico-chimie des explosions".

Les explosions ne seront pas quelque chose de complètement étranger à la Lune, car il s'en produit de temps en temps. Par exemple il se produit 'des explosions violentes quand une météorite s'écrase sur la Lune avec une vitesse cosmique. Le choc produit par un rocher pas plus grand qu'un de nos galets ordinaires qui arrive avec une vitesse de 12 km par seconde (et pour les météori- tes une telle vitesse est courante) est équivalent en puissance à une explosion nucléaire.Ainsi donc les explosions sont monnaies courantes sur la Lune, quoiqu' elles soient jusqu'ici limitées à la surface. Pour la science et pour l'in-

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A Purification et Condensation et stockage de l'eau stockage des gaz

Sdparation, purification, Séparation, purification, condensation, stockage condensation, stockage

Cavit6s primaires Cavitds secondaires

ches lunaires + H2 + roches lunaires + CH4 + roches lunaires + NH3 + CH4 + roches lunaires it +b it ...................................................................... ................................... .................................... ..................................................................... ...................................................................... '.*.*.*.'.*.*.'.'.*.*.*.'.*.'.*.*.....*.*.....*.*.*.*.*.*.*.*.*.*.*.~

:::H20 + CO2 + carbures de mdtaux::: 8 H20 + carbures de mbtauxg

+HCN +autressutstances j$

...................................................................... ,*.* $$ :::: .. .. .. ..

+ métaux a:* .. g + CO2 + cyanures $$ .. + autres substances .:!: 8 + metaux $$

.. .. .. .. ..

.I .. *. .. .. .. ................................... .. .. ...................................

................................... ......

.................................... .................................... ............................................................................................................................................ :::: .......................................................................

Charges nucléaire

....... ..... 0 .......... Gisement de mdtaux dé-oxydés .....

Des explosions nucleaires sous la lune pourraient fournir l'oxygène et l'eau pour l'industrie lunaire. Elles pourraient permettre d'extraire diffbrents Blements et composes, et de creuser des tunnels et des cavités pour des installations industrielles.

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dustrie lunaire, ces points sont parti- culièrement inthressants car ils donnent peut-être un moyen d'accroître la concentration des gisements naturels sur la Lune.

bonnes mais il faudra aussi construire des ateliers et des magasins. Ici aussi on ne peut pas faire grand'chose sans ces explosions, car elles fournissent une rgponse rapide au problème de l'assemblage des usines. On voit donc que les explosions seront appliquées en gé- nie thermique, dans 1 'extraction des matières premières et dans la construction.

Les explosions sont belles et

Ainsi les principaux matériaux pour la construction et la production : oxygène, métaux, silicium et leurs com- posés seront trouvés sur place. Durant les étapes initiales les aliments, les vêtements et l'hydrogène devront être apportés depuis la Terre, Avec la construction de serres, la Lune acquerra ses ressources propres pour la nourriture et l'industrie légère.

Les fruits de la technologie du vide,

Est-ce que l'énorme distance Terre-Lune sera toujours un obstacle pour 1 'échange de marchandises ? Bien entendu nous n'arriverons pas à abaisser le coût du transport à presque rien. Toutefois, vers les années 2000 il sera moins cher, en raison du développement de systèmes de transport par véhicule spatial réutilisable et économique. Mais il y a quelque chose qu'il faut se rappeler. Beaucoup de substances (sans parler des produits finis) sont si coûteu- ses, qu'il peut Stre avantageux de les produire à une distance aussi grande en dépit du coût du transport, Par exemple, 1 kg de radium coûte plus de 20 millions de dollars (d'après des sources a d - ricaines) et 1 kg de diamant de haute qualité, 14 millions. Même un matériau industriel tel que le silicium monocris- tallin (celui là même qui est actuellement utilisé dans l'industrie) coûte environ 1300 dollars le kg.

Les métaux, las céramiques métal- liques, les fibres composites et les matériaux $ristallisés, les verres spé- ciaux et devitrifiés, les substances de très haut degré de pureté particulière- ment rares sur Terre, les matériaux de

construction pulvérulents et même les pierres précieuses, sont tous des pro- ductions potentielles pour l'industrie lunaire à ses débuts, Elle devrait aussi s'intéresser à la préparation de composants électroniques et à la construction métallique pour des unités en orbite terrestre ou lunaire.

Il y aura certainement des re- tombées technologiques de la métallurgie lunaire. Le vide dont on dispose permettra une utilisation très étendue de la métallurgie par sublimation et de la mé- tallurgie des poudres, La Lune peut fort bien voir la naissance de méthodes nouvelles pour la fabrication du verre, pour la chimie organométallique du silicium etc ...

Sans vie, sans eau, sans atmos- phère, avec le rayonnement solaire qui la frappe de plein fouet, la Lune ne verra pas se développer les plaies de la pollution industrielle déjà devenue sur terre le fléau de la nature. En revanche, on devra respecter l'inviolabilité du caractère le plus vulnérable : le vide à la surface de la Lune, C'est peut-être bien le capital le plus précieux. Les quantités colossales d'oxygène libérées par l'extraction des métaux (à titre d'exemple, dans une mine de 2 millions de tonnes de métaux rares il y aura dé- gagement de 0,8 million de tonnes d'oxy- gène) devront être stockées sous la surface des roches, peut-être sous forme d'eau. Cet oxygène devra être conservé jusqu'à la réalisation de grandes bases. (Sêlênopoles 1) et de grandes stations en orbite lunaire et terrestre (Astro- poles I) 03 l'oxygène sera utilisé pour la respiration et comme comburant.

Estimation économique.

Il est difficile d'estimer les revenus et les dépenses dans le futur éloigné. L'argent nécessaire aujourd'hvi semble plus difficile à obtenir que l'argent qu'il faudra dépenser sur vingt 3 trente ans, Selon les calculs de Ehricke l'industrialisation encore hypothétique de la Lune coûtera quelque 60 milliards de dollars (prix de 1975). Si le programme se poursuit sans difficulté, un investissement annuel de 3 à 4 milliards de dollars sera nécessaire. Les dépenses s'élèveront à 30 milliards en 1985, atteindront 50 milliards en 1990 et 60

161

vers l'an 2000. Aussi impressionnant qu'il paraisse, ce chiffre n'est pas démesuré si l'on considère que le programme qui a permis de réaliser les vols Apollo h coûté 25 milliards aux Améri- cains.

Les calculs pour ce projet ont été basés sur l'hypothèse que l'industrialisation de la Lune sera réalisée isolé- ment, En vérité cependant, ce programme sera lié b d'autres programmes spatiaux (usines en orbites terrestres, satellites de retransmission, centrales d'éner- gie pour la Terre etc ...). Ce projet pourrait avoir un effet favorable sur le dévzloppement de la technologie terrestre dans son ensemble.

Le développement de la technologie a toujours été tributaire des températu- res qu'on pouvait atteindre. Avant qu'ils n'aient reçu le don de Prométhée, les seuls matériaux dont disposaient les hommes étaient l'os et la pierre, et leur seule technique était l'affûtage h froid. Avec la flamme d'un feu de bois (tempé- rature de 7OO0C h 80OoC) nos ancêtres ont commencé 1'Age du Bronze. Mais jusqu'à l'invention des creusets et des fours (température de 1400-1500OC) il n'était pas question de fer ni même de verre. On peut dire sans exagération que l'histoire de notre civilisation est celle du développement de la technologie, elle-même étroitement liée aux "tempé- ratures accessibles industriellement".

Grâce h l'énergie nucléaire le niveau des températures accessibles a aug- menté brusquement de pllis ieurs ordres de grandeur - tout comme l'a fait un autre facteur technologique non moins important, la pression. Mais dans le domaine de la métallurgie traditionnelle, il n'est pas aisé de trouver le moyen d'utiliser le potentiel énorme des explosions nuclé- aires.

Pour l'instant le seul moyen est de libérer cette puissance dévastatrice en un éclair atomique dans les profon- deurs des roches (et si possible pas sur Terre).

Ainsi donc l'idée d'Ehricke peut

qu'un sim- avoir des implications plus profondes et des conséquences plus grandes ple accroissement des ressources minières. Les explosions nucléaires sont fondamentalement une nouvelle étape du dé- veloppement de la technologie. Et il n'y a pas que le domaine de la métal- lurgie qui en bénéficiera : les hautes pressions et températures sont égale- ment nécessaires à la chimie. Pour ce qui en est maintenant et en l'absence d'expériences pratiques, on peut discuter pour savoir si les réactions nécessaires pour la synthèse des com- posés décrits dans la figure ci-dessus se produiront en réalité. Mais le jeu en vaut la chandelle, Et il se peut que les possibilités offertes par des explosions sous-lunaires dépassent de loin tout ce que nous pouvons imaginer maintenant.

162

IV. La chimie du futur

Le Chimiste est au centre de controverses sur les problèmes de protection et d'amélioration de notre environnement, la préservation des ressources en combustibles classiques qui s'épuisent, la recherche de nouvelles sources d'énergie et l'amélioration des ressources alimentaires.

Dans les articles choisis, on passe en revue quelques-uns des problèmes ter- rifiants qui se posent à nous et on propose des méthodes pour les surmonter. En premier, Pitts, Lloyd et Spring explo- rent la Chimie+fondamentale de la formation des smogs photochimiques, les moyens de contrôle, les méthodes d'étude de ce contrôle en laboratoire et les conséquen- ces économiques des méthodes actuellement utilisées pour combattre la pollution atmosphérique. Cette dernière peut se produire de bien d'autres façons.

Cet article est donné comme un exemple de la manière dont les Chimistes peuvent en faire une étude scientifique afin de suggérer les causes possibles de pollution et les moyens de la combattre.

L'article suivant examine les possi- bilités d'augmentation de nos ressources énergétiques dans le futur et la manière dont l'énergie nucléaire est développée dans les pays suivants : Argentine, Canada, France, R.F.A., Inde, Italie, Japon, Royaume Uni, U.S.A., U.R.S.S. Hi llman décrit ensui te trois processus industriels utilisés pour produire commer- cialement des protéines. On lira avec profit un article de la section 10 sur la fixation de l'azote,que l'on comparera avec celui de Hillman.

Finalement, le prix Nobel Semenov (U.R.S.S.) décrit quelques applications possibles de la Chimie dans le futur. Dans un article passionnant, il nous présente des développements importants en Biochimie.

f Ic1 s'agit d'un brouillard pollué par des fumées, Ce mot résulte de la con7 traction de smoke (fumée) et de fog (brouillard).

163

Ecologie, énergie et sciences économiques J. N. Pitts Jr., A. C. Lloyd et J. L. Sprung

Beaucoup de de'cisions coûteuses concernant 2 'irpact de Za poZZution de Z'environnement sur Za santé et Ze bien- Ztre pubZic sont fondées sur des données scientifiques peu nombreuses et parfois peu siîres. Par conse'quent tes choix sont faits entre des opinions différentes pZutôt que par séZection de la meiZZeure so Zution.

Quel est l'équilibre convenable entre l'écologie et les sciences écono- miques ? Cette question a été soulevée en Grande-Bretagne dans le premier rapport de la Commission royale sur la Pollution de l'Environnement 1 : "Le problème que nous affrontons est de savoir comment établir un équilibre entre les bénéfices de l'augmentation du niveau de vie et son coût sous forme de détérioration de l'environnement physique et de la qualité de la vie". La récente crise du pétrole a beaucoup compliqué et étendu ce problème en introduisant 1'6- nergie dans les relations déjà complexes entre les sciences économiques et 1 ' environnement . peut être utilishpour illustrer quelques problèmes actuels en écologie, énergie et économie, et pour démontrer le besoin urgent de recherches fondamentales et app 1 iq use s s up p 16 ment ai r es , re cher ch es nécessaires pour proposer des choix valables 2 nos politi~iens.~s3.

Formation photochimique du smog

La pollution photochimique de l'air

"Pourquoi avons-nous besoin de continuer les recherches sur la chimie de l'atmosphère pour contrôler le smog photochimique ? Pourquoi ne pas simple-

ment contrôler et limiter le taux des polluants primaires (hydrocarbures et oxydes d'azote) responsables du carac- tère oxydant ?". Ceci serait une simplification grossière, coûteuse et peut-être funeste. Ainsi dans le cas particulier de l'oxydation photochimique (a) nous ne connaissons pasdu tout la relation entre le caractère oxydant de l'air ambiant (b) et les émissions d'hydrocarbures réactifs et d'oxydes d'azote (NO,). En d'autres termes, la question réelle est : "jusqu'à quel point, à la fois au sens relatif et absolu,devrait-on contrôler les émissions d'hydrocarbures et d'oxydes d'azote pour atteindre le niveau désiré de qualité de l'air, en ce qui concerne l'oxydant pho- t o chimiq ue ? "

Les difficultés rencontrées pour obtenir une réponse précise et sûre à cette question peuvent être mieux appr6- ciées en considérant la complexité de la pollution photochimique de l'air, et particulièrement des transformations physico-chimiques intervenant dans sa formation. La figure 1 illustre les

a) L 'oqdant photochimique est essentiet- Zement Z 'ozone mais iZ comprend aussi d'autres espèces de Z 'air ambiant capa- bZes d'oxyder une soZution aqueuse d'iodure, par exemple le nitrite de peroxy- acétyle (NPA), le bioxyde d 'azote etc. . . bien qu'eZZes ne le fassent qu'avec un rendement de 15 % aZors que Ze rendement est de 100 % pour Z'ozone.

b) La norme gouvernementaZe Za plus re'cente en oxydant fixée par Z'agence US pour Za protection de Z 'environnement (PA) est 0,08 ppm/heure.

Reproduit avec l'autorisation de Chemistry in Britain, vol. 11, 1975, p. 247-56. 165

Figure 1 , Résultats d'une expérience type réalisée drms une enceinte à vide de la SAPRC. Les concentrations initiales en rbactifs sont : monoxyde d'azote (NO) = 0,45 ppm ; dioxyde d'azote (NOz) 0,05 ppm ; prop2ne 0,50 pptn.

grandes caractéristiques de la formation du smog photochimique dans une expérience en réacteur 4. L'hydrocarbure (propène) est continuellement oxydé en produits comprenant du nitrate de peroxyacétyle (NPA) et des aldéhydes. Le monoxyde d'azote (NO) est rapidement transformé en bioxyde (NO2) et l'ozone (O ) commence à se former après une période a'induction initiale, dont la durée est contrôlée en grande partie par la concentration initiale en monoxyde d'azote. La figure 2 montre que ladupart de ces caractéristiques se rencontrent aussi dans un environnement urbain pollué 5. Le but du spécialiste de l'atmosphère est de traduire les formes des courbes telles que celles des figures 1 et 2 en méthodes de contrôle techniquement sûres. Examinons brièvement les principaux processus chimiques intervenant dans la formation du smog photochimique.

composé photosensible présent dans le smog. Dans l'air, la photolyse du dioxyde d'azote par le rayonnement solaire (rendement quantique N 1 entre 295 et 385 nm)

3 suivant la réaction (1) conduit à des atomes d'oxygène à l'état triplet O ( P) qui réagissent principalement avec les molécules d'oxygène pour former de l'o- zone (réaction (2))

Le dioxyde d'azote est le principal

Figure 2. Vmiations d i m e s des concentrations en monoxyde d'azote (NO), bioxyde d'azote (NOz) et ozone (O,) à Los Angeles le 19 juzllet 1965.

NO2 + h'l/ (295-430nm) --wNO + O(3P) (1)

O(3P) + O2 + M-+03 + M (2) 6 Le paradoxe noté pas Leighton , est que

le dioxyde d'azote (principale espèce photosensible du smog) est finalement reformé par un processus de photooxydation très complexe plus rapidement qu'il n'est dissocié, bien que la photodissociation correspondant à la réaction (1) soit très efficace ; le bilan global étant une conversion très rapide de NO en NO comme le montrent les figures 1 et 2.

polluant initial NO, incolore et relativement non toxique, en NO roux et toxique, se produit suivant trois voies principales.

2

Dans le smog, la transformation du

2

(i) réaction du monoxyde d'azote avec 1 'ozone.

(3) 2 N O + O .-NO + O 3 2

(ii) oxydation thermique par l'oxygène moléculaire.

2N0 + 02+ 2N02 (4)

(iii) réaction du monoxyde d'azote auec des radicaux du type hydroperoxy (HO2), alkylperoxy (ROZ) et acylpe- '

166

roxy (RCO ) formés lors de la photooxydation des hydrocarbures. 3

(5) + NO --NO2 + { :: (6)

RC02 (7)

Ce système est grandement compliqué par les nombreuses réactions qui produisent des radicaux peroxydes et des composés azotés minéraux et organiques tels que le NPA.

CH3-$-O0+NO2+CH -C-00N02 O 3 6 (8) (nitrate de peroxyacétyle)

En elles-mêmes, les réactions de l'ozone et des atomes d'oxygène sur les hydrocarbures et le monoxyde d'azote, sont insuffisantes pour rendre compte de la vitesse de transformation de NO en NO2 ou des vitesses de consommation des hydrocarbures observées h la fois dans l'air ambiant et dans les expériences en réacteur, Ceci est clairement démontré par la figure 3, qui provient d'une étude par simulation sur ordinateur 7, des valeurs obtenues pour le smog en réacteur, lors de la photooxydation du propène et des oxydes d'azote. Il apparaft clairement que la vitesse expérimentale de disparition du propène dépasse nettement la somme des vitesses calculées pour l'ozone et les atomes d'oxygène seuls. Par conséquent, d'autres espèces oxydantes doivent contribuer de façon importante à la formation photochimique du smog. Des radicaux inter- médiaires , en particulier le radical OH8, semblent constituer les espèces oxydantes les plus probables.

y a plus d'une décennie, que les atomes d'hydrogène et les radicaux hydroperoxy et hydroxyle pourraient jouer un rôle important dans les photooxydations atmos- phériques, sa suggestion a été en grande partie négligée, jusque vers le milieu des années 1960, lorsque la constante de vitesse pour la réaction de CO et OH a été trouvée égale à 108 lomole -1 s-1 , valeur 103 fois plus grande qui était admise auparavant 40.11. Ceci conduisit, de deux f a p n s indépendantes, à considérer que les réactions en chaîne suivantes ourraient se produire dans le smog 8.12.?3.

Bien que Leighton ait suggéré, il

ue celle

HO + CO +H + CO2 H + O2 + M +HO2 + M

(9) (10)

HO2 + NO +HO + NO2 (1 1)

Bien que des études ultérieures l4o15, aient montré que cette chaîne réaction- nelle spécifique n'est importante dans la formation du smog que si la vitesse d'attaque de OH sur CO est comparable à la vitesse d'attaque sur les hydrocarbures, cette proposition fut importante pour trois raisons : (i) elle attira davantage l'attention

sur le processus initial du smog, à savoir la transformation de NO en NO2.

taires sur les réactions de OH et par la suite de HO importantes en atmosphère urbaine.

(iii) elle mit en relief l'importance possible d'autres radicaux intermé- diaires tels que HO et H, De façon significative, HO est devenu récemment le premier radical libre détecté dans l'air ambiant 16.

(ii) elle stimula des études suppl6men-

réactions 2,

2

Cette brève discussion de la chimie, intervenant dans la formation photochimique du smog (cf. réf. 6,17,18,19,20, 21,22 pour des discussions plus détail- lées) illustre la comp'lexité du système. Une indication peut-être encore meilleure est que plus de 200 réactions élémen- taires sont ngcessaires pour décrire en détail la photooxydation d'un seul hydrocarbure, le propène, dans l'air contenant NO et NO2 21 .

Incidence des contrôles sur le prix de revient .

La question ''Quel est Le degré de contrôle des émissions de chaque polluant nécessaire pour obtenir une qualité de l'air acceptable ?" a d'énormes implications, aussi bien pour l'industrie que pour le grand public, de par l'importance des intérêts mis en jeu, Ceci est illus- tré de façon éclatante sur la figure 4, qui montre l'accroissement étonnant du coût pour les consommateurs 23, en fonction du degré de contrôle des 6missions des véhicules à moteur vendus aux USA.

D'autres recherches dirigées vers une compréhension plus quantitative des relations entre la qualité de l'air ambiant et le contrôle des émissions auront une grande incidence sur le coût,

167

Figure 3. Comparaison des vitesses expérimentales de disparition du propène avec les vitesses calculées pour Za réaction du propène avec les atomes d'oxy- gène et 2 'ozone.

en particulier si on se situe dans la région du contrôle à 90 - 100 2 (figure 4) oh un faible changement dans le pourcentage du contrôle de l'émission correspond à des milliards de dollars,

émissions du monoxyde d'azote par les véhicules à moteur de faible puissance dans la zone atmosphérique de la côte sud en Californie, illustre les prcblèmes susceptibles d'affecter tout programme de contrôle basé sur des données inadé- quates. Trois mois avant l'achèvement d'un programme annuel, de nouvelles mesures d'émissions faites sur des voitures spécialement réglées montrent que, contrairement aux estimations préalables qui prévoyaient d'importantes réductions h la fois de HC et de NOx , la réduction des émissions de NO, situait entre 20 et 45 %, et la réduc- tion correspondante de HC entre O et 30 2 77. Ainsi les calculs de l'impact

Le programme récent de contrôle des

se

1400 CoDt client total supplBmen taire pour 1972

,200 (en dollars)

1 000

BO0

600

400

200

à I'Bchappement (% RBduction des Bmissions

I IO 20 30 40 50 60 70 80 qn toc

Figure 4. Coût pour les consommateurs américains en fonckion des pourcentages de réduction des émissions dans les gaz d'échappement des véhicules.

des appareils sur la qualité de l'air ambiant, basés sur les données du réacteur de la SAPRC 78, montrèrent que dans les plus mauvais cas, (réduction nulle des HC), les niveaux d'ozone pouvaient en réalité augmenter dans certaines zones de la région, par suite de ce programme 1 Ainsi, neuf mois après son début, à cause de ces nouvelles données et des protestations du public dues à l'augmentation de la consonnnation en carburant et à la faible capacité motrice, le programme fut arrêté par une loi, bien qu'il fut presque terminé et que des centaines de milliers d'automo- bilistes aient payé plus de 35 3 pour installer des appareils de contrôle.

consistant à différer les contrôles stricts jusqu'à ce que toutes les recherches souhaitables soient achevées peut être également très coûteuse. Ainsi en l'absence de contrôle, les coûts de la pollution de l'air sur la santé, l'agriculture et les équipements peuvent atteindre dans les seuls Etats-Unis des milliards de dollars.

11 faut souligner que la politique

168

Stratégies de contrôle.

Quelquefois, des contrôles. même apparemment évidents et proposés avec les meilleures intentions, peuvent se révéler de conception totalement erronée et potentiellement désastreux s' ils sont appliqués. Par exemple, depuis des années, il était admis que "les grosses voitures polluent plus que les petites". Dans le . but de décourager la vente des grosses voitures "très polluantes" 1'Etat de Californie introduisit une législation qui aurait institué une nouvelle taxe automobile augmentant avec la cylindrée et la distance parcourue. Par la suite, lors ue ~ ' E P A mesura effectivement 24. 25*22* les émissions à l'échappement de toutes les voitures américaines et étrangères (en utilisant 1 'unité assez particulière du gramme par mile parcou- ru) on trouva en moyenne, que les petites voitures polluaient autant que les grosses. Le domaine de variation des émissions d'hydrocarbures avec la cylindrée des voitures américaines et étrangères (modèles 1973) est indiqué sur la figure 5 27g28. Ce graphe et les graphes analogues pour le monoxyde de carbone et les oxydes d'azote démontrent qu'il n'y a pas de corrélation directe entre les émissions à l'échappement et la taille des moteurs Our les voitures disponibles 24*27*2'*, Les voitures ayant un petit moteur économisent certainement du carburant et du point de vue technique leurs émissions sont généralement plus facilement contrôla-

Figure 5. Vmiation des &missions d 'hydrocarbures avec Zes diffe'rentes cy Zindrges des moteurs.

ble que celles des gros moteurs. Cepen- dant il est navrant de constater qu'une loi proposant une taxe et qui était déjà presque adoptée était techniquement aberrante.

supposer que rendre les émis- sions invisibles les rend également inoffensives. Ainsi certaines mesures de contrôle augmentent la visibilité locale mais dégradent fortement la visibilité et la qualité de l'air sous le vent. Il y a plusieurs années une centrale électrique de Californie utilisant essentiellement des chaudières à combustibles fossiles fut critiquée à cause du panache brun de NO qui sor- tait de ses cheminées. Le rég$age des conditions de combustion dans la chau- dière réduisit considérablement la quantité de NO produite et donna un

vindicte publique fut apaisée. Cependant en tout cas dans une des phases du fonctionnement, de grandes quantités, approximativement 1500-2000 ppm, de monoxyde d'azote incolore sont émises par les cheminées. Dans ces conditions la vitesse de l'oxydation thermique du NO incolore etpeu toxique en NO brun, Pcre et toxique (réaction 4) es$ rapide et en quelques minutes le gaz effluent incolore est transformé sous le vent en un panache brun.

Cette oxydation thermique rapide de grandes quantités de NO en NO a fait l'objet d'une étude de contrôle atmosphérique réal i sée conjointement par la NASA et l'Université d'hes en Californie (Riverside) ,29*30* Par une chaude journée de Septembre (en 1971) des vols au travers du panache brun, remarquablement stable, qui se situait à une altitude comprise entre 400 et 600 mètres, et à une distance de 13 miles sous le vent, de l'usine électrique, montrPrent que le niveau de dioxyde d'azote dans le panache excédait 6 ppm. Heureusement, en dehors du panache et au sol, les niveaux de NO étaient

pas une menace directe pour la santé publique. Cependant, l'équipage dut mettre des masques à oxygène pour respirer en sûreté lors du vol dans le panache.

logues sont également souvent appliquées au contrôle des particules. Ainsi la plupart des profanes pressentent que respirer certains types de fumées pour-

Une autre erreur fréquente est de

panache pratiquement 2 invisible. La

2

beaucoup plus faibles et ne 2 constituaient

Des considérations esthétiques ana-

169

rait être dangereux, ce qui, combiné avec les odeurs souvent associées à ces fumées , pourrait expliquer en partie, la protestation publique contre les émissions de fumées par les avions, les bateaux et les moteurs diesel. (poids - lourds). Ceci amené à augmenter l'usage d'un composg organique du manganèse, le manganèse méthylcyclopentadiényle tri- carbonyle (CH C H Mn(CO)3) (appelé souvent en abreg2 hd) comme additif du carburant pour supprimer la formation

31 de fumées et augmenter la combustion , Cependant des études en laboratoire 32 ont montré que l'utilisation de MMT entraîne une émission pZus importante de particules de matière carbonée. Comme ces particules sont très petites (<0,2vm) elles sont pratiquement invisibles. Mais par suite de leur petite taille, elles peuvent aussi agir en temps que germes, Lorsque ces particules petites, mais nombreuses, grossissent jusqu'à être visibles, elles peuvent dégrader la visibilité sous le vent, àun degré bien plus grand quece qu'auraient pu faire à la source les grosses particules initiales de suie.

à base de manganèse comme MMT, n'ait jusqu'à présent pas entraîné une concentration dangereuse en particules de Mn dans l'air, le manganèse ou ses produits de combustion ont la propriété de s'accumuler dans le corps, ce qui peut entraîner des altérations des nerfs si les concentrations deviennent suffisamment élevées 33. Ainsi, l'usage croissant du MMT, non seulement comme suppresseur de fumées mais aussi comme remplaçant éventuel des dérivés alkylés du plomb en tant qu'anti-détonant dans l'essence 34 provoque une inquiétude considérable, par suite de la toxicité potentielle des produits de combustion du manganèse, et du fait que les petites particules sont plus dangereuses pour le système respiratoire que les particules d'un diamètre supérieur à 5 ~lf" environ, Un document récent sur le manganèse dans 1 'environnement ci té par 1 'Académie Nationale des Sciences des Etats-Unis (1973) affirmait : "le sujet général de la relation entre les additifs o rganomé t al 1 iques du manganèse dans les carburants et le problème de la pollution de l'air demanderait des études par un partenaire qualifié et désintéressék';. A ceci nous répondons "Amen" .

Bien que l'utilisation d'additifs

Souvent des solutions évidentes par rapport à certains aspects du smog peuvent répondre à un problème immédiat, mais ce faisant, elles en créent un autre. Des contrôles des émissions d'hydrocarbures réactifs (HC) et d'oxyde de carbone, mais non du NO,, dans lesgaz d'échappement des automobiles furent instaiirés en Californie en 1966 et dans le restant des USA en 1968. Malheureusement les modifications technologiques ado tées par les fabri- cants de voitures 35 américaines pour réduire les émissions d'hydrocarbures et de l'utilisation d'un mélange air-carburant appauvri de façon 2 être très proche des quantités stoechiométriques. Ceci produisit des températures de combustion plus élevées, entraînant une augmentation catastrophique des émissions de NO 36. Comme ce dernier réagit rapidement avec l'ozone pour donner de l'oxygène et du dioxyde d'azote (réaction 3) les résultats des contrôles introduits en Californie en 1966 furent les suivants: 1") Au centre de Los Angeles les concentrations en oxydant chutèrent de façon significative par suite de la grande concentration en véhicules à moteur et des émissions importantes de NO ;

2 2") les concentrations ambiantes en NO augmentèrent 36 dans toute la zone de Los Angeles par suite des réactions (3)

3") les concentrations en oxydant à 130miles sous le vent vers l'est de Los Angeles augmentèrent suffisamment pour indisposer les habitants des agglomérations situées dans le désert comme Palm Springs.

monoxyde de carbone comprennent

2 (7) ;

La figure 6 montre la localisation de quatre villes y compris Palm Springs, qui se situent sous le vent de Los Ange- les, alors que la figure 7 présente les variations diurnes de la concentration maximale en oxydant, relevée heure par heure au centre de los Angeles et dans ces villes par un jour de smog en 1973 (25 Juillet) 37. Le délai d'arrivée du pic d'oxydant dans les villes situées à l'est de Los Angeles corrobore l'affirmation longtemps maintenue et récemment prouvée expéri- mentalement 38, que des quantités s i gn i fi cati ve s d ' o xy d an t ph o t o chimique trouvées à l'extrême est de la zone étudiée sont formées à partir de polluants émis en début de journée en des points situés très loin à l'ouest et

170

Figure 6. Zone atmosphérique de Za côte sud de Za CaZifomie et viZZes sélec- tionnées. Figure 7. Variations diurnes de Za concentration horaire moyenne maxima Ze en oxydant (dl à pZusieurs endroits de Za zone de Los Angeles le 25 JuiZlet 1973. Distances de Los AngeZes à Pasadena : -9 miLes ; Pasadena à Pomona : 24 miles ; Pomona à Riverside : 23 miles; Riverside à PaZm Spring : 49 miles.

au sud-ouest, comme Los Angeles par exemple.

Cet accroissement inattendu en oxydant (dans la zone sous le vent du centre de Los Angeles) qui a suivi 1 ' appauvrissement du mélange air-carburant dans les voitures postérieures à 1965, souligne la complexité des processus de formation du smog photochimique et la nécessité de les comprendre, afin de prévoir les conséquences les plus probables de l'utilisation d'un nouveau contrôle technique (c) , Développer et tester les dispositifs an ti-poll ut ion est nécessaire mais insuffisant sans une appréciation des effets de leur utilisation sur la quali- té globale de l'air. De telles apprécia- tions nécessitent des recherches dans un grand éventail de disciplines, depuis le génie mécanique jusqu'à la médecine, car la chimie atmosphérique est très complexe et les effets de la pollution de l'air sont nombreux et variés. Le schéma 1 indique les relations entre les divers composants du système de .

2 ceintrôle de la pollution atmosphérique tel qu'il est structuré aux Etats-Unis . La complexité du système de contrôle de la pollution atmosphérique est encore illustrBe par un autre attrape-nigaud rencontré à l'occasion d'un concours d r i c a i n de "la voiture propre". La voiture qui gagna était alimentée par du méthanol.. Les mesures par chromatographie en phase gazeuse à ionisation,, de flamme des produits émis à l'échappement montrèrent une très faible production d'hydrocarbures, émission bien en dessous des normes strictes du "Clean Air Act" (loi sur la pureté de l'air) de 1970. Cependant les émissions de forniald6hyde, produit de combustion du méthanol, qui n'était pas détecté par cette méthode analytique, Btaient très importantes.

Ce résultat, quelque peu amusant, est très lié à la pollution de l'air,

171

I 1 I l I I

l I

i

l

I

l l -

Schéma 1. Prjllution de l'air aux USA.

4 législation

pro gramme de contrôle normes

d'émission

-

T po 11 uan ts secondaires

survei 1 lance de la pollu- eac t ions

de l'air

atmosphériques

mé t éo r o 1 o g i e topographie

critères de qualité de la qualité ,q effets sur la de l'air sarité et l'a- - griculture,et

effets socio- économiques . naturels _ _ _ _ - -

(c) L 'interprétation des données sur Za qualité de t'air et par suite l'appré- ciation des stratégies de contrôle dans Za zone atmosphérique de la côte sud a été compZiquée par la dbcouverte re'cente que Zes méthodes de standardisation des instruments de contrôle des oxydants utilisées dans celui-ci donnaient des écarts d'environ 35 %. Ainsi, alors que le district de contrôle de Za pollution de l'air de Za pe'gion de Los Angeles, utiZise une méthode base'e sur une solution neutre non tamponnge d'iodure de potassium à 2 % pour le calibrage des appareiZs d'oxydation, Ze conseil des Ressources ABriennes et les cinq autres re'gions de Za zone atmosphérique de la côte sud utilisent m e méthode base'e sur une soZution neutre tampomée de KI à 2% ce qui est e'quivalent à la me'thode à 1% de U neutre tamponne', recommandée par Z 'EPA et uti Zisée à Z 'échel le nationale par le WHO. Cette découverte a se'rieusement affecte' 1 'interpre'tation des concentrations en oxydant dans toute la zone 79. Par exempte, avant la correction, Zes données sur Zes oxydants sug- ge'raient que lems niveaux étaient maximals à l'extrgme est de la zone, à queZques. 60 miles de Los AngeZes, à 1 'intéfieUr des terres, Cependant compte tenu des différences de calibrage, l'inverse sembZe vrai, et les niveaux maximals d'oxydants se rencontrent dans les vi 1 les conme Pasadena, situe'es imme'dia-

tement sous Ze vent des Ziem où la popuZation est très concentrée. De plus ce probZème a éte' aggravé par Za décou- verte récente que Zes méthodes de calibrage sont sensibles d 1 'hdditég0. Quel1e.p soit la manière dont ce problème sera re'solu son existence souZigne fortement la nécessité d'adopter des me'thodes uniformes et soigneusement testées pour &talonner les instruments.

car la photolyse du formaldéhyde peut fortement augmenter la vitesse de formation du smog photochimique en com- mençant une séquence de réactions qui conduit finalement aux radicaux HO Ainsi la photolyse du formaldéhyde se produit à la fois suivant un processus radicalaire (1) et un processus molécu- laire (II) 39-40.

2'

H + CHO (1)

H2+ CO (II) (12) HCHO + hl/ ( \<370nm)-

Comme l'hydrogène et le monoxyde de carbone sont relativement inertes dans le smog, la voie (II) a peu d'importance du point de vue atmosphérique. Cependant les atomes d'hydrogène et les radicaux formyle réagissent avec l'oxygène molé- culaire en donnant HO2 41942.

H + O + M + H O + M (13) 2 2

172

CHO + O2 - Ho2 + Co Les radicaux HO réagissent rapidement avec NO (réaction (5)) pour donner NO2 et des radicaux OH très réactifs, et de ce fait favorisent la photo-conversion de NO en NO2 et la consommation des hydrocarbures par OH. La photolyse d'al-

produit aussi des radicaux formyle par une fragmentation de Norrish du type 1

2

déhydes de poids moléculaire plus élevé 43

RCHO + hy (hd 340nm) - R + CHO (15)

Les radicaux alkyles produits par ce processus, se combinent rapidement avec l'oxygène moléculaire pour former R02, dont la réaction avec NO (6) transforme également ce dernier en N02. A cause de ces processus il est clair que les émissions d'aldéhydes par les voitures devraient être à la fois surveillées et contrôlées 6941 945.

Energie et pollution de l'air.

La pollution de l'air et la crise de l'énergie posent des problèmes complexes et souvent contradictoires. Les problèmes associés à l'utilisation de carburants 2 haute teneur en soufre sont à la fois typiques et illustratifs.

été observé que la présence de quelques ppm d'alcènes et d'oxydes d'azote lors de l'irradiation du dioxyde de soufre, entrahait une multiplication par un facteur proche de dix de la photooxydation de ce dernier composé, et que la production d'aérosol (essentiellement des particules de sulfate selon toute vraisemblance) était fortement accrue46. L'augmentation de l'oxydation dans l'obscurité du dioxyde de soufre en présence d'ozone et d'alcènes fut établie ultérieurement 47. Chacun de ces processus d'oxydation du dioxyde de soufre présente un intérêt car de récentes études épidémiologiques conduites par l'EPA, dans le cadre de son programme "Systsme de surveillance de l'environnement et de la santé publique (CHESS)", suggsrent qu'au moins quelques particules de sulfate sont toxiques. L'appréciation exacte du danger de6 sulfates dans l'air ambiant est compliquge par des effets possibles de la taille des particules, de la nature du cation, de l'humidité relative et des interactions synergiques avec d'autres particules ou des gaz. Des

Il y a une dizaine d'années il a

recherches supplémentaires sont nécessai- res pour identifier les sulfates toxiques et leur degré de toxicité.

santé, associé à la combustion de fuels à forte teneur en soufre, a été observé récemment avec le système S02-03 lorsqu'il fut démontré que l'exposition d'adultes en bonne santé à un tel mélange contenant 0,37 ppm de chacun des composés avait un effet nettement plus grand sur la vitesse maximale d'expira- tion, que l'exposition à l'un ou à l'autre des composés seul. Ce fut l'augmentation des maladies qui se produisit lors d'un épisode du smog à Rotterdam, trois ans plus tgt, qui conduisit les auteurs de cette étude à tenter cette expérience particulière. A cette époque, avec les concentrations en oxydant et en S02 d'environ 0,2 ppm chacune, les plaintes (particulièrement celles des cyclistes) étaient beaucoup plus nombreuses que ce à quoi on aurait pu s'attendre avec l'un ou l'autre des polluants seul à cette concentration. Bien qu'aucune explication de la syner- gie n'ait été proposée, les auteurs poussèrent un cri d'alarme 49. "En Grande Bretagne, la diminution importante et réussie des fumées dans la ville de Londres a conduit à un meilleur environnement dans lequel la pollution photochimique de l'air pourrait se développer et il est très probable que les pollutions par l'ozone et par S02 puissent coexis ter".

les économies d'énergie qui pourraient être faites dans les grands centres urbains comme Los Angeles, en permettant aux centrales électriques et aux grosses installations industrielles d'utiliser un fuel à forte teneur en soufre (jusqu'à 3 X), entraînent de sérieuses implications sur la santé. Durant les six dernières années, ce problème a été évité à Los Angelès, car toutes les centrales électriques et toutes les installations industrielles situées dans la zone devaient brûler du gaz naturel ou du fuel à faible teneur en soufre (40.5 W).

L'existence simultanée des smogs du type londonien (sulfureux) et du type de Los Angelès (photochimique) pourrait avoir des conséquences sur la santé beaucoup plus graves que -ce que suggèrent les précédentes discussions. Les réactions qui se produisent dans les mélanges

Un autre effet synergique sur la

49 ,

A cause de tels effets synergiques,

173

d'oxydes de soufre (SO,), de NO,, d'hydrocarbures et d'air sont loin d'être connues, et des espèces toxiques comme HOS020N02 (anhydride des acides sulfurique et nitrique) pourraient se former20.

La découverte récente. que les voitures équipées de convertisseurs catalytiques oxydants, qui contrôlent uniquement l'émission d'hydrocarbures réactifs (précurseurs de la formation de l'ozone) et de monoxyde de carbone, émettaient de grandes quantités de brouillard d'acide sulfurique dans leurs gaz d'échappement 50 fournit un dernier exemple frappant de la façon dont la technologie du contrôle peut être victime de spécifications ou de méthodes de me-

Approches expérimentales des stratégies de contrôle.

Quelles méthodes expérimentales semblent le mieux adaptées pour élucider les transformations complexes qui conduisent au smog photochimique et par suite, pour apprécier l'effet des stra- tégies de contrôle proposées ? L'approche classique du photochimiste ou du cinéticien semble encore la meilleure. Elle consiste à déterminer les constantes de vitesse des réactions et la nature des intermédiaires réactionnels et des produits dans un très grand domaine de concentration, allant des valeurs obtenues en laboratoire et correspondant à

sure inadéquates lors de son développement. des pressions de l'ordre du torr, jus- - - Ainsi des voitures non équipées de convertisseurs catalytiques, transforment les composés organiques du soufre présents dans le pétrole essentiellement en dioxyde de soufre plutôt qu'en acide sulfurique (H2SO4) ou en particules de sulfates. Lors de son émission dans l'atmosphère, ce S02 est lentement oxydé en H2SO4 et en particules de sulfate, Cependant comme ces produits d'oxydation sont fortement dilués dans un grand volume d'air (dans une zone atm0 s phé r i que donnée) le Ur s concentrations locales sont relativement basses, quoique souvent non négligeables 51. Par contre, si un grand nombre de véhicules équipés de catalyseurs fonctionnent lors de conditions météorologiques stables dans une zone congestionnée comme un grand centre commercial, un aéroport, ou le centre d'une ville, les concentrations en brouillard d'acide sulfurique ou en particules de sulfates émises à la surface du sol pourraient constituer un grand danger pour la santé. Il est piquant de constater que beaucoup d'argent et de temps ont été dépensés pour développer un dispositif de contrôle qui produit un polluant peut-être aussi toxique que celui qu'il était destiné à contrôler (d). (d) Les effets dkfavorables sur ta santé publique que pourrait causer Z 'acide sulfurique émis par Zes nouveZZes uoi- tures ont été cités c o m e une raison essentie Z Ze de ta proposition par 2 'adninistratew? de l 'EPA, de supprimer Zes étaZons initiaux de L'US CZean Air Act, Cependab, puisque un second rapport de Z'EPA étabtit que le ~ravail initia2 sur ces émissions pourrait avoir sures- timé le probl2me de pZus de 100 %, aucune concZusion nette ne peut être avancée.

qu'au niveau des ppm-ppb dans des smogs simulés. Les difficultés proviennent du nombre décourageant de réactions qui doivent être étudiées quantitativement, dans ce domaine inhabituellement grand de pressions et de concentrations,

résultantes a été rassemblée et organi- sée sous forme d'un mécanisme réaction- nel par simulation sur ordinateur, la validité du modèle simulé doit être testée par comparaison ultérieure avec les données obtenues en réacteur et dans l'air ambiant. Par suite des très faibles concentrations de la plupart des polluants atmosphériques les études en réacteur et la surveillance de l'air ambiant nécessitent l'utilisation d'instruments de contrôle sophistiqués. Nous utilisons toutes ces techniques dans un approche systémique de l'identification des transformations chimiques et physiques qui contrôlent la formation du smog photochimique. Notre approche n'est pas la seule utile, mais elle est un moyen de coordonner, à l'intérieur de la structure universitaire, les recherches appliquées ou fondamentales, diri- gées vers un but social : le contrôle du smog photochimique.

description même minimale des excellents travaux des autres laboratoires et plutôt que de contrarier, très certainement, certains de nos collègues en ne se référant pas à leur travail, nous avons misé sur la contrariété possible de tous, et nous n'avons cit6 que nos propres travaux I A nouveau nous vous renvoyons à d'excellentes références détaillées 6,18,19,20,21,

De plusllorsque la masse de données

Le manque de place exclut une I

174

Etudes de laboratoire (pressions de 1 'ordre du torr).

Une partie de ce système est consa- crée à la détermination des constantes de vitesse et des mécanismes réactionnels par des méthodes communes au photochimiste et au cinéticien. Dans le domaine de pressions de l'ordre du torr, les constantes de vitesse de la réaction des atomes d'oxygène avec des composés aromatiques ont été déterminées par une méthode de modulation 52.

étudiés,le triméthyl-1,3,5 benzène avait la constante de vitesse la plus élevée (k=l ,7x109 Lmole-!s-l), celle-ci se rapprochant de celle du propène (k=2x109 l,mole-!s-l) 52, De telles données sont particulièrement intéres- santes dans les zones où l'essence contient une fraction importante d'hydrocarbures aromatiques aussi bien que d'alcanes et d' alcènes.

Dans une seconde étude, la spectro- métrie de masse par photoionisation montre que la réaction de l'ozone avec le butène-2 cis, à des pressions de 2 Torr, environ, conduit à différents radicaux intermédiaires comprenant HO2 et CHO 53. Conjointement avec les travaux antérieurs sur la chimiluminescence des OH produits dans la réaction 2 basse pression entre l'ozone et les alcZnes 54*55, ces données ont révélé que les réactions entre ozone et alcène sont une source d'hydrogène atomique et de radicaux libres pour des prensinns totales faibles, ce qui pose la question de savoir si ces processus existent dans la tropos h2re ou dans:'la

De tous les composés aromatiques

stratosphsre polluées 55 . Finalement, l'utilité des études

classiques de laboratoire est illustrée par la découverte que les atomes d'oxy- gène exci tés é lect roniquement réagissent avec les hydrocarbures fluo- rés comerciaux à des vitesses contrôlées essentiellement par la diffusion 56,57 tandis que dans les mêmes conditions, les atomes O(3P) ne réagissent pas de façon importante.

O ( ID)

O(lD) + CFCl ---+ produits 3 k = 3,5 x 101' lamole. s (16)

- 1 -1

Les principaux produits de la réaction (16) comprennent COFCl et peut-être du chlore moléculaire, bien que ceci ne soit pas encore confirmé.

La présence possible d'hydrocarbures fluorés dans la stratosphère pourrait avoir des conséquences importantes puisque, en plus des réactions du type (16), les atomes de chlore produits par photodissociation d'hydrocarbures fluorés tels CFCl raient initier des réactions en chaîne pouvant diminuer la couche d'ozone d'une façon analogue 2 celle proposée pour l'oxyde d'azote 59, par exemple.

58, pour- 3

(17)

(18)

2 c1 + O -+ c10 + O 3

c10 + O + c1 4- o2

Actuellement, malgré leur intérêt et leur importance potentielle , ces idées doivent être considérées comme des hypothèses nécessitant un grand nombre d'informations nouvelles avant de pouvoir être acceptées. Ainsi leur importance potentielle dépend non seulement de la photochimie du système stratosphérique mais aussi de savoir s'il existe un transport vertical appréciable d'hydrocarbures fluorés depuis la troposphère (OÙ ils sont rejetés en grandes quantités par exemple sous forme de propulseurs d'aéro- sols) jusqu'à la stratosphère. De plus si un tel transport se produit actuellement, on peut se demander si les hydrocarbures fluorés pourraient ou non entrer en compétition de façon importante en tant que précurseurs d'atomes C1, avec les autres composés halogénés éventuelle- ment déjà présents. Cette question est évidemment très difficile et de nombreuses recherches chimiques et météorologiques supplémentaires seront nécessaires pour résoudre les difficiles problèmes soule- vés I

Etudes intermédiaires (pressions comprises entre la ppm et le torr)

Les études dans ce domaine de con c en t r a t i on 8 en ré a c t i f s in t e rmé di ai r e s entre les concentrations utilisées dans les études fondamentales (pressions de l'ordre du torr) et celles existant dans l'air ambiant (du ppm aux ppb (billion = IO9)) aident B combler le fossé existant entre les deux. Par exemple une étude récente 17969 par spectroscopie IR à long trajet optique (4Om) de la photooxydation de 1 'azométhane en présence de concentrations en NO comprises entre 50 et 4000 ppm, a confirmé la proposition généralement acceptée à savoir que la réaction de ra-

175

dicaux libres peroxyméthyle avec NO produit exclusivement NO2 et CH3O 6,61 plutôt que le produit d'addition trouvé lors d'une étude antérieure 62. Ceci est un cas particulier de la réaction (6).

(19) 2 CH302 + NO -> CH O + NO 3

Etudes en réacteur (domaine de la ppb à la P P d .

Avant de pouvoir être utilisés pour l'évaluation de stratégies de contrôle, les mécanismes réactionnels résultants d'études telles que celles décrites ci- dessus doivent être validés par des expériences menées dans des conditions simulant le smog réel. Une telle validation est habituellement difficile car une partie importante des données obtenues sur le smog en réacteur est pleine de contradictions et imprécise 2 1 , Il est nécessaire d'obtenir des informations quantitatives beaucoup plus détaillées sur le large éventail d'espè- ces observées dans les études en réac- teurs et dans l'air ambiant y compris les intermédiaires fugaces et les produits à l'état de traces. Par exemple, un bilan 63 de la formation de composés organiques azotés à partir des réactions faisant intervenir le mono et le dioxyde d'azote serait particulièrement utile, Ainsi, dans beaucoup de réacteurs de smog, plus de 50 % de l'azote initialement présent sous forme de mono et de dioxyde d'azote, n'estpas pris en compte dans le bilan.

A la SAF'RC, l'installation d'un réacteur de smog particulier a été récemment achevée 64 (figure 8) ; sa forme permet un contrôle très précis des paramètres physiques, photochimiques et cinétiques. Ainsi afin de reproduire fidèlement la lumiêre solaire ultra violette actinique 65, une lampe au xknon haute pression de 20 kW montée dans un système optique est utilisée pour simuler la lumière solaire. Ce système produit un faisceau homogène de lumière parallèle qui se rapproche fortement du spectre solaire dans l'espace, ou, après un filtrage appro- prié, du spectre solaire dans la tropos- phère ou la stratosphère. L'accord est particulièrement bon dans la région des UV photoactifs de 295 à 430 nm. Pour empêcher l'atténuation de la partie UV photoactive de ce faisceau lumineux,

Figure 8.

la chambre de 6 m3 (diamètre 5 pieds, longueur 13 pieds) est équipéede fenêtres en silice fondue, transmettant 90 % des radiations UV et visibles jusqu'à 240 nm au moins, Cette association entre la source lumineuse et des fenêtres hautement transparentes permet de reproduire avec une fidélité particuliêre le rayonnement solaire notament dans la région importante des UV actiniques (295-340 nm), région pour laquelle les équipements des réacteurs sont peu efficaces, Cette région est importante car il s'y produit un certain nombre de pro ces sus photochimiques intervenant dans la formation du smog et comprenant la photodissociation de 03 en O2 ('A g) et 0 (ID) (pour x < 3 0 8 nm), la photodissociation de H O en deux radicaux OH et, ainsique nous l'avons vu, la photolyse des aldéhydes aliphatiques.

Afin de minimiser les réactions sur les parois du réacteur, celles-ci sont recouvertes de téflon (FEP) et le faisceau lumineux envoyé dans le collimateur a un diamètre plus petit que celui de l'enceinte, et ainsi il ne touche jamais les parois de celle-ci, Le vide peut être effectué dans l'enceinte jusqu'à

fusion de vapeur d'huile, et la tempéra- ture peut varier de -35" à 100°C. Cette dernière température sert à étuver le système avant les expériences, pour minimiser la contamination.

2 2

Torr, à l'aide d'une pompe à dif-

176

1 SAPRC chamber-eocom 1 Commande Fourier ir system I du miroir mobile I I I L -__-_------ A Spectromètre IR à transformhe de Fourier

L

Figure IO. Spectres d haute résoZution des acides nitrem et nitrique, du nitrate d'éthyle et du NPA obtenus avec un spectromètre à transformée de Fourier.

?igure 9. Sehdma du réacteur SAPRC Iquipé d'un système IR-EOCOM a' transfor- mée de Fourier.

d'une expérience caractéristiq e effec- tuée dans une enceinte à vide avec un mélange comprenant initialement 0,5 ppm de propène, 0,45 ppm de monoxyde d'azote et 0,05 ppm de dioxyde d'azote dans de l'air ultra pur sou8 760 Torr. Les profils de concentration représentés sur la figure 1 sont caractéristiques de ceux obtenus dans beaucoup d'autres études en réacteur ; cependant,par suite du contrôle très précis des paramètres cinétiques et photochimiques, ils sont particulièrement bien appropriés pour des études fines de simulation sur ordinateur 7,21,68,69.

En outreyl'addition d'un spectromètre infra-rouge à transformée de Fourier et à haute résolution (0,06 cm-' de résolution) à la cellule optique en lumière blanche non dispersée (15Om de parcours optique) montée à l'intérieur de l'enceinte (figure 9), a permis d'identifier dans le smog un certain nombre d'espsces minoritaires importantes 70. Ces dernières comprennent les acides formique' et nitrique et probablement l'acide nitreux et le nitrate d'éthyle, dont les spectres sont repré- sentés sur la figure 10 en même temps que celui du NPA. Une autre étude effectuée dans l'enceinte avec des concentrations de 1 'ordre de la ppm a mrltré que dans l'obscurité, la réaction de l'ozone avec un certain nombre d'alcènes

La figure 1 montre les résultats

simples donne du cétène et de l'acide peroxyformique 78, La figure 1 1 présente le spectre à haute résolution du cétène (superposé 5 la structure rotationnelle de la bande à 4,7 pm du CO) résultant de la réactiorl de 50 ppm de butène-2 cis avec 10 ppm d'ozone sous une pression d'oxygPne de 2 Torrs.

peuvent être aussi obtenues par des études effectuées dans des réacteurs destinés à l'étude de l'environnement. Par exemple les constantes de vitesse de la réaction du radical hydroxyle avec une série de composés aromatiques : toluène (méthyl-benzène) ,xylSnes (diméthyl- benzène) et trimgthyl- benzène, ont été déterminées au SAPRC dans un rgacteur classique en verre de 6000 1.81 Ainsi un mélange d'hydrocarbures comprenant du butane et des composés aromatiques a été photolysé dans le mélange air-NO, et la vitesse de disparition de chaque hydrocarbure a été mesurée. Les constantes de vitesse relatives ont été obtenues pour les hydrocarbures en supposant que la perte de ces derniers au cours des deux premières heures de l'irradiation (d'une durée totale de 6 heures) était due aux radicaux hydroxyles. Les constantes de vitesse absolues calculées en utilisant les valeurs de la littérature pour la constante de vitesse de OH + butane étaient en bon a cord avec les mesures absolues 82,83 ,8g6

eut-être

Des données chimiques fondamentales

177

I 7

CBtène A (cm-l) 2075.00 210040 212600 2150.00 2175.00 220000 2226.00

Figure I l . Spectre d haute résoZution du cétène,superposd à Za structure rotationneZZe de Za bande à 4,7 p du CO, obtenu avec un spectromètre à transformée de Fourier .

Techniques de simulation sur ordinateur.

Le développement d'un modèle calculé a priori et simulant la formation du smog photochimique en atmosphère urbaine constitue un but essentiel des programes de contrôle du smog aux Etats-Unis. Un tel modèle d'atmosphère locale a dans son principe trois composants principaux: un programme météorologique, un inventaire des émissions et une étude méca- nistique. Le programme météorologique prédit les valeurs des paramètres tels que l'humidité, l'altitude d'inversion, la direction et la vitesse du vent. La combinaison de ces données avec la distribution temporelle et spatiale prévue pour les émissions dans la zone permet de calculer les concentrations en polluants primaires dans un petit domaine aérien. Les transformations chimiques des polluants primaires dans ce domaine, sont ensuite calculées en intégrant les équations différentiel- les renfermant le mécanisme réactionnel cinétique ; il en découle une prévision des niveaux des polluants secondaires , comme l'ozone. La validation de tels modèles permettra d'examiner plus ri goureus emen t 1 ' e f f icac i té technique des moyens de contrôle proposés, avant de les implanter, ce qui permettra d'économiser du temps et de l'argent.

complets nécessite une compression importante des données introduites, plus particulièrement au niveau du mécanisme réactionnel cinstique. Ainsi, alors que les mécanismes réactionnels décrivant la formation du smog photochimique dans un réacteur renfermant uniquement du propène comportent plus de 200 réactions élémentaires ** , la plupart des programmes mécanistiques

La complexité énorme de ces modèles

utilisés dans les modëles de zone utilisent des paramètres groupés applicables à des classes d'hydrocarbures. L'utilisation de tels paramètres groupés permet de réduira le grand nombre d'Bta- es élémentaires à moins de 50 réactions

i6, mais seulement au prix d'une perte de spécificité et très probablement d'intégrité du modèle cinétique.

La formulation de modèles locaux de formation du smog avec une aptitude prévisionnelle utile est généralement entravée 71 par le manque d'au moins trois types de données : 1) un inventaire complet et précis des émissions de polluants primaires n'est habituellement pas disponible. Evidem- ment l'exactitude des résultats (par exemple les concentrations prévues en ozone) obtenus à partir d'un modèle donné, est directement li6e à l'exact&- tude de l'inventaire des émissions initialement introduit dans l'ordinateur. Par exemple les émissions d'hydrocarbures dans une zone atmosphérique donnée, peuvent différer d'un facteur de pres ue

De plus les émissions des sources mobiles autres que les voitures doivent être mesurées. Ainsi il a été récemment montré que les émissions d'hydrocarbures par les avions sont particulièrement riches en alcènes réactifs 73. De meilleures données sur la répartition spatiale et 'temporelle des émissions des véhicules sont également nécessaires, 2) Bien que l'intensité du smog soit évidemment fortement affectée par des paramètres météorologiques tels l'humi- dité, l'altitude d'inversion, la direction et la vitesse du vent, l'importance de la structure tridimensionnelle dans un domaine atmosphérique doit être reconnue. Les études de la structure tridimensionnelle du smog sont devenues de plus en plus compliquées. Ainsi les premières études ne faieaient intervenir que quelques olluants c o m e O 74 ou 03, NO et NO2 29,30 ; tandis qu'en été 1973 une étude d'un coGt de 1,5 millions de dollards, de la zone atmosphérique de Los Angeles contrôla 03,N0,N0~,C0, la totalité des hydrocarbures, HC et les particules. Cette étude roduisit 30 millions de données 7x en utilisant un ensemble de techniques illustré dans le schéma 2. 3) Aucun mécanisme r é a c t h n e 1 cinétique existant ne peut décrire les effets d'une addition périodique ou continue

deux, suivant la période de référence 72 .

178

Radar NOAA /7 Grumman Mohawk

EPA

M Hélicoptères CRCIEPA

Laboratoire

CARB-California Air Resources Board CRC-Coordinating Research Council EPA-Environmental Protection Agency NOAA-National Oceanic and Atmospheric Adniinislration

Schéma 2,Echantillonnage et suivi des échantillons d'air dans la zone de Los Angeles.

de polluants primaires dans un système de smog photochimique déjà en réaction. Ainsi, la composition d'une masse d'air pollué, change constamment au cours d'une irradiation par le soleil pendant qu'elle traverse la zone atmosphérique. Cet aspect de la chimie atmosphérique est souligné, car, bien qu'il existe actuellement plusieurs modèles sur ordinateur reproduisant bien les processus essentiels existant:. lors de l'irradiation en réacteur d'une atmosphère ambiante, simulée et simplifiée 2 1 S 6 6 S

76, ni ces modèles, ni aucune étude en réacteur ne peuvent actuellement repré- senter précisément l'introduction constante de polluants nouveaux dans du smog, lorsque celui-ci traverse une zone atmosphérique. Ceci est maintenant bien reconnu par les spécialistes de l'atmos- phère et par les contrôles officiels,et des efforts sont en cours pour effectuer des études en réacteur, dans lesquelles les situations réelles de smog peuvent être representées plus complèterent. Ceci est obtenu par des injections répétées de polluants primaires typiques dans un échantillon d'air vieilli et par simulation de variations diurnes de l'intensité de la lumière solaire,

Conclusions

La "pertinence" de la recherche sur la pollution de l'air a été récemment réaffim6e de façon dramatique alors que cet article était dans sa phase finale. Ainsi en Juin dernier (1974) un niveau en oxydant " dépassant 0,7 ppm (valeur

ne devant d'après 1'EPA-jamais Ztre atteinte, et qui n'a été atteinte que 2 ou 3 fois au cours de l'histoire) se produisit dans une ville située dans la partie est de la zone de Los Angeles ; l'état d'urgence fut décrété par le Gouverneur de la Californie. Tout ceci se produisit malgré 20 ans d'efforts des scientifiques pour contrôler la pflution-de l'air, malgr6 la surveillance officielle et les lggislateurs, D'ailleurs, et c'est risible, bien que l'annonce des conditions météorologiques très mauvaises ait été faite juste avant cet accident, peu de personnes savaient quoi faire .paw. évites .le .danger, hormis peut-être prier pour un vent fort ou de la pluie (celle-ci étant hautement improbable pendant les mois d'été en Californie du Sud) ou encore aller dans le bistrot à air conditionné le plus proche.

Remerciements

Le Professeur Pitts est redevable envers le CS et plus particulièrement envers le Professeur Howard Purnell de l'université de Wales (Swansea) des discussions passionnantes et de l'excellente hospitalité au Chemieal Congress.

Nous remercions les sociétés EOCOM et FINNZNGAN pour leurs pr&s respectivement du spectrmètre IR à transformée de Fourier et du systsme chroEaatographe en phase gazeuse - spectromètre de masse, qui ont permis d'obtenir Certains des résultats exposés dans cet article,

179

Nous sommes reconnaissants envers nos collègues du SAPRC pour leur aide et pour nous avoir donné accès à leurs résultats non publiés.

support financier, les agences suivantes : California Air Resources Board et Project Clean Air 122 ; US EPA, Manufacturing Chemists Association ; NASA, Ames Research Centre, National Science Foundation (pour les programmes de dynamique chimique et les programmes RA") et l'office of Naval Research. Le contenu de cet article ne reflète pas nécessairement l'optique et la politique des agences ci-dessus, pas plus que la mention de marques de produits commerciaux ne constitue une recommandation pour ou contre leur emploi. Finalement, JNP aimerait dédicacer cet article au Docteur E.J. Bowen, dont la sagesse, 1' intelligence et la cordiali- té ont rendu ses deux congés sabbatiques à Oxford particulièrement stimulants et ont renforcé ses motivations pour appliquer la photochimie et la cinétique fondamentales à des problèmes complexes de société.

Nous remercions également, pour leur

180

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79, 293.

181

L'énergie tirée de l'atome G. N. Walton

Une des sources d'énergie les plus controversées de nos jours est Z'énergie nucle'aire. Dans cet articZe, le Profes- seur WaZton fait le point sur cette source d'énergie, sur les différents types de réacteurs, et sur Zes facteurs interuenaTt dans le traitement de Z'uranium et le stockage des déchets radioactifs.

Source de l'énergie

L'énergie nucléaire se dégage lorsque des noyaux d'atomes légers, tels que l'hydrogène et le deutérium, fusion- nent pour former des atomes plus lourds, ou lorsque des noyaux d'atomes très lourds, comme les isotopes de l'uranium et du plutonium, se divisent pour donner deux atomes plus légers. Seul le dernier processus-c'est à dire cléaire-a été exploité à une échelle commerciale.

Le noyau de l'atome est en gros comparable 2 une goutte de liquide, (comme une goutte de pluie) contenant plusieurs charges positives (les protons) retenues ensemble par la tension superficielle. A mesure que la goutte grossit dans les éléments plus lourds, la tension superficielle diminue relativement et la répulsion entre les charges positives augmente relativement. Il arrive un moment où le noyau est sensible à de petites déformations ; la déformation augmente et finit par scinder les noyaux en deux parties principales qui se sé- parent, et d'autres particules appelées neutrons. Les deux parties principales sont arrêtées sur quelques microns par un matériau solide et il se produit un dégagement de chaleur dû 2 l'énergie

la fission nu-

cinétique. Les autres particules peuvent provoquer une déformation dans d'autres noyaux d'une manière dépendant fortement de leur énergie, pour produire d'autres fissions. Le matériau agit en tant que combustible dans un réacteur lorsque le taux de production des neutrons est compensé exactement par leur taux d'absorption ou par la perte par la surface, et le système peut être conçu pour fournir constamment de la chaleur. Les deux fragments principaux résultant de la fission (les produits de fission) sont nécessairement riches en neutrons par rapport aux éléments naturels et comme tels ils sont radioactifs et se dégradent lentement pour donner les éléments naturels correspondants

Donc, les caractéristiques essentielles d'un réacteur nucléaire sont : . Un combustible qui conserve les produits de fission au fur et 2 mesure de leur format ion. , Un moyen d'alimenter en combustible. . Un moyen de retirer le combustible lorsque la matière fissile est complètement brûlée , Un modérateur pour contrôler l'énergie des neutrons , Un absorbeur pour controler l'intensité des neutrons . Un fluide réfrigérant pour évacuer la chaleur.

Types de réacteur

Un grand nombre de systèmes de réacteurs ont été étudiés et, peu à peu, les meilleurs systèmes ont été choisis en fonction de leur coût et de leur sécurité alors que beaucoup d'autres ont été nécessairement abandonnés (une

182 Reproduit avec l'autorisation de 1'Education in Chemistry, vol. 15, 1978, p. 18-21.

Tableau 1. Types de réacteurs nucléaires commandés (1977)

Combustible Température Nom et Modérateur Fluide Principaux à la sortie

revêtement réfrigérant pays R e m r que s

Magnox Uranium

I c02 métallique Graphite magnésium

AGR UO enrichi 2 Graphite acier

R6ac t eur a eau UO, enrichi

L pressurisée PWR zirconium

Eau UO, enrichi L bo ui 1 1 an t e

BWR z i r conium

CANDU UO p a t Ur el

zirconium

Rgacteur UO,/PuO, & L rapide

(surré- U02 appauvri

générateur) ac5er

H2°

c02

eau

vapeur d' eau H2°

D O vapeur D2° 2

sodium fondu

Royaume- Uni France , 410°C 1 ta1 ie , Japon

Royaume-Uni 650 "C

Etats-Unis Réacteur sous (Westinghouse) pression

beaucoup d'autres pays

Etats-Unis Réacteur sous (GECI press ion autres pays 285OC

France, et 314°C

Canada, Inde Tube à pression Argentine 290 "C

sodium liquide Royaume-Uni 562 OC France, URSS régénérateur

de Pu

énorme quantité de travail de conception et de planning est nécessaire pour effectuer la sélection naturelle ou économique et il est surprenant que l'on pense toujours que le choix du procédé se fait automatiquement). Le tableau 1 indique les principaux types de centrales nucléaires qui fonctionnent en ce moment avec succès à travers le monde. Le tableau 2 donne les types de centrales nucléaires qui sont en cours de réalisa- tion aux Etats-Unis, au Royaume-Uni et en Allemagne de l'ouest.

teur refroidi à l'eau développés aux Etats-Unis et le type développé au Canada se sont révélés être les systèmes les plus économiques en supposant que les réserves

uLauIuu iiaLuLcL (abondantes aux Etats- Unis et au Canada mais nulles au Royaume Uni) sont illimitées. Beaucoup de réac- teurs de ces types ont été construits sous licence dans d'autres pays. Cependant, les réacteurs refroidis au gaz et développés au Royaume Uni, en particulier le AGR

Jusqu'h présent, les types de réac-

-... .. %.n-....m n n t . r r n 1

(Advanced Gas.-Cooled Reactor) lorsqu'ils sont associés au traitement du combustible (comme décrit ci-dessous) , présentent certains avantages sur le plan de la sécurité de fonctionnement et de la fiabilité. Il est probable pue les deux systèmes continueront à être développés.

Traitement

L'uranium naturel contient 0,72 Z de l'isotope 235 U beaucoup plus fissile que les 99,28 Z restants constitués entière- ment de 238 U. Dans un réacteur 1'235 U est nécessaire pour maintenir le système en fonctionnement de telle sorte que le combustible ne puisse jamais être brûlé complètement en une seule fois. Il devient donc très avantageux d'augmenter la quan- tité d'235 U par enrichissement isotopique de combustible nouveau et aussi de récupé- rer la matière non brulée. De plus, 1'238 U capte les neutrons pour donner du plutonium 239 qui peut être lui-même utilisé comme combustible. Donc il est économique (bien que ce soit seulement

183

Tableau 2. Types de réacteurs nucléaires en projet (1977) ~~

Combustible Fluide Température à

revêtement réfrigérant R e m rq ue s Nom et Modérateur Pays la sortie.

UO enrichi Haute température 2 HTf SIC

Lit de dailloux u02

AVR Tho2

S GHWR

Réacteur à eau Tho2, U233 pressurisée zirconium PWR

UO enrichi zirconium .2

Réacteur rapide uo2 /PUO2 à refroidis- acier s emen t par gaz GCFR

Graphite Hé1 ium

Hélium Billes de graphite

vapeur d'eau

D2°

H2° H2°

Hélium

Etats-Unis Roy a Ume- Uni

Al 1 emagne

Royaume Uni

Etats-Unis (Westinghouse)

Allemague

Combustible en pastilles enrobées 780 "C

950 OC

Régénération 233 U

Réacteur sous pression 282°C

Régénération de 233 u

Fluide réfrigérant sous très haute press ion

marginal sur une échelle de temps court) de traiter le combustible après son passage dans le réacteur pour récupérer l'uranium et le plutonium et aussi éli- miner les déchets provenant de la fission.

loppés au Royaume Uni ont été spéciale- ment conçus pour fonctionner en association avec l'unité de traitement de combustible (c'est ce qui a été réalisé dans l'usine de Windscale) tandis que les systèmes américains ou canadiens de refroidissement h l'eau sont moins dépendants du procédé de traitement. Les sources d'uranium naturel riches dont l'exploitation est économique, sont déj6 en voie d'épuisement, bien qu'on sache qu'il y a de très grandes réserves de matières moins facilement accessibles.

Les réacteurs refroidis au gaz déve-

Réacteur rapide et régénération

Il est possible par une conception judicieuse du réacteur de faire varier les quantités relatives des produits de fission et de maitriser les processus intervenant dans le réacteur de façon à produire plus de plutonium à partir de 1'238 U que l'on a brûlé de matière fissile. On réalise ceci en maintenant tout le coeur du réacteur dans un faible

volume pour empêcher les neutrons de perdre leur énergie une fois qu'ils sont produits. Le système est appelé "réacteur rapide" par opposition aux "réacteurs thermiques'' dans lesquels les neutrons sont moins énergétiques. Malheureusement, la petite dimension du coeur du réacteur nécessite l'emploi de métal fondu pour évacuer la chaleur et le "réacteur rapide'' a connu de sérieux problèmes d'ingénierie qui n'ont été surmontés qu'au bout de plusieurs années. Le coeur du réacteur, oh une grosse partie de la chaleur est dégagée, est entouré d'une couverture composée d'uranium appauvri qui,en absorbant les neutrons, produit le plutonium en quantité croissante. Le tableau 3 indique la composition typique du combustible d'un réacteur rapide avant et après son fonctionnement.

les réacteurs thermiques et l'usine de traitement chimique ont été conçus pour fonctionner en association. Le schéma 1 représente la diagramme envisagé et partiellement réalisé actuellement. Les flèches simples indiquent le cycle du combustible du réacteur Wagnox, les flsches doubles le eycle du combustible enrichi du réacteur "AGR" et les flèches triples le cycle du "réacteur rapide".

Au Royaume Uni, le réacteur rapide,

184

Minerai d'uranium importé concentré

r-

Cyversion en te t ra f luorur e

Conversion en tétrafluorure

Recyclage gaz, 3H, 85Kr, vêtements ,limaille - - - - ---- et billes de combustible dans des solides, produits de fission dans des 1 iquides

I uF4

I 1 I

--1

Convers ion en Conversion en hexafluorure

métal 1 ique 1

I

1 I

I I 1 1 I i I 1

I I I

" d,

Conversion en Conversion en oxyde mixte oxyde

II u02 *

Production de combustible (limaille usGe, vêtements souillés, etc.)

1 t Déchets

LtJ.L i

1 i

$- Stockage de plutonium et d'uranium appauvri

dégagement des gaz dans l'atmosphère.

Liquides de faible activité écoulés dans la mer

Stockage des liquides de haute activité/ solidifier

Solides de faible activité stockage/incinération rejet dans la mer en profondeur enfouissement

Solides de haute activité stockage

h I I I

Schéma 1. &héma simplifié du cycle du combustible nucléaire indiquant les catégories

Dans ce dernier cas, la nécessité de nouveaux approvisionnements en uranium est presque complètement éliminée. dans le tableau 4.

principales de déchets radioactifs plus d'un million de fois plus dense que les autres formes d'énergie figurent

Densité d' énergie Stockage des déchets radioactifs

Peut-être l'avantage le plus important que possède l'énergie nucléaire sur d'autres formes d'énergie réside-t-il dans sa densité d'énergie, c'est 3 dire la quantité de matière que l'on doit manipuler pour produire une quantité donnée d' énergie. Quelques comparaisons , qui montrent que l'énergie nucléaire est

Une centrale électrique moderne produit à peu près 2000 MW d'énergie thermique, ce qui nécessite dans une centrale nucléaire le traitement de 2 kilogrammes de matière fissile par jour alors que dans une centrale utilisant le charbon, il faut environ 7000 tonnes de charbon par jour. Ces chiffres ne

185

donnent pas seulement les quantités de combustible nécessaire au chargement de la centrale mais aussi les quantités de déchets. Il est difficile de manipuler 7000 tonnes par jour de déchets de houille sans qu'il y ait formation de tas de scories et d'une fumée considérable, tandis que la manipulation de 2 kg (1 tonne = 1000 kg) de déchets de matière fissile par jour est faisable sans provoquer de pollution,c'est pourquoi la centrale nucléaire constitue pratiquement un moyen très propre de production d'é- nergie à grande échelle bien que la manipulation des déchets de matière fissile exige le plus grand soin comme décrit ci-dessous.

La figure 1 indique le volume total de déchets de grande activité, en mètres cubes d'acide nitrique,stocké en ce moment à Windscale. La matière est recueil- lie dans des cuves en acier inoxydable spécialement construites,d'une capacité de 150 mètres cubes chacune. L'activité de la plupart des produits croft jusqu'à ce qu'ils se dégradent aussi vite qu'ils se forment ; ensuite leur activité demeure constante. Cependant, quelques produits ont une durée de demi-vie très longue. Par exemple, les dépots les plus anciens à Windscale ont plus de 20 ans et il y reste seulement quelques éléments radioactifs. Il doit être possible de les séparer et de les stocker sous une forme chimique bien déterminée. Leur volume total sera faible. On pense que c'est une solution plus satisfaisante à long terme au très important problème des déchets radioactifs que la politique officielle qui consiste à les vitrifier et à les stocker à l'état de verre. Dans ce cas, les produits seront mélangés avec d'autres produits minéraux qui feront croître radicalement le volume total de la matière à stocker.

Plutonium

Le coeur du "réacteur rapide" contient environ 5 tonnes d'oxyde de plutonium mélangé avec l'oxyde d'uranium dans les proportions indiquées dans le tableau 3. L'oxyde de plutonium reste pendant environ 4 années dans le réacteur ; il est réparti dans à peu près 80 sous-assemblages de combustible. On manipule donc le combustible à raison d'à peu près deux sous-assemblages par mois et par réacteur. Le public s'inquiète beaucoup à propos des possibilités de sabotage du matériel

Volume stock6 (m3) 1

O 1965 70 75 80 85 90 95 ZOO( , I

Figure 1. Volume de la solution de haute activité stockée. La courbe 1 tient compte des facteurs d'évaporation suivants :. &gmx 200 ; AGR , 150 ; le coeur du FBR 15 ; la couverture du FBR, 200. La courbe 2 tient compte d'un facteur de 200 pour tous les combustibles.

mais on ne devrait jamais être amené à traiter le plutonium qui n'a pas réagi, en dehors de l'usine de traitement chimique.

l'énergie nucléaire dépend beaucoup du succès de fonctionnement du système 11 surrégénérateur". Les systèmes basés sur le thorium et mentionnés dans le tableau 2 peuvent aussi être conçus pour "régénérer" , (dans ce cas les autres isotopes de l'uranium, 233 U et 232 U). Malheureusement, les deux systèmes, utilisant le plutonium 239 et l'uranium 233, peuvent être plus ou moins associés à la construction et à la prolifération des armes nucléaires. Il se peut que le développement de l'énergie nucléaire oblige à long terme à établir de bonnes relations internationales et à les entretenir avec plus de prudence que cela n'a été fait jusqu'à présent.

Le développement à long terme de

186

Réserves

L'ensemble des réserves possibles pour l'énergie nucléaire semble être effectivement très grand, La figure 2 donne les estimations des réserves c o m plètes de charbon à travers le monde et les prévisions pour la consommation, La figure 3 représente les &mes données et les données sur le pétrole quisont portées sur la courbe à une échelle différente, Si l'on arrive à utiliser l'uranium 238 gr2ce au réacteur rapide, on peut estimer que la totalité des réserves mondiales

d' uranium connues, y compris 1 ' uranium qui se trouve dans la mer, serait alors environ 800 fois la totalité des ressources en charbon, quantité qui pourrait fournir de l'énergie pour les prochains naires. La figure 3 suggère que les combustibles fossiles que nous brûlons si inutiIement devraient être économisés B tout prix de manière à conserver des sources de matière organique que l'énergie nucléaire ne peut pas remplacer.

millé-

Tableau 3. Consommation du combustible d'un 'kéacteur rapide"

combustible chargé dans le réacteur

combustible à la sortie du réacteur

~ ~~

coeur du 25% PuO, L

75% U02 (238) réacteur

couverture 100% / U02 (238)

23% Pu02

71% uo2 6% produits de fission

95% uo2 4% PUO2 1% produits de fission

~ ~

Tableau 4. Energie et densité d'énergie

9

3

3

Densité d'énergie non-renouvelable Uranium 235, 239 Pu, 233 U 24,O x 10 Wh.Kgl

Charbon 7,5 x 10 Wh Kg' Pétrole 12,5 x 10 Wh Kg1

Densité d'énergie renouvelable Lumière du soleil (moyenne dans le

Royaume-Uni) -2 100 wm

Vent (moyenne dans le Royaume-Uni) 1000 wm -2

Energie des vagues (moyenne dans 4 -1 1 'Atlantique) 10 Wm

Energie isothermique (moyenne en surface) O, 1Wm -2

187

/ ~ 30

n taux de production 1 IGt à -1 l Croissance annuelle

J/ de 3.5 % I I I - 20

-10

1800

2

Actuel

AnnC 2000 2200 2400- 260

Figure 2. Production mondiale de charbon (1 Gt = 18 tonnes mdtriques).

Les figures 2 et 3 sont tirées du rapport AERE - R. 8856 de 1'UDAEA intitulé World Energy Resources par H.A.C. Mc Kay. Le schéma 1 et le tableau 3 ont été tirés de l'ouvrage "Nuclear reactors, to breed or not to breed", édité par le Professeur J. Rotblat. Nous remercions les auteurs de nous avoir autorisé à les reproduire.

3 20 Taux de production GTEC à -'

.10

-Av. J.C.

5000 4000 3000 2000 1000 O 1000 2000 3000 4000 5001 1 I 1

Figure 3. Production mondiale de charbon et de pdtrole-perspective historique. L'âge du combustible fossile. (la GTEC/a est Z 'dquivalent de 1 par an)

tonnes de charbon

188

Nouvelles sources de protéines R. A. H. Hillman

Cet article traite de 3 procédés développés récemment pour utiliser les microorganismes en tant que nouvelle source commerciale de protéines, (Tableau 1).

les constituants principaux de son alimentation, protéines, hydrates de carbone et matières grasses à partir de sources animales et végétales. L'explosion démographique, jointe à l'inégalité croissante entre les nations riches et pauvres a perturbé sérieusement la loi de l'offre et de la demande en particulier pour les protéines. Tandis que pour les nations développées on note pour la période 1945-1970, une hausse de six pour cent de la ration par personne, les pays en voie de développement ont subi une diminution correspondante. La consommation moyenne de protéines en Afrique et en Asie est déjà en dessous du minimum qui est de 50 g par jour.

Une manière de pallier ce manque de protéines consiste à trouver des sources non encore exploitées. De toutes les ressources qui ont été étudiées jusqu'à présent, celle qui paraît la plus valable est la protéine microbienne, Les levures, les bactéries et les champignons de sou- ches appropriées convertissent les substrats convenables en protéines. Les produits pétroliers ou agricoles et les déchets industriels qui proviennent de source peu coûteuse constituent les principales matières premières potentielles pour de telles réactions. Le substrat agit comme une source de carbone pour les microorganismes ; une partie étant incorporée dans la masse des cellules nouvelles tandis que le reste est oxydé

Traditionnellement l'home a obtenu

en dioxyde de carbone et eau,ce qui fournit l'énergie nécessaire pour la conversion chimique et les synthèses qui interviennent dans la croissance cellulaire. L'oxygène, l'azote, le soufre, le phosphore et les oligo-éléments sont aussi nécessaires. Les micro-organismes peuvent doubler leur masse très rapidement, fréquemment en deux heures ou moins,de sorte que la production de protéines microbiennes (protéines uni- cellulaires) peut-être très rapide.

Procédé BP

Le procédé BP a été mis au point à partir des travaux effectués en 1957-58 par Alfred Champagnat aux Laboratoires de Recherches de BP à Lavera près de Marseille. Champagnat était en train de faire des recherches sur l'élimination des paraffines dans les huiles épurées, lorsqu'on suggèra d'essayer si les sou- ches de levure pourraient éliminer les paraffines non souhaftées. Les levures ont bien fait cela, et ont fourni après la récolte et le sgchage un produit riche en protéines de valeur biologique. Les bactéries ont aussi été essayées, mais on a préféré les levures car la protéine obtenue à partir de celles-ci était supposée plus facile à comercia- liser. De plus, les cellules des levures étant plus grosses que celles des bacté- ries, la récolte et l'élimination des solides dans la solution fermentée sont plus faciles.

La BP décida en 1962 de porter son attention sur la mise au point de ces deux méthodes complémentaires. Les pre- mières usines pilotes ont été montées en

189

1963 à Lavera et au début de 1965 à Grangemouth .

Dans la méthode employée à Lavera, les levures sont élevées sur le gasoil, un mélange d'hydrocarburesdont le point d'ébullition est compris entre 510 et 870 K qui est obtenu à partir de la distillation du pétrole brut. Le gasoil contient approximativement dix pour cent d'alcanes linéaires qui sont métabolisés de préférence. Ce procédé utilise une matière première relativement moins chère mais il nécessite une étape de récolte relativement complexe et coÛteuse. Après centrifugation, une étape supplémentaire qui consiste à extraire par un solvant est nécessaire ; cela élimine aussi la plupart des huiles et des matières grasses et donne ainsi un pourcentage plus élevé de protéines dans le produit final séché.

utilise en tant que substrat une matière première pure mais relativement chère (des paraffines linéaires et purifiées). Le coût total des deux méthodes est comparable : l'une peut être favorisée par rapport à l'autre dans certaines circonstances. On est en train de les mettre au point toutes les deux à l'échelle industrielle. La méthode employée à Lavera semble mieux convenir à des petites usines, d'une capacité allant jusqu'à 7000 tonnes par an ; et celle de Grangemouth à des grosses usines d'une capacité allant jusqu'à 100.000 tonnes par an. La BP et une compagnie italienne appartenant 2 1'Etat construisent en Sardaigne une usine qui, on l'espère,produira 100.000 tonnes par an avant 1976.

L'étape de fermentation en continu est commune aux deux méthodes. Elle met en jeu deux composés liquides nonamiscibles (un hydrocarbure et une solution aqueuse de sels nutritifs) sous la forme d'une émulsion d'huile dans l'eau et une phase gazeuse constituée d'ammoniac et d'air.

La méthode employée à Grangemouth

Tableau 1. Trois procédés industriels

Substrat Microorganisme Compagnie

Al canes ramifiés levure BP

On fait pousser la levure (de l'espèce Candida) dans la phase aqueuse OÙ elle prend l'hydrocarbure par contact direct avec les gouttclertesd'huile. On maintient -le milieu acide et on laisse s'échapper le dioxyde de carbone formé, la température étant maintenue à la valeur optimale à deux degrés K près. Le produit final, qui est une poudre fine de couleur crème, sans odeur et sans saveur, est pratiquement le même dans les deux cas.

Procédé ICI (Figure 1)

L'intérêt de ICI pour la protéine uni-cellulaire date du milieu des années 60, à la suite de la découverte de gaz en Mer du Nord. Le me/thane, substrat disponible le moins cher, était utilisé initialement mais on s'est vite rendu compte des avantages de l'emploi du méthanol. Les plus importants sont les suivants : , Il peut être fabriqué en très grandes quantités à l'état pur à partir de très nombreuses matières premières a Il est entièrement miscible à l'eau.

, Les micro-organismes nourris au méthanol ont besoin de moins d'oxygène de l'air que ceux nourris au méthane, Il y a un dégagement plus faible de chaleur. . ICI fabrique du méthanol en tonnage très élevé et est donc parfaitement au courant de ses propriétés et de son marché.

Les bactéries ont été choisies de préférence à d'autres micro-organismes à cause de leur teneur plus élevée en protéines et du temps plus faible qu'elles mettent pour doubler leur poids. Elles présentent cependant des inconvénients. Le plus important est qu'elles sont de petite taille. Alors que les cellules de levure peuvent être séparées par une simple opération de centrifugation, les bactéries nécessitent auparavant une étape d'agglomération. Une bactérie de l'espèce pseudomonas a été sélectionnée parmi plusieurs centaines de types dif- f érent s

solution aqueuse diluée de méthanol et Le bouillon de culture est une

d'éléments nutritifs essentiels. La solution est constituée d'eau pour 85 à 95 %. Le mélange est envoyé dans un fermenteur sous pression spécialement conçu pour ce procédé (Figure 1). Le fermenteur consiste en deux récipients

Mit hanol bac térie ICI

de carbone champignon RHM hydrate

190

L

Gaz d'bpuisement 4-i

NH3 Filtmde Ferme-bmm drilisntion sous D

... - Y I d o n

Figure 1. Diagramme du procédé I D de fabrication de la protéine. Avec l'autorisation de la Diviswn Agricole de 1 'ID.

Procédé RHM verticaux reliés entre eux par deux sections horizontales permettant un écoulement en continu de la culture. La partie la plus grande I1l'6lévateur1' contient un mélange d'air et de culture qui se déplacent dans le même sens . Au fond du fermenteur, la pression hydrostatique élevée facilite le transfert de l'oxygène dans la solution. A mesure que le mélange monte, la pression hydrostatique diminue et en haut, il règne une pression faible qui facilite le départ du dicxyde de carbone.

Dans la récolte du produit, la première étape est celle de l'aggloméra- tion qui donne des particules beaucoup plus grosses que des cellules de levure. Après avoir perdu un peu d'eau et avoir été concentré par centrifugation, le produit est séché par pulvérisation pour donner un produit sans odeur, de couleur crème, et de saveur douce.

On utilise dans ce procédé des quantités très importantes d'eau. Une usine d'une capacité de 500.000 tonnes par an nécessiterait 10.000 m3 d'eau sans recyclage,mais en fait on recycle le plus possible d'eau dans le fermenteur. ICI a l'intention de monter une usine de capacité de 100.000 tonnes par an dans un avenir très proche.

Rank Hovis Mc Dougall travaillent

> d'après un procédé utilisant le Fusarium un champignon naturel plus grand que les levures ou les bac- téries. Dans les conditions optima il se développe pour former une natte enchevê- trée de fibres, la mycoprotéine. RHM le fait pousser sur la partie hydrates de carbone des haricots des champs. (La protéine dérivée des haricots est vendue à Courtaulds pour fabriquer le Kesp, qui est un succédané de la viande). Ce procédé pourrait cependant- fournir un aliment contenant des protéines pratiquement à partir de n'importe quelles céréales contenant de l'amidon telles que le sucre brut et la mélasse.

La fermentation est conduite en continu dans des récipients en acier inoxydable dans des conditions strictement contrôlées. Le champignon n'est pas facile à cultiver et il a besoin de grandes quantités d ' oxygène.

La taille relativement grande facilite la récolte, Il est d'abord séparé en utilisant une centrifugeuse à panier. Il apparait sous une forme dont la texture ressemble à celle des feuilles de carton mouillé. Il peut être transfor- mé de diverses façons, par exemple en un solide granulaire de couleur chamois et de saveur légèrement appétissante.

mycoprotéine.

qui est beaucoup

RHM trouve plusieurs avantages 2 sa

191

. Elle est décrite ccmnne étant la première protéine végétale ayant la valeur biologique d'une nrotéine animale. Son profil d'acides-aminés est certainement proche de celui fixé par la F.A.O. . Le public l'admettra peut-être-plus facilement comme nourriture destinée à l'homme puisque les champignons sont déjà largegent acceptgs comme tels, Par exemple, les champignons, les truffes, les cham9ignons des fromages tels que le Stilton et le camembert et en Clrient dans les aliments comme le miso et le tempeh. . Les. micro-organismes se développent à une vitesse plus faible que la levure ou les bactéries. Cependant, cet inconvé- nient conduit apparemment à un pourcentage plus faible d'ARN dans le produit final, le rendant plus propre à la consommation humaine .

de l'alimentation humaine. ICI et BP considèrent que leurs protéines sont essentiellement destinées aux aliments du bétail. Les usines basées sur le procédé RHM produiront probablement 15.000 tonnes par an, tonnage beaucoup plus faible que celui prévu par les procédés ICI et BP.

Dans tous les cas, une évaluation poussée de la valeur nutritive (Tableau 2) et de la toxicité du produit a été faite, Elle a donné des résultats encourageants. 11 n'y a aucune raison intrinsèque pour que la protéine uni-cellulaire ne puisse

RHM est très intéressé par le marché

pas être utilisée en tant que source supplémentaire de protéines pour les êtres humains. Les spécialistes de l'alimentation pensent qu'elle sera acceptée largement comme source supplémentaire de protéines dans les aliments d u bétail avant 1980 et qu'elle constituera avant 1990 une partie importante de l'alimentation de l'home. Avant qu'elle soit acceptée à une grande échelle par les pays en voie de dévelop- pement, il faut qu'elle soit acceptée en tant que matière alimentaire dans les sociétés d ' abondance . est souvent considérée c m e une protéine " synthétique'' C ' est to ta1 ement faux, C'est une protéine extraite des organismes vivants qui se développent, se reproduisent et qui doivent êtue tués avant la récolte.

Le prix de la protéine microbienne soutient assez bien la comparaison avec leprixdrsprotéines de bonne qualité, Sa qualité est très sévèrement contrôlée et sa production ne dépend pas des conditions climatiques, de l'invasion par les insec- tes et des maladies des plantes. Quinze usines de fermentation n'occupant pas plus da 20 hectares, pourraient remplacer 1,6 millions d'hectares de soja. Avant 1985, l'Europe occidentale pourrait avoir sept usines de protéines basées sur des substrats dérivés du pétrole. Le combustible nécessaire par an pour ces usines serait .environ cinq pour cent de celui qui est consommé annuellement par les voitures privées en Europe occidentale.

La protéine d'origine microbienne

Tableau 2. Comparaison des produits BP, ICI et RHM Es sent iel

(FA0 1 BP IC 1 RHM Toutes les valeurs sont données en g pour 16g d'azote

Amino-acides essentiels :

1 so 1 euc ine Leuc ine Phenylalanine Thrgonine Tryp tophane Tyr0 sine Val ine Lys t ine M6 thionine Lysine

.

. Le poids d'aminoacide exprimé en g. pour 16g. d'azote représente le pourcentage de cet aminoacide dans la protéine brute

192

La chimie de l'avenir N. N. Semenov

Semenov, un des doyens de la science Russe, Lauréat du Prix IVobel, envisage quelques possibilités à long terme de développement de la chimie. En utilisant les idées de la biochimie, la chimie peut résoudre la crise de l'énergie, rendre la production infiniment plus efficace et fournir des ailes à l'hum- nité. Ce ne sont que des spéculations, bien sGr, m i s la science possède les myens de réaliser mgme les idées les plus avancées de la science fiction.

La biologie moléculaire moderne s'est développée sous l'influence de la physique et de la chimie. En revanche, on peut maintenant prévoir une influence puissante de la biologie moléculaire sur le développement futur de la chimie.

20 ans peuvent être prévus avec un honnête degré de certitude car les domaines correspondants de la science sont suffisamment développés et sont dans une certaine mesure déjà passés dans la pratique. Mais pour prévoir le futur lointain, nous devons quitter la terre ferme et nous livrer à des extrapolations incertaines, Ostwald pensait que les savants étaient divisés en classiques et romantiques. Je ne pense pas que ce soit vrai. Tous les savants créatifs sont classiques lorsqu'ils manipulent des matières demandant exactitude et objectivit6,mais ils deviennent romantiques lorsqu'ils recherchent de nouvelles voies ou lorsqu'ils ont besoin d'intuition. Planck par exemple essayé de cacher son intuition générale en disant "il est plus rapide et plus commode (Schneller und bequemer) de

Les progrès accomplis d'ici 10 ou

découvrit le photon mais a

considérer que le corps noir émet de petites particules et non un spectre continu'' .

Biologie et chimie.

Un domaine nouveau, "la bionique chimique", qui vient d'être développé, prendra une importance particulière dans l'avenir, spécialement pour étudier les lois fondamentales des processus chimiques chez les organismes vivants, qui n'ont pas pu Stre simulés jusqu'à présent au laboratoire de chimie. Les réactions chimiques qui ont lieu chez les organismes vivants, se font nécessai- rement h basse température et une grande partie d'entre elles, mêmes celles qui sont complexes, se font très spécifique- ment avec une vitesse élevée. Contrairement à nos procédés industriels, ces réactions ne polluent pas l'environnement et tous les produits de tous les organismes vivants sont complètement utilisés par les autres. L'équilibre de la nature est ainsi préser- vé.

Partout dans le monde les chimistes sont de plus en plus attirés par les particularités des réactions biologiques qui débouchent sur des applications pratiques de plus en plus grandes, comme par exemple l'utilisation directe des organismes vivants ; en particulier les bactéries, dans des synthèses en chimie. Récemment, l'élevage de bactéries sur les hydrocarbures lourds pour produire des protéines a connu un élan considérable. Jusqu'à présent, les protéines ont été seulement utilisées c m e aliment du bétail mais, en principe, il est possible de préparer de cette manière des protéines

Reproduit avec l'autorisation de Chemistry in Britain, vol. 10, no 12, 1974, p. 471-5. 193

qui peuvent nourrir des êtres humains Une autre approche consiste à

employer différents. enzymes isolés à partir des organismes vivants comme catalyseurs de réactions chimiques ayant lieu dans les différents types de synthèses organiques. Les enzymes naturels seront limités pour deux raisons dans l'avenir : ce sont des catalyseurs homogènes et leur élimination des produits de réaction est difficile. Les enzymes non modifiés sont instables et sensibles aux tempéra- tures élevées. Cependant, s.'ils sont fixés sur une surface solide par absorption ou par des liaisons covalentes ou inclus de tels enzymes deviennent beaucoup plus stables et ils sont effectivement transformés en catalyseurs spécifiques en phase hétérogène. Les enzymes ainsi fixés etre gardés pendant des mois à des températures allant jusqu'à ~OOOC.

enzymes fixés sont déjà employés à l'échelle industrielle, par exemple dans la fabrication de diverses pgnicil- lines substituées ayant un large spectre d'effets thérapeutiques. L'emploi des enzymes fixés ouvre des possibilités intéressantes pour la préparation du glucose et du fructose à partir de l'amidon et de la cellulose. Le fructose est de saveur plus sucrée que le glucose et le saccharose et peut donc être employé comme un édulcorant de faible pouvoir calorique. La production du glucose et du fructose à partir de matières peu coûteuses, comme par exemple la sciure, la paille, les chutes de papier et d'autres sources de cellulose,est particulièrement intéressante. Un exemple frappant est celui de l'utilisation des enzymes fixés pour oxyder les hydrocarbures saturés. Ce processus est remarquablement sélectif. Seul le méthyle terminal est oxydé et le seul produit obtenu est un alcool primaire. Le même type d'enzyme peut oxyder les alcènes en oxydes, les réactions se fai-. sant à une vitesse suffisamment élevée.

On peut utiliser non seulement des enzymes à l'état isolé et des systèmes d'enzymes,mais même des cellules entières appartenant à un organisme. Par exemple, la bactérie E. Coli, polymérisée avec un gel d'amide acrylique, peut catalyser plusieurs processus chimiques. L'acide glutamique, un des plus importants des amino-acides, peut être facilement obtenu en quantités importantes à partir de

dans un gel perméable aux substrats/,

ont une grande activité et peuvent A

Certains procédés basés sur les

matières premières peu coûteuses telles que l'acide fumarique et l'ammoniac, en employant ce système catalytique. Une des suggestions récentes pour utiliser les enzymes fixés concerne l'utilisation de l'énergie solaire.

si les systèmes enzymatiques des chloro- plastes et des chromophores étaient immobilisés, il serait possible de décomposer l'eau par la lumière solaire. Le système peut-être conçu de sorte que l'hydrogène et l'oxygène soient recueillis séparément. Le rendement en énergie peut être plus élevé que dans une pile à combustible moderne. L'hydrogène est un composé important pour de nombreuses applications par exemple comme combustible et dans les industries chimiques. L'oxy- gène peut être aussi utilisé, par exemple dans la métallurgie.

commencé à se développer seulement maintenant. On peut prévoir pour l'avenir la solution à desproblèmes importants tels que l'oxydation d'hydrocarbures,l'utilisation de l'énergie solaire, la création de combustibles 2 l'aided'un enzyme, la synthèse du glucose et autres sucres à partir de CO L'utilisation des enzymes in vitro, sans avoir besoin de les fixer, pour catalyser certaines réactions chimiques, peut être considérée comme faisant partie de ce domaine, Un exemple récent est le travail de Beresin2 à l'Université de Moscou sur la construction de modèles d'enzymes de la vision, L'oeil est bien connu pour Gtre un outil excellent capable de répondre à un seul photon de lumière absorbée. La raison de sa sensibilité est obscure. Il est connu qu'une protéine colorée spéciale, la rhodopsine, joue un rôle important dans la réaction. Dans l'obscurité, la protéine contient le rétinal cis qui est isomérisé sous l'action de la lumière en reftinal trans avec rupture d'une liaison dans la rhodopsine. Ceci déclenche un processus, pas encore compris, qui amène une excitation des cellules de l'oeil sensibles à la lumière.

Beresin a remplacé la rhodopsine par la chimotrypsine qui est facilement disponible et le rgtinal cis par l'acide cinnamique cis qui inhibe la fonction de la trypsine. L'acide cinnamique cis est transformé en acide cinnamique trans par action de la lumière et le chimotrypsine catalyse la réaction d'hydrolyse. La réaction a été dtoisiede telle sorte

Kaplan', aux U.S.A., a soutenu que

~~ ~~

L'utilisation des enzymes fixés a

et beaucoup d'autres. 2

194

qu'il y a eu formation de produits colorés, la couleur apparaissant dans les régions irradiées. Ainsi, un nouveau type de processus photographique, ne faisant pas intervenir l'argent, peut être considéré, et on peut se permettre d'envisager pour un avenir lointain la vue artificielle, bien qu'à présent les problèmes de transmission des signaux par les nerfs jusqu'au cerveau paraissent insurmontables en pratique.

L'énergétique des organismes vivants.

L'énergétique industrielle diffère complètement de celle des organismes vivants. Le principe fondamental de l'énergétique de l'industrie moderne est basé sur la combustion du carburant qui donne des produits finis et sur l'utilisation de la chaleur dégagée pour la transformer en différents types d'énergie. L'efficacité de ces processus est définie par le deuxième principe de la thermodynamique : elle augmente à mesure que la température augmente. L'efficacité de la centrale électrique la plus moderne utilisant la vapeur est approximativement de 45 pour cent ; celle des machines à combustion interne est de 30 pour cent dans le cas des moteurs à essence et de 40 pour cent dans le cas des moteurs Diesel. Ces chiffres sont valables pour un fonctionnement continu au régime le plus efficace. Dans les conditions réelles, l'efficacité moyenne diminue de 20 pour cent dans un moteur à essence et de 30 pour cent dans un moteur Diesel. Dans les piles à combustible où l'énergie chimique peut être directement convertie en énergie élcctrique, une efficacité de 100 pour cent peut être obtenue en principe à basse température. Les piles à combustible utilisant l'hydrogène, fonctionnent avec des rendements réels d'environ 70 pour cent, car les processus ne sont pas suffisamment réversibles à 1 ' anode.

Les organismes vivants transforment l'énergie chimique en d'autres formes d'énergie sans dégagement de chaleur, avec des efficacités élevées, à basse température. Les études faites sur les processus réels revèlent que les rendements sont élevés , bien qu'ils doivent être inférieurs à 100 pour cent à cause des pertes de chaleur.

quantique de radiation lumineuse de presque 100 pour cent, correspondant à

Les lucioles atteignent un rendement

un rendement de 50 à 80 pour cent. Elles émettent de la lumière gar oxydation de la luciférine. Mc Capra a démontré que des réactions similaires peuvent être faites par oxydation ionique d'analogues de la luciférine, bien que l'efficacité de la radiation lumineuse dans ces conditions soit 10 à 100 fois moindre que dans le cas d'un organisme vivant. Une raison possible de l'efficacité élevée de la réaction in vivo l'effet de matrice de la molécule d'enzyme qui confère de la rigidité à la molécule oxydée. Si cette hypothèse est correcte, il est peut-être possible de créer des systèmes plus efficaces d'émission de la lumière en utilisant des supports dans l'oxydation non enzymatique. Actuellement, la transformation des carburants en énergie lumineuse se fait avec des rendements de quelques pour cent.

est peut-&tre

Le muscle artificiel.

Le taux de transformation des aliments en énergie, par l'intermédiaire de l'A.T.P. est de 60 pour cent et le rendement de cette transformation de l'énergie en effort musculaire est d'environ 30 pour cent, le même que celui des machines à combustion interne. Donc, l'efficacité de la transformation en énergie musculaire de l'énergie obtenue par l'intermédiaire de l'A.T.P. est de 50 pour cent. L'efficacité est augmentée par le fait que les structures de la protéine possèdent de bonnes propriétés élastiques : la production de muscles artificiels devrait, par consé- quent, surmonter les problèmes d'hystérésis que présentent tous les plastiques contemporains. On devrait réaliser un muscle composé de super-molécules, c'est- à-dire de polymères ayant une structure hélicoïdale, et on devrait aussi trouver des réactions chimiques qui approcheraient un rendement de 50 pour cent lors du transfert d'énergie A.T.P. + muscle. Un des handicaps les plus sérieux est notre manque de connaissances sur l'action musculaire chez les organismes vivants.

Mais une fois que notre connaissance sera devenue suffisante, quelles perspectives seront ouvertes pour un muscle fait par l'homme et travaillant avec le rendement d'un moteur de voiture ?

L'homme sera capable de multiplier sa force musculaire plusieurs centaines de fois et de s'envoler comme un oiseau en utilisant de grandes ailes : ce serait un sport des plus agréables. D'un point

195

de vue pratique, le muscle artificiel aboutira à la création de nouveaux types de machines utilisant un mouvement de levier plutôt que le mouvement rotatif. Ces machines auront la souplesse des bras, des jambes et mêmes des doigts. Une machinerie nouvelle sera disponible pour récolter les pommes de terre et les fruits. Des machines remplaceront l'home dans le travail à la chalne. Tout cela n'est qu'un rêve pour le moment mais l'histoire nous apprend que la science et la technologie dépassent souvent les contes de fées.

Energie solaire et nucléaire,

Les plantes obtiennent leur énergie à partir de la lumière solaire par la photosynthèse. Pour des éclairages de faible intensité, le rendement du processus de photosynthèse est de l'ordre de 10 à 25 pour cent, calculé sur la partie active de la lumière solaire qui constitue la moitié de toute la lumière absorbée: les rendements diminuent jusqu'à 2 à 4 pour cent lorsque l'intensité lumineuse augmente. Ceci est probablement lié au fait que les plantes ont besoin de se protéger contre les réactions secondaires provoquées par une irradiation intense et on peut alors supposer que le reddement de la photosynthèse est élevé mais réduit par des facteurs secondaires. L'utilisation de l'énergie solaire est un des problèmes les plus importants concernant l'utilisation de l'énergie étant donné que nos réserves de combustible fossile seront épuisées dans 100 à 150 ans.

L'usage des réacteurs nucléaires pose un certain nombre deproblèmesquoique nous puissions espérer obtenir de l'uranium à partir de l'eau de mer par le processus d'absorption,et contr6ler des réactions de fission basées sur le deutérium et le tritium. Il faut cependant envisager la possibilité de surchauffer laTerre 2 cause de l'utilisation de l'énergie nucléaire et il est très difficile d'être sûr qu'aucune contamination radioactive ne touche la terre, l'atmosphère et l'eau.

L'utilisation de l'énergie solaire n'a pas de tels inconvénients. Le problème le plus important est de savoir comment mettre au point des méthodes qui permettraient la transformation de l'énergie solaire en énergie chimique à une vitesse deux fois plus élevée que dans le cas de la photosynthèse, On pourrait, par exemple, couvrir les zones désertiques de piles solaires ou meme les placer sur la sur3ace

de la Lune, bien que le problème de la transmission de l'énergie de la Luneà laIferre sans pertes trop élevées soit loin d'être résolu, Mais le Soleil transmet à.la terre à peu près IO trillions de kilojoules par seconde dont la moitié environ atteint la surface. En une dizaine de secondes, le Soleil fournit une énergie équivalente à l'énergie fournie par tout le combustible utilisé en un an.

On peut, par conséquent, suggérer que si environ 20 pour cent des terres arides sont consacrées aux ''zones d'éner- gie" et si le rendement de la transformation de l'énergie solaire en énergie chimique peut être augmenté de 25 à 50 pour cent, le rendement annuel en énergie chimique ou électrique sera 150 à 200 fois plus grand que celui obtenu aujourd'hui à partir de tous les combustibles, même en n'utilisant que la moitié de l'énergie qui atteint la Terre. Il y a, bien sûr, des difficultés non seulement technologiques, mais aussi scientifiques. Comment obtenir un rendement deux fois plus élevé que celui de la photosynthèse et 3 fois plus élevé que celui des piles solaires acEuelles ? Le travail de Kaplan qui dit avoir obtenu des rendements plus élevés que ceux obtenus par des convertisseurs photoélectriques en utilisant les enzymes fixés , est très important dans ce contexte ; si nous pouvions atteindre un rendement de 40 à 60 pour cent, cela constituerait un pas important vers l'utilisation de l'énergie solaire, mais il faudrait des quantités si énormes d'enzymes fixés qu'elles devraient probablement être synthétisées.

Catalyse chimique et enzymes,

Un problème très important pour l'avenir de la chimie est la manière de préparer des catalyseurs qui soient aussi efficaces, sinon plus, que les catalyseurs biologiques; il serait très compliqué d'essayer de reproduire une molécule entière d'enzyme mais, en principe, nous avms seulement à reproduire son site actif et nous n'avons pas à faire intervenir toutes les complications de la molécule d' enzyme.

faisant intervenir des principes nouveaux a été démontrée par les travaux récents sur la fixation de l'azote qui est effectuée par les bactéries telles que l'azotobacter. L'azote moléculaire est inerte car son énergie de dissociation

La possibilité de créer des réactions

196

est répartie d'une manière très inégale entre les trois liaisons, la première étant de loin la plus forte (130 Kcal sur un total de 225 Kcal). Pour minimiser les pertes dans la formation d'ammoniac, il serait souhaitable d'introduire simulta- nément deux ou trois moles d'hydrogène pour une mole d'azote afin de casser deux ou trois liaisons en une seule étape élémentaire, puisque la dissociation de la deuxième et de la troisième liaison N-N (avec formation de liaisons N-H) est toujours exothermique. Bien qu'une réaction faisant intervenir simultanément plus de deux ou de trois particules. soit un évènement très improbable, c'est exactement ce qui se passe dans la nature et l'enzyme nitroggnase (tirée de 1' azotobacter) catalysera la réaction entre l'azote et l'hydrogène pour donner l'ammoniac dans des conditions très réductrices. Les recherches faites sur la structure de la nitrogènase ont réviXé que son site actif contient deux atomes de Molybdène et plusieurs atomes de Fer qui sont regroupés ensemble.

proposent un schéma de l'activation et de la réduction des molécules d'azote indiqué sur la figure 1. En 1964, Volpin et Shur5 ont trouvé que divers complexes de métaux de transition peuvent facilement réduire l'azote en nitrures en présence d'agents réducteurs puissants, dans des solutions non aqueuses.

Lichtenstein4 et ses collaborateurs

Complexes de l'azote - Allen et Seno& ont préparé en 1965

au Canada le premier complexe de l'azote moléculaire en utilisant le Ru(II), 2 partir d'hydrazine et de trichlorure de ruthénium . Quelques mois plus tard, Shilov7 a démontré dans notre Institut(]) que ces complexes et ceux du même type peuvent être obtenus directement à partir de l'azote moléculaire, qui, contrairement à ce qu'on pensait, s'est montré très réactif du point de vue de la formation des complexes et réagit même quelques cas en solution aqueuse.

très stables, Ainsi, les complexes de l'azote moléculaire contenant Os (II) peuvent être chauffés sans décomposition jusqu'à 2OO0C. Cependant, l'azote dans ces complexes est souvent très inerte et

dans

Plusieurs complexes de l'azote sont

(1) Institut de chimie physique, Chernogolovka, Moskowskaya ohlast

ne peut être converti en ammoniac. De même, les réactions de Volpin sont impossibles dans l'eau car les agents réducteurs puissants sont décomposés. Shilov et ses collaborateurs ont réduit l'azote en milieu alcalin avec des compo- sés du type Ti(III), Cr(II), V(I1) en présence des composés de Molybdène em- ployés comme agents activants de l'azote. Le Molybdène peut être remplacé par le Vanadium comme dans le cas des réactions biologiques et il s'est trouvé que le V(I1) assure les deux fonctions (activation et réduction). L'azote moléculaire peut donc être réduit même sans molybdène. Le produit de la rgaction peut être l'ammoniac mais encore plus facilement l'hydrazine. Au premier abord, ceci semble être surprenant car l'hydrazine a un potentiel de réduction plus élevé que l'ammoniac. Les deux réactions sont possibles dans des conditions différentes (voir le schéma 1). Ainsi, pour la première fois, les synthèses de l'hydrazine et de l'ammoniac 3 partir de l'azote moléculaire en milieu aqueux et utilisant un agent réducteur sont devenues possibles. Comme dans le cas des réductions biologiques, aucun autre élément que le Molybdène et le vanadium ne peut catalyser la réaction dans l'eau.

réduction de l'azote par V (II) se fait seulement en présence de sels de Magnésium, toujours de la même manière que le processus biologique. La réaction se poursuit à une vitesse élevée même à la température ambiante et à la pression atmosphérique, avec une énergie d'activation encore plus basse que celle du processus biologique.

Contrairement à la réduction enzymatique, la réaction se poursuit ici seulement en milieu alcalin, nécessaire pour augmenter le potentiel de réduction et aussi pour donner une structure convenable à l'hydroxyde. Deux ions métalliques forment un complexe avec l'azote moléculaire ; et deux autres, également inclus dans le complexe, transfèrent des électrons à l'azote moléculaire activé, c'est-à-dire que quatre atomes de Vanadium participent 2 l'étape primitive, conformément au mécanisme décrit dans le schéma 2.

mécanisme est la capacité de l'azote moléculaire à former un complexe avec deux atomes de métal. ce type ont été découverts et isolés

Il est intéressant de savoir que la

La caractéristique importante de ce

Les complexes de

197

Figure 1. L'azote forme un compZea, contenant deux atomes de Molybde'ne et des atomes de fer, qui assure Ze transfert de plusieurs blectrms et Za rupture simut- tanbe d'au moins deux Ziaisons.

récemment par Shilov9 et ses collaborateurs à basse température,et il a été démontré que l'hydrazine peut Gtre le produit de la réduction de l'azote moléculaire (N2).

Energie des agents réducteurs.

Afin de régénérer les ions métalli- ques, qui sont oxydés au cours de la réaction avec l'azote un apport constant ? d'énergie est nécessaire. Dans un système enzymatique., cet apport est assuré par l'énergie chimique des agents réducteurs formés, par exemple, par la photosynthèse. Au laboratoire, on peut utiliser le courant électrique et l'hydrogène à la place de ces agents réducteurs pour réduire électrochimiquement les ions du Vanadium. Le Vanadium bivalent se forme à la cathode et l'oxygène à l'anode. Donc, en principe, l'énergie chimique peut être obtenue sous forme d'hydrazine, qui peut être utilisée dans les piles à combustible. Ceci pourrait Stre parti- culièrement important, dans l'avenir, lorsque le pétrole ne sera plus utilisé pour les transports à cause de la pénurie de brut. Il sera nécessaire de transformer l'énergie atomique en des formes permettant de l'utiliser pour les transports.

L'hydrazine, en tant que carburant

de haute énergie dans les piles à combus- tibleypeut trouver des applications tr5s importantes. Les méthodes industrielles qui existent pour produire de l'ammoniac à bon marché sont très efficaces. C'est pourquoi la synthèse de l'ammoniac dans l'eau semble très improbable.

A la longue, pourvu que l'hydrogène soit utilisé avec succès en tant qu'agent rcducteur, on s'attend à ce que l'hydro- genation catalytique de l'azote à basse température (disons 10O-15O0C) soit possible ; et il est donc vraisemblable que ce nouveau procédé catalytique entrera en compétition avec celui qui existe déjà.

La photosynthèse est dans une certaine mesure semblable à la fixation de l'azote , si cette dernière a lieu en milieu aqueux et si l'agent réducteur est électrochimiquement régénéré, La lumière se comporte comme un courant électrique, transfgrant des électrons de molécules d'eau à d'autres molécules ; de l'oxygène moléculaire est produit et l'énergie chimique du système est augmentée, La réduction de l'oxyde de carbone en hydrures de carbone demande à peu près la même énergie que la réduction de l'azote en hydrazine et en ammoniac. Dans les deux cas, il y a à la fin un transfert d'un électron (et d'un proton) de la

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6V( OH) 2 + N 2 + 6H 2 0 6V( OH) 3 + 2N H 3

Schdma 1. Formation d'ammoniac et d'hydrazine à partir d'azote moldculaire

H .rH-OH H

- H U

H

H OH- H N-NH

// '+ /O\ / H20 /V(III) V(III) V(III) - N2H4

'O' H 'Mg' O H

Schdma 2. Rdduction de l'azote par V (11) en pdsence de sels de magndsium

molécule d'eau au dioxyde decarbone (en photosynthèse) ou à l'azote (dans le cas de la fixation de l'azote) avec les mêmes gains en énergie chimique.

Lorsque les problèmes de la photo- synthèse seront résolus, nous pourrons imaginer des mécanismes identiques pour la transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique sans l'intervention de plantes ou de bactéries, dans des systèmes purement chimiques qui pourraient être plus simples et même probablement plus rationnels.

nécessaire de répéter toutes les complications de la photosyntèse. Par exemple, la diminution de l'efficacité à des niveaux élevés de radiation est probablement due à un mécanisme spécial de protection des plantes contre les effets secondaires d'un excès de lumière. Naturellement, ce mécanisme n'existera pas nécessairement dans les futurs systèmes artificiels, pas plus que d'autres détails de la photosynthèse, Donc, nous serons capables de construire des systèmes non seulement plus simples mais aussi plus efficaces qui auront des rendements très élevés.

tant qui nécessite de l'énergie est la dgshydrogénation des hydrocarbures saturés

Bien sûr, il n'est même pas

Un autre processus chimique impor-

(par exemple, la transformation de l'éthane en gthylène ou celle du butane en butadiène, etc.) qui peut Ztre utilisée pour préparer des monomères Il serait très intéressant de faire ces réactions à basse température en présence d'un catalyseur à base d'un métal coor- dine afin d'éviter les réactions secondaires, qui ont lieu à température é1 evée .

Deux problèmes doivent être résolus. Il est d'abord nécessaire d'activer la molécule d'alcène et la sphère de coordination du complexe. Puis, on doit fournir l'énergie nécessaire, puisque la réaction est endothermique. Ce dernier problème peut être résolu, par exemple, en utilisant une oxydation couplée de l'hydrogène formé pour donner de l'eau. Tout le proces sus serait une dgshydro génation oxydante.

Déshydrogénat ion oxydante

La possibilité d'activer les hydrocarbures saturés par des complexes de coordination a été démontrée récemment au laboratoire de Shilovlo par l'échange deutérium-hydrogène entre des alcènes et l'eau, échange qui n'a bien sûr pas lieu sans catalyseur mais se fait assez bien en solution aqueuse en présence de plusieurs complexes du platine.

L'a déshydrogénation oxydante a été aussi illustrée par l'exemple de la transformation du cyclohexane en benzène.

Dans les systèmes biologiques, l'oxydation enzymatique des hydrocarbures saturés est catalysée par des oxydases à fonctions mixtes. Ce procédé est aussi très efficace mais il s'effectue suivant un mécanisme différent et peu économique du point de vue énergétique. Le mécanisme passe par une oxydation couplée de l'ion Fer dans l'enzyme de sorte que la molécule d'oxygène est partagée également entre la molécule d'hydrocarbure et l'ion métallique. Afin de régénérer le catalyseur, il faut qu'il soit réduit avec une faible perte d'énergie. Du point de vue de la thermodynamique, ces pertes d'éner- gie sont sans importance puisque l'oxydation d'hydrocarbure est une réaction exothermique et ne nécessite pas un surplus d'énergie. Cependant, ce mécanis- me permet des oxydations très sélectives sans réactions secondaires.

l'oxydation couplée des alcanes 2 basse température a été réalisée récemment dans

Dans les conditions non-enzymatiques,

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plusieurs laboratoires ; mais jusqu'à présent, l'oxydation enzymatique se révèle meilleure, car elle permet une meilleure utilisation de l'oxygène. De tels processus peuvent présenter de l'intérêt dans l'avenir pour une prépa- ration sélective de produits d'oxydation. Il faut rappeler que les catalyseurs sont largement employés dans les réactions d'oxydation en chaîne.

et ses collègues dans notre Institut doivent être mentionnés comme particuliè- rement couronnés de succès. Actuellement les réactions d'oxydation en chaîne ont des applications industrielles importantes et sont très prometteuses pour l'avenir de la chimie.

Les travaux effectués par Emanuel

Les progrès naturels.

Ce rapport est loin d'être une étude d'ensemble mais il montre quand même que la chimie a beaucoup à gagner en utilisant les principes des réactions chimiques rencontréesen biologie.

Par rapport à d'autres domaines en cours d'exploration, le grand avantage de ce domaine est que nous pouvons voir comment les problèmes ont été résolus avec succès par la nature pendant le long processus de l'évolution, Par conséquent, nous sommes sûrs que ces problèmes, quelles que soient les diffi- cultés qu'ils présentent, peuvent @tre résolus, L' existence des diamants naturels a provoqué de nombreuses tentatives pour les préparer chimiquement et elle a certainement beaucoup contribué au succès de la première synthèse de diamants en labora to ire,

Beaucoup de scientifiques essayent maintenant d'appliquer les principes de la biologie à la chimie. On peut s'attendre à des développements chimiques importants- dans ce domaine dans l'avenir.

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200

V. Controverses sur l'enseignement de la chimie

Ce serait très fastidieux s'il y avait toujours une seule façon d'enseigner la chimie. Dans cette partie, nous avons choisi quelques thèmes, non seulement considérés comme difficiles à enseigner et à comprendre, mais qui conduisent aussi, par leur nature même, à des avis différents sur la manière dont ils doivent être exposés aux étudiants.

Le premier ensemble de publications traite des principes de l'oxydation et de la réduction. GUILLEMAN et LAFFITTE (France) esquissent les définitions de l'oxydation et de la réduction . HERRON (G.B.) suggère que la notion clef est l'enseignement des nombres d'oxydation, ce qui soulève de vives répliques de la part d'autres enseignants.

La deuxième controverse concerne l'enseignement de la thermodynamique au niveau secondaire. La thermodynamique est un des thèmes récemment introduits dans les programmes scolaires. En effet, quelques programmes ont été rédigés en termes de principes thermodynamiques, ciné- tiques et structuraux, de sorte que, s'ils ne sont pas compris, les étudiants se trouveront désorientés dans la suite de leur étude de la chimie. Dans la pre- mière publication WRIGHT (G.B.) prétend que l'enseignement de la thermodynamique au lycée peut conduire à des simplifi- cations excessives et dangereuses. OGBORN (G.B.) pense qu'il en va de me - me pour la plupart des matières ensei- gnées ; par conséquent, à condition d'ê- tre exposée avec soin, la thermodynamique est intéressante et satisfaisante intellectuellement. Enfin MORWICK (Cana- da) demande de rechercher la façon d'en-

seigner l'entropie et suggère d'aborder le sujet calmement et sans idées pré- conçue s .

l'utilisation du modèle de la répulsion des doublets d'électrons de valence pour l'étude de la forme des molécules. Ce mo- dèle est désormais utilisé dans de nombreux ouvrages du niveau secondaire ou universitaire, mais DRAGO (U.S.A.) soutient que cette théorie peut Stre trompeuse (pour ceux qui auraient oublié les règles fondamentales, voir l'article de GILLESPIE dans le Journal of Chemical Education 40, 295 (1963). Dans la publication suivante, GILLESPIE (Canada) soutient cette théorie, dont il est co- auteur. De manière caractéristique il pose la question suivante vitale dans toute controverse sur la théorie chimique :

Le troisième exemple choisi est

Une théorie doit prouver son uti- lité, et qu'elle conduit b des prévisions correctes, ou tout au moins plus correctes que les théories concurrentes. La plu- nart des théories se sont montrées insuffisantes et ont été remplacées par d'autres. Sans aucun doute, la théorie des répulsions de doublets d'électrons de valence, de même que celle de la liaison covalente et celle des orbitales molécu- laires subiront tôt ou tard le même sort ; ce n'est pourtant pas une raison pour ne pas les utiliser de nos jours.''

1 1

La dernière publication, par ARNAUD (France), est un article très animé traitant de l'introduction dans nos programmes des mécanismes réactionnels en chimie organique.

201

Oxydation et réduction Guilleman et Lafitte

Si l'on interroge autour de soi, on a vite fait de s'apercevoir que le mot oxydation" évoque pour le non spécia- liste quelque chose qui peut servir de point de départ pour un professeur de chimie, alors que le mot "réduction" est intimement lié aux techniques commerciales. Interrogez en effet des élèves n'a- yant pas encore la moindre notion de chi- mke, des élèves de 3e par exemple : ils vous parleront d'acier inoxydable et de leur carte de réduction sur les transports en commun ; ils vous diront que le fer rouille ou s'oxyde, mais ne feront aucun rapprochement entre les réductions qu'ils connaissent et quoi que ce soit qui ressemble à la réduction dont parlent les chimistes.

C'est donc de l'oxydation qu'il parait judicieux de partir pour une initiation aux problèmes d'oxydo-réduction.

Parmi les connaissances déjà acquises par des élèves auxquels on désire parler d'oxydation et de réduction, figure la nature de l'air qui nous entoure, dont ils ont appris qu'il contient environ 20% d'oxygène. Ils savent éga- lement depuis "la leçon" sur l'air que cet oxygène 'entretient la combustion d'une allumette ou d'une bougie, contrairement à l'azote. Les mots combustion, combustible étaient d'ailleurs connus d'eux bien avant qu'on leur en parle à l'école, même si - arrivés où nous en sommes - ils ne savent pas encore très bien de quoi il s'agit. Une "leçon" sur l'eau aura aussi appris que celle-ci est faite d'oxygène et d'hydrogène : ils auront pu à cette occasion voir qu'il est possible de faire brûler de l'hydrogène : (chalumeau oxhydrique - c'est-à-dire à

11

hydrogène et oxygène chantiers), qu'on obtient une flamme qui ressemble beaucoup 2 celle qu'ils peuvent voir sur la cuisinière à gaz fami- liale. Il n'est pas difficile de condenser devant eux la vapeur d'eau résultant de cette combustion ; on écrira avec eux :

- visible sur les

hydrogène + oxygène = eau

Par. analogie, les élèves pourraient Pen- ser que :

bougie + oxygène = eau

puisque, dans ce cas également, ils peuvent condenser de l'eau. Mais il n'y a pas que de l'eau qui se forme : ceci montre que 1 'expérience précédente ne suffit pas à "prouver" que l'hydrogène et l'oxy- gène sont les deux constituants de l'eau. D'une manisre générale, on ne sera jamais assez prudent dans 1 'exploitation des ex- périences faites avec les élèves : il est indispensable de leur apprendre à ne pas faire "dire" à une expérience plus qu'elle ne dit ... PREMIERE APPROCHE DU PROBLEME

Fixation d'oxygène

Dans une première étape, on fera réa- liser aux élèves des réactions de fixation d'oxygène, en choisissant tout d'a- bord une substance solide telle que l'o- xyde formé soit également solide et ne se désagrège pas, dans des conditions ex- périmentales choisies pour cela.

On prendra par exemple du fil de fer que l'on oxydera par chauffage dans de

Traduit et reproduit avec l'autorisation de Unichimie, vol. 6, 1972, et seq. 28 203

l'air et non de l'oxygène à l'aide d'une flamme de gaz. Ainsi sera-t-il facile aux élèves de peser le fil avant l'expérience et après : ils constateront une augmentation de masse du fil, due à la transformation du métal en oxyde. Si la même expérience avait été faite dans de l'oxy- gène pur, la réaction aurait été beaucoup plus vive et des particules d'oxyde se seraient- détachées , empêchant une pesée facile du produit formé, bien que ce soit cette dernière expérience seule qui prouve une réaction de l'oxygène avec le fer (rien n'interdit a priori à un élève de penser que l'azote de l'air peut jouer un rôle dans la combustion à l'air).

L'expérience faite dans l'air est relativement lente : les élèves pourront donc construire la courbe d'augmentation de masse en fonction du temps et s'initier ainsi à la notion de vitesse de ré- action, dont on leur parlera beaucoup plus tard, en pesant le fil de temps en temps. Ils constateront également que la masse tend vers une valeur limite, maté- rialisant ainsi la notion d'asymptote dont on leur parlera en classe de mathé- matique. Pour atteindre ce résultat, il faut naturellement disposer d'une balance de précision (l/lOmg) et utiliser une relativement grande longueur de fil (2 à 3 dixièmes de millimètre de diamètre et une dizaine de centimètres enroulés en hélice à la pointe des cônes d'un bec Mecker) car celui-ci doit être fin si l'on veut avoir le temps de l'oxyder totalement dans le délai relativement court d'une leçon de chimie.

On pourra profiter de cette expé- rience pour leur faire réaliser que le fil chauffé émet de la lumière et leur demander s'ils n'ont pas déjà utilisé une source analogue de lumière. Ainsi pourra-t-on faire le lien avec la leçon d'électricité, OÙ un fil métallique a été porté à l'incandescence par un autre moyen que celui employé ici : c'est maintenant le moment de leur dire que, si ces fils métalliques sont mis dans des ampoules de verre scellées, c'est préci- sément pour éviter toute réaction avec l'oxygène de l'air.

Nous pensons qu'il est absolument indispensable de faire de fréquentes allusions à des choses qu'ils connaissent déjà pour les avoir pratiquées dans la vie courante. A ce prix seulement seront- ils conscients que 1 'école n'est pas un lieu où 1 'on se préoccupe de notions n'a- yant rien à voir avec le monde qui les

entoure. De même, il est indispensable de faire de fréquentes allusions à des notions acquises dans d'autres disciplines scolaires, de façon à ne pas cloi- sonner leurs connaissances. L 'un des auteurs n'a-t-il pas vu des élèves inca- pablede trouver le moyen d'enlever une tache d'iode sur un vêtement A la fin d 'une séance de travail expérimental sur le dosage de l'iode par un thiosulfate !

aux élèves des réactions de fixation d'o- xygène en mettant en présence de l'oxy- gène pur et diverses substances, telles que celles proposées dans l'article suivant, par V. Cordonnier. Toutes ces fi- xations d'oxygène sont appelées oxydations : oxydation du soufre (on fera pru- demment constater l'odeur qui se dégage du flacon, après l'expérience ; on fera allusion aux allumettes soufrées d'autrefois et on expliquera pourquoi on n'en utilise plus) ; oxydation du phosphore (allusion aux bombes au phosphore) ; oxydation du magnésium (allusion aux lampes flash des photographes, celles utilisant la combustion de fils et non celles dites "flash électronique" basées sur un tout autre principe), etc. Ces oxydations conduisent à des oxydes.

Quelques expériences d'oxydation des métaux par l'air peuvent être proposées aux élèves, par exemple l'oxydation du cuivre et du plomb.

quasi-générale tous les métaux sont oxy- dés par l'oxygène de l'air (exceptions : l'or et quelques autres) plus ou moins rapidement. IGme en l'absence d'autres agents corrosifs, cela suffirait à expliquer que dans la nature on ne puisse trouver les métaux à l'état natif (sauf l'or pratiquement). Tous les oxydes correspondants sont une source d'où nous pouvons tirer ces métaux : les minerais sont extraits de la nature et traités par les. métallurgistes, depuis la plus haute an- tiquité pour certains d'entre eux.

On pourra ensuite faire effectuer

On dira aux élèves que d'une manière

Enlèvement d'oxygène

L'opération que mène un métallur- giste pour retirer l'oxygène d'un oxyde, donc pour extraire le métal, s'appelle depuis très longtemps "réduction". Par extension, ce mot est utilisé pour dési- gner l'inverse d'une oxydation, même si l'opération correspondante ne conduit pas à un métal.

L'exemple de la réduction de l'oxy-

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de cuivreux par l'hydrogène, présenté par V. Cordonnier, est très instructif à cet égard, puisqu'il propose de commencer par oxyder du cuivre avant de procéder à la réduction de l'oxyde.

Résumé

Arrivé à ce stade, l'élève connait une première définition des mots oxydation et réduction :

oxydation = fixation d'oxygène réduction = départ d'oxygène

On lui aura signalé au passage que certaines oxydations sont appelées com- b-ustions, bien que ce ne soit pas indispensable à ce stade : ne risque-t-on pas de compliquer inutilement la question ? Néanmoins, le professeur pourra juger utile de définir correctement ce mot que connaissent tous ses élèves, pour le situer par rapport à "oxydation".

TRANSFERT D'ELECTRONS

Les combustions du sodium ou du cuivre dans le chlore, proposées par V. Cor- donnier, sont autant de réactions tout à fait analogues aux combustions dans l'oxygène : elles conduisent à des chlorures dans des conditions comparables à celles qui conduisent aux oxydes préparés

(ou 2 ou 3 piles de poche en série)

Interrupteur l, CristaIlisoir J

précédemment. Par analogie avec les réac- tions de l'oxygène, on parle ici encore des réactions d'oxydation. Les réactions inverses sont encore appelées réductions.

La difficulté consiste à faire prendre conscience aux élèves que la ressemblance n'est pas seulement formelle, qu'il s'agit en fait de transferts électroni- ques.

Pile ou accumulateur

Fig. 1. - En tournant dans le sens contraire aux aiguilles d'une montre à partir de A, dans le circuit, on a : 2 electrons qui arrivent à la cathode (et contribuent d la c4arger négativement). Celle- ci attire Cu2+ , qui circule donc dans la solution, arrivant de l'anode à la surface de laquelle ils se sont formés par arrachement de 2 électrons qui partent vers la pile, attirés par l'élec- trode chargée positivement.

L 'electrode de droite (anode) pré- sente un déficit en électromimposé par la pile, qui les attire pour les renvoyer vers 1 'électrode de gauche (cathode).

Un enseignement d'électricité ayant au préalable permis aux élèves de savoir ce qu'est un courant électrique (circulation de porteurs de charge), on mon- trera alors qu'il est possible d'incorporer dans un circuit électrique une cuve contenant par exemple une solution aqueuse de sulfate de cuivre (CuSO ) ou de sulfate d'hydrogène (H2S04), 5 moins que la notion d'ion n'ait éte introduite précédemment dans le cours de chimie. La figure 1 schématise le montage qui sera réalisé pour cela. On l'utilise pour faire trois expériences successives. Pour la première, on met de l'eau

4

205

pure dans le cristallisoir (ceux qui ne disposent pas d'appareil à distiller se rappelleront utilement la suggestion de V. Cordonnier dans "Unichimie n05" et recueilleront la glace condensée autour du "freezer" de leur réfrigérateur). L'eau étant très peu dissociée ( 1 molé- cule sur 555 millions à 25"C), le circuit est ouvert, même si l'on ferme l'in-. terrupteur : aucun courant ne passe et l'ampoule électrique (une ampoule pour lampe de poche) ne s'allume pas. Pour la seconde expérience, on sèche parfaitement le cristallisoir, où l'on place du sulfate d'hydrogène pur. Pour la même raison(dissociation négligeable de H SO ) 2 4 aucun courant ne passe. Dans une troi- sième expérience, on mélange dans le cristallisoir sulfate d'hydrogène et eau. Une réaction se produit, car on observe le passage de courant matérialisé par l'allumage de la lampe : des porteurs de charge circulent donc dans le cristallisoir, depuis une électrode jusqu'à l'autre. Avec une solution aqueuse de sulfate de cuivre, on arrive au même ré- sultat : des porteurs de charge circulent entre les électrodes dans la solution. Si l'électrode négative est en graphite et l'électrode positive en cuivre, on constate à l'oeil au bout d'un moment que l'électrode de cuivre diminue de dia- mètre avec le temps (s'il s'agit d'un fil de cuivre, on peut constater qu'il "maigrit" dans sa partie immergée) , alors que l'électrode de graphite se recouvre d'un dépôt rougeâtre de cuivre. Du cuivre de la première est passé dans la solution et la solution a donné du cuivre à la seconde (idée qui vient très naturellement à l'esprit des élèves si l'on arrive à les faire bien réfléchir).

Au niveau de la seconde électrode, on a donc :

(forme sous (provenant (qui se dé laquelle se de l'élec- pose à la trouve le Cui- trode) surface de vre dans la l'électrod solution).

Les élèves doivent se demander à ce niveau pourquoi le cuivre métallique formé se colle à l'électrode et ne tom-

be pas au fond de la cuve. (S'ils ne le font pas, il faut les y inciter, car dans un instant nous aurons besoin de la réponse ...) On peut leur répondre que c'est la même raison profonde qui fait que du cuivre ne se détache pas d'un fil de cuivre trempé dans un verre d'eau pour tomber au fond, que dans un morceau de cuivre tout se tient grâce à des attractions mutuelles ou précisément les élec- trons jouent un grand rôle. Il n'est ni prudent ni utile d'aller plus loin à ce stade.

Au niveau de la première électrode, on a au contraire :

(de l'élec- (partant dans (passant trode) la partie mé- dans la

tallique du solution) circuit)

Des électrons sont arrachés au cuivre, détruisant ainsi la stabilité de l'édi- fice métallique ; des ions Cu2+ vont dans la solution. La réaction (l), qui se produit à la surface de la cathode, est dite "réaction cathodique", la réaction (2) "réaction anodique". Toute la difficulté pédagogique consiste maintenant à fran- chir une étape, à dire que :

(1) est une réduction (réduction cathodique).

(2) est une oxydation (oxydation anodique).

Il sera pour cela utile de décrire une électrolyse simple dans son principe, celle du chlorure de sodium fondu, ou celle du chlorure d'étain fondu. On constate alors qu'à la cathode

+ - e + Na - Na (3)

qu'à l'anode

processus comparables à ( 1 ) et (2).

Nous adopterons alors des défini- tions plus générales que tout à l'heure et dirons :

206

I oxydation = perte d'électrons(s) réduction = gain d'électron(s) I I De telles définitions peuvent Gtre

considérées comme "parachutées" par les élèves. Nous pensons qu'il ne faut pas avoir peur de l'admettre à condition de bien faire voir l'intérêt d'un tel para- chutage : celui-ci permet de généraliser le phénomène "oxydation1' (ou "réduction") , le terme général englobant bien sûr le phénomène restreint à la seule défini- tion du début de notre débat.

La perte (QU le gain) d'électron conduit à la formation d'ions, de sorte qu'en toute rigueur, nous ne pouvons parler à ce stade que de réactions conduisant à des composés ioniques. On ne pourrait généraliser davantage encore qu'à condition d'admettre une certaine pola- rité des liaisons covalentes : ce n'est vraiment qu'à ce moment que les élèves pourraient vraiment comprendre que les combustions de métaux dans le chlore sont des oxydations. Au stade actuel, on ne peut le faire qu'à condition de leur demander d'admettre que les chlorures mé- talliques sont des composés ioniques.

On pourra alors présenter aux élè- ves les expériences suggérées par V. Cor- donnier à la fin de la partie II de son article et terminer en montrant qu'oxydation et réduction vont de pair, de sorte qu'on parle de réactions d'oxydo- réduction.

dans un article ultérieur. Nous reviendrons sur cette question

207

Qu'est-ce que l'oxydation? J. LI. Herron

En matière d'enseignement une maxi- me dit que "les professeurs enseignent comme ils ont été enseignés".

bon nombre d'habitudes persistent sans justification logique. Sinon, comment pourrait-on expliquer que la plupart des enseignants définissent encore l'oxydation et la réduction en termes de gain ou perte d'électrons plutôt qu'en termes de variation du degré d'oxydation ?

En fait, tous les textes de chimie générale actuellement en usage présen- tent un commentaire sur le degré d'oxydation ; lorsqu'ils traitent des réac- tions d'oxydation, ils attribuent des nombres d'oxydation aux atomes dont le degré d'oxydation varie. La définition de l'oxydation comme un accroissement du nombre d'oxydation et de la réduction comme une diminution est un procécé très direct, chimiquement juste et facile à suivre par les étudiants. Il semble pourtant que la plupart des enseignants continuent à définir l'oxydation comme une perte d'électrons, introduisant ainsi une complication inutile et déroutante. Lors- qu'il aborde l'oxydoréduction, le professeur commence normalement par un exemple simple d'élément qui se combine à l'oxy- gène, par exemple :

Cela explique probablement pourquoi

2 Ca (s) + O2 (g) - 2 Ca O (s) On peut parler de l'historique de la dé- finition de l'oxydation: combinaison d'un élément à l'oxygène, la réduction étant le processus inverse : retour de l'oxyde aux éléments. La discussion conduit rapidement à la remarque suivante : dans cette réaction, le calcium cède apparemment deux de ses électrons pour former

Ca2+ et l'oxygène en gagne deux pour former O*-. L'oxydation est alors définie comme une perte d'électrons, tandis que la réduction est le processus inverse : gain d'électrons. On donne alors un autre exemple où l'oxygène n'intervient pas, généralisant ainsi à toute réaction qui implique un transfert d'électrons.

Il n'y a pas de mal jusqu'ici, la définition semble reliée au processus chimique qui a lieu : elle est suffisamment générale pour être appliquée à plusieurs réactions que l'on rencontrera ultérieu- rement. Quoi qu'il en soit, on introduit une complication inutile en se concen- trant sur le gain ou la perte d'électrons. La définition fait supposer que l'oxydation met toujours en jeu une perte d'é- lectrons, et on attend des étudiants qu'ils mémorisentune définition ne contenant plus aucun fil conducteur logique quant à son sens, petit détail important lorsque les étudiants doivent retenir un grand nombre de mot nouveaux.

comme une perte d'électrons, la défini- tion historique conserve tous son sens. Si un élément se combinait à l'oxygène on appelait cela une oxydation ; si le composé était réduit à sa forme élémen- taire, c'était une réduction. De telles appellations sont "logiques" pour ces processus. Nous pouvons constater la mê- me logique dans le cas de "l'énergie d'ionisation'' terme dont nous qualifions l'énergie nécessaire pour former un ion positif à partir d'un atome neutre, ou encore dans le cas de "l'électronégati- vité", du "poids atomique'', de la "longueur de liaison", et bon nombre d'autres mots qui appartiennent au jargon du chimiste. Mais comment l'étudiant peut-il associer

Malgré la définition de l'oxydation

208 Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Education, vol. 6, 1972, p. 51-2.

"oxydation" et l'perte d'électrons" ? Pire encore, il est clair que les idées asso- ciées au mot "réduction" sont à l'opposé de la définition correcte, en gain d'élec- trons. Les chimistes comprennent bien sûr l'origine historique de ces termes, mais cela n'aide pas le débutant qui se débat pour mémoriser les centaines de mot nou- vaux dont on le bombarde dans les leçons d'introduction. Si nous définissons simplement l'oxydation comme un accroissement du nombre d'oxydation, la réduction comme une diminution, la nouvelle association de mots semble un peu due au hasard. %me si l'on ne trouve pas d'idée directrice dans cette défini- tion de l'oxydation, il est tout à fait logique d' associer "diminue" B "réduc- tion" et l'étudiant trouve ainsi une association étroite qui l'aide à retenir les mots nouveaux.

Définir oxydation et réduction en termes d'augmentation et de diminution du nombre d'oxydation modifie peu l'ex- posé habituel sur les réactions d'oxydo- réduction. Dans l'exemple du calcium cité précédemment, le commentaire attire l'attention sur le fait que nous attribuons le degré d'oxydation zéro au calcium mé- tallique, et plus deux au calcium combiné à l'oxygène. Passant de zéro à plus deux, le nombre d'oxydation a augmenté, et nous disons par définition que le calcium a été oxydé. Le maître peut à la rigueur faire remarquer que dans ce cas la variation du nombre d'oxydation est due 2 ce que chaque atome de calcium perd deux élec- trons pour former un ion calcium de charge plus deux. Quoi qu'il en soit, il faut insister sur le fait que c'est la variation du nombre d'oxydation qui indique une oxydation ou une réduction, plutôt que le transfert d'électrons.

dation et réduction en terme de perte ou de gain d'électrons attribuent normalement des nombres d'oxydation aux éléments, mais continuent à se concentrer sur le transfert d'électrons. C'est inutile et cela conduit à une confusion de plus. Un commentaire de la réaction d'oxydo-ré- duction typique : ' O +5 +2 +4 Zn + 4 HN03 -Zn(N03)2 + 2 NO2 + 2 H20

Les enseignants qui définissent oxy-

se déroule d'habitude 2 peu près ainsi : (après avoir attribué les nombres

d'oxydation aux éléments concernés)

vous voyez que la charge (ou nombre II

d'oxydation) du zinc est pass6e de zéro à plus deux. Le zinc a-t-il perdu ou ga- gné des électrons ? Alors, a-t-il été oxydé ou réduit ?

répondent : '' le zinc a gagne des élec- trons et le professeur explique alors : Non ; rappelez-vous que les électrons

sont chargés négativement, puisque la charge du zinc a augmenté, nous avons du perdre quelques-uns de ces électrons né- gatifs ". Eventuellement, les étudiants semblent avoir compris, et la leçon continue. U1- térieurement, une épreuve nous révèle que la compréhension, n'était pas aussi com- plète que nous l'avions espéré. La contra- diction apparente entre "perdre" quelque chose et aboutir à une valeur numérique supérieure déroute les étudiants qui se débattent avec un grand nombre de notions nouvelles pas très bien assimilées.

Cette confusion est certainement mal- trisable et la majorité de nos élèves peut s'en tirer, mais le fait est que l'écueil peut être entièrement évité. Si l'oxydation est définie comme un accroissement du nombre d'oxydation, il est tout à fait inutile de demander si des électrons ont été gagnés ou perdus. Puisque le nombre d'oxydation du zinc a augmenté dans cette réaction, le zinc a subi une oxydation. Cela résulte immédiatement de la défini- tion.

Il y a toujours des débutants qui

Les arguments avancés pour définir oxydation et réduction en termes de changement du nombre d'oxydation plutôt qu'en termes de transfert d'électrons peuvent sembler mesquins à beaucoup de lecteurs, et ils n'y attachent probablement que peu d'importance. Il y a pourtant un autre argument, ayant bien plus de poids. Le simple fait de définir oxydation et réduction en termes de transfert électro- nique trompe beaucoup d'étudiants, qui croient alors que toute réaction d'oxydo- réduction implique nécessairement un échan- ge d'électrons ; ce qui, évidement, n'est pas tout à fait exact. Même dans le cas simple de la combustion du charbon de bois produisant du dioxyde de carbone, il est douteux qu'on puisse soutenir l'hy- pothèse selon laquelle le carbone aurait perdu des électrons au profit de l'oxy- gène. Le dioxyde de carbone est une mo- lécule covalente par excellence ; les nombres d'oxydation + 4 et -2 attribués respectivement au carbone et à l'oxygène

209

ne sont plausibles que si nous admettons artificiellement que les liaisons sont ioniques, et attribuons les électrons de liaison à l'élément le plus électroné- gatif. Un exemple plus convaincant est peut-être la réaction entre les ions chlorate et sulfite, donnant des ions chlorure et sulfate :

c'O; + 3 so32-- c1- + 3 so4 2-

Si l'on effectue la réaction en utilisant KClO évidence le fait que la réaction a lieu par transfert direct d'un atome d'oxy- gène d'un ion C10' à SO2'. Le transfert d'électrons d'un 3atome '2 l'autre n'est pas mis en évidence. Il y a pourtant une variation des degrés d'oxydation et la réaction est considérée comme un bon exemple d'oxydorEduction.

Les auteurs de la plupart des ouvrages d'initiation, même ceux qui dé- finissent l'oxydation comme une perte d'électrons,soulignent que l'oxydation et la réduction ne mettent pas obliga- toirement en jeu un transfert d'électrons, mais ce point semble échapper aux étu- diants. Lorsque, au cours de réunions pé- dagogiques, je discute avec des assistants qui enseignent en s'appuyant sur mon.cours d'introduction à la chimie, la plupart se montrent surpris lorsque je recommande de ne pas invoquer le transfert d'électrons. J'observe la même réaction avec des candidats au professorat. Essayez-le seulement avec votre groupe d'élèves, avant de conclure qu'ils ne sont pas induits en erreur lorsque nous définissons l'oxydo- réduction en termes de transfert d'élec- trons !

Les professeurs qui ont l'habitude de définir de cette manière réagissent à mes suggestions par des questions comme celle-ci : Et l'électrochimie ? '' Vous êtes alors bien conduit 5 parler de transfert électronique ? " ou bien : équilibrer les équations d'oxydo-réduc- tion ? N'utilisez-vous pas les demi-réac- tions ? Vous êtes bien obligé, à ce moment, de parler du transfert d'électrons l'.

difficulté. Bien sûr que je parle des électrons en électrochimie. Lorsque je commente la pile Daniell, j'indique que le zinc métallique asse en solution en formant des ions Zn , et que, dans ce

enrichi en I8O on met en 3

Que faites-vous pour II

Ces arguments ne me mettent pas en

5+

processus, il libère des électrons dans le circuit extérieur ; je dis que les ions Cu2+ en solution captent des élec- trons provenant du circuit extérieur pour former des atomes neutres Cu qui se dé- posent sur l'électrode de cuivre. Mais je ne dis pas "le zinc a été oxydé parcequ'il a perdu des électrons". Il est aussi facile de dire : "le zinc a été oxydé parce que son nombre d'oxydation a aug- menté". 11 se trouve que cela a été réa- lisé par la perte d'électrons.

De même, je n'éprouve pas de diffi- culté 2 équilibrer des équations d'oxydo- réductiona: je les introduis normalement avant d'exposer l'électrochimie, et je les équilibre en raisonnant sur l'augmentation et la diminution du nombre d'oxydation, sans parler d'électrons. Je ne décompose pas en demi-réactions à ce moment-là, cela me paraît trop artificiel pour des réactions, qui se déroulent dans un simple bécher ; on peut le faire, si l'on veut. Lorsque je traite l'électro- chimie, j 'utilise effectivement les demi- réactions. 11 y a une certahe logique à décrire ce qui se passe dans chaque demi- pile, et c'est une méthode facile que d'employer ces demi-réactions pour équili- brer l'équation réactionnelle globale. Les électrons figurant dans l'équation de la demi-réaction ne sont pas un artifice, mais de toute évidence, ils par- courent le circuit extérieur. Peu importe que le mécanisme d'équilibra- ge d'une réaction se fasse par compen- sation entre gain et perte d'électrons ou bien entre variations du nombre d'o- xydation, puisque le résultat est le mê- me. Généralement, je laisse l'étudiant utiliser la methode qui lui convient le mieux. Cependant, j'essaye de bien pré- ciser que la méthode des demi-réactions utilisant le gain et la perte d'élec- trons est simplement un outil lorsqu'on l'applique à d'autres réactions rédox, et ne décrit pas nécessairement le processus chimique.

Continuons-nous à définir l'oxydation et la réduction en termes de transfert d'électrons simplement parce que c'est ainsi qu'on nous l'a appris ? Exis- te-t4lune raison logique ou pédagogi- que valable pour ne pas écarter cette définition, et ne pas lui préférer celle, plus générale, fondée sur les variations du nombre d'oxydation ?

210

S'il en existe une, je ne l'ai pas trouvée. J'ai seulement trouvé ce que je considère comme de bons motifs en faveur de l'inverse, et jusqu'à preuve du contraire, je continuerai à dire : '' l'oxydation est une augmentation du nombre d'oxydation, la réduction une diminution de ce nombre ". Je pense que vous devriez faire de même.

211

Le lion rugit : Réponses à l'oxydation? >> K. Schug, J. Koellner, G. Loveridge et J. A. Janke

Réponse de KENNETH SCHUG, Illinois Ins- titute of Technology, Chicago.

Je suis d'accord avec le point de vue selon lequel définir oxydation et réduction en termes de degrés d'oxydation (et non de perte ou gain d'électrons) pré- sente de nombreux avantages et devrait être encouragé. Toutefois il convient de ne pas perdre de vue que les règles uti- lisées pour trouver les nombres d'oxydation sont quelque peu arbitraires, parfois énigmatiques (p. ex : peroxyde/oxyde) ; bien souvent elles demeurent sans rapport avec la véritable distribution des charges à l'intérieur d'une molécule. Le caractère arbitraire des états d'oxydation peut @tre démontré de manière convaincante en attribuant des nombres d'o- xydation non-conventionnels aux éléments figurant dans une réaction d'oxydo-ré- duction convenablement choisie ; dans la mesure où la somme des degrés d'oxydation est égale à la charge nette de chaque particule (ion ou molécule), l'équa- tion peut être équilibrée.

En rapport avec cela, il est possible (et je crois préférable) d'équilibrer des équations d'oxydo-réduction en utilisant les "demi-réactions" sans se servir des nombres d'oxydations. Il suffit seulement d'identifier deux couples réac- tif-produit (en général des éléments communs) et, dans une dernière étape, d'a- jouter des électrons pour égaliser les charges. Par exemple dans le cas de la réaction :

2- - 2- - c103 + so3 - c1 + so4

on peut procéder de la façon suivante pour les espèces contenant du chlore :

<< Qu'est-ce que

- c10; - c1 H20 pour équilibrer l'oxygène).

(C1 est équilibré) -

CIO; - CI + 3 H O (on ajoute le solvant 2

+ - + 6 H + ClO;-.Cl + 3H O (on ajoute H ,

supposant la solution acide, pour équilibrer l'hydro- gène)

2

+ 6 e- + 6 H + ClO; -C1 + 3H20

(on ajoute des élec- trons pour l'équi- libre des charges).

On fait de même pour les espèces contenant du soufre.

"Enfin, la recherche des coefficients en solution basique" est souvent sim- plifiée en équilibrant d'abord en milieu acide (en se servant de H+ et H O comme entités auxiliaires), puis en écrivant une "neutralisation" sur le papier (ou au tableau noir), p. ex :

1'

2

4 H+ + Zn + 2 NO;-Z~ 2+ + 2 NO:! + 2 ~~0

(équilibrée en solution acide). Pour "neutraliser" on ajoute 4 OH- de chaque côté en tenant compte de H+ et O H - d B O 2

2+ 4 H20 + Zn + 2 NO-- Zn +2 NO2 + 2H2b + 40H- 3

et on simplifie en enlevant 2H O de chaque côté : 2

2 H20 + Zn + 2NOi-Zn 2+ + 2N02 + 40H-

Réponse de JOHN KOELLNER, Jeckson High School, South Bend, Indiana 46614.


Je trouve un certain mérite à la suggestion de J.D. HERRON, qui définit l'o- xydation comme un accroissement du nombre d'oxydation, en particulier si l'on a des difficultés à faire comprendre qu'une oxydation est une perte apparente d'élec- trons. Personnellement, je ne trouve toutefois pas très convaincants les arguments en faveur de cette définition.

J'admets que l'oxydation est correctement définie comme une perte "apparente" d'électrons. Le problème est analogue à celui de la définition du nombre d'oxydation. Si nous nous référons au nombre d'oxydation d'un ion monoatomique, ce nombre est la charge effective. Si nous considérons le nombre d'oxydation d'un atome enagagE dans une molécule ou un ion polyatomique, ce n'est plus alors sa charge réelle qui résulte de l'attribution des électrons de liaison à l'atome le plus électronégatif. Ainsi, lorsque nous nous reportons à des réactions, telles que :

CuS04 + Zn --c ZnSO + Cu 4 oxydation signifie perte effective d'é- lectrons, tandis que dans la décomposi- tion du peroxyde d'hydrogène en oxygène et eau, la perte d'électrons n'est qu'apparente.

souligner que nous observons ce gain et cette perte apparents d'électrons par le biais de variations des nombres d'oxydation. Cependant, les nombres d'oxydation sont des moyens d'observation, mais non une fin en soi.

Il est certainement nécessaire de

Comne J.D. HERRON le fait remarquer, la confusion vient de ce que le nombre d'oxydation augmente lorsqu'il y a perte apparente d'électrons. Le problème se complique lorsqu'on demande à l'étudiant d'identifier les substances oxydées ou réduites, de changer le système de réfé- rence et de préciser le rôle de l'oxydant et du réducteur. La solution consiste à attirer l'attention de l'étudiant sur le fait que, dans une réduction, le nombre d'oxydation diminue en raison d'un gain apparent de charges négatives (élec- trons). Si on insiste, le message passera, la meilleure compréhension et l'acquisition ainsi obtenue en valent bien la peine.

Réponse de GLEN LOVERIDGE Silver Meights Collegiate, Winnipeg, Manitoba R3JOS4.

Dans l'article de High School Forum de janvier 1975, J.D. HERRON propose de définir oxydation-réduction en termes d'augmentation-diminution du nombre d'o- xydation plutôt qu'en termes de perte ou gain d'électrons. Je voudrai proposer l'emploi des deux me- thodes.

xydo-réduction, je commence par les défi- nitions historiques : oxydation des mé- taux, puis réduction des oxydes et retour aux éléments. Je montre des exemples, où j'inclus des dquations ioniques. Je demande à des étudiants de calculer le nombre de protons et le nombre d'éleccrons, par exemple :

Lorsque j'enseigne les réactions d'o-

Ag+ + Na + Ag + Na

47P 1 1P 47p. Ilp

46e 1 le 47e 1 Oe

La plupart des enseignants connaissent : "LE0 le lion dit GER" (Lose Elec- trons Oxidation, Gain Electrons Reduction) que j'utilise come moyen mnémonique.

J'introduis aussi les variations des nombres d'oxydation, et j'indique que le concept moderne veut que certaines de ces variations ne représentent pas de véri- tables transfertsélectroniques. Je montre des exemples qu'on peut trouver dans les guides du maître de CHEM-STUDY.

duction en termes de nombre d'oxydation, j'utilise le mot réduire.

De même, lorsque je définis la ré-

le nombre d'oxydation est réduit (diminué)

le nombre d'oxydation est augmenté

= réduction

= oxydation

Dès le début, j'utilise les deux modes de définition.

Ensuite, j'équilibre les Squations réactionnelles en décomposant chacune d'elles en demi-réactions, mais je me sers des nombres d'oxydation pour équilibrer ces demi-réactions. J'aime utiliser les demi-réactions parce que les élèves peuvent en déduire l'oxydant, le réducteur et les autres espèces intervenant dans

213

la réaction. L'exemple suivant illustre la méthode, les facteurs 5 et 3 assurant 1' équilibre :

KC103 - KC1 + 5 - 1

KC103 + C2H40 - CO2 + KC1 + H20

diminue de 6

1/2 réaction de réduction

Après les réactions d'oxydo-réduction, j'enseigne l'électrochimie où j'utilise les définitions fondées sur les transferts électroniques. Je souligne ici que, dans les réactions rédox, bien souvent (mais pas toujours) la variation du nombre d'oxydation indique combien d'élec- trons ont été gagnés ou perdus.

Pour conclure, je trouve commode d'utiliser les deux modes de définition : variation du nombre d'oxydation et transfert d'électrons.

Réponse de JAMES A. JANKE, Southwester Michigan College, Dowagiac, Michigan

Si les concepts d'oxydation>de ré- duction, de nombre d'oxydation avaient pour seul but l'équilibrage des équations, il serait judicieux et direct de baser les définitions uniquement sur les variations des nombres d'oxydation. Je crois cependant que ces concepts sont utiles aussi comme moyens de description de la chimie réactionnelle, et que, par conséquent, les définitions doivent s'ap- puyer sur cette chimie des réactions. Je crois qu'il est important, surtout pour des raisons pédagogiques, de relier si possible les concepts théoriques au comportement physique ou chimique de la ma- tière. Les étudiants acceptent plus faci- 1 emen t l'e s t héo ri e s e t no t amen t 1 eur s spéculations quantitativeslorsqu'on peut

les convaincre que ces théories reflètent bien 1s réalité. Définir l'oxydation comme un accroissement du nombre d'oxydation, et la réduction comme une diminution de ce nombre suppose l'attribution, articiel- le et arbitraire , de tels nombres d'oxydation aux éléments qui participent à la réaction. .. Cela incite l'étudiant à envisager tout le concept des réactions d'oxydo-réduction comme n'ayant aucun rapport avec la réalité, mais simplement comme une combinaison fortuite de facteurs permettant de jouer à un jeu. Il est important de distinguer entre la notion de nombre d'oxydation (et de ses variations) , et celle d'oxydo-réduction en tant que processus. Je prétends que la première est artificielle, mais que la seconde ne l'est pas. C'est à dire que l'oxydation et la réduction peuvent Gtre considérées comme toujours en rapport avec la chimie de la réaction étudiée.

[En commentant des réactions telles que l'action de C10- sur S02' où l'ex-

se produit pas de véritable transfert d'é- lectrons, J.A. JANKE ajoute : la difficulté 5 rationaliser la réaction en termes de transfert électronique résulte de l'insistance avec laquelle on parle de transfert complet d'électrons. Pourquoi ne pas parler de transfert partiel d'élec- trons, ou mieux de transfert de densité électronique ? Relier oxydation et réduc- tion au transfert de densité électroni- que convaincra l'étudiant que les variations du nombre d'oxydation sont effectivement associées à un processus chimique réel qui a lieu même dans cette ré- action .]

périence montre, à 31'évidence, 3 qu'il ne

I ( oxydant )

C2Hq0 --c 2C02

- 2 + 8

(réducteur

~~

l l augmente de 10

1/2 réaction d'oxydation

2 14

Contre l'enseignement de la thermodynamique au lycée P. G. Wright

12 y a eu récement des recomanda- tions nombreuses et largement diffusées pour comencer Z'enseignement de la Thermodynamique avant le point "traditionnel" de départ. (en Chimie, Za pre- mière année des universités angZaises et Za d e d è m e année des universités écos- saises).

Avancer l'enseignement de la Ther- modynamique dans Zes écoles secondaires est envisagé par pzusieurs universitaires non seulement avec satisfaction, mais avec impatience.

Les élèves des écoles secondaires seraient occupés très utilement à comprendre les concepts de base concernant les constantes d'équilibre, les vitesses et les constantes de vitesse ainsi que les relations thermochimiques oii intervient AH. C'est sur ce genre de sujet que devraient mettre l'accent les cours de Chimie )physique classique. Au lieu d'insister sur ce point comme le commande le bon sens, certains ouvrages modernes pour le secondaire parmi les plus "entre- prenants", déclarent aux élèves qu'il leur faut étudier la thermodynamique - sujet qui jouit de la réputation d'être la partie difficile des programmes universitaires - sujet dont la compréhension nécessite,selon les spécialistes, une formation conceptuelle de l'esprit trop poussée pour être celle des élèves de lycée-enfin sujet pour lequel la majo- rité des professeurs du secondaire n'a certainement pas r q u l'instruction suffisante.

Le fait que la plupart des professeurs d a secondaire ne sont pas qualifiés pour enseigner la Thermodynamique vient d'une part de la "difficulté" du sujet,

d'autre part, de l'inexactitude parfaitement scandaleuse de la "Thermodynami- que" qu'on enseigne dans bon nombre d'u- nivers i tés.

"Difficulté" de la Thermodynamique :

La Thermodynamique n'est pas un sujet populaire parmi les étudiants chimistes à l'université et on le trouve souvent difficile. Il est très fréquent d'entendre des étudiants dire "je ne la comprendspas, même si j'arrive à avoir des notes suffisantes à l'examen" ou "ce n'est pas de la Chimie".

"Ce n'est pas de la Chimie", peut avoir deux sens : (i) une telle remarque alors triviale et sans intérêt peut être faite après l'étude de certains livres qui traitent non pas tellement de la Thermodynamique deS.réactions chimiques, mais surtout des propriétés physiques de mélanges liquides idéaux ou non idéaux (avec différents cas particuliers des mélanges non idéaux). (ii) Ce peut être dans un sens beaucoup plus fondamental que les étudiants trouvent que la Thermo- dynamique n'est "pas de la Chimie".

Même s'ils étudient des livres et des cours dont le sujet principal est la Thermodynamique des réactions chimiques (voir schémas 1 et 2), les étudiants font fréquemment cette remarque. Effectivement ils ont raison d'un certain point de vue. Par exemple, l'équation dLogekp/dt = AH/ RT2 exprimant la variation de la constante d'équilibre en fonction de la tempéra- ture, est bien de la Chimie ; mais l'ar- gumentation de base n'en est pas.

Reproduit avec l'autorisation de 1'Education in Chemistry, vol. 11, 1974, p. 9-10. 215

Schéma 1. Place de la Thermodynamique dans la Chhie

C H I M I E l fi

Produits chimiques Physicomathématique

i Organique Inorganique Equilibres Vitesses Structures 1

Thermodynamique (théorie des propriétés thermiques d'objets macroscopiques 3 l'équilibre Expérience exprimées en termes macroscopiques non moléculaires)

Le raisonnement thermodynamique repoee sur des idées de Physique et de Mathématiques plutôt que de Chimie ; et encore, sur la Physique macroscopique et les Mathématiques pures. Le contenu physique est celui d'une théorie entière- ment exprimée en termes non moléculaires, l'outil mathématique nécessaire est bien plus la connaissance de ce qu'est une intégrale que de la valeur numérique de cette intégrale.

Mécanique statistique (théorie statistique du comportement d'un rassemblement de molécules)

Système théorique exprimé en termes purement macroscopiques concernant surtout l'équi. libre, la thermodynamique ne peut fournir que des informations fortuites sur les vitesses et aucune information sur les structures.

Déformation de théories physiques.

Re'duetion à un voeabuZaire. On sou' tient parfois que la connaissance des mots (entropie, ou d'autres) peut avan- tageusement précéder l'étude formelle de la notion. Les étudiants trouvent pourtant difficile le contenu physique et non pas les mots. Pour un étudiant à l'aise avec le mot "entropie", il en est des centaines pour lesquels ce concept est une pierre d'achoppement.

Idées Eausses sur l'entropie.

plus répandues et les plus dangereuses concernant les principes de la Thermo- dynamique : (i) l'entropie est un nom qu'on donne à une mesure quantitative du désordre au niveau moléculaire. (1;) On a le droit de parler de 1'"antropEe de l'univers" et de son augmentation.

Le manque de place ne me permet pas de dire beaucoup plus que cette afflrma- tion (et de l'accompagner des références nécessaires) : ces deux phrases sont dé- sastreusement fausses. L'entropie a un sens en termes purement macroscopiques et non moléculaires : au niveau molécu- laire, elle n'est corrélée que partiellement (au mieux) avec le désordre (1 à 9). L'''entropie de l'univers'', et ses changements,sont des concepts entière- ment erronés (8, 10, 11).

Voici les deux idées fausses les En outre, une telle approche illustre parfaitement ce que dit Maxwell (12) : "n'importe quel brin de science qui vient à apparaître est présenté sous une forme extrêmement confuse et approximative, apparemment dans l'espoir que les facul- tés mentales du lecteur, qui auraient rejeté une nourriture plus solide, vont se saturer insensiblement de cette phra- séologie scientifique, à condition qu'elle soit diluée dans une quantité suffisante de phrases plus familières. De cette ma- nière, simplement en lisant, l'étudiant peut être englué dans cette phraséologie scientifique sans avoir été amené à fournir sur elle la moindre réflexion. La perte entraînée par une telle acquisition ne peut être évaluée que par ceux qui ont été contraints de ne pas apprendre une science qu'ils auraient pu au moins commencer à apprendre".

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Schéma 2. Aperçu schématique concis des arguments théoriques engagés dans la Thermodynamique chimique.

Principes macroscopiques Conséquences chimiques empiriques ("Lois thermo- Existence de quelques en particulier relations dynamiques" + propositions - fonctions possèdant - concernant les constantes préliminaires nécessaires) quelques propriétés d'équilibre.

Une illustration de la phrase de Dirac (1) : "L'objectif principal des sciences physiques n'est pas de donner des schémas, mais de formuler des lois régissant les phéno- mènes et d'appliquer ces lois pour découvrir de nouveaux phénomènes".

Un autre point de vue qu'on rencontre souvent comme une excuse d'avoir traité une matière de façon erronée, est qu'un exposé initial "n'est pas le lieu d'une étude en profondeur". Que les expo- sés élémentaires restent élémentaires, c'est un objectif certainement souhaitable. Mais justement ce qui est difficile, c'est qu'ils doivent être le plus simple possible sans être erronés ou superfi- ciels. En particulier, il ne faut pas inculquer des notions qui devraient être abandonnées ensuite si le sujet était traité plus à fond.

Enseigner que "l'entropie est le nom qu'on donne à une mesure quantitative du désordre" est criticable aussi bien au niveau des classes élémentaires que partout ailleurs : l'idée enregistrée en premier est celle qui persiste le plus. "Un débutant peut avoir des diffi- cultés à suivre la première fois un calcul un peu long, mais il peut le suivre s'il est rigoureux et logique. Certains calculs "simplifiés" ne sont pas dif f i- ciles à suivre, mais tout simplement impossibles à suivre'' (13).

Influence mahaine de ceux qui partent bien. Il est nécessaire, durant un enseignement de sciences physiques, de se méfier des gens qui sont enclins à remplacer le contenu réel d'une théo- rie par un verbiage retentissant. La Thermodynamique ne leur a pas échappé : la perspective de disserter sur le "sort de l'univers" est fort attrayante, et un trop grand nombre de mauvais articles a utilisé des mots tels que "travail", "énergie" et "chaleur" gissait de mots mystiques plutôt que scientifiques .

comme s'il s'a-

Les spéculations pseudo-philosophi- ques sur l'l'entropie et la nature de la vie" semblent séduire plus certaines personnes que le fait d'appliquer des équations thermodynamiques à un équili- bre pour des réactions déjà étudiées au laboratoire de Biochimie. Ce sont pourtant de tels calculs et la théorie (plus vaste) qui les sous-tend qui constituent précisément la Thermodynamique.

Conclusion

La Thermodynamique ne possède pas la vertu qu'on lui attribue occasionnel- lement, de fournir un thème convenable et fondamental pour le traitement unifié et général de la totalité de la Chimie. Elle n'a rien à dire en ce qui concerne les aspects structuraux de la Chimie et très peu de chose sur la cinétique et les mécanismes,

Comme elle n'évoque pas de modèles moléculaires particuliers (du fait que les équations sont établies par des con- sidérations purement macroscopiques ne nécessitant pas de modèles), la Thermo- dynamique est un sujet particulièrement mal adapté à l'enseignement élémentaire. Elle démontre l'importance de théories non figuratives en sciences physiques : c'est un thème bien plutôt réservé à un enseignement de niveau universitaire.

Epilogue : Ne pas avancer d'interpréta- tion évidente.

Lorsque, pour une réaction chimique, on calcule la valeur de AS à partir des valeurs expérimentales de AG et de A H et qu'on examine les résultats, on trouve en général que : (a) Pour des réactions entre solides et liquides purs, les valeurs ne sont pas numériquement importantes. (b) Les valeurs sont très posi-

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tives dans le cas des réactions qui mettent en jeu la production de gaz à partir de solides ou dont la stoechiométrie correspond à une augmentation du nombre de moles gazeuses. C'est à partir de telles généralisations qu'on arrive quelquefois à la relation entre S et le dé- sordre.

Bien que dans ce cas il soit en effet correct de dire qu'il existe une corrélation entre A S et le changement de l'étendue du désordre, une telle corréla- tion ne découle peut-être pas très directement des données. Il a deux corréla- tions (dépendant l'une de l'autre) plus évidentes et plus nettes : (i) Avec la stoechiométrie (AS grossièrement pro- portionnel à AlWI, le changement du nombre de molécules gazeuses, si on par- court l'équation chimique de la gauche vers la droite), (ii) Avec l'augmentation associée de volume (AS grossièrement pro- portionnel à A v , à pression constante).

La première de ces corrélations correspond à la règle utile selon laquelle : pour une réaction chimique - ou un autre processus - mettant en jeu des espèces gazeuses et des solides ou des liquides purs, à condition que les pressions partielles des gaz ne diffèrent pas trop de la pression atmosphérique,

-1 A S -AIYgI x 120 joule mol deg-l

Bib 1 iographie

1. R.H. Fowler, Statistical mechanics 2nd edn. pp 200-7. Cambridge : CUP, 1936.

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8. M.L. McGlashan, J. chem. Educ., 1966,

9. P.G. Wright, Contemp. Phys., 1970, 1 1 ,

relation très utile dans de simples calculs de prévision.

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Pour l'enseignement de la thermodynamique au lycée J. Ogborn

Cet article appuie quelques propositions (mais pas toutes) en vue d'introduire des notions de thermodynamique dans le programme des lycées. On peut donner un aspect redoutable aux arguments contre cette initiative : ils doivent être pris au sérieux.

par nature, la thermodynamique est trop difficile pour l'enseignement secondaire, si bien que toute simplification conduit inévitablement à falsifier. On peut montrer que certaines façons 'Isimples" de présenter les notions de thermodyna- mqie, notamment l'affirmation que l'entropie ''est une mesure quantitative du désordre", paraissent incohérentes lorsqu'on les examine avec quelque attention.

Avant d'aborder ces questions dans tout le détail qui convient, donnons des arguments parallzles contre l'enseignement de thèmes qui, manifestement, peuvent et doivent être enseignés au lycée ; en quelque sorte, naus réduisons à l'absurde d'imprudents arguments tirés à pro- prement parler de la "nature essentielle" du sujet, et dont s'inspirent beaucoup d'autres arguments contre l'introduction de la thermodynamique au lycée. Evidemment, on pourrait dire aussi que les programmes de l'enseignement secondaire devraient laisser de côté la dynamique newtonienne. Le concept fondamental, celui de la masse, est extrê- mement subtil ; il peut être trop facilement confondu avec des hérésies telles que "quantité de matière présente dans un corps'' ou avec diverses grandeurs comme la masse de gravitation.

la structure théorique tout entière est incompréhensible sans la notion de sys-

La raison la plus éloquente est que,

De même on peut faire remarquer que

tème de référence, elle-même certainement trop difficile et trop abstraite pour l'enseignement secondaire. Nous sommes alors devant un sujet fondé sur les notions hautement formelles d'invariance et de covariance, qui tiennent de structures mathématiques impossibles à assimiler par des élèves trop jeunes.

reils arguments. Le bon sens l'emporte vite et montre qu'une partie seulement de ces notions peut être enseignée, et encore avec précautions. Les élèves peuvent concevoir la masse comme une mesure de la difficulté que l'on éprouve à accé- ler ou ralentir un corps. Quoi qu'il en soit, il importe de ne plus affirmer que tout l'édifice de notions peut être en- seigné et compris. La dynamique présente effectivement de véritables difficultés intellectuelles, et c'est sûrement à l'u- niversité qu'il convient de s'y attaquer. Mais on peut se permettre de douter que les étudiants trouvent la dynamique facile en l'abordant de manière purement formelle à l'université. S'il devait en être ainsi, on pourrait conclure que la plupart d'entre eux ne la comprendront jamais.

Personne, je crois, n'admettrait pa-

Questions pertinentes. A mon avis, les questions pertinentes sur l'enseignement de la thermodynamique au lycée sont quelque peu semblables. Nous devons décider si les notions présentées d'abord d'une façon complète et dans les règles, auront en fait ce fond un peu flou provenant de connaissances antérieures. L'expérience montre plutôt que les étudiants qui abor- dent tardivement les notions de thermodynamique les trouvent extrêmement loin- taines et pleine de lacunes. Ensuite, nous

Reproduit avec l'autorisation de l'Education in Chemistry, vol. 11, no 70, 1974, p. 11, 16. 0 Copyright 1975, University of Waterloo.

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devons savoir s'il importe que la plup-art des étudiants ne souhaitent pas du tout affronter ces notions, ce qui serait le cas si leur étude se trouvait trop longtemps différée. Dans cette perspective, on peut prévoir la chose suivante : n'a- yant aucune connaissance des méthodes thermodynamiques, d'études de ces problèmes, les étudiants auront tendance à croire que ce qui se passe (en chirrj-e ou en physique) est un simple fait du hasard, et que ce qui ne se produit pas est un malheureux oubli de la nature. "Ce processus est-il possible, en principe ?" est une question importante et intéressante , capable de faire réfléchir un élève, qu'il atteigne ou non l'enseignement supérieur.

Un des plus forts arguments contre l'enseignement de la thermodynamique au lycée est surtout, je pense, un argument contre certaine façon de l'enseigner. On souligne, très justement, que la thermodynamique macroscopique est une théorie d'un type très inhabituel, reposant sur des principes très généraux et très abstraits, comme l'existence d'un facteur d'intégration ou de fonctions d'une es- pèce très générale. On fait valoir en outre que la thermodynamique tire sa force et ses difficultés de ce caractère : une théorie applicable de façon aussi géné- rale et complètement indépendante de tout modèle du système auquel on l'applique, doit nécessairement reposer sur des principes très profonds et très généraux. On peut accepter cet argument dans son ensemble, mais néanmoins contester la conclusion, à savoir que le sujet est un morceau trop coriace. Il me paraît sensé de différer la présentation de la thermodynamique axiomatique et macroscopique à des études plus avancées ; son élégance, son harmonie, sa beauté ne seront appré- ciées qu'à ce moment. Ce dernier point sert d'argument contre tout autre mode de présentation : si cette beauté, cette élé- gance se perdent, que restera t-il de bon? Mais cette façon de voir, trop absolue, dément le simple dicton "pas la peine de boire de la bière, le vin rouge nouveau est tellement meilleur !" ce qui signifie : mieux vaut quelque chose que rien du tout.

Présentation. La discussion porte alors sur le point suivant : y.a-t-il une fa- çon de présenter une partie (mais non l'ensemble) du raisonnement et des notions de thermodynamique ? Il me semble que la solution consiste à inverser l'ordre tra-

ditionnel, à commencer par un simple exposé statistique, offrant aux élèves une échelle à laquelle ils peuvent monter. Dans un commentaire ultérieur sur la thermodynamique macroscopique, il ne doit pas être trop difficile d'indiquer comment rejeter cette échelle après l'avoir escaladée. Dans cette optique, on accepte de bon gré de limiter un exposé statistique comportant des modèles microscopiques, si bien que chaque partie du cours se rapporte à un problème particulier, au lieu d'être tout à fait générale. Et l'on peut soutenir que tout cela n'est pas en pure perte : les étudiants ne trouveront-ils pas plus facile de réfléchir d'abord à des problèmes limités et bien spécifiques ? Dr. WRIGHT prend MAXWELL 2 témoin quand il nous rappelle sa mise en garde : ne pas confondre "avoir compris" une chose et ''connaitre son nom". Comme il arrive parfois, MAXWELL a développé aussi l'idée contraire, en raison de ses difficultés à comprendre l'électromagnétisme : "L'état actuel de nos connaissances en électricité semble particulièrement peu favorable aux spéculations ... Afin.. . d'apprécier les besoins de la science, l'étudiant doit se familiariser avec une masse considérable de mathématiques très compliquées qui, apprises par coeur, l'empèchent de progresser !". MAXWELL a donné cette raison pour se justifier d'avoir largement uti- lisé des modèles concrets de l'éther ; c'est une comparaison intéressante avec la présente discussion, à la lumière des conceptions modernes selon lesquelles l'électromagnétisme est contenu tout entier dans ses seules équations. Une proposition est donc de partir dans une voie offrant à l'étudiant quelque chose où il s'accroche, quelque chose pouvant être assez largement visualisé, comme le mouvement des particules ou la répartition des quanta d'énergie entre elles.

soudre, et il n'est pas du tout évident que l'entreprise réussisse, même en admettant qu'on a. de bonnes raisons de la tenter.

Incohérence et entropie. Une première difficulté réside dans l'incohérence des remarques g6nSrales sur l'entropie et le désordre, dont les critiques méritent d'ê- tre prises au sérieux. Heureusement, du point de vue de la statistique quantique (et contrairement aux systèmes continus classiques) on peut donner une explication cohérente. Des systèmes existent sous

Beaucoup de questions restent à ré-

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différents états, et l'on peut imaginer que l'on dénombre ces états. Dans des cas simples, comme le solide d'Einstein, il n'est pas difficile d'énumérer les états lorsqu'un petit nombre de particules se partagent peu d'énergie, ni d'indiquer le moyen de compter indirectement les états dans le cas général. Une modification ap- portée au système, telle qu'un apport d'é- nergie, peut multiplier le nombre d'états par un certain facteur souvent très grand. Le logarithme de ce facteur, réduit par la constante de BOLTZMANN, définit la grandeur notée AS. Il suffit seulement de compter les états, le désordre n'a plus besoin de montrer sa tête de serpent. L'entropie du système atteint un maximum et ne peut augmenter que si les contraintes qu'il subit se relâchent, car le système cherche 3 occuper tous les états accessibles, sans se restreindre à quelques uns. On peut comprendre le comportement du système en admettant simplement que tous les états accessibles ont la même importance, et que le système n'a pas de pré- férences particulières.

peut rendre compte honnetement mais simplement de l'approche statistique du second principe. On pourrait dire, dans un langage peu conformiste "tout ce qui peut arriver se produit effectivement, et c'est souvent le cas".

De cette façon, je crois que l'on

Concepts statistiques

Une deuxième difficulté, bien réelle : il est bien connu que les raisonnements et concepts statistiques sont difficiles. Il paraît peu probable qu'une présentation sous forme de calculs complexes de permutations et de combinaisons puisse atteindre son objectif. Heureusement, on peut faire beaucoup pour éviter cela, en limitant ces raisonnements statistiques aux résul- tats de simples variations d'un seul pa- ramètre du système, par exemple ajouter

ou enlever un quantum, remplacer une mo- lécule par une autre d'une espèce diffé- rente, etc... Cela peut nous permettre d'écrire le facteur de variation sans con- naître l'expression du nombre d'états. La forme de ces facteurs est souvent très simple (2) et, .comme on l'a indiqué pré- cédemment, le logarithme d'un tel facteur définit la quantité b S.

nents ne se rapportent pas toujours au sujet. Pour toute proposition d'un enseignement de thermodynamique au lycée, une difficulté majeure reste l'incompétence de la plupart des enseignants sur ce sujet, ce qui tracasse l'enseignant-plus encore que le spécialiste. Il faut admettre qu'il serait absurde d'introduire des notions de physique ou de chimie relatives au second principe dans un programme de lycée sans prendre de dispositions spéciales pour aider le maître. Pareil domaine exige en faveur des maîtres beaucoup plus que l'appoint traditionnel : livres, cours, conseils détaillés. Mais l'argument d'incompétence ne tient pas, sauf si l'on admet que la majorité des mftres ne peut comprendre la thermodynamique et ses aspects restreints. Tout cela montre cependant le chemin de la sagesse : se hâter lentement en cette affaire ; et nous serons probablement tous d'accord-sur le fait que ne pas prendre ces problhes au sérieux serait rendre un mauvais service aux élèves comme au sujet lui-même.

Néanmoins tous les arguments perti-

Références

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L'entropie - peut-on l'enseigner dans les lycées? James Morwick

La plupart des enseignants savent que deus forces motrices orientent les transformations chimiques ou physiques que nous observons : la tendance d'un système à évoluer simultanément vers l'é- nergie potentielle minimale et vers l'é- tat le plus désordonné. Habituellement ces deux tendances s'opposent, de sorte que le changement qui en résulte n'éva- lue pas jusqu'à son terme, mais s'arrê- te net en une sorte d'l'équilibre''. Jus- que là, tout va bien. La difficulté surgit lorsque, en tant qu'enseignants, nous essayons d'expliquer cette tendance au désordre maximum en 1' appelant "entropie'!

Si nous sommes consciencieux, nous allons quelquefois déterrer nos anciens cours de faculté dans l'espoir d'y trouver quelque lumière ; au lieu d'éclair- cissement, nous tombons souvent sur des descriptions mathématiques de transformations isothermes ou adiabatiques dans une machine thermique de Carnot ; ou bien, si nous avons de la chance, nous recevons une bonne douche de fonctions de distribu tion de Maxwell Boltzmann. Nous refer- mons tristement notre vieux cours et concluons à contre-coeur que tout exposé sur l'entropie doit être ajourné jusqu'à l'en- trée de nos étudiants à l'université, où ils pourront être éclairés en se glissant à travers les carreaux cassés des mathé- matiques. Nombre de professeurs préfère- ront ignorer l'ironie de cette conclusion.

En fait, deux voies fondamentales permettent d'aborder l'entropie. Malheu- reusement toutes deux portent des noms horribles, bien faits pour décourager toute recherche plus approfondie. L'une des voies passe par la "thermodynamique classique", l'autre par la "mécanique statis-

tique". En réalité, il est possible de les envisager toutes deux simplement avec plus ou moins de mathématiques et même d'avoir un aperçu de la façon dont elles sont reliées entre elles. Examinons-les calmement et sans idées préconçues.

L'entropie et les machines thermiques

de de la "thermodynamique classique" est l'occasion de se vautrer dans les subti- lités mathématiques du cycles de Carnot. Eventuellement, après une période de ges- tation, le terme dQ apparaît ; et voi- là, l'ENTROPIE est née. Malheureusement on sous-estime quelques idées majeures ensevelies sous les équations.

nivers n'est pas répartie régulièrement. Il existe des endroits où l'énergie est très concentrée ("corps chauds'' à tempé- rature élevée) et d'autres où elle est très diluée ("corps froids").

Le second fait est que, dans la nature, l'énergie tend à s'écouler des "collines énergétiques" (sources de chaleur) vers des "vallées énergétiques" (puits de chaleur). En ce qui concerne les machines thermiques, la différence de température est le facteur critique déterminant le sens d'écoulement de l'énergie calorifi- que ; c'est le deuxième principe de la thermodynamique.

Le troisième point est de se rendre compte qu'une machine thermique est tout simplement une cheminée à travers laquelle une partie seulement du flux de chaleur peut être siphonnée et transformée en travail mécanique utile. Il est impossible qu'une machine thermique absolument sans frottements puisse, même théoriquement,

Un des bienfaits 5 attendre de l'étu-

La première est que l'énergie de l'u-

222 Reproduit avec l'autorisation de Chem. 13 Naus, no 70, septembre 1975, p. 5-6.

transformer la totalité du flux calori- fique en travail. En d'autres termes, une partie de l'énergie issue de la source chaude ne peut être récupérée et utilisée par la machine thermique. Pourquoi ?

bre de particules, le nombre d'arrangements possibles n'est pas tellement grand ; par conséquent le désordre (entropie) n'a guè- re la possibilité d'augmenter. Mais plus un système comporte de particules, plus le rapport du nombre d'états désordonnés au nombre d'états ordonnés est grand.

Pour un système formé d'un petit nom-

... le temps est la seule propriété irréversible I "

A tout prendre, un micro-état or- donné peut être atteint plus facilement qu'un état désordonné, mais il existe tellement de possibilités de désordre que la plupart des arrangements aboutissent.

petits systèmes, la marge entre désordre et arrangements organisés n'est pas tellement grande ; par conséquent, on peut concevoir que pour de petits domaines de l'univers, contenant peu de particules, l'entropie diminuera parfois spontanément, Cependant lorsque le nombre de particules augmente le phénomène devient de plus en plus improbable, et sa probabilité finit par être négligeable comme pour la plupart des systèmes macroscopiques. En effet, les lois de la thermodynamique et celles des probabilités concourent à montrer qu'il faut de l'énergie pour rédui- re un système à un plus petit nombre d'arrangement.

J'ai déjà signalé que pour de très

L'entropie et le temps

Toutes les lois scientifiques s'appliquent aussi bien dans un sens que dans l'autre. Par exemple, deux corps peuvent s'attirer ou se repousser ; la loi exprimant la force qui s'exerce est la même, au signe près, + ou -. Les lois qui dé- crivent l'accélération ou la décéléra- tion, l'absorption ou l'émission d'éner- gie par un corps, le mouvement, la méca- nique quantique, l'électromagnétisme, toutes les lois de conservation sont ré- versibles ; elles ne sont pas orientées par rapport au temps.

tifiques sont réversibles ? Pardon, ce Ai-je dis que toutes les lois scien-

n'est pas tout à fait exact. J'aurais du dire que toutes les lois sont réversibles ; sauf une. Une seulement ? Alors elle doit être très particulière, et elle l'est effectivement. 11 s'agit du deuxième principe de la thermodynamique, la seule loi qui n'est pas concer- née par les interactions entre particules, mais par l'organisation (ou l'absence d'organisation) dans une population. D'autres lois, qui parlent d'entropie et de probabilité, sont tout simplement des répétitions du deuxième principe.

Mais quel rapport avec le temps ? La relation apparait immédiatement si vous vous souvenez d'une chose : le temps est la seule propriété irréversible. Une fois qu'un évènement a eu lieu, c'est pour tout de bon.

tion d'évènements atomiques ou biologiques. Ce ne sont pas ces faits individuels eux-mêmes qui sont irréversibles, mais les variations d'entropie associées. C'est 1 'inévitable accroissement du désordre qui démontre le cours du temps. C'est pour cela que l'astronome anglais Arthur ADDINGTON a appelé l'entropie ''la flèche du temps " .

Cette façon élégante de considérer le temps porte cependant en elle les ra- cines d'un dilemme. Elle implique d'une part qu'il a existé, en des temps reculés, un point de départ où l'univers était parfaitement ordonné, et que le temps est l'acte par lequel cette organisation absolue de la matière et de l'énergie a '

depuis lors été gaspillée.

Le temps n'a-t-il pas existé auparavant ? Personne ne le sait.

Il existe une deuxième situation em- barrassante à l'autre bout de cette téné- breuse échelle. Si l'univers "dégénère" comme le prévoit le deuxième principe, peut-il continuer indéfiniment à devenir toujours plus anarchique ? Bien sûr que non. Il atteindra finalement un point d'entropie maximale, où énergie et matière ne trouveront plus nulle part le moyen de s'organiser.

Tout travail deviendra alors impossible, et le temps lui-même aura perdu sa flèche. Quel mélodrame ! Ne reste-t-il pas une petite chance pour que les particules (et l'énergie) se rencontrent for- tuitement et s'ordonnent à l'improviste ?

Nous mesurons le temps par l'évolu-

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Cette chance existe sûrement, B peu près la même que de réussir le coup suivant : vous lancez une boule sur un jeu de boules jonché d'épingles, et vous voyez celles-ci se dresser et s'aligner dans un ordre impeccable.

S'il existait un monde où pareils phénomènes soient fréquents, le temps, tel que nous le connaissons, aurait amor- cé sa course en arrière. Qui peut affirmer que c'est impossible ? L'avenir le dira. La réponse à cette question porte en elle le sens intuitif de l'entropie, pourtant vraiment très simple si l'on dé- finit clairement quelques unes des idées admises.

d'une machine thermique. L'énergie calo- rifique se répand dans le cylindre et 612- ve la température des molécules gazeuses qui s'y trouvent. Etant donné que la tem- pérature n'est qu'un indicateur de l'éner- gie cinétique moyenne des mqlécules gazeuses, un accroissement de température signifie que ces molécules heurtent le piston avec une force plus grande et le repoussent. Les seules molécules capables de lui communiquer la totalité de leur énergie sont celles qui le frappent en s' arrêtant net.

Considérez d'abord le fonctionnement

Mais la chaleur est une forme d'é- nergie particulièrement efficace puisqu'elle se manifeste habituellement comme une agitation désordonnée des molécu- les, ce qui signifie que ces molécules frappent la surface du piston sous des angles quelconques et ne peuvent pas lui transmettre la totalité de leur énergie.

Par définition, le travail mécanique exige un mouvement moléculaire ordonné et cohérent, tandis que l'énergie calori- fique implique un mouvement moléculaire désordonné. Le processus par lequel la

chambre

chaleur est complètement convertie en travail utile sans aide extérieure est comme si une agitation moléculaire chaotique s'organisait soudain en un flux cohérent. On n'observe jamais pareil comportement à l'échelle macroscopique, et il est hautement improbable qu'on l'observe un jour.

ble se produisait, les molécules ayant frappé le piston en bon ordre rebondiraient dans toutes les directions, détruisant ainsi l'organisation qui les avait d'a- bord orientées. Nous voyons ici la pro- priété insaisissable de l'entropie : elle n'est pas concernée de la même façon par la dissipation de l'énergie et par la des- truction de 1 'organisation de 1 'énergie.

Dans toutes nos expériences, chaque fois que l'énergie est convertie d'une forme en une autre, la nature perçoit un impôt sur cette transformation en confis- quant un peu d'énergie organisée pour la consigner dans une fosse d'où elle ne peut plus être retirée.

Mais même si cet évènement improba-

Entropie et désordre

La définition statistique de l'entropie est un aveu de défaite ! Elle admet l'existence de particules (atomes et molécules) qui, dans un système, bondis- sent au petit bonheur l'une sur l'autre, mais elle plaide coupable et se reconnait incapable de les suivre à la trace individuellement. En effet, elle admet audacieusement qu'elle ne peut pas rendre compte du comportement individuel de la molécule, mais elle peut prévoir celui de l'ensemble d'une population. Non seulement cela, mais plus la population est nombreuse, plus la prévision est précise.

que plusieurs phénomènes naturels impliquent tellement de particules (donc tellement de variables) que les scientifiques renoncent à l'étude du fonctionnement interne du point de vue individuel. 11 existe en effet, en mécanique quantique , un "principe d' incertitude" qui affirme l'impossibilité de pouvoir recueillir simultanément toutes les données né- cessairesà la prévision exacte de ce qui se passera à l'échelle particulaire dans les phénomènes atomiques. Cette impossi- bilité ne provient pas tant de l'imper- fection des instruments de mesure que d'une dualité maligne de la nature.

Ce résultat paradoxal ressort du fait

chal eu r

224

Vers les années 1860-1870, un physicien autrichien Ludwig BOLTZMANN, homme pondéré, et un brillant physicien écos- sais, James Clerk MAXWELL, énoncèrent in- dépendamment une loi générale ; cette loi décrit comment se répartissent un grand nombre de particules, sous l'effet de l'agitation thermique, en toute une sé- rie de micro-états énergétiques permis. Ainsi, l'entropie finit par devenir une fonction de probabilité inventée par les mathématiciens et qui sert, conjointement avec la température absolue, à décrire la tendance des particules à se répartir suivant le plus grand nombre d'états energétiques possibles.

... rebondir l'une sur l'autre, ou par- I tir à la dérive sur le chemin de l'ou- (bli .If

Pourquoi la température ? La tempé- rature n'est pas seulement une propriété déterminant la vitesse à laquelle la chaleur pénètre dans un système ou s'en échap-

P %Y mais aussi une mesure du moment cinétique moyen des particules qui constituent le système. Et le l'moment ciné- tique" est l'ennemi mortel de l'"organisation", car il oblige les particules qui exercent habituellement des attractions mutuelles (organisation), à rebondir l'u- ne sur l'autre ou partir à la dérive sur le chemin de l'oubli.

La définition mathématique de l'entropie selon BOLTZMANN attire déjà l'attention sur la raison pour laquelle l'entropie tend à augmenter, notamment dans les systèmes d'assez grandes dimensions contenant de-nombreuses particules. La raison est que les arrangements "au hasard" sont plus nombreux que les arrangements ''ordonnést1 ; par conséquent il existe davantage de façons d'être "dé- sordonné" que d'être 'tordonné''.

Les relations qui rendent un systè- me "ordonné" restent à définir, ce qui restreint évidemment le nombre de façons d'atteindre I'l'ordre". En attendant il existe de nombreuses configurations ré- sultant du "hasard".

225

Critique du modèle de répulsion des doublets de valence en tant que moyen d'enseignement R. S. Drago

Quelques articles récents dans la littérature ont recommandé l'usage du modèle de répulsion de paires d'électrons de valence (VSEPR), approche permettant de prévoir la structure des Les auteurs de livres de chimie générale se sont récemment rendu compte de l'importance de cette idée et l'ont incorpo- rée dans les programmes. Cette approche donne l'impression que les répulsions entre électrons déterminent la géométrie des molécules du fait que le modèle est présenté sous forme d'explication et que les structures sont utilisées pour le con- firmer. Les facteurs influençant la géo- mktrie des molécules sont beaucoup plus compliqués que le modèle VSEPR le laisse croire. De plus, l'évaluation des interactions entre électrons n'est pas simple et dans le cas du modèle VSEPR elles n'ont pas de bases fondamentales c.a.d la tota- lité des intégrales e2/ri. n'est jamais évaluée pour les différerdes structures. On~dit que les répulsions entre doublets liants sont moins importantes que les ré- pulsions doublet liant-doublet libre. Cela est tout à fait acceptable. Cepen- dant, lorsqu'on passe de NH Zi PH on s'attendrait à ce que les deux répulsions doublet libre-doublet liant et doublet liant-doublet liant diminuent. Avec une projection radiale augmentée du doublet libre, il est difficile de déterminer a priori, pour une géométrie tétraédrique, si ce sera la répulsion doublet liant-doublet liant ou doublet liant-doublet libre qui sera le plus modifiée. Nous connaissons ce qui doit être admis pour que la réponse paraisse juste. Mais cela est une hypothèse supplémentaire à retenir.

blets de liaison ont une distribution de

molécules (1).

3 3

On nous a dit ensuite que les dou-

charges en forme de poire, et il y a moins de répulsion doublet liant-doublet liant lorsque l'atome central est lié à un atome électronégatif. Cela explique le fait que les angles de liaison sont de 102,l" pour NF3 et 107,3" pour NH3. Cela n'explique pas que les angles pour PH soient de 93,3". Il faut tenir compte d'une autre influence,-Cette règle a plusieurs autres défauts qui n'ont pas été signalés. Dans H-CF OÙ les répul- sions des liaisons entre C-F et C-H devraient être plus importantes qu'entre C-F et C-F, l'angle F-C-F est de 108,8", tandis que l'angle C1-C-C1 dans HCC13 est

3 de 110,4", et que l'angle I-C-1 dans HCI est de 113". Dans H2CC12 l'angle est de 111,8" donc plus grand que dans CHCl . Dans CH2F2 l'angle F-C-F est de 108,j0 à peine différent de celui de HCF Il existe beaucoup d'autres exemples. Nous ne comprenons vraiment pas tous les facteurs qui gouvernent la géométrie molé- culaire. L'approche que je conseille ne surmonte pas cette difficulté, mais elle ne trompe pas les étudiants en leur faisant croire qu'ils comprennent un pro- blème dont la solution est inconnue. Les spécialistes de mécanique quantique ont eu de la peine à comprendre où surgit la barrière de 3 kcal.mole-l dans la rotation de la molécule d'éthane.

nos étudiants que l'arrangement géomé- trique des atomes dans une molécule est influencé par plusieurs facteurs, et que presque dans tous les cas l'importance relative de divers effets n'est pas connue. S'il n'y avait pas d'autre façon de prévoir les structures, certains pourraient justifier l'approche VSEPR (bien que ce ne soit qu'un modèle) en la pré-

3

3

3'

Ainsi, nous devrions enseigner 2


sentant comme une explication qualitative qui n'a pas été confirmée par la mé- canique quantique ni par une évaluation quantitative acceptable des répulsions électroniques, mais qui donne souvent la réponse correcte. Il existe pourtant une autre approche qui nécessite de mémoriser quelques faits empiriques, et qui est intellectuellement plus satisfaisante . Cette nouvelle approche (2) est en mesure de prévoir les grands traits structuraux de la molécule ; elle n'essaie pas de prédire des écarts de 5" de cette structure grossière. Cela est certainement suffisant pour tout ce que l'on peut rencontrer en chimie générale.

Prévision de la Géométrie

Les règles empi-riques suivantes permettent de prédire la géométrie approximative, et si l'on veut, d'estimer l'hybridation d'un grand nombre de molécules. Ces lois sont applicables aux structures des molécules à l'état gazeux.

1) s'il n'y a pas de doublets libres sur l'atome central, la géométrie dépend du nombre de groupes liés 5 cet atome central, ainsi que le montre le tableau 1.

2) Nous considèrerons ici des atomes cen- trgux avec huit électrons périphériques au'plus. Si un tel atome central porte des doublets libres, et s'il appartient

à la deuxième rangée, chaque doublet libre compte pour un groupe, comme l'indique le schéma ci-dessus. Si l'élément central est un atome de la troisième, qua- trième, etc... rangée, et si les groupes attachés sont de l'oxygène ou un halogène, le doublet libre compte aussi pour un groupe. Si les groupes attachés sont moins électronégatifs que le brome (c'est le cas, en dehors d'un halogène et de l'oxy- gène), le doublet libre occupe une orbitale non hybridée et ne compte pas pour un groupe. Si l'orbitale s est utilisée pour loger un doublet libre, il ne reste que des orbitales p pour les lihisons, et la géométrie nécessite un arrangement de groupes 5 environ 90" l'un de l'autre. Quelques exemples sont donnés dans le tableau 2.

On trouve des molécules avec une suite presque complète d'angles compris entre 90" et 180". Ces règles devraient permettre de trouver la valeur correcte de l'angle à 4" près. Si deux groupes dif- férents sont liés à l'atome central, l'un très électronégatif et l'autre pas, et deux doublets libres, les angles de liaison se situent souvent entre 90" et 108", par exemplg l'angle S-S-C1 dans S C1 est de 104 . 2 2

- c1 'S - s

-\ - c1

Tableau 1. Nombre de groupes liés , Géométries et Hybridations.

No de groupes Hybridation

r)

SP'

Géométrie

Linéaire

Plan, angle de 120°

Tétraédrique, angle de 109'

Exemple

H -Be-H

H I

H- k -H I H

F 1 -

F-B-F I F

c1 I

C1- Pb - C 1 c1

I

227

Tableau 2. Géométrie de molécules possédant un doublet libre.

Mo 1 6 cul e s

PC13

Hybridation et géométrie

sp3 (tétraédrique)

orbitales p (angles de 90")

sp3 (tétraédrique)

3) Dans le cas de la structure de Lewis pour de nombreuses molécules, il y a plus de huit électrons entourant l'atome central. Dix est un nombre fréquent, et la géométrie correspondante est la bipyramide triangulaire. Deux groupes occupent des positions apicales et trois des positions équatoriales. Lorsque les groupes sont différents, les plus élec- tronégatifs occupent des positions apicales. Les groupes équatoriaux sont liés

laisseau phosphore une orbitale p pour former des liaisons avec trois groupes. Il pourrait utiliser une orbitale 3d pour for- iner deux orbitales hybrides p-d et se lier avec les atomes de chlore apicaux.

son avec les groupes apicaux met en jeu une orbitale moléculaire à trois centres. Les trois orbitales atomiques, du phosphore, p, du chlore et l'orbitale p de l'autre chlore se combinent pour former trois orbitales moléculaires 61,,62 et 0- . Deux électrons sont ajoutes 2 6, e? deux à r2. Lorsque des molécules avec un atome central contenant dix élec- trons ou plus ont des doublets libres sur cet atome central, chaque doublet libre compte invariablement pour un groupe. A partir de là, on peut voir que les orbitales s et p ne peuvent former que quatre liaisons et loger huit électrons.

par trois orbitales sp 2 . Cela

Une autre description pour la liai-

PZ Z

Pour rendre compte de l'existence de plus de huit électrons autour de l'atome central, on doit utiliser soit les orbitales d, soit des liaisons délocalisées à trois centres. Les descriptions ne sont pas équivalentes et la réponse correcte est intermédiaire entre ces deux solutions.

Application de la règle

atome central de la 2e 1 i gne

atome de la 3e ligne faible électronégativité des 1 i gand s

atome de la 3e ligne halogène lié

~~

Lorsque douze électrons sont mis en jeu, les groupes sont disposés autour de l'atome central de façon octaédrique et les liaisons peuvent Gtre décrites comme sp3 d2 par exemple SF

Bien que nous n'ayons pas encore traité d'exemple, ces règles s'appliquent aussi à des molécules avec des doubles liaisons. Les électrons JI ne sont pas considérés comme des groupes ou des doublets libres. Par exemple pour 1'6- thylène pour lequel la structure de Lewis est :

6'

H H / 'c= c

/ \ H H

il existe autour du carbone trois groupes Liés par des orbitales hybrides sp2. Si l'.on prend le plan de cette feuille comme plan x z, les orbitales atomiques p, et p, sont mises en évidence, les orbitales p sur chaque atome de carbone se recouvzant pour former la liaison TT . Dans ce cas, l'atome que nous voulons dé- crire devient l'atome '' central ". Il n'existe pas d'atome central dans la mo- lécule, n'importe quel atome lié à plus d'un groupe peut Ztre choisi comme II atome central II.

Comme autre exemple d'une molécule avec des liaisons considérons :

228

L'angle O-N-Cl est de 116' (c'est le cas où le doublet libre compte pour un groupe : hybridation sp2) ; l'orbitale p de l'azote (y perpendiculaire à la pgge) et l'orbitale p recouvrent pour forme? une liaison n. toujnurs la structure de Lewis d'abord, ensuite figurer les orbitales hybrides formant des liaisons (r , et décrire alors les liaisons 'n .

de l'oxygène se

Pour appliquer ces règles, dessiner

est très simple de retenir les exceptions à ces faits, telles que vous les trou- verez dans la suite de l'étude de la chimie, et de les utiliser pour d'autres analogies.

de retenir les énoncés de cette discussion que de retenir toutes les règles de VSEPR qu'il 'faudrait utiliser pour "expliquer" toutes les structures examinées ici. L'approche décrite ici a l'avantage

Il n'est pas beaucoup plus difficile

de dire les choses comme elles sont. Il vaut mieux retenir des faits que des thé- ories non confirmées et très probablement incomplètes, si l'effort nécessaire est le même.

On doit souligner que dans la discussion ci-dessus, les prévisions des géométries découlent de faits empiriques basés sur les résultats de nombreuses déterminations structurales. Je crois que si vous confrontez la plupart des chimistes avec une molécule tout à fait nouvelle, et si vous leur demandez de prévoir sa structure (1) ils écriront la structure de Lewis (2), penseront à un compo- sé analogue de structure connue (3) et prédiront la nouvelle structure par analogie avec la structure connue. Il est

1.R.J. Gillespie et R.S. Nyholm, Quart. Revs., 1 1 , 339, (1957). R.J. Gillespie, Angew. Chemie (int.ed), 6, 819 (1967) R.J. Gillespie, J. CHEM.-EDUC., 47, 18 (1 970).

- -

- illusoire de faire croire autre chose à un étudiant de première année. Les règles exposées ci-dessus résument ces analogies, et permettent de prévoir la géométrie de plusieurs molécules. Si besoin est, on peut alors estimer quelles orbitales hybrides on doit utiliser et diriger vers les atomes entourant l'atome central pour assurer leur liaison. 11

2.Au cours de la rédaction d'un livre de chimie générale, j'ai songé comment je m'y suis pris pour prévoir les structures; d'habitude, j'y suis parvenu longtemps avant que l'on parle de VSEPR. Les rè- gles empiriques tirées de la section suivante sont intégrées dans le chapitre sur les liaisons de : R.S. Drago, '' Che- mistry and its Impact on Modern Man", The Macmillan Co., New York, à paraitre.

229

Défense du modèle de répulsion des doublets de valence (VSEPR) R. J. Gillespie

1 Drago a prétendu que les facteurs influençant la géométrie des molécules sont plus compliqués que le modèle VSEPR le laisserait croire, et il a proposé un ensemble de règles empiriques qui, pré- tend-il, sont intellectuellement plus satisfaisantes que le VSEPR. Il est évi- dent que la prévision de la structure de molécules polyatomiques à partir de principes initiaux est un problème très com- pliqué, nécessitant de nombreuses heures d'ordinateur. Les théories qualitatives qui permettent de "comprendre" et de pré- dire la géométrie des molécules sont par conséquent toujours utiles, et le modèle VSEPR répond à cette condition (2). Il ne prétend pas donner une explication, complète de la géométrie d'une molécule; mais il essaye de fournir un modèle simple pour prévoir la géométrie moléculaire, judicieusement basé sur la mécanique quantique, et qui est en fait, selon l'auteur plus satisfaisant intellectuellement qu'une série de règles empiriques.

Le Principe d'Exclusion de Pauli et l'Ar- rangement des Doublets sur les couches de Valence.

Le modèle VSEPR est basé sur l'idée que la distribution des électrons sur la couche de valence des atomes, au sein des molécules, est déterminée en grande partie par le Principe d'Exclusion de Pauli3. La conséquence physique importante du principe d'exclusion est que les électrons ayant des spins parallèles ont une probabilité maximum de se trouver séparés et aussi éloignés que possible ; par suite, cela conduit à conclure que, pour un atome central formant deux liaisons covalentes ou plus, ïes électrons

de valence sont localisées en doublets qui rendent leur distance de séparation maximale. Ces arrangements les plus probables pour des doublets électroniques dans une couche de valence sont indiqués dans le tableau 1 ; ils sont identiques à ceux proposés par Dragol dans son Ta- bleau 1 et sa règle empirique 3. Toutefois selon la théorie VSEPR, ces arrangements de doublets électroniques ne sont pas empiriques mais fondés sur une propriété fondamentale des électrons, 2 savoir le principe d'exclusion. Prévision de la forme générale des molé- cules.

Si on tient compte du fait qu'en général, sur une couche de valence, il existe des doublets liants et des doublets non liants ou libres, on arrive à expliquer la forme générale de toutes les molécules formées d'éléments normaux et Ifossédant jusqu'à six doublets sur leur couche de valence, comme le montre l'e tableau 2. Les molécules contenant des liaisons multiples s'y rattachent im- médiatement, si l'on admet que toute liaison simple dans les formes moléculaires résumées dans le tableau 2, peut Etre remplacée par une liaison multiple (tableau 3). Les tableaux 1-3 constituent la base fondamentale de la théorie VSEPR; à l'aide de ces tableaux un étudiant peut prévoir et comprendre la forme générale de toute molécule AXn avec plus de six doublets sur la couche de valence de l'a- tome central A. Nous n'avons pas essayé à ce stade de discuter les petites diffé- rences dans les angles de liaison, p. ex. l'écart par rapport à l'angle de 109,5' dans les molécules NH et H20. Pour les 3

230 Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Education, vol. 51, no 6, juin 1974, p. 367-70.

étudiants débutants au moins, on peut ignorer ces petites différences. Une approximation utile et simple consiste à modèle des sphères tangentes longtemps admettre que les doublets électroniques

dans une couche de valence peuvent être représentés par des sphères. C'est le

défendu par Best4.

Tableau 1. Les arrangements électroniques les plus probables sur une couche de Valence.

Nombre de paires d'électrons

2

3

4 5

6

Arrangements

1 insaire

triangle équilatéral

tétraèdre

bipyramide triangulaire

octaèdre

Tableau 2. Forme générale de molécules formées d'éléments normaux.

Nombre de doublets

2

3

4

5

6

lrrangement s

linGaire

tri ang 1 e Squilatéral

tétraèdre

b i p yr ami de :ri angul aire

octaèdre

Nombre de doublets libres

Type de moléculé

AX3

Ax2E

Ax4

AX2E2

AX5

AX3E

Ax4E

Forme de la

mo 1 é cul e

1 inéaire

t ri ang 1 e équilatéral

Forme de V

tétraèdre

p y r ami de triangulaire forme de V

bipyramide triangulaire

forme SF

forme de T 4

linéaire

octaèdre

pyramide carréc

carré

Exemple

BeC12

BF3

SnC12

CC14

NF3

H2°

PC15

SF4 C1F3

XeF2

SF6

IF5 XeF'

231

Tableau 3. Forme de molécules contenant des liaisons multiples.

Nombre total de

liai sons et de doublets libres

2

3

4

Arrangements

linéaire

triangulaire

tétraédrique

bipyramide tri gona le

octaèdre

Nombre de 1 iai sons

cure-dents

@oulede polystyrène

caoutchouc tendu

Nombre de doublets libres

forme des

ml6culés

1 inéai re

triangulaire

forme V

tétraédrique

pyramide tri gonale

forme V

bipyramide tri gonale

tétraèdre irrégulier

octaèdre

Exemples

CI, -O\

CI ~0’ ,C=Q N=O

O

I F

Figure 1. Construction de modèles pour Figure 2. Les modèles de la sphère dure illustrer les arrangements des doublets pour les arrangements tétraédrique, bi- électroniques selon le modèle de la sphe- re dure.

pyramidal trigonal et octaédrique de quatre cinq et six doublets électroniques respectivement .

232

Cette approximation donne naissance Zï un modèle utile et pratique dans lequel les doublets sont représentés par des boules demousse de styrène, attachées entre elles par des liens élastiques représen- tant la force d'attraction du noyau sur les doublets (fig.1). Comme la figure 2 l'indique ce modèle fournit à l'étudiant une méthode simple et instructive pour visualiser et comprendre l'origine des arrangements des doublets électroniques donnés dans le tableau 1.

Notons que la théorie VSEPR n'utilise pas d'orbitales atomiques ni d'orbitales hybrides formées à partir d'orbitales atomiques, évitant ainsi le risque de tromper l'étudiant en lui laissant croire que les orbitales hybrides sont une explication de la géométrie des mo- lécules. En fait elles ne fournissent rien d' autre qu'une description approximative de la liaison lorsque l'on connait déjà la géométrie. Dragol le reconnait et souligne qu'après avoir attribué une structure à une molécule d'après ces règles " on peut ensuite estimer quelles orbitales hybrides doivent Gtre dirigées vers les atomes entourant l'atome central ' '' .

Il faut souligner que la description des électrons au sein des molécules en termes d'orbitales atomiques et d'orbitales hybrides qui en dérivent est une approximation qui n'est guère plus "correcte" ou plus utile que celle que l'on fait lorsqu'on représente chaque doublet électronique par une sphère.

Conséquences de la Non-Equivalence des Doublets d'Electrons.

A partir de là, la théorie peut être étendue en tenant compte du fait que toutes les paires d'électrons ne sont pas équi- valentes. En général, dans toute couche de valence on peut rencontrer des doublets libres et des doublets liants ; ceux-ci peuvent réunir différents ligands ou faire partie d'une double ou d'une triple liaison. Les doublets liants étant sous l'influence de deux noyaux plutôt que d'un seul, sont plus petits que les doublets non-liants, et leur dimension diminue lorsque l'électronégativité des ligands augmente. Les deux doublets d'une double liaison sont ensemble manifestement plus volumineux qu'un doublet élec- tronique simple, même si, en quelque sorte, ils occupent ensemble un volume moin-

dre que deux doublets simples ; ils sont en quelque sorte serrés dans le même espace intermolzculaire. Les doublets d'é- lectrons sur une couche de valence paraissent se repousser mutuellement et ces répulsions sont la conséquence du recouvrement des doublets dans l'espace. Il est évident que de gros doublets libres auront tendance, bien plus que de petits doublets partagés, 2 recouvrir les doublets adjacents. Cela conduit à conclure que les doublets libres "repoussent plus que les doublets liants. Pour éviter de donner l'impression trompeuse que la théorie VSEPR est une théorie "électrostatique" classique(5) il est sans doute préférable de souligner les différentes tailles des doublets, plutôt que l'intensité des répulsions entre divers doublets électroniques comme dans les précédentes versions de la théorie, en reconnaissant qu'il s'agit simplement de deux variantes de la description des mêmes interactions des doublets électro- niques libres. La plus grande taille des doublets électroniques libres (ou la plus grande répulsion qu'ils exercent) conduit 2 conclure que les angles de liaisons dans les couches contenant des doublets libres sont toujours plus petits que les angles théoriques qui supposent tous les doublets équivalents.

cutés2, et il semble qu'il n'y ait pas d'exceptions pour des couches de valence contenant jusqu'à six doublets. De la mê- me façon on prévoit que, dans les molé- cules contenant des liaisons multiples, les angles concernant ces liaisons seront plus grands que les angles entre liaisons simples. De nombreux exemples ont été don- nés précédemment2 et 1: encore les exceptions sont rares. On prévoit finalement que les angles entre liaisons avec des ligands électronégatifs seront plus petits que les angles entre liaisons avec des ligands moins électronégatifs. Quel- ques exemples sont donnés dans le tableau 4 et là aussi les exceptions sont rares. Molécules avec cinq doublets sur la couche de valence de l'atome central.

Bon nombre d'exemples ont été dis-

Ces molécules illustrent très com- modément tous les aspects importants de la théorie VSEPR et en même temps permettent une comparaison utile entre les règles empiriques de Drago et la théorie des orbitales hybrides.

233

L'arrangement de cinq doublets, qui rend maximales leurs distances mutuelles, et donc minimales leurs interactions, est la bipyramide triangulaire et non pas, par exemple la pyramide à base carrée. Cela étant, la théorie VSEPR prévoit correctement la forme générale de toutes les molécules de type AX 5' AX,E, avec deux exceptions seulement :

AX4E, AX3E2 et

2- (2) L J Sb (C,H,), et InCl,

U J J J

Les positions équatoriale et axiale d'une bipyramide trigonale ne sont pas équivalentes : les positions axiales ont trois voisins immédiats, tandis que les positions équatoriales en ont seulement deux. Par conséquent si tous les doublets électroniques étaient situés à la même distance du noyau, il y aurait une répul- sion plus grande sur les doublets axiaux que sur les équatoriaux et on n'aurait pas équilibre . Ainsi, les doublets axiaux sont en fait plus éloignés du noyau que les doublets équatoriaux c. 2 d. qu'on prévoit que les liaisons axiales seront plus longues que les liaisons équatoria- les. Par expmple PC1 r = 2,19 A, r = 2,04 A et il szmbfg qu'il n'y ait pa8 d'exception à ces prévisions.

croire que les groupes équatoriaux sont liés par des orbitales hybrides sp2 et les ligands axiaux par des liaisons à 4 électrons et à 3 centres ou par des orbitales hybrides sp pour "expliquer" les différences de longueur des liaisons : les ligands équatoriaux pourraient aussi bien être liés par des orbitales hybrides sp2 et les ligands axiaux par des sp, ce qui amènerait à conclure que les liaisons axiales sont plus courtes que les liaisons équatoriales.

Une variante de cette description de la non-équivalence des positions axiales et équatoriales consiste à dire qu'il y a plus d'espace disponible pour un doublet en position équatoriale que dans une position axiale plus tassée. Par consé- quent les gros doublets électroniques, tels que les doublets libres, les doublets liants fixant des ligands peu élec- tronégatifs, et bien sûr les doubles liaisons, se placent toujours en position équatoriale. Ainsi on ne connait qu'un seul isomère stable de CH PF , SF4 et SOF4, où le groupe méthylz, je doublet libre et la double liaison occupent une position équatoriale dans chaque cas. D'autres exemples sont donnés dans le ta-

c

e

Il n'y a a priori aucune raison de

bleau 2 et il semble encore ne pas y avoir d'exceptions. Drago cite la le empiri-

quelle les ligands les plus électronéga- tifs se trouvent en position axiale ; la discussion précédente montre que cette règle est en effet une extension logique des idées fondamentales de la théorie VSEPR .

que de Muetterties et Schunn i& selon la-

Exceptions : Réelles et Imaginaires

Les idées simples de la théorie VSEPR ont beaucoup plus de succès qu'on pourrait imaginer et il n'est pas surprenant qu'il existe quelques exceptions; Drago a attiré l'attention sur quelques- unes. L'idée de base selon laquelle les doublets électroniques d'une couche de valence rendent maximale la distance qui les sépare laisse prévoir des formes molé- culaires correctes, avec seulement deux exceptions connues, pour des couches de valence comportant jusqu'à six doublets : et cela nous amène à soupçonner qu'il s'a- git en effet du facteur primordial pour déterminer les formes moléculaires dans la grande majorité des cas. Evidemment, ce n'est pas le seul facteur et cela ap- paraît clairement lorsqu'on essaye d'affiner la théorie pour rendre compte des petites différences entre les longueurs des liaisons et les angles de liaisons. On rencontre ici d'autres exceptions qui sont tout de même étonnament rares. La plupart des exceptions réelles ou apparentes peuvent être groupées en deux classes.

Molécules formées par les éléments Car- bone, Azote et Oxygène.

Dans pratiquement tous les composés de ces éléments l'atome central possède une couche de valence saturée par quatre doublets électroniques. Il se produit un tassement considérable des quatre doublets dans ces couches de faible dimension. Conséquence importante : les angles de liaison dans les composés de ces élé- ments ne diffèrent jamais plus de quelques degrés de l'angle 109,5'. A l'inté- rieur de cette marge étroite, on trouve évidemment des exceptions aux règles gé- nérales énoncées plus haut, comme par exemple celles citées par Drago. Il est évident que d'autres facteurs doivent être pris en considération, y compris sans doute les interactions entre les doublets non-liants des ligands qui sont relative-

234

ment proches les uns des autres, dans ce cas de tous petits atomes centraux. Tout en admettant que la théorie VSEPR est insuffisante pour prévoir en détail les variations des angles de liaison dans ces molécules, il faut également souligner qu'aucune autre théorie ne peut faire de prévisions plus réussies, pas plus qu'on ne peut élaborer un ensemble simple de lois empiriques rendant compte de tous les angles observés.

Les Hydrures

que l'angle dans le cas de PH est plus petit que dans le cas de NH et il pré- tend que la théorie VSEPR ne le prévoit pas, parcequ'on ne sait pas si c'est l'interaction doublet 1 ibre-double t liant ou doublet liant doublet-liant qui diminue le plus lorsqu'on passe de NH 5 PH . En fait cela résulte logiquement de nosre discussion précédente, comme nous allons le voir : les interactions entre doublets liants diminueront le plus, et par consé- quent l'angle de liaison dans PH plus petit que dans NH PH appartient a une classe importante a;! mo?écules dans lesquelles la couche de valence n'est pas remplie au maximum. Dans le cas de pratiquement toutes les molécules stables, carbonées, azotées et oxygénées, il existe quatre paires d'électrons sur la couche de valence (la couche L) qui ne peut recevoir que quatre doublets électroni- ques. Pour les éléments silicium, phosphore et soufre, la couche de valence est la couche M qui peut contenir plus de quatre doublets électroniques. En principe, la couche M peut contenir jusqu'à neuf doublets, du moins en ce qui concerne les orbitales atomiques disponibles dans l'a- tome libre ; cependant le nombre maximal de doublets électroniques qu'on trouve effectivement dans des composés de ces éléments est de six. Une explication possible de ce fait a été discutée En tout cas, quatre doublets électroni- ques sur une couche de valence qui peut en contenir au moins six sont relativement éloignés les uns des autres, et leurs interactions mutuelles sont faibles. Lors- qu'un de ces doublets est un doublet libre, cherchant à s'étendre et 3 entourer le noyau central le plus possible, il re- pousse et rassemble les doublets de liaison jusqu'à ce qu'ils se touchent et in- teragissent fortement ; pour une couche de valence pouvant contenir six doublets électroniques cela se produit lorsqu'ils

Drago attire l'attention sur le fait

3 3

3

sera 3

sont à 90' les uns des autres (l'angle idéal pour arrangement octaédrique de six doublets électroniques). Par consé- quent, on trouve que les angles de liaison dans tous les composés PX sont plus petits que les angles des com- posés correspondants NX et OX2. On donne quelques exemples dans le tableau 5. On doit cependant admettre que les angles dans le cas des hydrures PH étrangement petits et vraiment anormaux en comparaison d'autres composés PX et SX2 ; ainsi, comme l'indique DragoY3l'an-

3' gle dans PF est plus grand que dans PH alors que, atant donné que le fluor est plus électronégatif que l'hydrogène, on s'attendrait à un angle plus petit. 11 semble que les hydrures soient anormaux, étant donné que pour d'autres ligands X et pour des molécules autres que carbon- nées, azotées ou oxygénées, il ne parait pas y avoir d'exceptions à la règle selon laquelle les angles de liaison diminuent lorsque l'électronégativité du ligand augmente. Tout en prenant garde de ne pas pousser la théorie trop loin, on peut né- anmoins rationaliser le comportement anor- mal des hydrures. L'hydrogène est un ligand particulier qui ne possède pas de doublets liants ou non-liants sur sa couche de valence, à l'exception du seul doublet qui le lie à l'atome central. Cela signifie que le doublet électronique d'une liaison X-H non seulement occupe le domaine de liaison entre X et H, mais doit aussi entourer le noyau de l'hydrogène, c'est à dire occuper, une région de l'espace qui, dans le cas d'autres éléments est OCCU-

et SX2 3

3

et H S sont 3 2

Tableau 4. Effet de l'électronégativité du ligand sur les angles de liaison.

PBr3 p13 PF3 PC13

97,8' 100.3' 101.5' 102'

96' 98.7' 99.7' 100.2'

AsF3 AsC13 AsBr3 As13

Tableau 5. Comparaison des angles de liaison dans les molécules NX et PX et dans les molécules OX et SX 3 3

2' 2

NH3 NF4 NHF2 OH2 0Cl2 O(CH3)2 107.3' 102' 102.9' 101.5' 1 1 1 O 1 1 1 '

PH3 PF3 PHF SH2 SC12 S(CH3I2 93.3' 97.8' 99" 92.2' 98" 105'

235

pée par d'autres doublets électroniques. Par conséquent la densité électronique dans le domaine de liaison est plus petite que ce que laisse prévoir l'électro- négativité seule ; c'est pourquoi il se forme des angles de liaison anormalement petits.

devienne de plus en plus évidente lorsque l'électronégativité de l'atome central diminue, ce qui permet à la densitg électro- nique de s'éloigner du domaine de liaison vers l'espace entourant le noyau de l'hydrogène ; par conséquent les angles de liaison anormaux relatifs à l'hydro- gène sont plus apparents pour les hydrures d'élzments lourds que pour l'oxygène et l'azote.

On s'atend à ce que cette anomalie

Conclusions

Sans perdre de vue qu'aucune théorie approximative ne peut être parfaite, et qu'il faut toujours s'attendre à des exceptions, il semble néanmoins raisonnable d'affirmer que la théorie VSEPR est simple et utile pour la géométrie des molé- cules ; en particulier elle est plus efficace, mieux fondée et plus satisfaisante intellectuellement que l'ensemble de rè- gles empiriques de Drago ou que la théorie des orbitales hybrides. L'affirmation de Drago, selon laquelle la théorie VSEPR utilise un ensemble de règles arbitraires que les étudiants doivent apprendre par coeur n'est pas justifiée étant donné que ces soi-disant règles sont en fait un ensemble logique de déductions basées sur l'hypothèse suivante : la propriété fondamentale des électrons, décrite par le principe d'exclusion de Pauli est le facteur le plus important dans la détermina- tion de la géométrie des molécules. Le succès total de la théorie semble justifier la conclusi6n : dans la grande majo- rité des cas, le principal facteur servant à déterminer la forme des molécules, ce sont en fait les interactions entre doublets fortement localisés sur la couche de valence d'un atome central. Toute théorie est justifiée par la confiance qu'on peut lui porter, et par son utilité pour pré- voir des faits nouveaux ; la théorie VSEPR est plus sûre pour prévoir la forme des molécules que toute autre théorie dont nous disposons actuellement. De ce point de vue c'est la meilleure et on devrait par conséquent l'enseigner aux étu- diants au moins comme une variante possible. En outre, une théorie logique et

cohérente est sans doute plus satisfaisante et plus stimulante pour l'étudiant qu'un ensemble de règles empiriques comme celles proposées par Drago. Ce n'est sÛ- rement pas une critique solide d'une thé- orie que de dire qu'elle est incomplète;, beaucoup de théories efficaces sont ap- proximatives et incomplètes. Pour faire ses preuves, une théorie doit être utile et conduire 2 des prévisions correctes, ou du moins plus correctes que celles fournies par ses rivales. La plupart des théo- ries se sont montrées insuffisantes et ont été remplacées par d'autres,et sans aucun doute la théorie VSEPR de même que la liaison covalente et les théories des orbitales moléculaires suivront tôt ou tard le même sort ; ce n'est pourtant pas une raison pour ne pas utiliser la théorie aujourd'hui. Est-ce que les professeurs d'il y a 50 ans se trompaient en enseignant la théorie de Bohr pour l'atome d'hydro gène ?

B I B L I O G R A P H I E

1. R.S. Drago, J. Chem. Educ., 50, 244 (1973).

2. R. J. Gillespie, "Molecular Geometrie", Van Nostrand Reinhold Co., London, 1972.

3. J. W. Linnet, "The Electronic Struc- ture of Molecules", Methen, 1964 ; R. Dandel, The Fundamentals of Theo- retical Chemistry", Pergamon Press, Inc., N.V., 1968 ; J.E. Leonard. Jones, Advan. Sci., 51, 136 (1954).

(1963) ; 42, 302, 748 (1965) ; 44, 512 (1967) ; 45, 108 (1968).

un grand nombre de livres d'introduction ; par exemple Busch, Daryle H., Shull, Harisson and Conley, Robert T., "Chemistry", Allyn and Bacon Inc., Boston 1973. L'énergie potentielle de tout système de noyaux et d'élec- trons provient de leurs répulsions et attractions électrostatiques mutuelles, mais la distribution des électrons autour du noyau central est déterminée par le principe d'exclusion.

6. E.L. Muetterties et R.A. Schunn, Quart. Rev. Chem. Soc., 10, 245 (1966).

4. H.A. Best, J. Chem. Educ., 40, 446

5. Cette idée fausse est répandue dans

236

Pourquoi des flèches? Fondement et utilité des mécanismes réactionnels en chimie organique Paul Arnaud

S'adressant au non-organiciens et, dans une optique de recyclage, aux enseignants qui n'ont pas eu l'occasion de se familiariser avec certains aspects actuels de la chimie organique, cette étude montre la simplicité et l'utilité des notions fondamentales sur lesquelles repose la "théorie des mécanismes reaction- nels". Sur quelques exemples, elle met en évidence la valeur didactique des in- terprétations auxquelles elle conduit.

Pour qui n'y est pas préparé, feuil- leter certains ouvrages modernes de chimie organique peut être déroutant : les formules se réduisent souvent à des gra- phismes géométriques d'un dépouillement extrême où n'apparaissent que timidement les symboles de quelques atomes, agré- mentés par contre de flèches de formes variées, droites ou courbes, à une ou à deux pointes (parfois même elles ont perdu la moitié de leur pointe et ressemblent à des hameçons).

Etat présent d'une évolution com- mencée voici plus d'un siècle, cette sym- bolique n'est-elle qu'une mode ? ou re- présente-t-elle un progrès et traduit- elle une vérité scientifique plus avan- cée ? Gerhardt disait déjà en 1844 "nos formules sont nos idées'' , quelles idées y a-t-il donc derrière les formules de l'organicien de 1971 ?

à classer, interpréter et rationaliser les faits d'expérience, jusqu'à parvenir, si possible, à prévoir la réactivité à partir de la structure. La chimie minérale a recherché comme fil directeur les pro- priétés évolutives rapportées à la struc-

Les chimistes ont toujours cherché

LOUIS- PHILIPPE

L A BELLE EPOQUE

L E STYLE CONTEMPORAIN

P B

R

P R@ P

ture atomique des éléments et à leur place dans la classification périodique, alors que les chimistes organiciens ont pmté plus tôt leur attention sur l'aspect microscopique du déroulement des réactions. Ils assurent posséder en ce domaine des informations relativement précises et s'estiment en mesure d'édi- fier une théorie des mécanismes réaction- nels, susceptible de permettre des géné- ralisations et de rendre la chimie organique, dans une certaines mesure, logique et raisonnée.

cé des connaissances, certaines de ces interprétations sont encore incertaines ou aventureuses ou controversées, les

S'il est vrai que, sur le front avan-

Traduit et reproduit avec l'autorisation de Unichimie, vol. 3, 1971, p. et seq. 237

principes de base et les principaux mé- canismes simples ne paraissent pas devoir être un jour remis en cause, et je voudrais essayer de montrer ce qu'il y a de fondamentalement simple dans cette "théorie" ; sous l'apparence d'une grande variété de situations, elle est fon- dée sur un très petit nombre d'idées ''de base", utilisées avec logique et co- hérence.

rations est par ailleurs évident, et il n'est plus possible de les écarter d'une présentation "actuelle" de la chimie organique, dès lors que l'on vise tant soit peu â la décrire, ce qui est possible dès l'initiation.

L'intérêt didactique de ces considé-

QU'EST-CE QU'UN MECANISME REACTIONNEL ?

Prenons un exemple : en milieu acide, l'eau peut se fixer sur la double liaison du butène-2 pour donner du butanol-2.

H+ CH,-CH=CH-CH, + ,H,O. - CH,-CHOH-CH,-CH, 2 J L J L

Cette équation montre l'état du système avant et après la réaction, mais il est clair que cette transformation n'est pas un phénomène instantané relevant plus ou moins de la magie. Pour amorcer une ré- flexion sur ce qui s'est passé, et dont ce simple bilan ne rend pas compte, on peut par exemple faire l'inventaire des modifications survenues dans l'état de liaison des atomes : une liaison F s'est rompue, de même qu'une liaison O-H, deux nouvelles liaisons ne sont formées, C-H et C-O. Mais de nombreuses questions peuvent encore venir à l'esprit : dans quel ordre se sont produites ces transformations partielles ? Ont-elles été simultanées ou non ? Dans la seconde de ces éventualités, il a donc existé des états intermédiaires, lesquels ? dans l'alcool obtenu, où sont les élec- trons 'IT du butène-2 ? Et le doublet de l'ancienne liaison O-H ? D'où proviennent les électrons des nouvelles liaisons ? puisque le butanol-2 possède un carbone asymétrique, l'obtient-on sous la forme d'un seul énantiomère (lequel), ou sous sa forme racémique ?

- pourquoi un milieu acide est-il néces- saire ? Quel est le rôle des protons (ou des ions hydronium) du milieu ?

Répondre 2 ces questions (ce qui est chose possible), c'est décrire le "méca- nisme" de la réaction. En d'autres termes, le mécanisme d'une réaction c'est "tout ce qui se passe" pendant qu'elle s'effectue, c'est la réalité physique microscopique à l'échelle moléculaire, c'est "le film" de la réaction.

cription complète d'un mécanisme s'étend à trois aspects de la réaction : électro- nique (le sort des électrons concernés par la réaction), stéréochim2que (la configuration des produits formés, en relation avec celle des molécules initiales), cinétique et énergétique (la vitesse de la réaction et sa dépendance des concentrations, le nombre des étapes, les variations d'énergie du système au cours de la réaction.

En termes plus techniques, la des-

LA DUALITE DONNEUR-ACCEPTEUR

3 Au cours d'une réaction, les liai-

sons peuvent se rompre selon deux modes fondamentaux différents :

Homolytique : les électrons du doublet concerné se désapparient et deviennent électrons impairs, un sur chacun des deux fragments qui sont des radicaux libres.

Exemple : A : B - A; + B *

hS C12 - 2 c1. Hetérolytique : le doublet reste

sur le plus électronégatif des deux atomes antérieurement liés, avec création d'une orbitale vacante sur l'autre.

Exemple : A : B - A + B:

+ H - C1 - H + ClT

Bien que le type de rupture observé puisse dépendre assez largement des conditions expérimentales, il existe en pre- mière approximation une corrélation entre la nature de la liaison et son mode

238

de rupture le plus probable : les liaisons parfaitement covalentes ou très faiblement polarisées (corps simples, alcanes), en l'absence d'influences pola- risantes, se rompent selon le mode homolytique ; une polarisation marquée (liaison entre atomes d'électronégativité très différente) favorise au contraire une rupture hétérolytique. L'état de polarisation permanente n'est cependant pas le seul critère, et la polarisabilité de la liaison joue également un grand rôle.

Dans les conditions usuelles (en particulier, phase liquide et température modérée) les conditions propices à une rupture hétérolytique sont beaucoup plus souvent réunies que celles qui pourraient provoquer une rupture homolytique ; les réactions hétérolytiques sont donc de loin les plus fréquentes, et la suite ne concerne qu 'el 1 es.

Ces réactions se caractérisent donc essentiellement par le fait que les doublets électroniques, libres ou partagés, restent en permanence constitués et participent en tant que tels à des interactions du type donneur-accepteur entre porteurs de doubletsdisponibles (ou susceptibles de le dqvenir) et porteurs d'orbitales vacantes (ou susceptibles de le devenir). Les schémas de telles interactions sont peu nombreux et peuvent se résumer très simplement (tableau 1).

e 'S.

Si la rupture d'une liaison ne s'ac- compagne pas de la formation concomitante d'une autre (ou inversement), le mécanisme est non concerté (colonne de gauche du tableau 1). Si rupture et formation sont plûs ou moins simultanées, l'une entraî-

nant nécessairement l'autre, la réaction est concertée (colonne de droite).

participant à une réaction ne peut, en définitive, connaitre que trois "sorts" :

Plus brièvement encore, un doublet

- étant doublet libre, devenir doublet - étant doublet partagé, devenir doublet - étant doublet partagé, le rester mais

partagé ;

libre ;

non entre les mêmes atomes.

Tous les principes de base des mé- canismes hétérolytiques se trouvent ainsi énoncés, et les plus complexes d'entre eux ne sont que des successions et des combinaisons d'étapes élémentaires empruntées à ces schémas. Le tableau II en donne deux exemples.

Tableau II - Deux exemples de mécanismes : formation d'une cyanhydrine ( 1 ) et deshy- drohalogénation d 'un dérive halogené (2p.

ELECTROPHILES ET NUCLEOPHILES

Les réactions hétérolytiques se jouent entre ces deux types de parte- naires, et ces deux termes traduisent encore la dualité donneur-accepteur. Ap- pliqués à des réactifs ou à des sites particuliers dans les molécules, ils en caractérisent le comportement : les élec- trophiles, déficitaires en électrons, sont portés à attaquer les sites ou les entités qui en sont riches (doublet libre, doublet 7~ , charge partielle né- gative), alors que les nucléophiles, apportant les électrons nécessaires à la nouvelle liaison, recherchent les sites déficitaires (orbitale vacante, cation, charge partielle positive).

239

Exemples :

@ C13, CH3 -G,I H+, H @ - Br

sont des électrophiles

N=@, CH3 - CH2 -@ @H3, H3@ -MgBr

sont des nucléophiles (le site où réside le caractère évoqué est encerclé).

moins évidente lorsqu'ils sont appliqués non plus à un réactif mais à une réaction (par exemple : substitution nucléophile, addition électrophile). Il est clair, en effet, que dans une réaction hétérolyti- que interviennent à la fois un nucléophi- le et un électrophile, de même que dans une oxydo-réduction interviennent un oxydant et un réducteur. Qualifier une ré- action d'électrophile ou de nucléophile suppose donc que l'on ait fait un départ entre le réactif qui agit et le substrat qui subit, c'est-à-dire que l'on ait choisi le partenaire par rapport auquel la réaction est considérée.

l'hydrolyse d'un halogénure d'alkyle :

La signification de ces termes est

Parfois ce choix s'impose : dans

R - X + H 2 0 - R - O H + H X

il est évident que l'essentiel est la transformation du composé organique (substrat) et non celle de l'eau en acide chlorhydrique (de même, l'oxydation d'un métal par l'oxygène n'est en géné- al pas envisagée sous l'angle de la ré- duction de celui-ci). L'eau étant donc le réactif, et ayant en l'occurence un comportement nucléophile, cette réaction est classée comme substitution nucléo- phile.

entre substrat et réactif est parfaitement arbitraire et ne fait que traduire un point de vue délibérément adopté. Ainsi la réaction :

Dans d'autres cas la distinction

5+ 6-.-$+ r- gtr 3 3 BrM CH3 + CH3-Br -H C-CH + MgBr2

peut tout aussi valablement être consi- dérée comme une attaque nucléophile de la première molécule sur la seconde que comme une attaque électrophile de la seconde sur la première et ces deux points de vue ne sont évidemment pas exclusifs l'un de l'autre (pour poursuivre la comparaison "minérale", une réaction comme

l'aluminothermie présente une situation analogue : est-ce une oxydation ou une réduction ?).

Les flèches

Les organiciens ont pris l'habitude d'introduire dans leurs formules un 616- ment visuel traduisant les déplacements des doublets électroniques : les flèches. Elles n'ajoutent absolument rien au plan de la théorie, mais elles apportent une sorte de dynamique dans l'écriture des réactions et jouent un rôle quelque peu analogue à celui de la ponctuation ou des accents dans une phrase écrite. On peut écrire sans virgules ni points (la littérature moderne en offre des exemples), mais la compréhension de la pensée de l'auteur n'en est pas facilitée. De mê- me on peut écrire les réactions, et dé- crire les mécanismes, sans aucune flè- che, mais il faut réfléchir un peu plus pour reconstituer mentalement le dérou- lement de l'action ; la réaction (2) du tableau II est plus "parlante" telle qu'elle est présentée que sous la forme :

\ / + H 2 O + NaBr NaOH + CH - CBr - C=C I l / \

A condition de ne pas vouloir faire dire aux flèches plus qu'elles ne signi- fient (le sort des électrons concernés par la réaction), cette pratique n'est pas sans utilité, mais il est indispensable d'observer la convention suivante : les flèches suivent les électrons, crest- à-dire sont tracées du nucléophile vers l'électrophile, et non l'inverse. Ainsi, on écrit :

.. + R - NH2 + H+ - R - NH3

-+ + et non R - ik2+ H -+ R - N H ~

même si, dans le langage courant, on dit en ce cas ''le proton va se fixer sur le doublet libre de l'azote".

Les charges électriques Très fréquemment les réactions pro-

cèdent par des entités intermédiaires de nature ionique, et pendant leur déroule- ment, apparaissent et disparaissent des charges positives ou négatives sur certains atomes. Il n'est pas inutile, didac-

240

tiquement parlant, de bien.mettre ici les points sur les i et de iaire saisir les relations qui peuvent exister entre char-

tes. Il est utile, par exemple, d'avoir remarqué (une fois pour toutes) :

- qu'un atome peut-être déficitaire sans posséder pour autant une orbitale vacante - (N dans NH +) et posséder une orbitale vacante sans être déficitaire (Al dans AlCl ); - qu'il n'y a pas non plus correspondance nécessaire entre l'existence d'une charge négative et la pr6sence d'électrons libres.

présence d'un doublet libre, mais dans A1H' 4 l'aluminium possède quatre doublets partages;

-

ges, doublets libres et orbitales vacan- -

4 3

Dans R-C s C F, la charge est associée 2 la -

d'autre part, de nombreuses molécules possèdent un ou plusieurs doublets libres et sont neutres (H O, NH etc). - 2 3'

que le départ d'un doublet n'engendre sur l'atome qui leAerd qu'une charge + 1 et non +2 (H3C - C1+H3C+ + Cl-) et que, de même, le passage d'un doublet sur un atome ne fait apparaître qu'une charge - 1 (exemple précédent) ou neutralise seulement une charge + l ( R - ~ H ~ - R+ + H ~ O ) ; Y

- que la fixation d'un électrophile sur un doublet fait apparaître sur l'ancien "propriétaire" de ce doublet une charge + 1 (apparition d'une charge + 1 sur l'oxygène lors de la protonation d'un alcool).

Ces remarques peuvent paraître triviales, mais l'expérience montre que ''si cela va sans le dire, cela va encore mieux en le disant". En outre, et d'une façon générale, la règle évidente de conservation des charges sera toujours un guide sûr à ne pas négliger (grâce à lui, par exemple, on sera a priori préservé d'é- crire un anion dans le second membre d'une réaction si le premier membre comporte un cation et une molécule neutre ...)

REALITE OU SPECULATION ?

Il n'est pas possible d'exposer ici sur quelles bases expérimentales repose cet te théorie des mécanismes réactionnels et je voudrais seulement convaincre le lecteur que de telles preuves existent.

L'arsenal des moyens d'accès à la réalité microscopique du déroulement des réactions est vaste, et je ne ferai que citer :

la méthode cinétique : détermination de l'ordre partiel expérimental de la réaction par rapport à chaque réactif : la méthode stéréochimique : observation des modifications apportées dans les configurations ; relations entre facteurs stériques et réactivité ; la méthode des isotopes : remplacement d'un atome-clé de la réaction par un de ses isotopes (IBO à la place de l60, D 2 la place de H...) de façon à pouvoir le suivre et le localiser dans les produits de la réaction.

l'observation des réactions secondaires (certains réarrangements du squelette carboné sont significatifs du passage par un carbocation) ; la capture d'intermédiaires(par un troisi&me larron étranger à la réac- tion principale, introduit volontairement) ; l'observation des variations de la ré- activité (vitesse de réaction) avec la structure de l'environnement.

Pour la majorité des "grands'' méca- nismes, fondamentaux d'addition, d'élimi- nation, de substitution ou de réarrange- ment, la convergence de toutes les observations expérimentales conduit à penser que les interprétations actuelles sont plus que vraisemblables et non susceptibles de remise en cause dans leur principe (pour autant qu'une certitude défi- nitive puisse exister dans les sciences). Il est non moins certain, cependant, que ces interprétations sont grossières et incomplètes par rapport à la finesse d'une réalité qui nous échappe encore en partie ; continuité ou discontinuité des processus élémentaires, réalité de telles ou telles étapes discrètes, structure des états de transition sont encore souvent des points d'interrogation et parfois des concepts nouveaux doivent Gtre introduits pour justifier une partlcularité aberrante au regard de la théorie anté- rieure (paire d'ions, carbocations classiques).

Nos connaissances en ce domaine ont donc encore à progresser et à s'affiner, et au fur et à mesure que notre "microscope" verra son pouvoir de résolution s'améliorer, les détails apparaîtront plus nombreux et plus distincts, mais une image encore un peu floue n'est pas pour autant une image inexacte, ni suspecte de l'être.

24 1

DES MECANISMES POUR QUOI FAIRE ?

Même en leur état actuel, nos connaissances sur les mécanismes des réac- tions s'avèrent douées d'un pouvoir d'explication et de rationalisation non né- gligeable et, à ce titre, elles ne doivent certainement pas être réservées à la satisfaction intellectuelle des spécia- listes, mais intervenir dans l'enseignement de la chimie organique, à tous les niveaux. A condition d'éviter le dogma- tisme, de ne jamais renoncer à l'esprit critique, de subordonner la théorie à l'expérience et enfin de limiter ses am- bitions pédagogiques aux possibilités ré- elles de compréhension des "auditeurs" , ces considérations sont de nature à simplifier la chimie organique, en donnant matière au raisonnement (au moins analo- gique) et 5 la compréhension des faits.

Mais encore faut-il que ces notions ne soient pas surajoutées, et comme pla- quées, sur un exposé descriptif car alors ce serait seulement une chose de plus à apprendre. Il faut les intégrer à la base de l'édifice, et réellement s'en servir ; cela signifie ne pas se contenter d'é- crire les réactions "avec un mécanisme" (avec des flèches), mais interpréter la réactivité, coordonner les faits et les faire comprendre.

Quelques exemples, pris parmi les

La molécule qui s'additionne subit une rupture hétérolytique et le fragment cationique (électrophile) se fixe le premier sur l'un des deux carbones éthyléni- ques, en utilisant pour se lier le doublet ; l'anion vient ensuite se fixer, grâce au doublet libre qu'il apporte, sur l'autre carbone.

Ainsi, l'addition de l'acide bromhydrique sur l'éthylène comporte les étapes suivantes :

H - Br - H+ + Br- + CH2 CH2=CH2 + H+ - CH3 -

+ - CH3-CH2 + Br -+ CH - CH2Br 3

Apparemment ce schéma n'apporte rien de plus utile que le simple bilan de la réaction, mais -son intérêt apparaît lorsqu'il s'agit d'expliquer la fameuse "règle de Markownikov" au lieu d'en faire une question de mémoire, ou lorsqu'il permet de prévoir le résultat d'une réaction pouvant donner deux produits différents.

L'addition de l'acide bromhydrique sur le propène (dans les conditions ex- périmentales d'une réaction hétérolytique) donne le bromo-2 propane de préférence au bromo-1 propane :

Br 2 1

7 3 CH -CH2-CH2 - CH3-CH2-CH2Br plus classiques, me permettront de préciser ce point de vue. CH -CH=CH2 + HBr'

3 bCH3-CH-CH3 CH -CHBr-CH3 3 Addition électrophile sur la liaison éthy- lénique

La plupart des réactions d'addition sur les doubles liaisons présentent les caractères d'une réaction en deux étapes, dont la première consiste en une attaque électrophile sur les électrons B . Il est possible, en effet, de démontrer l'existence d'un carbocation intermédiaire, et d'autre part les variations observées de la réactivité avec l'environnement de la double liaison montrent que la réac- tion est d'autant plus facile que le sys- tème éthylénique est plus "donneur" (influence désactivante d'un halogène Conti- gu, influence activante de groupements inductifs-répulsifs).

Le schéma de la réaction est donc :

L'explication réside simplement dans' le fait que le proton, ayant le choix de se fixer sur le carbone 1 ou sur le carbone 2, se comporte de façon à donner naissance au plus stable des deux carbocations possibles) c'est à dire celui qui est secondaire et non primaire), car il en résulte une économie d'énergie d'activation pour la réaction. En possession de ce critère (et non d'une "règle'', souvent confirmée par ses exceptions, qui voudrait que "l'hydrogène aille sur le carbone qui en a déjà le plus"), le ré- sultat d'autres additions pourra être justifié ou prévu correctement, même dans le cas de l'hydroboration, par exemple, qui paraît "anti-Markownikov" par rapport à la susdite règle.

lement en milieu acide, est une belle occasion de montrer en quoi peut consister le rôle d'un catalyseur : non pas

L'addition de 1 'eau, possible seu-

242

"faciliter" une réaction, mais lui en substituer une autre, moins exigeante en énergie, souvent plus longue, conduisant au même résultat (contourner la montagne par les vallées au lieu de fran- chir un col).

Il semblerait que la réaction :

CH2=CH2 + H - OH - CH3 - CH20H puisse se dérouler selon le schéma géné- ral des additions électrophiles, exactement come l'addition de HBr, et pourtant sa vitesse est apparemment nulle. En ré- alité, l'eau n'est pas assez acide, et l'alcène pas assez basique, pour que la première étape (protonation de la double liaison) s'effectue de façon perceptible. Le recours 2 un acide fort, comme H 0' 3 présent dans une solution aqueuse acide, permet à cette première étape de s'ac- complir :

lécule d'eau peut l'attaquer indifférem- ment sur ses deux faces et l'alcool est

( % ) En milieu sulfurique concentré, on peut également envisager la formation initiale d'un sulfate acide d'alkyle R-SO H, ultérieurement hydrolysé ; cette interprétation ne modifie pas la raisonnement ci-dessus, car cette hydrolyse est une substitution nucléophile par H O. obtenu sous la forme racémique).

4

2

Déshydratation des alcools

\ m + + Y C &C.+ H- 3-H -+-C-C- +H20 (A)

1 4 H

et désormais l'eau peut intervenir, non plus comme acide mais comme nucléophile, par la présence de ses doublets libres sur l'oxygène :

H H (BI OH H

I I + .. ,-+ 1 H Q + -C-C---C-CH- - -C-CH- + H

I I I I I I 2 ..

i x) Cette réaction n'est du reste pas

la seule circonstance où l'eau manifeste un comportement nucléophile, apparent éga- lement dans l'hydrolyse d'un halogénure, par exemple :

.* 6+ H + H 2 f i + R - X - > O - R + X - - H O - R + H X La formation de- 1' éther correspond

à un "aiguillage" différent de la réac- H

(cette dernière réaction est cependant plus rapide en présence de soude, car OH- est un meilleur nucléophile que H O). 2 Je laisse au lecteur le soin de vérifier si, maintenant, il est en mesure de répondre aux questions posées précédemment, en illustration de ce qu'est un mécanisme réactionnel, à propos de cette réaction d'hydratation des doubles liaisons (la troisième nécessite cependant un complément d'information : le carbocation intermédiaire étant plan, la mo-

La déshydratation d'un alcool en milieu acide, pour donner un alcène et de l'eau, est exactement l'inverse de l'hydratation d'un alcène, non seulement dans son bilan, mais dans toutes ses éta- pes intermédiaires. Il suffirait donc de reprendre 'là l'envers'' les deux réactions partielles (A) et (B) précédentes. On remarquera que le rôle du catalyseur acide est alors de faciliter la rupture de la liaison C-O qui, dans les alcools, ne se rompt effectivement qu'en milieu acide (Bronsted ou Lewis). D'une part la polarisation de la liaison se trouve accen- tuée par le déficit crée sur l'oxygène protoné, d'autre part la séparation effective d'une molécule (H O) et d'un ion (carbocation) exige moins d'énergie que celle des deux ions (OH- et R') qui ré- sulteraient de la rupture pure et simple de la liaison C-O en milieu neutre, et l'énergie d'activation de cette étape s'en trouve diminuée.

ment.à un éther, et la température in- flue sur les proportions d'alcène et d'é- ther. On peut simplement apprendre que plus la température est élevée plus il se forme d'alcène, mais on peut aussi essayer de comprendre pourquoi.

2

Cette réaction peut conduire égale-

tion, au moment du passage par le carbocation : ou il se stabilise en perdant un proton et en donnant l'alcène, ou il rencontre une molécule d'alcool et se comporte en électrophile vis-à-vis de ses doublets libres (la protonation initiale de l'alcool étant réversible est toujours incomplète, et il existe effectivement dans le milieu des molécules non proto- nées) :

243

+ CH2=CH2 + H

+ + + <

H+ + CH3-CH20H-CH3-CH2-OH2- CH -CH2 3

CH3-CH2-O-CH2-CH3 -+ CH -CH -O-CH2-CH3+H 3 2 L'éventualité d'un choc (bien orien- H

té) carbocation-alcool est soumise aux lois des probabilités, et l'éther ne peut indiquent aucun. On constate par ailleurs se former que si le carbocation a pu at- qu'aucun bachelier arrivant dans l'ensei- tendre qu'un tel choc se produise. Or la gnement supérieur n'a assimilé le conte- durée de vie d'un carbocation est limitée nu d'un ouvrage de la première catégorie par sa stabilisation avec départ d'un pro- citée et sans doute convient-il d'être ton, et elle est d'autant plus courte que très mesuré dans la définition des objec- la température est plus élevée. Il est donc tifs, mais de s'efforcer ensuite de les logique qu'une élévation de température atteindre véritablement. nuise-à la formation de l'éther.

On pourra être surpris, dans ces con- seignant qui aura plus tard devant lui ditions, que l'alcool tertiobutylique, au- ces mêmes élèves à l'Université, je me quel correspond un carbocation tertiaire pose la question l'que souhaiter qu'ils dont la durée de vie devrait être relati- sachent et ne sachent pas ?". Le premier vement longue, donne par déshydratation souhait à formuler serait d'éviter soi- uniquement de l'isobutène : gneusement tout ce qui risque de suggé-

rer des idées fausses (qui, curieusement, semblent toujours s'enraciner beaucoup plus fortement que les justes). Par exem-

Me plaçant du point de vue de l'en-

+ tBu - O - tBu YH3

CH3-C-OH I .L< CH =C-CH3 ple : CH3 2 l - ne pas utiliser des cadres (ces "1assos"y

et écrire de préférence les réactions sous la forme ionique, de façon à met-

Cet exemple fournit une excellente tre en évidence les véritables entités réactives, même sans parler de méca-

CH3

occasion de montrer le danger de générali- sation trop hâtives. En ce cas, la réaction nisrnesaécrire : du carbocation sur l'alcool est sévèrement contrariée par l'encombrement que créent les groupes tertiobutyle autour des deux sites réactionnels, et la seule possibi- lité d'évolution du carbocation est 1'6- limination d'un proton ; sa durée de vie OU C6H5-H n'est donc plus un facteur d'orientation de la réaction .

CH -CH2Br + OH- -+ CH -CH20H + Br-

et non CH -CH -Br + NaOH-, ).. 3 2

3 3

+ + H + NO2 + -+ C6H5-N02

et non C H -H + HO-NO2 ... 6 5

ENSEIGNER QUOI A QUI ?

Il n'est par question de songer à traiter ici le double problème du dosage de la théorie dans l'enseignement de la chimie organique et de la progression à suivre dans son étude, en fonction du niveau des élèves. Tout au plus voudrais-je pour terminer, émettre quelques remarques ou suggestions à ce propos.

Il est sans doute irréaliste de vouloir aborder de telles questions avec les classes terminales, mais il me paraît par contre impossible de les ignorer à ce niveau. L'attitude des auteurs de manuels à cet égard se révèle très diverse : certains associent un mécanisme à la plupart des réactions citées, d'autres n'en

- ne pas suggérer implicitement des pseu- domécanismes , comme "l'ouverture'' de la double liaison en biradical, à la façon d'une porte à deux battants, pour additionner le. brome, ou comme la pré- tendue addition du benzène sur l'éthy- lène, qui est en réalité une substitution sur le cycle.

Dans le domaine des suggestions positives, on peut indiquer quelques notions vraiment fondamentales qui devraient avoir été dégagées et bien comprises, à un moment ou à un autre du programme : - groupement fonctionnel, sa réactivité par rapport à la relative inertie de la chaîne carbonée, origine de cette réactivité (rôle d'hétéroatomes créant une polarisation, présence d'électrons "disponibles") .

244

- rôle des électrons, homolyse et hété- - idée que l'équation n'est qu'un bilan rolyse ;

et qu'il y a une réalité plus complexe ; rareté de réactions en une seule étape ;

- dualité donneur-accepteur dans son sens le plus général (cette idée n'est sans doute ni plus abstraite ni plus difficile que les échanges d'électrons dans l'oxydo-réduction, ou l'acido-basicité selon Bronsted).

Quant à entrer dans le détail de quelques mécanismes simples, c'est sans doute dans la chimie de la double liaison et du groupe hydroxyle qu'on en trouve les meilleures occasions (addition des hydracides sur l'éthylène, comportement des alcools en milieu basique et acide).

ment supérieur, je me limiterai à souligner que la difficulté me semble être d'un autre ordre : elle consiste à éviter de donner l'impression que tout peut être expliqué ou prévu, et à ne pas trop encourager le goût de l'abstraction pour elle-même. Les interprétations électro- niques risquent de devenir un jeu de l'esprit, au détriment du sens de l'expéri- mentation, et ce risque est certainement maximal si l'on adopte d'emblée à ce niveau une démarche ordonnée selon les types de réactions, propre 5 développer l'esprit de système. Mais ceci pose aussi le problème de la revalorisation de l'enseignement expérimental, ce qui est une autre histoire...

Pour le premier cycle de l'enseigne-

L'objectif de cette étude se limi- tait à montrer tout à la fois la simpli- cité et l'intérêt des principes qui sont à la base des conceptions actuelles en chimie organique, avec l'arrière-pensée de désarmer une certaine prévention parfois nourrie à leur égard. Le sujet n'a cependant pu qu'être effleuré, et il reste au lecteur beaucoup de choses passionnantes à découvrir dans les livres que, je l'espère, il aura maintenant envie d'ou- vrir.

B I B L I O G R A P H I E

P. Arnaud, Cours de chimie organique, Gauthier-Villars, 7e édition, Paris, 1971.

J.H. Richards, D.J. Cram, G.-S. Hammond, Eléments de chimie organique, McGraw Hill, Montréal, 1968.

chimie organique, Gauthier-Villars, Paris, 1965.

M. Julia, Mécanismes electroniques en

C.-A. Vanderwerf, Acides, bases et chi-

R.

A.

R.

mie de la liaison covalente, Masson, Paris, 1964.

Stewart , The Investigation of organic reactions, Prentive Hall, Londres, 1966.

Kirrmann, J. Cantacuzène, P. Duhamel, chimie organique, tome 1 : chimie organique générale, Armand Colin. Paris, 1971.

Breslow, Mécanismes des réactions organiques, Ediscience, Paris, 1970.

245

VI. Quelques expériences simples

Un grand nombre d'expériences simples sont proposées chaque année pour les travaux pratiques des étudiants et pour les démonstrations. La sélection effectuée ici est fondée sur des expériences utilisées dans des pays très divers, dans le souci de donner une idée générale du travail effectué à travers le monde. Nous espérons que cette sélection incitera nos lecteurs à tenir compte de ces expériences pour leurs propres enseignements et à en développer d'autres dans le même esprit.

Les premières expériences proposées pal: Murphy (Canada) , Anamuah-Mensah (Ghana), Grygorev (URSS), et Briggs (Malaisie) sont des expériences très simples que les professeurs peuvent développer.

Van Praagh((Ma1aisie) décrit comment on peut fabriquer des boules de polystyrène pour construire des modèles et Chamberlain (Ouganda) décrit des expériences faites avec de telles boules. Bien qu'il soit écrit pour les écoles ougandaises, cet article donne des tuyaux intéressants sur la façon d'aider les étudiants à comprendre la chimie de l'état solide.

Deux expériences, l'une sur les états d'oxydation du manganèse par Arora (Inde) et l'autre sur la cinétique de l'oxydation de l'eau oxygénée par les ions bichromate par Clelland (Nouvelle Zélande) peuvent être utilisées dans des cours d'un niveau plus élevé,au Lycée ou

à l'Université. Ces deux expériences donnent matière à beaucoup de réflexions et peuvent être organisées d'une manière non-directive pour permettre à chaque étudiant de suivre son propre itinéraire.

Deux montages simples sont décrits par la suite, l'un pour la production d'eau pure, par Towse (Lesotho) et l'autre pour la construction d'une cellule de pH métrie facile à réaliser, par Hendrixson (U.S.A.).

Les deux derniers articles donnent des détails sur un grand nombre d'expé- riences simples. On nous demande souvent de réaliser des expériences de chimie spectaculaires, tout particulièrement pour les journées portes-ouvertes à l'école et pour des fêtes. Ces deux articles sont pleins d'idées, dont quelques-unes ne sont peut-être pas réalisa- bles dans beaucoup d'écoles ; mais d'autres le sont et amuseront et diver- tiront les enfants de tous Ziges. Ils se passionneront et seront peut-être séduits par la chimie.

Toutefois, toutes ces expériences ne doivent être réalisées que par des professeurs expérimentés, et comme dans toute pratique de la chimie, on doit prendre le plus de précautions possibles. Comme le suggèrent les auteurs des premiers de ces articles, tous les manipula- teurs et leurs assistants devraient porter des lunettes de protection. En outre l'assistance devrait se trouver à une distance assez grande pour assurer la sécurité,

247

Masse d'une mole de molécules d'iode M. Murphy

11 est bon que les étudiants voient quelques preuves de ce que nous leur enseignons au cours de Science 9. Sinon, ils termineraient peut-être le cours en pensant que la preuve de l'existence des formules qu'ils ont apprises est donnée par le modèle moléculaire matérialis6,par le modèle de valence ou encore par le modèle de Bohr pour la liaison chimique. Le modèle leur apparaît comme la preuve de l'existence de la structure au lieu de l'inverse.

spontanément la loi d'Avogadro (si un échantillon de gaz occupe un volume double d'un autre, il se compose d'un nombre double de particules, à condition que les deux échantillons soient à la même température et à la même pression). Beaucoup d'entre eux (dont les notes sont A ou B) peuvent comprendre pourquoi cette loi ne s'applique qu'aux gaz et pourquoi il est nécessaire d'avoir la même température et la même pression. La décomposition de l'eau permet de leur montrer comment on applique la loi d' Avogadro.

meilleurs étudiants peuvent aller plus loin encore. On peut définir une mole de particules conune étant le nombre de particules de tout gaz occupant un volume de 39 litres à la pression normale et à 200°C. Les étudiants comprennent très vite qu'il est peu commode de transformer un échantillon d'une substance en un gaz à 200°C. chaque fois qu'on désire connaître le nombre de particules qu'il contient. 11 est plus facile de trouver une fois pour toutes la masse d'une mole de particules de

La plupart des étudiants acceptent

Après cette introduction, les

chaque élément. Alors ils pourront toujours trouver combien de particules contient l'échantillon qu'ils ont pesé. J'ai imaginé la méthode suivante pour leur montrer la technique : Peser avec précision quatre grammes d'iode solide. Monter l'appareillage décrit dans la figure. Chauffer l'iode en surveillant la température ; (l'iode bout 2 184°C. d'où la définition d'une mole de particules). Quand la température atteint 200"C, l'étudiant doit marquer le niveau de l'iode sur le tube à essais vide avec un ruban adhésif. Vous trou- verez qu'il est facile de déterminer le niveau ; l'iode est tellement dense qu'il se rassemble en un gaz violet foncé. De violet foncé le tube devient presque incolore sur une hauteur de deux centimètres à peine. Laisser l'iode gazeux se condenser près d'une fenêtre ouverte ou sous une hotte.

ensuite être mesuré en remplissant le tube à essais vide avec de l'eau jusqu'au ruban, puis en versant l'eau dans une éprouvette graduée et en mesurant son volume. Si les étudiants comprennent vraiment ce qu'est la vaporisation, ils comprendront que la masse de ce volume d'iode gazeux est égale à la masse d'iode solide initiale. Ils peuvent calculer la masse d'un millilitre d'iode et ensuite la masse de 39 O00 ml. L'expérience complète ne dure que 15 minut es .

à peu près 10 fois, et les résultats se sont toujours situés entre 245 et 264 grammes. La valeur réelle est de 254 grammes. L'erreur commise est, par

Le volume de l'iode gazeux peut

J'ai maintenant suivi cette expérience

248 Reproduit avec l'autorisation de BC Science Teacher, vol. 19, no 2, 1977, p. 14.

conséquent, seulement de 4 %. Sans aucun doute, la technique peut être améliorée et donner des résultats plus précis, mais la méthode telle qu'elle est décrite aura une valeur certaine pour les étu- diants des cours : chimie 1 1 et chimie 12.

démonstration, il n'y a presque pas d'iode qui s'éChappe. Quoi qu'il en soit, si l'on veut éviter que l'iode ne s'éChappe, on peut réaliser l'expé- rience en employant un bouchon à deux trous, l'un pour le thermomètre et l'autre pour une pipette de 10 ml. L'extrémité ouverte de la pipette permet à l'air de s'échapper mais elle est située trop haut pour que l'iode, très dense, puisse e'échapper. On peut aussi insérer un bouchon de laine de verre autour du thermomètre au sommet du tube.

Si l'expérience est réalisée en

Tube i essais vide

200" x 2.5" fués à la m ê m e au centre du

d'iode solide

249

Un moyen sûr et bon marché pour obtenir du soufre rhomboédrique ou monoclinique J. Anamuah-Mensah

Il est surprenant qu'à notre époque de conquête spatiale certains livres et manuels de laboratoire continuent à conseiller l'emploi de sulfure de carbone comme solvant pour le soufre, alors que l'on sait que le sulfure de carbone est très inflammable et a un point d'éclair exceptionnellement bas (-3OoC), comparé à d'autres liquides inflammables. Il est bon de noter que même des tuyaux de vapeur d'eau et des ampoules d'éclairage ordinaires peuvent enflammer les vapeurs de sulfure de carbone.

Beaucoup de professeurs négligent le fait que ces vapeurs sont très nocives et que le liquide est facilement absorbé par la peau et provoque des lésions de la moelle osseuse et d'autres tissus. Le xylène proposé comme solvant de remplacement "plus sk", par plusieurs auteurs et utilisé très couramment par certains professeurs, est également inflammable, dangereux au contact de la peau et dégage des vapeurs toxiques.

A la recherche d'une méthode plus sûre , G.A. Cox (1) signale l'emploi de l'huile d'olive comme solvant vers loooc.

Dans le laboratoire des méthodes chimiques de l'Université j'ai étendu l'étude de Cox à d'autres huiles faciles à obtenir telles que l'huile d'arachide, l'huile de palme, l'huile d'amande et l'huile de copra. A l'exception de l'huile de copra qui montre du soufre amorphe lorsqu'on regarde au microscope

une goutte de la solution chaude (lOO°C) , les autres huiles produisent du soufre cristallisé, L'huile d'olive, comme cox l'a remarqué aussi, a fourni presqu' immédiatement de magnifiques cristaux monocliaiques, mais en attendant une nuit on a observé l'apparition de cristaux rhomboédriques. Avec l'huile d'arachide il y a eu formation immédiate de soufre rhomboédrique. L'huile de palme a fourni également de gros cristaux rhomboédriques mais après qu'on ait laissg la solution reposer une nuit.

J'espère vivement que l'emploi des solvants mentionnés ci-dessus pour l'obtention des formes rhomboédrique et monoclinique du soufre contribuera beaucoup à la prévention des risques dans nos laboratoires.

Bibliographie.

1. Cox, G.A.,'The preparation of rhombic and monoclinic sulphur' , Sch. Science Rev., 56. N o 196,635,1975.

250 Reproduit avec l'autorisation du Journal of the Ghana Association of Science Teachers, vol. 16, 1976, p. 52.

Perfectionnement d'un appareillage pour l'obtention de chlorure d'hydrogène ou d'acide chlorhydrique Yu. M. Grygorev

Le montage proposé (voir figure) se compose du tube à essais de réaction 1 , du tube 4 et du tube à essais 6 contenant l'indicateur. Le tube 3 par lequel arrive le chlorure d'hydrogène gazeux, arrive à la hauteur du milieu du tube 4 tandis que le tube 5 sert à l'éva- cuation du chlorure d'hydrogène. Le tube 4 doit être hermétique mais on doit pouvoir facilement enléver le raccord du tube 3.

On verse dans le tube à essais1 de l'acide sulfurique concentré et on met du chlorure de sodium humide dans le tube à essais 2 comportant une indenta- tion. On humidifie le chlorure de sodium pour qu'il ne tombe pas. Dans le tube 4, on verse de l'eau contenant du mgthyl- orange (jusqu'au quart du volume du tube). On verse de même 1 Zi 2 cm3 de cette solution aqueuse dans le tube à essais6 ; le montage est réalisé de façon que le tube 5 arrive 5 à 10 mm aurdessus du niveau de l'eau. Le tube 4 est boaché avec un bouchon en liège et on fait tomber le chlorure de sodium dans l'acide. On chauffe le tube 1. Si un excès de chlorure d'hydrogène s'éChappe du tube 5, le ethyl-orange dans le tube 6 changera de couleur. Il sera alors nécessaire d'élever le tube 6 de façon Zi ce que l'extrgmité du tube 5 plonge dans l'eau. Peu après, l'eau remontera dans le tube 5 et créera un jet qui absorbera le chlorure d'hyd ogëne. Il est possible d'ajouter 1 Zi 2 cm d'eau dans le tube 6 si néces- saire. Ce dispositif peut être utilisé comme démonstration ou comme expérience de classe, pour la préparation de chlorure d'hydrogène ou d'acide chlorhydrique.

5

m --

4 I

5 /

6

Appareil le mieux adapté pour obtenir'du chlorure d'hydrogsneetdel'acide chlorhydrique.

Il est tout à fait impossible que le chlorure d'hydrogène s'éChappe dans l'air et il est par conséquent possible de travailler sans hotte.

Traduit et reproduit avec l'autorisation de Khimia v Shkole (la chimie B l'bcole), vol. 6, 1977, p. 75. 25 1

Tableaux périodiques en ruban marqueur J. G. R. Briggs

Le ruban spécial pour étiquetage de 1 cm de largeur employé dans les cours de physique Nuffield, convient pour faire réaliser par les élèves leur propre tableau périodique.

Le ruban est marqué à des intervalles de 1 cm et on place dans les carreaux de 1 cm les symboles des vingt premiers éléments, dans l'ordre des numéros atomiques. Les élèves peuvent alors hachurer le lithium, le sodium et le potassium (dont ils savent qu'ils ont des propriétés semblables), Le ruban est découpé et arrangé afin que ces trois éléments soient placés l'un sous l'autre (Figure 1).

Figure 1

252

Quand il aura été dit que l'hélium ressemble à l'argon et au néon, on pourra de nouveau couper le ruban et obtenir le tableau périodique de la Figure 2. On peut aussi inclure dans le ruban les éléments au-delà du calcium et obtenir un tableau périodique plus complet.

périodique avec ce type de ruban est que chaque élève peut travailler seul, et que les tableaux ainsi réalisés sont suffisamment petits pour être placés dans les classeurs ou les cahiers des élèves.

L'avantage de fabriquer un tableau

Figure -3

Reproduit avec l'autorisation de School Science Review, vol. 58, 1977, p. 728-9. 0 The Association for Science Education, 1977.

Fabrication de sphères de P olystyrène à partir de déchets G. Van Praagh

(Note du directeur de la publication : l'auteur dicrit ici l'utilisation de sphères de polystyrène pour la fabrication de modèles. Ces sphères sont coateuses lorsqu'il faut les acheter dans le commerce, aussi l'auteur nous présente-t-il une méthode simple de fabrication à partir de déchets de polystyrène expansé.

a) Appareillage simple (facile h fabriquer soi-même) pour le découpage de sphères de polystyrène expansé.

b) Dimensions 2 adopter pour la re- présentation des atomes de diffé- rents éléments.

c) Code de couleurs international normalisé.

d) Méthodes d'assemblage des sphères.

e) Exemples de modèles de molécules, de sfructures géantes et de structures moléculaires cristallines.

Il existe de nombreux types de modèles pour l'enseignement de la chimie. Par exemple : (i) Modèles de molécules montrant la disposition des atomes, par exemple H CO S8, C H OH, C H O, etc.;(ii) 2kodè$is msnzrant Pa2disposition des atomes dans "les structures géantes" consti- tuées d'atomes comme dans le diamant, le graphite, etc., ou d'ions comme dans les cristaux de NaCl, MgO, etc.; (iii) Modèles de cristaux moléculaires montrant la disposition des molécules dans des cristaux, comme dans le

soufre, l'iode, le naphtalène, etc.

Il est possible de se procurer des modèles dans le commerce, mais ceux-ci sont très coûteux. On peut également en fabriquer avec des balles de ping-pong. Malheureusement il n'existe qu'une taille de balle de ping-pong, ce qui ne les rend utilisables que pour la fabrication de modèles de corps simples. De plus, elles ne sont pas bon marché. Passant A l'autre extrême, nous pouvons faire fabriquer d'argile de plusieurs dimensions pour représenter des atomes différents. Leur inconvénient est qu'elles se dessèchent et se fendent ou, si on les cuit, il est difficile d'y insérer les "liaisons".

nos élèves de petites sphères

Le polystyrène expansé est une matière presque idéale pour la fabrication de modèles d'atomes destinés.à la représentation des structures que nous avons évaquées. Il présente de nombreux avantages :

(il ment dans les rebuts des chantiers de construction, ou en récupérant certains emballages, etc.. . (ii) Il est facile 1 découper, en particulier sous la forme de sphères plus ou moins régulières.

(iii) 11 existe plusieurs moyens simples d'assemblage des sphères, pour la fabrication de modèles "compacts" ou lléclates.ll

(iv) Les sphères peuvent facilement être colorées pour représenter des atomes différents.

On peut se le procurer gratuite-

Reproduit avec l'autorisation de Sainsab, Bulletin of the Association for Science and Mathematics Education, Penang, vol. 1, no 3, août 1977, p. 29-32.

253

(a) Fabrication de sphères de poly- styrène & partir de déchets

La matière première est constituée par des plaques de polystyrène expansé. Il est souvent possible de se les procurer auprès d'entreprises de construction ou sur de chantiers, sous la forme de chutes de matériaux d'isolation des murs et des toits. On peut aussi récupérer les emballages de récepteurs de radio et appareils divers.

La fabrication de sphères comprend deux étapes : (i) les plaques doivent être découpées en bandes de Fection appropriée (lcm25, 2cm25, 4cm25, suivant la dimension de la sphère B produire); (ii) ces bandes sont utilisées pour fabriquer des sphères de lcm, 2cm ou 4cm de diamètre.

Le polystyrène expansé se découpe facilement au moyen d'un fil chauffant, et dans l'appareillage décrit ici on utilise un fil de nichrome de 0,gmm de diamètre. La partie de l'appareillage servant A découper les bandes comporte un fil rectiligne long d'une dizaine de centimètres. 11 est fixé à un support de bois par des punaises. Pour la fabrication des sphères il faut utiliser un autre fil, long de 15cm environ, dont la partie centrale forme un demi-cercle dont le diamètre intérieur est supérieur de lmm au diamètre des sphères h fabriquer. Ce fil est serré entre deux bandes de feuilles de cuivre et fixé par des punaises au socle de bois. Il est replié à une extrémité pour former une poignée qui permet de le faire tourner facilement. La seule pièce en contact électrique est le fil semi-circulaire, et ce contact est assuré par de petits morceaux de métal de récupération que traversent les deux punaises centrales.

Les fils sont chauffés au moyen d'une batterie de 6 volts, qui peut être une batterie de motocyclette.

Pour fabriquer les bandes, le fil rectiligne (A) est branché sur la batterie, et le polystyrène est pressé doucement contre le fil et poussé lentement et régulièrement de sorte que le fil le fait fondre et le découpe en bandes. La matière première doit reposer sur le socle de bois (B), sous le fil, et être déplacée de manière régulière dans une direction perpendiculaire à ce dernier. être ensuite découpée de la même

La bande peut

manière en morceaux de section carrée de la dimension voulue. Pour fabriquer les sphères, l'autre fil coupant (Cl est branché sur la batterie, et le demi- cercle est réglé de manière B se trouver dans un plan vertical. styrène précédemment préparée est alors placée dans la gorge du socle de bois et poussée contre le fil. On la fait ainsi avancer jusqu'à la butée (D) de sorte que le fil la coupe sur une longueur légère- ment supérieure au rayon du demi-cercle. La poignée (E) est ensuite utilisée pour imprimer au fil une rotation régulière et uniforme, la bande de polystyrène étant tenue immobile. Un tour complet du fil permet ainsi de découper une sphère dans la bande de polystyrène. Cette bande est ensuite retirée et son extrêmité cassée pour permettre d'enlever la sphère. Il importe d'effectuer ces opérations avec douceur et sans inter- ruption pour éviter les rainures qui se forment sur la sphère si le fil est immobilisé.

La bande de poly-

(b) Dimensions Q adopter pour la fabrication de modèles atomiques

Nous donnons ci-dessous les diamètres relatifs des at mes de quelques élbments communs:

Il peut paraître souhaitable de fabriquer des sphères de tous ces diamètres, mais cela n'est pas indispensable. En choisissant au minimum trois diamètres, lcm, 2cm, et 4cm, il est possible d'obtenir une approximation des dimensions relatives des divers atomes de la manière suivante:

lcm - H 4cm - B&,I 2cm - le reste

Si ces approximations ne sont pas considérées comme assez précises, il est possible de fabriquer des sphères d'un diamètre de 0,8, 1,0, 2,0, 2,4 et 4,Omm et de les utiliser de la manière suivante pour la représentation des différents élement s:

254

0,8 - H 1,6 - li, C, N, O, Mg, Fe, Zn, Sn, Pb 2,0 - Na, S, C1, Ca, Cu 1,4 - Si, P, K, Ag, Hg 4,O - Br, 1

Il faudra alors fabriquer cinq coupoirs semi-circulaires dont les diamètres respectifs seront de 0,7, 1,7, 2,1, 2,5 et 4,l centimètres.

(cl Code de couleurs

Les sphères peuvent Qtre colorées par immersion dans des récipients contenant certains types de teinture ou de peinture; on fait ensuite égoutter et sécher. Il est également possible de les peindre avec un pinceau, en les tenant au moyen d'une aiguille montée sur un support. Les peintures et teintures à l'eau ne conviennent pas car l'eau ne mouille pas le polystyrène. On peut aussi employer des émulsions, mais la meilleure solution est peut-être d'adopter une peinture ou une des teinture courante, apres en avoir essayé plusieurs.

Le code de couleurs suivant est fréquemment utilisé :

Hydrogène - blanc Chlore - vert Carbone - noir Brome - bleu vert Oxygène - rouge Iode - vert foncé Soufre - jaune Phosphore - violet Azote - bleu Silice - gris

Métaux - brun, argent, etc.

(d) Méthodes d'assemblage des sphères

Les sphères peuvent être utilisées pour fabriquer des modèles 116clatés11 ou des modèles llcompactscl. Les illustrations en donnent plusieurs exemples. Dans les deux cas, elles doivent Qtre assemblées entre elles. Les 'Uaisons" peuvent être taillées dans des allumettes, des cure-dents, etc. Pour les modèles compacts, la meilleure solution est d'utiliser des morceaux de cure-pipes d'un demi centimètre. Ces liaisons peuvent être fixées au moyen d'une colle courante quelconque (presque toutes sont utilisables: ciment de polystyrène, Jumbo, Evastick, Durofix, etc. 1

Les sphères peuvent être également assemblées sans tiges au moyen d'un solvant du polystyrène comme le chloroforme ou le tétrachlorure de carbone. Les surfaces assembler ensemble sont enduites de solvant et immédiatement pressées l'une contre l'autre. Un excès de solvant est Q Qviter car il laisse des empreintes sur les sphères.

(el Exemples de modèles qu'il est possible de fabriquer avec les sphères de polystyrène

Molécules

*2 , Eléments, par exemple H202, C12; s8, etc.

Composés, par exemple CH ,

C6H1206 (glucose ) etc.

Structures géantes

(a) Métaux (il Structure hexa-

CHC13, C6H6, CloH8 (naphtalène)

gonale compacte

cubique compacte ou cubiques B faces centrées

cubique centrée

(ii) Structure

(iii) Structure

Exemples : (i) Li, Na, Ca, Mg (ii) Pb, Cu, Ag, Fe,

(iii) Li, Na, K, Fe, Zn

Ca (certains métaux cristalisent dans plusieurs structures)

(b) Non-métaux Structure diamant Graphite

(c) Ions Struc ture cubique B faces centrées par exemple chlorure de sodium, oxyde de magnésium

cubique centrée, par exemple chlorure de césium

Structure

Pour de plus construction de molécules est possible

amples informations sur la de modèles d'un grand nombre et 1fstructures géantes", il de consulter:

255

1. Bulletin of the Association of Science and Mathematics Education, Penang Vol. 1 No. 1, July 1975, p. 21-28

2. Nuf f ield Chemistry Handbook for Teachers (Longmans/Penguin) pp. 141-233

I I I

3. Teaching Chemistry with Models, R.T. Sanderson, Van Nostrand

4. Modelling of Chemical structures with expanded polystyrene spheres, K.S. Tetlow (1964) Education in Chemistry, Vol. 1 p. 7.

cuivre

\ee, PLAN

Bois

POLYSTYKENE ..

E LE VATION

nichrome Support de bois

256

Expériences avec des boules J. Chamberlain

L'emploi de boules pour l'illustration des structures cristallines revient plusieurs fois dans l'enseignement des Sciences physiques, d'abord en première Année (SSP Physique), puis en troisième Année (SSP Chimie), en quatrième Année pour ceux qui font SSP Chimie séparément, et enfin pour le "High School Certifica- te".

Ce qui suit est une mise au point des expériences qu'on peut effectuer avec des boules de préférence en poly- styrène expanse, pour qu'on puisse les assembler avec un fil ou les coller; on peut également utiliser des billes en verre pour certaines expériences.

2

1. Mise en évidence du caractère particulaire de la matière,

En Chimie, on introduit en fin de deuxième Année l'idée que la matière est constituée de particules indivisibles, à l'aide d'expériences de dilution faites sur le permanganate de potassium, d'ex- périences de diffusion et aussi de l'ex- périence de la goutte d'huile. Il semble logique d'inclure à ce moment un travail sur les similitudes existant entre un empilement de boules et un cristal - ce qui à mon avis est la preuve la plus convaincante, à ce niveau, de l'existence des atomes. Les points de similitude peuvent être résumés comme suit : a) Les cristaux, tout comme les boules,

ont tendance à former des arrangements réguliers.

empilement, la longueur des côtés peut changer, mais les angles entre

b) Si on ajoute plusieurs boules 2 un

les faces restent les mêmes. C'est la même chose pour les cristaux en formation.

glissée dans un empilement de boules selon certaines directions, mais pas selon d'autres. De même, si on clive un cristal avec une lame de rasoir, il se fend toujours suivant des plans particuliers.

c) Une carte à joubr fine peut être

A partir de ces analogies, il est raisonnable de conclure que la matière (ou les cristaux, en tout cas) est cons- tituée de particules sphériques.

2. Explication de l'allotropie.

On peut montrer qu'il existe deux manières différentes d'arranger le même nombre de boules et faire faire des mesures par les étudiants pour montrer que la surface occupée par les boules n'est pas la même selon la manière dont elles sont arrangées, et ainsi conclure qu'il est possible que les atomes identiques d'un élément forment des variétés allo- tropiques de formes cristallines et de densités différentes. Au lieu de garder le nombre de boules constant et de montrer que la surface dé- pend du mode d'assemblage, une autre ex- périence conduisant à la même conclusion consiste à garder la surface constante et montrer que le nombre de boules qu'on peut inclure dépend de la façon dont elles sont assemblées.

Découper un plateau carré dont les côtés mesurent exactement 7 fois le dia- mètre des boules utilisées : p.ex si le

Reproduit avec l'autorisation de Modern Approaeh to Chemistry, vol. 10, 1975, p. 12-17. 257

diamètre des boules est de 4 cm, les côtés du plateau devront mesurer 28 cm. Donner ces valeurs aux élèves (ou les leur faire mesurer) et demander quel est le nombre maximum de boules qu'on peut disposer en une seule couche sur le plateau. La réponse des étudiants la plus probable est 49.

Figure 1

Existie-t-il une meilleure solution ? Oui (fig. 2). De cette façon on peut placer 52 boules sur la même surface, et par conséquent 49 n'était pas du tout le nombre maximum (noter que le plateau doit mesurer 7 fois le diamètre des boules . Sinon l'arrangement représenté sur la figure 2 ne libère pas suffisamment d'espace pour loger une rangée supplémentaire, et par conséquent le plateau contient moins de boules que sur la figure 1 , ce qui conduirait les élèves à une conclusion fausse).

Figure 2

3. Fohes différentes obtenues par empilement de boules-

On peut donner à des groupes d'élè- ves des boules et des morceaux de bois destinés à former des plateaux ou bien des plateaux tout prêts en forme de carré ou de triatigle équilatéral, susceptibles d'être remplis avec un nombre précis de boules (p. ex. cinq le long de chaque côté). En commençant par le plateau carré il est probable qu'ils construiront une pyramide à base carrée comme sur la fig. 3. S'ils commencent par le triangle, ils construiront probablement un tétraèdre régulier comme sur la fig. 4, mais s'ils sont un peu aidés ils pourront peut-être construire à la place une pyramide apla- tie comme sur la fig. 5

Il est tentant pour le professeur de dire que ceci correspond aux différents arrangements des métaux (cubique centré, hexagonal compact, cubique à faces cen- trées) mais ceci est faux. Ces trois formes sont en fait issues d'un même arrangement (cubique à faces centrées

n

Figure 3

vu sous différents angles et prolongé dans des conditions différente$. Ceci semble à peine croyable : cette erreur est très répandue et j'ai passé des heures entières sur ces modèles pour la dissiper. La démonstration est faite dans l'expérience 5. En conséquence, on ne peut pas utiliser ces trois figures pour illustrer le fait que des arrangements différents d'atomes n'occupent pas le même espace et par conséquent ont des densités différentes : car toutes ces formes correspondent vraiment au même arrangement et ont la même densité,

258

Figure 4

Figure 5

4. Réalisation d'un modèle cubique à faces centrées

Construire quatre couches comme sur. la figure 6. Les deux triangles seront collés d'abord, et lorsque la colle sera sèche les quatre couches seront placées l'une par dessus l'autre, en donnant,Ô surprise ! un réseau cubique à faces centrées placé sur un de ses coins (fig. 7).

Figure 6

5. Démonstration : les trois empilements de l'expérience 3 (ci-dessus) sont cubiques à faces centrées,

Cette démonstration peut être faite par le professeur dans un cours de niveau plus élevé. Le principe, dans chaque cas, est de commencer avec le modèle cubique à faces centrées construit précédemment (Exp. 4) et d'empiler des boules tout autour afin d'obtenir chacune des formes de 1'Exp. 3. On pourra reconnaître plus facilement le cube à faces centrées si on marque les boules qui le constituent (si on n'arrive pas à les colorer par de l'encre, utiliser la craie de couleur qui convient très bien).

a) Extension du réseau cubique à faces centrées jusqu'à une pyramide carrée (fig. 3). Construire une base carrée avec 5 x 5 boules, placer le cube à faces cen- trées en diagonale au milieu de la base carrée et compléter la couche du bas (comme sur la fig. 8). Poser ensuite les deuxième et troisi- ème couches (comme sur la fig. 9). La pyramide peut être complétée en ajoutant deux couches supplémentaires (fig. 3).

W

Figure 8

-w Figure 9 Figure 7

259

b) Extension du réseau cubique à faces centrées jusqu'à un tgtraêdre régu- lier (fig. 4). Construire un triangle équilatéral à l'aide de 7 sphères le long de chaque côté. Enlever la sphère centrale et la remplacer par le Coin du cube â faces centrées (fig. IO). En ajoutant

Figure 12

Figure 10

Figure 11

les deuxième et troisihe couches on obtient le modèle de la fig. 1 1 , qui conduit évidemment à un tétraèdre régulier (comme sur la fig. 4, mais plus large, avec 7 boules le long de chaque arête ). Il serait préférable de ne pas ajouter les couches 4 à 7, parce que de petites erreurs dans la forme du cube risquent de faire écrou- ler le modèle.

c2'Extension du réseau cubique 2 faces centrzes jusqu'3 une pyramide triangulaire (Sig. 5). On recommence construi-

sant un triangle équilatéral 7 x 7 et en remplaçant la sphère centrale par le coin du cube 'a faces centrées (fig. 12). La seule différence entre la fig. 12 et la fig. 10 est que le cube a tourné de 30' autour d'un axe de rotation vertical. En ajoutant la deuxième couche, la pyramide triangulaire est complète (fig. 13).

Figure 13

Note : Il existe une autre méthode pour rkaliser les trois démonstrations décri- tes ci-dessus, plus spectaculaire et plus rapide mais qui demande plus de prépara- tion au départ et risque de frustrer les étudiants. Cette méthode consiste B construire les modèles des fig. 9, 1 1 et 13 avant le cours en employant des réseaux cubiques à faces centrges comme ceux de 1'Exp. 4 et à enlever le plateau doucement pendant la leçon, de sorte que la structure s'6croul.e progressivement, et le réseau cubique à faces centrées, qui avait été bien collé, émerge mystérieu- sement des ruines.

De ces démonstrations, il devrait ressortir que le système cubique zi faces centrées possède plusieurs plans d'atomes différemment orientés les uns par rapport aux autres. Donc, on ne doit pas s'attendre 5 ce que toute substance qui cristallise dans le système cubique B faces centrées forme des cristaux de for me cubique (p. ex. le plomb et l'argent appartiennent à la structure cubique à faces centrées mais les cristaux, en forme de fougère, ressemblent peu à des cubes).

260

T1 est également intéressant de souligner que c'est la radiocristallo- graphie qui permet de faire une étude plus détaillée de tous les plans d'atomes possibles dans une structure, ainsi que des angles et des distances entre ces plans. On sait quel diagramme attendre pour une structure, par exemple cubique à faces centrées, et si le diagramme obtenu expérimentalement concorde avec un des modèles attendus, on connaît alors la structure.

6. Comparaison entre les systèmes cubique: à faces centrées et hexagonal compact.

Disposer 15 sphères en triangle équilatéral (5 le long de chaque côté) au-dessus d'un rétroprojecteur. Placer au-dessus une autre couche de 10 boules. Le rétroprojecteur permet de montrer qu'en faisant cela on ne couvre pas la totalité de l'espace : il existe toujours six trous à travers lesquels passe la lumière. Si on ajoute une troisième couche de 6 boules, la lumière ne passera plus, ce qui montre que cette troisième couche ne s'est pas disposée verticalement au-dessus de l'une des deux autres. C'est là le système cubique à faces cen- trées. Si on continue à ajouter des couches supplémentaires, on s'aperçoit que la quatrième se place exactement au- dessus de la première (mais ceci ne se voit pas très bien avec le rétroprojec- teur) et que la cinquième couche, cons- tituée d'une seule sphère, termine un tétraèdre régulier comme sur la fig. 4.

La structure cubique à faces cen- trées est celle d'une vingtaine de mé- taux parmi lesquels Ca, Al, Fe (au- dessus de 800°C) Ni, Pb, Cu, Ag et Au,

n

Figure 14

Revenons à la situation précédente oh l'on avait deux couches de boules sur le rétroprojecteur que la lumière pouvait toujours traverser. Au lieu d'ajouter une couche de 6 boules, il est possible de ne pas occulter les 6 trous en ajoutant une troisième couche fomée de 3 sphères seulement. Cela constitue la structure hexagonale compacte. Elle peut être prolongée en ajoutant une quatrième couche d'une seule sphère, disposée sur une des sphères de la deuxième couche, et la lumière continue toujours de passer au travers des 6.trous. La pyramide qui en résulte ne semble pas très naturelle, comme si elle avait des faces et des arêtes tordues (fig. 14).

Très peu de métaux ont exactement cette structure, mais plus d'une vingtaine adoptent une forme distordue de cette structure, les plus courants étant Mg et Zn.

Noter que dans l'une et l'autre structure, cubique à faces centrées et hexagonale compacte, chaque boule est en contact avec 12 voisines, ce qui constitue le nombre maximum de voisines pouvant être placées autour d'une boule, en contact avec elle. Noter aussi que pour des boules de masse et de volume donnés la densité sera la même qu'il s'agisse d'une structure cubique à faces centrées ou hexagonale compacte.

7. Réalisation d'un modèle de structure

Ce modèle n'est pas facile à faire cubique centrée.

et peut Ztre passé sous silence même dans un cours de niveau plus élevé, mais il est pourtant nécessaire pour expliquer le comportement du carbone dans l'acier, Le problème est que, sur chaque couche, les boules formant les coins du cube ne devraient pas se toucher. Avec un peu de géométrie dans l'espace, on peut voir que l'espace vide entre les boules doit mesurer 2 ;6-1 (soit 0,1547) fais le diamètre des boules, La couche du dessous, par conséquent, ressemble à celle de la fig. 15 et doit 8tre tenue en place pendant qu'on colle au-dessus la deuxième couche. La meilleure façon de faire est de mettre chaque boule de la couche inférieure dans un creuset. Il est assez facile de fixer la deuxième couche ; on obtient le schéma de la fig. 16. La troisième couche est identique à la première et peut être immobilisée de la même façon à l'aide de

26 1

O00 O00 O00

Figure 15 Figure 16

creuse'ts. Lorsque les deux premières couches sont collées entre elles, on peut les retourner sur la troisième couche et les coller. Le modèle qu'on obtient est très fragile parce que les sphères des coins ne tiennent que par un seul point. Il est préférable de le placer sur un plateau avant de le faire circuler en classe, de sorte que les élèves ne soient pas obligés de le toucher.

La structure cubique centrée est celle d'une douzaine de métaux environ, Li, Na, K y Rb, Cs, Ba, Cr, et Fe (en- dessous de 800OC).

Dans cette structure, chaque atome a 8 voisins proches et l'espacement est plus important que dans le cas des structures cubique à faces centrées ou hexagonale, compacte , de sorte que pour des boules de masse et de volume donnés la structure cubique centrée sera moins dense .

Figure 18

Figure 17

262

Expériences de cours : les différents degrés d'oxydation du manganèse C. L. Arora

Tous les éléments d possèdent plusieurs degrés d'oxydation (zéro mis à part). Le degré le plus élevé est +VI1 dans le cas du manganèse. On a préparé des composés correspondant aux différents degrés d'oxydation du manganèse. Le tableau ci-dessous montre les composés de ces différents degrés d'oxydation ainsi que leur couleur Parmi ceux-ci, Mn(I1) dans MnSO4 , Mn( IV) dans Mn02, et Mn(VI1) dans JCMnO4 sont stables et existent sur toutes les paillasses des laboratoires. Mn(o) est disponible sous forme de manganèse métallique. Les autres états d'oxydation &(III), Mn(IV) et k(V1) sont comparativement moins stables, mais peuvent être préparés rapidement au laboratoire en mélangeant des sels de manganèse courants des trois degrés d'oxydation stables précédents. Etant données leur couleur caractéristique et leur prépara- tion simple, ceci constitue une démons- tration de classetrès intéressante.

On s'aperçoit souvent qu'un degré d'oxydation donné d'un élément peut etre obtenu en mélangeant des composés dans lesquels l'élément possède un degré d'oxydation plus élevé et un autre moins élevé. Le potentiel redox peut servir pour prévoir le sens de la réaction parce que si deux systèmes d'électrodes sont reliés pour former une pile, le système de potentiel le plus élevé deviendra le pôle négatif (en transférant les électrons à l'extérieur du système) et le système de potentiel le moins élevé deviendra le pôle positif. Ainsi à l'intérieur d'une série redox, pour toute paire de couples, la réaction aura tendance à se faire dans le sens obtenu lorsqu'on se déplace d'une espèce

A

individuelle à l'autre dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, en commençant par l'espèce située le plus bas à gauche. Une manière plus pratique de prévoir la réaction est d'écrire les demi-équations aux électrodes comme dans le cas du diagramme ci-dessous en milieu acide:

e- + Mn02 + 4H++ Mn3+ + 2H20 E = 0,95 V

3+ + M n 2+ 2 E = 1,51 V e- + Mn

- - c

en milieu basique : -

e- + 2H20 + Mn02 + MTI(OH)~'+OH- E = 0,2 V / ? - c E = 0,l V e- + M ~ ( o H ) ~ .---+ M ~ ( o H ) ~ + OH-'

Les valeurs des potentiels redox,dans ce cas précis, montrent que la formation de Mn(II1) 5 partir de Mn(I1) et Mn(1V) n'est pas possible en milieu acide ou basique. Les prévisions dans ce cas se réfèrent uniquement aux conditions standard, c'est-à-dire àdes solutions molaires des réactifs et des produits présents en même temps et à une température donnée. Dans d'autres conditions, les effets de concentration ou de température modifie- raient la valeur de la constante d'gqui- libre du système d'électrodes opposées et pourraient conduire à un renversement partiel du sens de la réaction, pourvu que la sens de la réaction, pourvu-que la différence des valeurs de E auxélectrodes concernées ne dépasse pas 0,4 V. Quant au mélange Mn(I1) et Mn(VI1) en milieu acide) la réaction est à peine possible mais une diminution du pH favorisera la formation de Mn(II1).

Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Education, vol. 54, no 5, mai 1977, p. 302-3. 263

Etats d'oxydation du manganèse

Etat d'oxydation Couleur C ompo s é

Gris métallique

Rose pâle Rouge Noir Bleu Vert Violet

...

- Mn03$ Mn04 , Mn03F

3+ e- + Mn -+ Mn2+& E- 1,51 v - 2+ 1 - -* Mn +4H20 E 1,51 V 5e- + 8H + Mn04

4 +

De même Mn(V) ne peut pas être préparé en mélangeant Mn(1V) et Mn(V1) en milieu acide ou basique parce que les valeurs de E- diffèrent de plus de 0,4 V, de sorte qu'un changement de sens de la réaction n'est pas possible en changeant les conditions de milieu (basique ou acide). .en milieu acide :

- + H20 E = 2,0 V

E = 2,5 V

- + 2- e- +2H +Mn04 --?. Mn03

e- + 2H + +Mn03--:, - ?ho2 + H20 3 - l en milieu basi.que :

2 4 - - 2- -

+20H , E- = 0,34V E = 0,84V

3 e: + H O +MnO + NnO

e- + H 2 O + M n 0 3 - . Mn02 +20H- \G

La réduction de Mn(VI1) en solution fortement basique est possible 2 pH très élevé.

Mn(V1) ne peut pas être obtenu en mélan- geant Mn(VI1) et-Mn(IV) en milieu acide, les valeurs de E étant très éloignées.

- 2- - 7 E- =

+ 2MnO4

+ 2- +2H20 E = 2,26V ?- + 2yn04 2e- + 4E +Mn04 -+.YI0

En milieu basique les valeurs de E- ne sont pas encore favorables à la réaction, mais comme elles sont très proches un changement de milieu pourra inverser la réaction. Par conséquent une

2- E- = 0,5GV 4 % - + 2Mno 2e- + ?!!O4 - - $2,- + 2H O +MnO %& Mn02 +40H' E = 0,GV 2 4

augmentation de la basicité fait changer le comportement du milieu réactif en faveur de la réaction désirée.

Partie expérimentale

Préparation de &(II)

Dissoudre environ 12g de sulfate de Mn(I1) hydraté dans 100 ml d'acide sulfurique dilué ; on obtient une solution rose pâle contenant du Mn(I1)

Préparation de Mn(III)

Prendre 50 ml de la solution de Mn(I1) précédemment préparée, ajouter 10 ml d'acide sulfurique concentré et ajouter à la burette lml d'une solution de KMnO O,] M. La solution résultante devient rouge foncé ce qui est dû aux ions Mn(II1). L'augmentation du pH fournit 2 nouveau Mn(I1) et Mn(1V).

4

Pre'paration de &(IV)

Une suspension de log de MnO dans 2 l'acétone est stable suffisament longtemps pour pouvoir comparer sa couleur noire,due à Mn(IV), 3 la couleur des autres états d'oxydation.

Préparation de !&(VI

Dissoudre 150g d'hydroxyde de potassium en pastilles dans 20ml d'eau, ajouter à la pâte résultante 4 à 5 cristaux de KMnO 4 Une couleur bleue apparait progressivement .

et laisser reposer.

264

Ajouter 25ml de NaOH 5% dans 50ml de KMnO 0,OlM. Ajouter ensuite log de MnO so$ide. Agiter et filtrer. 11 en résulte une solution de couleur verte qui indique la présence de Mn(V1). Ajouter de l'acide sulfurique dilué dans le bécher contenant la solution verte et la couleur passe au violet Mn(VI1). On peut faire la réaction inverse autant de fois que l'on désire.

dans un filtre une couche de MnO d'un cm environ et d'arroser d'une so3ution de KMnO addition de NaOH. Une solution verte appara€tra présentant un joli contraste avec les couleurs de Mn(VI1) (violet) et Mn(V1) (vert)

2

Une autre méthode consiste à placer

0,OlM rendue alcaline par 4

Préparation de Mn (VII)

Une solution de 0,lg de KMnO dans IO0 ml d'eau fournit la jolie codeur violette de Mn(VI1).

265

L'étape la plus lente détermine-t-elle la vitesse de réaction? C. H. Clelland

Cette hypothèse est souvent faite lorsqu'on étudie une cinétique de réac- tion. Cependant, on n'en fait pas souvent la preuve expérimentale en travaux pratiques. L'étude de la réaction entre le bichromate de potassium (K2Cr207) et l'eau oxygénée (H202) en milieu acide permet d'évaluer la validité de cette hypothèse (1). Cette réaction se fait en deux étapes, expérimentalement (2) bien visibles :

a) Passage de l'orange au bleu foncé dans les 5-10 secondes après l'addition de

b) Passage du bleu foncé au vert avec @gagement d'oxygène (O2) après 80 à 150 secondes.

Il est clair qu'il s'agit d'une réaction en deux étapes de vitesses très diffé- rentes. Voici les formes simplifiées des équations traduisant ces étapes :

a), Cr2O7 + H202 + (CrO5) + H20

b) La réaction (a) est probablement globalement du 28me ordre, tandis que (b) est sans doute du ler ordre ; les lois de vitesse Deuvent s'écrire :

H202 9

2-

(~r05) -+ ~ r 3 + + 02

En considérant les éqilations

-d [CrOJ o4 -d [Cr~07~-] +d[02] dt dt dt

La vitesse globale est par conséquent proportionnelle à la vitesse de production de 02. Cette analyse est très approximative ; elle repose sur un certain nombre d'hypothèses, les principales étant : 1) les réactions sont complètes. 2) les réactions peuvent être considé-

rées séparément,

On peut trouver des méthodes d'analyse plus réalistes (3).

n modifiant les concentrations de Cr207- et de H202 l'hypothèse initiale peut être vérifiée expérimentalement. Si l'étape la plus lente détermine la vitesse, alors la vitesse globale sera influencée par la concentration de C r ~ 0 7 ~ - mais sera indépendante de la concentration de H202. La vitesse totale peut être mesurée par la vitesse de production de 02. Le volume de O2 peut être mesuré par déplacement d'eau (4) (Figure 1) ; on peut aussi mesurer le temps qui s'écoule entre le mélange des solutions et l'arrêt de la production de 02, La vitesse globale sera :

51 -dlCrO = k2 pro5] Volume total d'eau déplacée (ml) dt b)

Si l'étape la plus lente détermine la (ml O2") = Temps nécessaire (8) vitesse alors :

-d [CrOd

dt Vitesse globale = La précision de la mesure n'est pas très élevée mais elle semble suffisante (5).

266 Reproduit avec l'autorisation de New Zealand Science Teacher, vol. 10, 1975, p. 9-11.

Partie Expérimentale

1 2

Résul t at s

4

On place dans le flacon de réaction 5 ml d'une solution molaire de K2Cr207, et 1 ml de H2SO4 dilué (2 moles/l) et on y ajoute 5 ml de H202 à 50 volumes (6,7) (Figure 1). Le vase réactionnel est relié au montage à déplacement d'eau et agité tout au long de la manipulation.

Pince de Mohr

l

r6action de 50 mi

Figure 1. Montage d &placement d'eau (Les bouchons doivent Ztre bien étanches pour éviter les fuites).

Éprouvette gradu6e de 100 ml

On mesure le temps entre l'instant du mélange et l'arrgt du dégagement de 02. La solution finale a une coloration verte ou bleu-vert due aux ions Cr3+ en solution dans l'eau. On fait varier la concentration de C 1 - 2 0 ~ ~ - de la manière suivante (quantités en millilitres). Essai 2- +

no Cr207 H20 Dist. H (H2S04) H202

1 5 O 1 5 2 4 1 1 5 3 3 2 1 5 4 2 3 1 5 5 1 4 1 5

On fait varier la concentration de H O de manière analogue (l'essai nO1 est identique à l'essai n o 1 du tableau précédent)

2 2

Essai 2- + H20 Dist. H (H2S04) H202 1 no Cr207

2 5 I 1 4 3 5 2 1 3 4 5 3 1 2 5 5 4 1 1

5 I 1 3 5 2 1 3 4 5 3 1 2 5 5 4 1 1

On calcule les vitesses moyennes de production d'oxygène et on les porte sur un graphique pour chaque série de concentrations (Figures 2a, 2b) (8). Les résultats sont en général conformes aux prévisions,ce qui indique que l'étape la plus lente détermine effectivement la vitesse. La légère diminution de la vitesse observée lorsqu'on dilue H202 n'est pas prévue par la théorie. En réalité la cinétique des réactions consécutives est plus complexe qu'une simple suite d'étapes indépendantes (3). En outre la discussion initiale ne considère pas l'influence des réactions compétitives, telles que la décomposition de H202 et la formation de différents intermediaires (le chrome forme un certain nombre de peroxy complexes) qui se décomposent selon divers mécanismes.

Manipulationscomplémentaires.

I - Le produit intermédiaire bleu (Cr05) peut être extrait du milieu réac- tionnel à l'aide d'éther éthylique. Dans l'éther le complexe bleu est probablement (CrO ,0Et2) (1,9). C'est une bonne i3lustration du piégeage d'un intermédiaire réaction- nel par extraction à l'aide d'un solvant.

II -Cette expérience peut être envisagée également comme une étude de méca- nismes réactionnels. Deux mécanismes possibles peuvent être proposés pour

l'étape lente (déterminant la vitesse).

O2 ler ordre 1) CrO5 ---* cr3+ +

2) Cr05+H202 + Cr3++02+H20 2ème ordre

Les données expérimentales pourraient être utilisées pour trancher entre les deux mécanismes,

No tes e t Ré f é rence s

(1) Le mklieu acide est nécessaire. En milieu basique ou neutre il se forme un intermédiaire différent qui est coloré en rouge-brun. On peut trouver une étude de ces peroxy complexes du chrome dans : F.A. Cotton et G. Wilkinson. "Adttanced I'norg. "Cheir;." 2ème Ed. p.381-3.

267

0.4,

0.3 '

0.2 '

0.1 *

1 O09 018 0.27 0.36 Od5

[c~,o:-] mol/t-l

0.2.

0.1 ,

Figure 2a. Vitesse en onction de la concentration en Cr O if- (Moyenne de 5 séries d'essais ; I indique la dispersion.

2 7

(2) Cette réaction est un test qualitatif pour les ions Cr O 2- cité dans :

E.J. Holmyard "Eigher Sohool Cert. Irwrg, Chem. " ler Ed. p. 45 1.

(3) W.J. Moore 'FhysicaZ Chemistry" 4ème Ed, p.253-270.

(4) Le montage (Fig.1) et le mode opéra- toire sont décrits dans "Chem. Study Lab. Manual". Expt. 14a, p.129- 131,

(5) Pour une plus grande précision on doit utiliser les vitesses initiales.

(6) H O à 50 vol. est un oxydant puis- sin$ et doit être manipulé avec précaution ; la verrerie utilisée pour H O2 doit être exempte de traces de pro&nts organiques (H O 2 2 50 vol. correspond environ a 0,8 mole/l).

2 7

à

I 0.07 0.14 0.21 0.28 0.35

[HA 1 (50 vol = 0.8 mol/litre)

Figure 2b. Vitesse en fonction de Za concentration en H202 (Moyenne de 5 séries d'essais ; I indique la dispersion.

(7) Les réactifs sont relativement peu chers : 2,25 1 de H202, $ 5 ; 500 g. K2Cr207, $ 2,5).

(8) L'expérience peut Gtre réalisée en classe en 45 mn environ , si le montage est fonmi- et installé et si les élëves ont lu les instructions avant la séance.

ont tendance à exploser s'ils sont anhydres, je ne conseille pas d'essayer de faire cristalliser Cr05, OE t

Reme rc i ement s

(9) Quelques peroxy complexes du chrome

2'

J'adresse mes remerciements aux élèves de la 7ème classe du Collège Manawatu qui ont réalisé ces expériences et mis au point la méthode convenable.

268

Réalisation d'adoucisseurs d'eau simples P. J. Towse

Beaucoup d'écoles dans les pays en voie de développement n'ont pas d'élec- tricité. Il est par conséquent impossible de monter un appareil de distillation et les adoucisseurs d'eau constituent la seule manière d'obtenir d'importantes quantités d'eau pure.

Un "mini" échangeur d'ions , simple mais efficace, peut être réalisé à l'aide d'un tube à essai à tubulure latérale comme il est montré sur la figure 1.

dk_:tique raccordé au robinet

Tube plastique conduisant au réservoir

laine de verre

Tube d'arrivbe en verre ou en Tube d'arrivbe

Figure 1.

d'un mélange d'une résine anionique et d'une résine cationique de façon à

L'échangeur doit être constitué

débarrasser l'eau de tous les ions. Elle doit comporter un moyen d'indiquer quand elle est saturée et quand il faut la remplacer. De telles résines sont disponibles sur le marché ; elles sont toutes à base de polystyrène en grains, par exemple l'hberlite MB-3.

La résine doit être placée humide dans le tube à essai sinon quand elle se dilate au contact de l'eau elle cassera le tube. La résine est donc mise à tremper dans l'eau quelque temps avant la construction de l'adoucisseur. On place du coton ou de la laine de verre autour du fond du tube intérieur pour empêcher que des particules de résine bloquent la circulation de l'eau à travers ce tube. On verse alors de l'eau dans le tube à essai jusqu'au niveau du tube @lastique latéral et on ajoute la résine peu à peu. On casse les agglomératsde particules pendant que la résine tombe vers le fond et on chasse les bulles d'air de façon à ce que les particules se tassent bien. Lorsque la colonne de résine atteint ainsi le niveau du tube latéral, on place du coton ou de la laine de verre sur la résine pour empêcher que les particules ne soient entrafnées dans le tube latéral. On perce alors un trou dans un bouchon en liège pour pouvoir faire passer le tube d'entrée d'eau et on adapte le tout à l'ouverture du tube à essai. Ceci empêche la poussière d'entrer et permet aussi de fixer le tube d'entrée d'eau. On lave la colonne plusieurs fois avec de l'eau après quoi la résine est prête à servir.

Ce modèle convient pour de petites quantités d'eau pure, par exemple pour

Reproduit avec l'autorisation de School Science Review, vol. 58, 1977, p. 726-8. 269

l'utilisation par les étudiants, mais on doit remplacer la résine fréquemment. On peut obtenir des quantités d'eau plus importantes à l'aide d'un modèle "semi- macro" construit soit à partir d'une vieille burette comme indiqué sur la figure 2, soit 3 partir d'un flacon plastique transparent comme sur la figure 3.

La colonne de résine de la figure 2 est tassée comme précédemment ; on adapte un disque en carton autour du tube d'entrée d'eau pour prévenir l'en- trée de la poussière, etc...

Tube plastique

laine de verre

Figure 2.

La base du flacon plastique pour le modèle de la figure 3 est coupée à l'aide d'un scie. On perce un trou sur le côté du flacon à l'aide d'un emporte- pièce chaud et on y fixe un tuyau plastique avec de la colle. La colonne de résine est tassée comme précédemment et une boîte de Pétri est posée au sommet de l'appareillage pour empêcher la pous- s ière d 'entrer. Il est important que la colonne de résine soit constamment couverte d'eau. Si la colonne se déssèche, les particules de résine se colleront entre elles et de l'air entrera. Si par la suite on verse de l'eau sur la colonne, le contact avec la résine ne sera pas aussi bon et l'é- change des ions sera bien moins efficace. Dans le cas du modèle de la figure 1 , la colonne sera toujours recouverte d'eau, même si l'appareillage n'est pas utilisé ou si le robinet est débranché. Par contre, dans les deux autres cas, la colonne peut être mise à sec, soit,dans le cas du modèle de la figure 2, que

Couvercle

Tube plastique

robinet [\- raccord6 au

Figure 3,

l'eau s'écoule par le bas plus vite qu'elle n'entre par le haut, soit, dans le cas du modèle de la figure 3, que la colonne soit débranchée du robinet.

Pour régénérer la résine saturée, on fait passer lentement à travers la colonne une solution diluée de soude (ce qui régénère les composés anioniques) , suivie d'une solution diluée d'acide chlorhydrique ou sulfurique (pour les composés cationiques). On doit laver par la suite la colonne plusieurs fois à l'eau. Pour le modèle de la figure 1 , il est très difficile de régénérer la résine sans l'enlever du tube à essais. Il est préférable de mettre de côté la résine saturée jusqu'à ce qu'on ait ré- cupéré une quantité suffisante qu'on régénère dans une burette, etc...

D'autres matériels peuvent être utilisés pour améliorer ces modèles mais des récipients métalliques,tels que les boîtes de bière vides, ne sont pas pratiques car on ne peut pas voir di la résine est saturée.

270

Une cellule de pH-mètre facile à construire R. R. Hendrixson

On a construit une cellule de pHmètre très commode pour l'utilisation dans des expériences de titrage de solutions sensibles h l'air. La cellule est munie d'une grande ouverture pour loger à la fois une burette et une électrode. Cela facilite ainsi l'introduction de l'échantillon, Elle présente l'avantage de n'avoir besoin que d'environ 5 ml de solution initiale, On peut y ajouter jusqu'h 40 ml de solution de titrage. La solution peut être mise sous atmosphère d'azote ou d'un autre gaz inerte,

É lec t rode

Burette Aigu ille

Bouchon de caoutchouc no 10

Barreau On peut fabriquer la cellule en magnetique

Boîte de Petri coupant le fond d'un Erlenmeyer de 50 ml. Le col du récipient est soudé h une petite boîte de Pétri. Un bouchon (no 10) coupé en deux fermera parfaitement le fond du récipient.

Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Educatign, vol. 52, no 2, 1975, p. 109. 271

Spectacle de magie en chimie P. S. Bailey, C. A. Bailey, J. Andersen, P. G. Koski et C. Rechsteiner

Chaque année au printemps, l'Université Polytechnique de Californie ("Cal Poly") offre une séance "portes ouvertes"appel6e "Poly Royal". C'est l'affaire de deux jours durant lesquels les étudiants et les enseignants de chaque département font des démonstra- tions et des manifestations qui illustrent pour le public leur domaine d'étude. Un spectacle de magie constitue une partie importante de la présentation du département de chimie (2). Ce spectacle est universellement apprécié et très stimulant du point de vue scientifique, pour les jeunes comme pour les vieux. Depuis six ans, plus de 20 O00 personnes ont assisté à ces séances, ce qui démontre leur popularité.

Nous avons dépensé beaucoup de temps et d'énergie à tester, perfection- ner et développer une variété de trucs et à mettre au point les modes opéra- toires valables lorsqu'on utilise les réactifs en grande quantité. La plupart des instructions que nous donnons ici concernent la présentation d'une seule séance, mais on peut augmenter les proportions. Un programme très chargé de séances, comme celui que nous avons à Poly Royal (toutes les 30 minutes, 10 2 15 séances par jour) est possible si tous les réactifs sont stockés dans la pièce où ont lieu les démonstrations, et si les ballons à hydrogène et l'azote liquide destings aux démonstrations suivantes sont préparés dans une pièce attenante.

Ballons à Hydrogène

f 1 amme - 2H O + énergie 2H20 + O 2 2

Juste avant chaque démonstration, on remplit d'hydroghe quelques bailons, grands ou moyens, on les attache avec des ficelles et on les laisse flotter 1 5 2 mètres au-dessus de la table de démonstration. Une chandelle attachée au bout d'un bâton de 3 mètres sert à les faire exploser durant la démons- tration, de préférence lorsque la pièce est plongée dans l'obscurité.

Affiches de bienvenue

3- 6 NH4SCN + FeC13 -Q Fe(SCN)

Incolore Rouge

K4Fe(CN)6 + FeCl - Fe4(Fe(CNI6I3 3 In co 1 o re Bleu

Notre salutation au public est peinte sur une grande feuille de papier Whatman no 1 à l'aide de thiocyanate d'ammonium O,] M et de ferrocyanate de potassium O,] M tous deux incolores. Le message "apparaît'.' lorsqu'on asperge les feuilles avec une solution de chlorure ferrique 0,l M. On peut faire varier la concentration des réactifs suivant la couleur qu'on préfère. Les affiches peuvent être préparées quelques jours auparavant et sont soigneusement séchées avant d'être empilées.

272 Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Education, vol. 52, 1975, p. 524.

Azote- liquide.

On remplit un.grand Dewar de 1 ou 2 1 avec de l'azote liquide jusqu'aux 2/3, C'est la base pour pas mal de démonstrations de cryoghie, Une douzaine au moins de ballons gonflés d'air peuvent être condensés dans le récipient avant la démonstration. Durant la séance on peut en ajouter quelques uns puis on les enlève à l'aide de pinces et on les laisse se dilater. L'effet est parti- culièrement grand si on condense un ballon représentant une grosse silhou- ette tordue et ficelée. On refroidit une banane dans l'azote liquide pendant une minute au moins. On l'utilise ensuite comme marteau pour enfoncer un clou dans une planche de balsa, Employer des gants d'amiante pour tenir les objets refroidis.

un chrysanthème ou un refroidie et brisée.

Une balle creuse en caoutchouc peut être plongée pendant 30-60 secondes (Faire tourner la balle pour obtenir un refroidissement uniforme). On peut ensuite l'écraser contre un mur.

Une fleur, par exemple une rose, oeillet, peut être

Eau dure - Eau inflammable. Ca(C H O ) saturée+CH CH OH +gel("sterno") 2 3 2 2 3 2

On verse dans un bécher de 400 ml quarante millilitres d'une solution saturée d'acétate de calcium (150 g de Ca(C2H302)2 dans 500 ml d'eau ; ajouter suffisamment de NaOH pour rendre la solution légsrement alcaline à la phénol- phtaléine. Un deuxième bécher de 400 ml contient 300 ml d'éthanol et environ 2 ml de ph6noIphtaléine. Verser l'étha- no1 incolore dans la solution incolore d'acétate de calcium. On transvase la solution d'un bécher à l'autre jusqu'à ce que le gel rose (sterno) se forme. Eteindre la lumière et enflammer le gel.

H2S04 Limonade .. Acide tannique+PeCl.+Complexe bleu -+-

jaune Complexe détruit

Une solution d'acide tannique est prépa- rée en dissolvant 50 g d'acide tannique dan6 400 ml d'eau. Rassembler un récipient de 2 1 (ou un gros bac à glace) et six béchers de 400 ml (ou des verres). Il est préférable de numérotes les béchers pour ne pas les mélanger.

Verser 15 ml de la solution d'acide

tannique dans le récipient de 2 1 et le remplir d'eau Jusqu'aux trois quarts (faire varier la quantité d'acide tannique s'il le faut pour que la couleur jaune pâle soit évidente après dilution).

vides. Mettre une goutte de solution saturée de FeC13 dans le bécher 2. Couvrir le fond des béchers 4 et 6 avec H2SO4 concentré.

Le truc est réalisé en deux fois en utilisant respectivement les béchers 1-3 et 4-6.

versée dans les béchers 1 et 3 reste "limonade" tandis que celle versée dans le bécher 2 devient "jus de raisin", On vide alors les trois béchers dans le récipient de 2 1 et on obtient ainsi du "jus de raisin", Durant la deuxième partie du truc le "jus de raisin" devient "limonade" lorsqu'an le verse dans les béchers 4 et 6 et reste "jus de raisin" dans le bécher 5. On vide les trois béchers à nouveau dans le récipient qui devient évidemment à nouveau "limonade". La manipulation est spectaculaire lorsque les béchers sont remplis bien dans 1 'ordre.

Les béchers 1 , 3 et 5 resteront

Dans la première partie, la "limonade"

Montre en or synthétique. 2As02 - + S203 2- + H O-+2AsO4 3 - + 2 ~ + 2 ~ +

2 clair clair or

Préparer les deux solutions suivantes: Solution A : dissoudre 3 g d'arsenite de sodium (NaAsoz) dans 150 ml d'eau et ajouter 16,5 ml d'acide acétique glacial; Solution B : dissoudre 30 g de thiosulfate de sodium (Na2S203) dans 150 ml d'eau, Verser les 150 ml de chaque solution A et B dans des erlens de 500 ml Mélanger les solutions. Une couleur d'or appaîtra après environ 30 secondes. Le temps de réaction peut être augmenté ou raccourci en diminuant ou en bugmen- tant les concentrations de l'une ou de l'autre des solutions.

Montre à Iode.

IO3 + 3S03 + 1 + 3S04 2- - 2- -

+ - 51- + IO3 + 6H -+ 3H20 + 312

1 + amidon .+ complexe bleu-noir 2

273

Préparer les deux solutions suivantes : Solution A : dissoudre 0,25 g d'iodate de potassium dans 150 ml d'eau ; Solution B : dissoudre 0,l g de sulfite de sodium, 0,5 ml de H SO 6N et 8 ml d'une solution d'amidon à 1 2 ( 1 g d'amidon de pomne de terre dans 99 ml d'eau chaude) dans 142 ml d'eau. Mettre 150 ml de chaque solution dans deux erlens de 500 ml différents. Verser une solution dans l'autre. Le mélange résultant doit virer au noir au bout de 15 secondes environ. Augmenter ou diminuer les concentrations pour faire varier le temps de réaction.

2 4

Mouchoir brûlant. 02

C 2H5 OH - CO2 + flamme

Mettre dans un bécher 75 ml d'une solution

H2°

de 250 ml environ éthanol-eau (50-50) .

Tremper complètement dans la solution un mouchoir en coton. Tenir le mouchoir avec de longues pinces, l'allumer et laisser brûler, lumières éteintes, pendant 30 secondes. Eteindre la flamme avec un extincteur. Le mouchoir reste intact.

préliminaires sont nécessaires pour déterminer la quantité et la concentration correctes.

O O Il II

Corde nylon.

H2N-(CH2) 6-NH2 + C'IC(CH ) CC1 - 2 4 ~ O

ir II f n NH (CH2) 6NHC (CH2) 4C

Verser 25 ml d'une solution aqueuse 0,5 M en hexaméthylène diamine et 0,5 M en NaOH dans un bécher de 100 ml. Ajouter ensuite 25 ml d'une solution de chlorure d'adipoyle 0,25 M dans le cyclohexane. S'assurer qu'on obtient deux phases. En utilisant un fil de cuivre avec un petit crochet retirer attentivement le film en nyLon qui se forme à l'interface. Un fil mesurant plus de 10 mètres peut ainsi être retiré, Les trucs suivants doivent être réalisés en fin de la démonstration parce qu'ils donnent des vapeurs nocives et de la fumée.

Volcan.

f 1 amme (NH4l2Cr2O7 -+N2 + 4H20 + Cr 2 3 O orange vert

Lumière froide du luminol (3)

NH O 1 2 oxydation NH chimilumi-

Préparer les solutions suivantes : Solution A : dissoudre 1 g de luminal (amino-5 phthalazdione-1,4) et 50 ml de NaOH h IO X dans 450 ml d'eau ; Solution B : préparer 500 ml d'une solution de ferricyanure de potassium à 3 % (3 g de K3Fe(CN) pour 97 g d'eau) Mettre, dans un bécher de 500 ml , 50 ml de solution A et 350 ml d'eau. Dans un autre bécher mettre 50 ml de la solution B, 350 ml d'eau et 3 ml Faire l'obscurité et verser les $eux s o 1 ut i on s s imul t anément dans un r éc i p i en t de 2 1 ferricyanure de potassium. La lumière hleu-vert ainsi produite peut être rénovée temporairement lorsqu'elle commence h pâlir en ajoutant de petites quantités de base diluée. Cette démons- tration est sensible à la concentration de l'eau oxygénée. Quelques expériences

de H20 2 3 0 %.

contenant quelques cristaux de

Remplir un bécher de 100 ou 150 ml. avec du dichromate d'ammonium en grains. Verser le solide en tas sur un morceau d'amiante. Humidifier le haut du tas avec un peu d'acétone et allumer. Le produit vert occupe un volume beaucoup plus grand que le produit initial,

Une tasse et demie de Café.

'

H,SO I

a 12C + llH20 écume vapeur

L 4 H O --- '12 22 1 1 concentre

Remplir un bécher de 150 ml pas tout à fait à moitié avec du sucre cristallisé. Ajouter environ 40 ml de H SO concentré et mélanger soigneusement avec un agitateur en verre pendant 20 à 30 secondes.

2 4

Bouffée de fumée,

O 0

+ produits d'oxydation

274

Mettre du peroxyde de benzoyle dans un petit flacon ou dans un tube à essai aur une hauteur de 0,5-1 cm. Fixer le flacon et ajouter une goutte d'aniline. Après 15 secondes environ une bouffée de fumée s'élèvera vers le plafond.

Flamme rouge spontanée.

2 2KC10 -3 2KC1 + 30 3

c l H O +O - C+CO +H O 2 22 1 1 2 2 2

Remplir un petit flacon avec du chlorate de potassium et le boucher. kemplir un deuxième récipient identique avec du sucre et ajouter environ 0,5 g. de nitrate de strontium. Boucher. Les flacons peuvent Ztre placés dans un bécher de 150 ml jusqu'au moment de la démonstration, Au moment de la démonstration, et pas avant, mélanger le contenu des deux flacons soigneusement dans un bécher propre et sec à l'aide d'un agitateur en verre propre et sec. Mettre 1-3 ml de H SO concentré sur un morceau d'amiantz, kaire l'obscurité dans la pièce. Verser le mélange sur l'amiante et s'éloigner. Après un craquement bref, une intense flamme rouge apparaît.

Flamme verte spontanée - Peser 4 g de poudre de zinc dans

un petit flacon sec. Dans un flacon peser 4 g Ba(N03)2. Au moment de la %émonstration et pas avant,verser le zinc dans l'autre fiole, boucher et agiter vigoureusement pour assurer un mélange efficace. Verser le mélange gris sur un morceau d'amiante et asperger avec quelques gouttes d'eau (on peut faire cela en secouant ses doigts mouillés). Une flamme verte apparaît spontanément.

Bien que les trucs décrits soient spectaculaires en euxmêmes, l'art de la mise en scène du magicien et de Ses assistants met beaucoup la démonstration en valeur. En outreldes costumes et des décors appropriés augmentent l'effet produit. S'assurer que les exécutants et leurs assistants portent des lunettes de protection.

NH4N03, 1 g NH C1 et 0,5 g

Notes

(1 ) A qui toute correspondance doit être adressée. Outre les auteurs, plusieurs autres enseignants et étudiants de Cal Poly ont contribué à ce spectacle de magie. (2) Quelques-uns de ces trucs ont initialement été décrits dans "Chemical Magic" de L.A. Ford Fawcett, New York, (3) L.F. Fieser, "Organic Experiments" D.C. Heath et Co., Lexington, Mass.

275

Un << spectacle de magie >> scientifique G. Harris, B. Wassink et A. V(l0oton

Etudiants ayant travaillé au spectacle de magie :

Bé Wassink Gerry Lichtenfeld Melvin Euverman John Magdanz Lucille Green Darlene Sussbauer Grant Harris Mark Lambert.

Durant les deux dernières années nous nous sommes bien amusés en montant des "spectacles de magie" pour des écoles élémentaires de la région. Le spectacle a passionné les petits enfants (et les grands aussi) et a éveillé leur intérêt envers la science ; pour ceux qui ont monté le spectacle, une telle expérience est de valeur inestimable. Ce type de spectacle doit satisfaire aux trois exigences suivantes : il doit être l) sans danger, 2) bon marché, et 3) réalisable avec le minimum d'équipement. Les deux dernières exigences sont faciles à satisfaire ; la première nécessite de l'attention et de l'expérience de la part de ceux qui montent le spectacle. Nous ne soulignerons jamais trop l'importance d'avoir des réactions parfaites du point de vue de la sécurité de tous. Bien que nous ayons eu parfois de nombreux spec- tateurs, le spectacle a eu plus de succès avec des petits groupes. Voici un aperçu de ce que nous avons fait. Rien de ce que nous exposons n'est original, mais cela peut être utile, soit pour faire une réac- tion particulière7soit pour monter un spectacle comme le nôtre.

1 . Bombe d 'hydrogène. Remplir d'hydrogène, par déplace-

ment de l'airyune boîte à beurre de ca- cahuète vide. Fabriquer l'hydrogène avec du zinc et de l'acide chlorhydrique di- lué (ou de l'aluminium et de la soude). Lorsque la boîte semble pleine (il faut un peu d'expérience pour en juger) placer le générateur d'hydrogène dans un seau rempli d'eau, enlever l'adhésif du sommet de la boîte et allumer l'hydroghe. La détonation a lieu 2 tout coup.

f \

boîte à beurre de cacahuète percé ten haut et en bas.

I I I

Allumer l'hydrogène ---1 par le trou du fond.

2. Dessins moirés.

par les journaux pour faire des pointillés sur les photos) placées l'une sur l'autre forment des diagrammes vraiment intéres- sants. Lorsqu'on fait varier l'orientation d'une grille par rapport à l'autre de 45' à Oo, le dessin obtenu (observable à l'aide d'un rétroprojecteur) passe d'un fin poin- tillé à un large quadrillage. Si vous ne disposez pas de ces grilles vous pouvez les acheter chez Edmund Scientific (No 60464 , # 6,50). Des rideaux peuvent donner aussi des dessins de moiré.

Deux grilles spéciales (utilisées

3. Filtres Polaroi'd.

soleil ou le matériel Polaroid bon marché de chez Edmund Scientific (No P. 71.872, $ 4). Mettre plusieurs couches de Scotch sur la plaque de verre, ce qui fait appa- raître plusieurs couleurs sur l'écran. Des variantes sont également possibles ;

Utiliser de vieilles Aunettes de

276 Reproduit avec l'autorisation de The BC Science Teacher, vol. 18, no 1, 1976, p. 16-20.

par exemple des cristaux d'antimite ou du Plexiglas comprimés produisent aussi des effets intéressants.

Feuille Polaroïd Couches de Scotch

1 P

Haut du rétro- projecteur

Plaque de verre

4. Réaction thermique. Mélanger de l'aluminium en poudre

avec une quantité égale d'oxyde ferrique (commencer à petite échelle, environ 1/2 cuillerà café de chaque produit) et une très petite quantité de perchlorate de potassium. Mettre le tout sur un couvercle métallique recouvert avec au moins trois gpaisseurs de feuille d'amiante. Il se produit une réaction violente très lumineuse lorsqu'on enflamme avec un morceau de ruban de magnésium. Il faut se tenir éloigné et aérer soigneusement.

5. Fontaine à ammoniac.

flacon d'un gallon , rempli d'ammoniac gazeux.

1 1 Grande poire en

d'eau. Presser la poire pour que la fontaine démarre.

caoutchouc remplie

Eau additionnée de quelques gouttes de phénolphtaléine.

Réaliser le montage décrit ci- contre .Le flacon peut être rempli d'ammoniac bien avant que la fontaine ne fonc- t ionne. L'ammoniac peut être produit en mélan- geant avec précaution et sous une hotte NH C1 , NaOH et un peu d'eau. 4

L'ammoniac étant plus léger que l'air, remplir le flacon par déplacement.

Mélange de NHqC1, NaOH et d'une petite

6. Citron et orange. Cette réaction impressionante est

décrite par Chapman dans "Spectrum 75". Au début, nous avons eu quelques diffi- cultés à la faire marcher mais avec un peu de persévérance nous avons pu obtenir des changements de couleur vraiment jolis. Les problèmes rencontrés tenaient sans doute au fait que nous avions uti- lisé sans les laisser reposer quelque temps les solutions d'indicateurs colo- rés. La solution est jaune au départ, puis, si on l'agite doucement, elle devient orange ; si on l'agite fortement elle passe au vert. Si on la laisse reposer encore quelque temps, elle redevient jaune. On obtient les mêmes résultats en transvasant la solution plusieurs fois d'un bêcher dans un autre. On a besoin de quatre solutions : Solution A Dextrose O, 13M (24g/l) Solution B NaOH 1,OM (40g/l) Solution C Rouge Indigo 0,2% Solution D Bleu de Méthylène 0,2% Mélanger des volumes égaux de A et de B, ajouter quelques gouttes de C et un peu plus tard une goutte de D. Laisser reposer lessolutionsquelques minutes avant d'agiter.

277

7. Volcan. C'est l'expérience classique du

bichromate d'ammonium qu'on enflamme avec un ruban de magnésium. Pour plus de détails voir "Geology and Earth Sciences Sourcebook" p. 71. Effectuer la réaction sur un couvercle métallique placé sur une plaque d'amiante.

8. Horloge à iode.

"Chem Study" (indiquée dans "Chem Study Teacher's guide'' p. 247). Mélanger des volumes égaux des solutions A et B, agiter, et attendre quelques secondes. La solution initiale qui est incolore se colorera en bleu foncé.

Nous avons employé la réaction

Solution A 4,3g KIO/litre.

Solution B 0,2g de Na2S205 i 4,Og d'amidon soluble 5ml de H2S04 1M

9. Indicateurs acide-base.

teurs dont nous disposions. Par exemple, la phénolphtaléine, 1 'orange de méthyle et le bleu de bromothymol. Les élèves sont très impressionnés lorsque les couleurs d'une série de ces solutions changent après addition de petites quantités d'acide ou de base.

Nous avons utilisé tous les indica-

10. Réaction d'oxydation.

nate de potassium (env. 1 cuiller à café) finement broyé, et déposé sur un verre de montre, ajouter un peu de glycérine (2 2 3 ml). Peu après, le mélange se met à fumer et ensuite brûle avec des flammes violettes. Nous avons évacué la fumée par aspiration ou par une ventilation efficace.

Sur une petite quantité de permanga-

1 1 . Super mousse.

tific. Il s'agit d'une réaction de polymé- risation assez impressionante. On mélange deux liquides, et après quelque temps le volume initial augmente considérable- ment. Une petite quantité mise dans un verre se dilate jusqu'à débordement. (Edmund Scientific No : 71876, 4 6,95).

Encore avec du matériel Edmund Scien-

12. Robinets magiques. Réaliser le montage ci-dessous.

. Ficelle

Vieil ensemble à robinets (le mieux est qu'ils soient le plus gros possible) - suspendre les robinets au plafond avec une ficelle

y Tube de verre (le plus long possible)

Tuyau de

/ caoutchouc / Cuvette en plastique

Pompe (un évier et une trompe à eau suffisent)

1 Eau

Laisser les robinets couler pendant un petit moment ; parfois cela prend du temps pour que les gens remarquent quelque chose!

13. Helium. Pour notre dernière expérience,

nous faisons en général une petite dé- monstration des effets de l'hélium sur la vitesse de vibration des cordes vo- cales. Voir page 252 de "Extending Science Concepts in the laboratory".

Nous accompagnons ces démonstra- tions de petits dialogues, de costumes (voir les photos) avec tout un scénario. Si les élèves demandent comment les choses se passent nous essayons de le leur expliquer. Nous espérons qu'ils ont appris autant que nous-mêmes et, ce faisant, qu'ils se sont amusés.

Si vous connaissez d'autres réac- tions du même type nous serons heureux d'en prendre connaissance. Elles seront bien accueillies au Chem Corner.

278

VII. Équipements bon marché

Dans de nombreux pays en voie de développement le matériel disponible est généralement rare sinon pratiquement inexistant, non pas pour des raisons d'ordre pédagogique, mais simplement par manque d'argent. Ainsi la synthèse de produits chimiques et la mise au point d'appareils représentent un secteur qui nécessite une attention prioritaire. Tout particulièrement les professeurs isolés et les centres d'enseignement doivent recevoir une aide permanente dans la conception et la fabrication d'un matériel simple et l'on doit choisir soigneusement la meilleure manière d'apporter cette aide. Dans cette partie, nous verrons le cas'de l'Inde, de la Birmanie, du Lesotho et du Kenya.

Bhattacharyya, dans le premier article,décrit l'expérience indienne en matière de conception de mise au point et de fabrication Je matériels à coût réduit. Le second article présente le cas de la Birmanie. Ces deux exposés sont d'ordre très général.

Dans les deux derniers articles, Baholo, Chabane et Towse montrent comment ils ont conçu et réalisé un laboratoire mobile, au Lesotho; Carroll, Pardham et Stewart décrivent en détail un petit matériel de chimie qu'ils ont introduit avec un succès certain dans les établis- sements scolaires du Kenya. Dans une autre partie nous présenterons des expériences réalisées avec des équipe- ments sommaires.

279

Conception, mise au point et production d'un équipement scientifique peu coûteux P. K. Bhattacharyya

Programme d'enseignement scientifique

En général parmi les objectifs des programmes d'enseignement scientifique d'un pays en voie de développement on trouve : (a) Mise au point du programme, y compris le stade pilote consistant à tester méthodes et matériels.

(b) Organisation et mise au point de l'enseignement destiné aux futurs professeurs de Science.

(c) Organisation d'un recyclage régulier comprenant des compléments de programmes à l'intention des enseignants confrontés aux nouveaux programmes scientifiques.

(d) Mise au point du matériel d'enseignement : manuels, livres du maître, équipement scientifique, etc.. . (e) Fourniture d'équipement de laboratoire ou d'atelier aux établissements de formation des professeurs.

En Inde, l'enseignement est une affaire d'Etat. C'est le gouvernement central qui est le principal responsable des grandes lignes de la politique de coopération entre Etats et qui assure la coordination des différentes activi- tés. Le gouvernement central apporte son soutien aux projets expérimentaux, tant académiquement que financièrement ; de même il fonctionne comme instance de contrôle des programmes d'aide aux Etats venant de l'extérieur. Le Conseil national de la Recherche sur l'Enseignement et 1'Education (N.C.E.R.T.) est l'instance académique du Ministère Central de 1'Education qui a pour fonction

d'apporter des améliorations à l'enseignement sous tous ses aspects.

Cet article présente l'ensemble de 1 'expérience indienne concernant la conception, la mise au point et la production d'un équipement scientifique peu coûteux. Cette expérience peut intéresser, par plusieurs de ses aspects, les pays frères en voie de développement confrontés au problème de l'équipement de leurs écoles et des établissements de formation des professeurs.

Le programme de l'enseignement scientifique en Inde existe depuis une décennie. Son premier objectif a été d'établir des programmes scolaires consistant à enseigner les sciences à partir d'activités pratiques et d'expé- riences réelles, Il fallut adopter une stratégie grâce à laquelle un équipement très simple, fait de matériaux indigènes et utilisant les ressources locales pourrait être fourni aux professeurs pour leurs classes. D'ailleurs le développement d'un tel équipement sous forme de laboratoires compacts portatifs ou de matériel en pièces détachées pouvait aider à des échanges avec l'extérieur, dont on a grand besoin.

Programme d'études et réflexions sur la conception de l'équipement,

Alors que les grandes lignes des objectifs et des programmes d'étude de l'enseignement sont élaborées au niveau fédéral, les mesures concrètes sont fixées par le Ministère et les Services de 1'Education des Etats. Le développe- ment de programmes modèles pour les

Reproduit avec l'autorisation de Low-Cost Science Teaching Equipment. (Report on a Commonwealth Regional Seminar Workshop, Nassau, Bahamas.) Commonwealth Secretariat, 1976, p. 33-39. O Copyright The Common Wealth Secretariat 1977.

281

écoles s'appuie sur les connaissances et les moyens techniques des Universités et des Unités de Recherche du pays. Les projets de programmes d'étude et les matériels d'enseignement, conçus à partir d'idées nouvelles s'efforçant de répondre aux besoins de la nation,sont mis à la disposition des Etats qui les adoptent après expérimentation, éventu- ellement en les modifiant en fonction de leurs besoins et de leurs ressources. Ainsi tout le processus d'élaboration des programmes, dont l'initiative appartient au Centre Fédéral, est décentra- lisé au niveau de chaque Etat par l'intermédiaire d'un réseau de centres de développement des programmes.

Au niveau de chaque Etat, un certain nombre d'organismes se trouvent directement ou indirectement concemés par ces programmes d'étude. Les Instituts d'Etat pour l'Education, les Instituts des Sciences de l'Education, les Ministères de l'Enseignement Secondaire, les Services des manuels scolaires, les Services d'orientation et d'autres organismes spécialisés sont aussi enga- gés dans ce travail sous une forme ou sous une autre. Le N.C.E.R.T. coordonne le travail de ces organismes.

Pour les thèmes scientifiques, les spécialistes de l'élaboration des programes recensent les expérimentations spécifiques ou les objectifs à atteindre et définissent le matériel requis. De plus, ils examinent le matériel disponible sur le marché et rendent compte de ses qualités et de ses défauts. Avec cette information à sa disposition le bureau d'étude construit un prototype. Ce prototype est alors critiqué au cours de réunions du comité consultatif comprenant des professeurs intéressés, d'éminents scientifiques et des personnels du centre de recherche. Lors de ces réunions le produit est minutieusement examiné et des suggestions sont émises en vue de son amélioration.

A ce stade du projet on a trouvé utile d'impliquer des professeurs qui sont les utilisateurs effectifs de l'équipement, Leur participation est sollicitée par le biais de concours pour la conception d'appareils et en faisant appel aux associations de professeurs des différentes disciplines scientifiques, aux fonctionnaires

scientifiques régionaux, aux centres de rencontre de professeurs. Des professionnels du matériel scientifique ont aussi été invités à participer à ces réunions. En outre les matériels fournis par les organismes intemationaux se sont révélé8 très utiles.

Type d'équipement bon marché.

Pour répondre aux besoins des programmes d'enseignement scientifique, le bureau d'étude peut commencer par produire l'un ou l'autre des équipements suivants ;

(a) Du matériel de démonstration ou du matériel destiné aux élèves, adapté au programme d'une classe particulière.

(b) Du matériel bon marché destiné à remplacer l'équipement classique de laboratoire.

(c) Du matériel nécessaire aux centres et aux expositions scientifiques (bien que ces articles ne soient pas prévus par les programmes d'étude, ils contribuent à l'harmonisation des disciplines artistiques et scientifiques et à la diffusion de la connaissance du matériel et des techniques dans le public).

Le matériel (a) ci-dessus peut consister en un petit équipement pour l'enseignement des cours d'électricité pour la 88me classe ou bien en un petit équipement scientifique de base pour la troisième classe. Dans tous les cas, le fabricant de matériel doit comprendre l'esprit du programme, se conformer au plan et aux illustrations du manuel et élaborer son matériel de façon que le même équipement soit utilisable moyennant quelques modifications par différentes classes, Le matériel destiné à une classe déterminée doit être portatif et faire office de petit laboratoire, utilisable même dans les écoles rurales où les laboratoires pour l'enseignement scientifique n'existent pas. L'utilisation d'articles faciles à trouver sur le marché local réduit considérablement le coût de l'équipement. Ces articles doivent Stre résistants et d'un maniement simple de sorte que les élèves puissent les utiliser sans craindre de les endommager. Les petits matériels produits par le N.C.E.R.T. doivent présenter les avantages suivants : volume réduit, multiples possibilités d'utilisation ; économie de temps dans le montage des

282

expériences ; économie de matériaux ; mobilité ; possibilité pour le professeur d'apporter des modifications; coût &duit et utilisation de matériaux locaux ; facilité de remplacement des articles perdus ou cassés. Un constituant essentiel de ces petits ensembles est la liste des articles avec schémas, descriptions détaillées et modes d'emploi. En plus de faciliter l'utilisation ceci permet de remplacer les composants hors d'usage.

Production,

Une fois la mise au point du projet terminée, le bureau d'étude effectue le tirage des plans du modèle approuvé , avec toutes les spécifications techniques. Les plans sont alors transmis à la section de production pour une production par lots ou en grand nombre par l'intermé- diaire de la section programmation et contrôle. Les différentes sections du Centre intervenant dans la production d'un équipement scientifique de faible coût sont présentées dans le diagramme ci-dessous. Avec l'assistance du Centre, les Etats établissent leurs plans et répartissent leurs moyens financiers en fonction des besoins des écoles, pour une durée déterminée. Une région sans industrie locale préférera peut-être demander au Centre d'entreprendre pour son compte une production en grand nombre alors qu'une région située dans la ceinture industrielle préférera une fabrication locale de l'équipement avec ou sans modification (comme celles présentées par les lignes en pointillé dans le diagramme ...). Le Centre peut fournir les spécifications détaillées et les informations nécessaires. En outre, 1'Etat peut demander au Centre de former du personnel technique pour le

contrôle de la qualité de la production de ces matériels. Si l'équipement en petit matériel scientifique a été très utile dans la mise en route des programmes d'enseignement scientifique, la production en grand nombre et l'approvisionnement posent de nombreux problèmes, surtout dans un pays aussi vaste que l'Inde. Ainsi un Etat possédant 30 O00 Ecoles Primaires et distribuant seulement 2000 petits équipements scientifiques par an, aura besoin de 15 ans pour approvi- sionner sa population scolaire entière. Pendant ce temps, non seulement la population de 1'Etat aura considérable- ment augmenté,mais encore 1 'information scientifique aura complètement changé. Comme 1'Etat ne peut attendre aussi longtemps pour équiper toutes les écoles, il devra encourager l'utilisation des ressources locales pour l'enseignement scientifique pratique. En utilisant les opuscules illustrés et les livrets publiés par le bureau d'étude, les professeurs peuvent fabriquer un équi- pement utilisable pour l'enseignement à partir des matériaux disponibles localement, Si besoin est, ils sollici- teront l'aide de l'artisanat local, L'utilisation de menus objets divers, tels que rasoirs usés, plastiques et boîtes de conserves,ampoules usées, feuilles d'aluminium des paquets de cigarettes, rubans en acier ou cartons d' emballage, morceaux de bois, bambous (qui peuvent être utilisés comme tuyaux rigides, cylindres, récipients de mesure, seringues et cadres),tiges creuses de certaines fleurs et feuilles, (pour faire des tuyaux flexibles), épines rigides, différents types de fruits, argile, pailles ,*. représente une aide appréciable pour 1 'enseignement. Tout ceci existe même dans les villages les plus isolés.

283

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284

A N N E X E

Equipement de base pour un centre de production d'équipement

scientifique peu coûteux.

On donne ci-dessous la liste de l'équipement minimal nécessaire pour un atelier ayant environ 2 O00 mètres carrés de surface couverte et employant environ 100 personnes, destiné aux travaux de conception et de mise au point, correspondant à une production moyenne de 100 O00 livres (sans bénéfice ni perte). Ce matériel peut s'avérer trop onéreux pour de petits pays, Si c'est le cas, plusieurs pays voisins pourraient décider d'établir un centre régional commun pour pourvoir à leurs besoins.

A,

-1' .

2.

3.

4.

5.

B.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

C.

1.

2,

Section conception

tireuse, planche h dessin, boîte à instrument, équerres à dessin, etc,,.

machine à tirer les bleus à l'ammoniaque

graveur de stencil électronique

dupli cat eur

équipement de sérigraphie

Section développement

tour d'outillage - hauteur du centre - 150 mm - distance entre pointes - 500 mm tour de précision - hauteur du centre - 100 mm - distance entre pointes - 300 mm tour de filetage - hauteur du centre - 200 mm - distance entre pointes - 1 mètre ,perceuse - capacité - 18 mm - course - 200 mm affuteuse sur pied - diamètre de la roue - 400 mm divers outils manuels pour travaux d ' ajustage

Atelier de machine

tour de filetage - hauteur du centre - 200 mm - distance entre pointes - 1 O00 ~ U I

tour de filetage - hauteur du centre - 200 mm - distance entre pointes - 1 mètre

3. tour de précision - hauteur du centre - 200 mm - distance entre pointes - 1,5 mètre 4. tour de filetage - hauteur du centre - 175 mm - distance entre pointes - 1,2 mètre 5. étau limeur - course du piston - 600 mm 6. affuteuse sur pied - diamètre de la roue - 400 mm

3 grades de meules

7. tronçonneuse - diamètre maximum du travail - 150 mm 8, fraiseuse universelle - course verticale - 300 mm - course horizontale - 320 IMII - course transversale - 200 mm 9, fraiseuse verticale - tête à rotule orientable - course de la tête - 200 mm - course verticale de la table - 300 mm 10. fraiseuse horizontale - course verticale - 800 mm - course horizontale - 800 m - course transversale - 500 m 1 1 . meuleuse universelle (affuteuse et

tronçonneuse) - course longitudinale - 400 mm - course transversale - 150 mm - mouvement vertical de la broche de la roue - 100 mm

12. rectifieuse cylindrique - diamètre maximum du travail#150 mm

13. rectifieuse plane - course du plateau# 710 mm - course verticale # 300 rmn - course transversale# 235 mm

285

14.

15.

16.

17,

18.

19.

graveuse - course horizontale - 200 mm - course verticale - 300 mm - course transversale - 200 mm tour à révolver - alésage de broche (passage de barres) - 18 mm

tour à cabestan semi-automatique - alésage de broche (passage de barres) - 18 mm - capacité de barre au mandrin - 50 m

perceuse à colonne - capacité - 25 mm perceuse sur établi - capacité - 12 mm machine à bander les ressorts

F. Atelier charpente

1. tour à bois - hauteur du centre - 100 mm - distance entre pointes - 1,2 mètre 2. machine à planer (dégauchisseuse)

maximum d'épaisseur 150 mm

3. scie à découper à pédale

4. skie à ruban

5. scie circulaire - diamètre 400 mm

6. ponçeuse à disque et à bande - disque de 300 mm 7. tous les outils manuels de char-

pentiers,

G. Atelier moulage plastique D. Atelier d'étampage

1 . presse à poinçonner 7 capacité 40 tonnes

2. presse hydraulique - pression 400 kg/cm2 3. tour à barre rompu - hauteur du centre - 200 mm - distance entre pointes - 1 mètre

4. presse à volant, manuelle no 4 et no 6

E. Atelier ajustage de tôle en feuilles

1. cisaille à gillotine à moteur - largeur de coupe - 2 mètres - maximum d'épaisseur des feuilles - 3 "

2. plieuse à moteur - largeur du banc - 2mètres - maximum d'épaisseur des feuilles - 3 "

3. cisaille manuelle maximum d'épaisseur du feuillet - 16 SWG

4, perçeuse - capacité - 12 mm

1. Machine (manuelle) pour moulage et injection de plastique - 200 g de capacité

2. machine (manuelle) pour moulage et injection de plastique - 60 g de capacité

3. machine semi-automatique pour moulage et injection de plastique - 100 g de capacité

4. machine (manuelle) pour moulage et injection de plas tique - 30 g de capacité

5. machine (manuelle) pour moulage et soufflage - 100 g de capacité

6. machine (manuelle) pour moulage et soufflage - 30 g de capacité

7. machine pour découpage de petits morceaux de plastique

8. machine à faire le vide 450 x 450 x 200 mm de capacité

9, équipement pour revêtement plastique

5. tous les outils à main pour le travail et l'ajustage des métaux en feuilles,

286

H. Atelier optique 2, creusets et bous les outils de

1 , fonderie

Equipement pour souffler le verre 7 ensemble d'outils pour souffler 3. machine à moulage mécanique

le verre 7 2 séries brûleur à air 2 tailles L, Atelier peinture - petite soufflerie à air avec - arrivée d'air et soupape à pres- 1. pistolet s ion

2. compresseur à air

M, Atelier électricité

1 , machine à bobiner

2. appareils de mesures électriques

3. tous les outils manuels pour

2.

3. machine à polir

1. Atelier revêtement électrolytique

1. groupe générateur (moteur redresseur)

2. réservoirs, bacs à sels électricien

machine pour polissage de lentilles

3. machine à polir N. Divers

J. Atelier soudure 1 outils de mesure

1. centrale à gaz pour soudage 2.

2. équipement pour soudage à l'arc 3, (trans6drmateur, électrodes, etc ...)

machine à souder par points maximum épaisseur du feuillet 18 SWG

K, Fonderie

4. 3,

5.

1 , four Zi soufflerie (pit)'pour moulage au sol

6,

outils de contrôle et jauges

outils de découpage

Perçeuse à main avec accessoires pour transformation en d'autres outils

Gonvoyeur.2 bande pour le contrôle et l'assemblage

Articles divers.

287

Centres de production dans le Sud-Est Asiatique. L'unité de Birmanie K. Warren

L'unité de production Birmane est l'une de celles qui en Asie doivent leur existence à une petite industrie fondée en 1964 à l'Université des Arts et Sciences de Rangoon pour fabriquer un équipement scientifique d'enseignement. Tous les pays d'Asie se sont engagés à financer l'éducation de masse et certains ont remarquablement oeuvré pour y parvenir. Ce souci d'engagement doublé du souhait de voir les élèves réaliser eux mêmes leurs expérimentations a mis en lumière la nécessité de disposer d'un équipement important pour l'enseignement scientifique. La production d'un tel équipement a commencé à Rangoon en 1965 et augmenté de sorte qu'en 1972 l'équipement remis au Directeur de l'En- seignement représentai t une valeur annuelle d'environ 200 O00 Kyat. L'importation de ces matériels aurait coûté 460 O00 Kyat. Un point important dans tout cela est bien entendu qu'une économie de devises locales correspondant à environ 100 O00 dollars U.S. a été réalisée (un dollar vaut environ 4,8 Kyat au taux officiel du change). En 1972, l'atelier de Rangoon occupait 5 2 techniciens à plein temps, plus, durant les vacances d'été, jusqu'à 100 travailleurs temporaires - étudiants en Physique et Chimie de l'université - qui étaient bénévoles. Les matériels produits comportent presque tout ce qui est nécessaire à une classe secondaire de Physique et de Chimie : balances, verrerie, galva- nomètres, aimants, prismes, calorimètres, diapasons, lentilles, hydromètres, etc... Ce projet est mentionné ici en détail d'une part parce qu'il s'agit de la première réalisation de ce type dans la région et d'autre part parce que son

succès et l'exemple qu'il représente sont un exemple pour le futur. Il a reçu une aide de 1'O.N.U. qui a envoyé des experts de 1'U.N.E.S.C.O. en matière de production de l'équipement et de plani- fication de la construction et donné par l'intermédiaire de 1'U.N.I.C.E.F. une contribution de 290 O00 dollars U.S. Au titre du plan Colombo, l'Australie a attribué quelques 40 O00 dollars U.S. en machines et en équipement.

Depuis, cette idée, d'origine Birmane, d'une fabrication locale d'équipement pour l'enseignement scientifique s'est étendue aux autres pays de la région. Des experts de 1'U.N.E.S.C.O. et d'autres organisations internationales, très impressionnés lors de leur visite,ont fait passer le message. Cette idée a été mise en avant à plusieurs reprises lors de séminaires régionaux sur l'enseignement de la science et l'équipe- ment scolaire scientifique parrainés par 1'U.N.E.S.C.O.

Le succès du projet a balayé les craintes des pays voisins de ne pouvoir trouver le personnel formé, le matériel et les installations. Le doute persiste bien entendu SUK le point de savoir si une telle entreprise pourrait être ins- titutionnalisée et fonctionner comme une entreprise commerciale ordinaire et s'autofinançant (même si elle ne fait pas de bénéfice). Ceci parait peu probable pour les dix premières années . L'investissement pour l'atelier de Rangoon a été de l'ordre d'un demi million de dollars U.S. alors que la valeur de l'équipement produit n'était que d'un quart de million de dollars U.S.

288 Reproduit avec l'autorisation de : Warren, K. ; N. K. Low e (eds) The Production of School Science Equipment. Commonwealth Secretariat, 1975, p. 20-2.

Les organismes de financement auraient pu fournir deux fois plus d'équipement aux écoles pendant cette période s'ils avaient importé les matériels. Ceci bien entendu n'est pas, à bien des égards, un argument contraire probant.

C'est une des tâches premières des agences internationales que d'aider les pays à se prendre en charge même si cela exige un temps plus ou moins long. Bien '

entendu le plus tôt possible sera le mieux, pourvu que la charge que le pays s'impose soit supportable, Du reste le type d'aide considérée ici est entendu comme une dotation initiale et non pas comme un accord avec partage des profits et des pertes.

Il est également très important de développer un modèle utilisable dans d'autres pays et à cet égard le projet Birman a été particulièrement fertile.

Aujourd'hui sous une forme ou sous une autre des installations de production d'équipement scientifique scolaire existent déj2 ou bien sont sur le point d'être installées au Bangladesh, en Inde, en Indonésie, en République de Corée, au Népal, au Pakistan, aux Philippines et en Sri Lanka. En somme le modèle Birman prévaut, la production de l'équipement scientifique scolaire étant réalisée sur place, Dans d'autres pays OÙ la tradition de fabrication à petite échelle est bien établie, par exemple le Bangladesh, l'Inde et le Pakistan, l'installation réalise seulement les études et la production de modè- les pilotes bien adaptés aux besoins des étudiants et conçus pour la production en série, qui est réalisée en fait par l'industrie privée.

En Birmanie, le directeur de 1'Ate- lier scientifique U Chit Khiang déclare : "NOUS nous attendons 2 voir le volume de la production annuelle aussi bien que le nombre d'employés se multiplier par 4 ou 5 dans ces 4 prochaines années. Maintenant nous produisons juste un petit équipement scientifique pour les lycées mais nous avons l'intention de produire bientôt un petit équipement scientifique pour les écoles primaires et l'6cole moyenne. Nous sommes déjà en train de tester les petits équipements (kits) pilotes".

Le but final est de fabriquer tout l'équipement d'enseignement scientifique nécessaire au niveau primaire (pour une utilisation par les enseignants) aussi bien que celui nécessaire au niveau de l'école moyenne et du lycée. L'expansion prévue comporte un agrandissement des installations de production, A l'outillage actuel pour le travail des métaux et du verre, les responsables de l'atelier comptent ajouter des machines pour le travail des plastiques - moulage par injection , moulage par extrusion, moulage sous vide.

Le Dr. Maung Maung Kha, recteur 2 l'Université des Arts et des Sciences de Rangoon écrit : "les avantages obtenus en 6tablissant notre propre plan pour la production de l'équipement scientifique scolaire vont bien au delà d'une écono- mie de devises. Nous avons offert de nouveaux emplois, Maintenant nous avons formé des techniciens, nous avons acquis de nouveaux savoir-faire techniques. De plus, le petit équipement scientifique scolaire que nous produisons est mieux adapté aux besoins de nos propres enseignements scientifiques, développés par nous-mêmes, que les petits équipements produits par l'étranger".

Le petit équipement de chimie construit à l'Atelier et qui a été mis au point par un professeur de l'Université des Arts et des Sciences de Rangoon est un excellent exemple. Réalisé 'a l'échelle semi-micro cet équipement non seulement ne consomme que le dixième de la quanti- té de produits chimiques n6cessaire lorsqu'on utilise un ensemble de laboratoire de taille normale, mais encore utilise ingénieusement des matériaux mis au rebut - les bouteilles de péni- cilline vides, par exemple, sont parfaitement utilisables comme flacons de réactifs à l'échelle semi-micro.

Le projet Birman a aussi introduit d'autres modifications dans la région. Beaucoup de pays d'Asie ne possèdent pas du tout de petites industries de précision. Ils n'ont pas les techniciens que nécessite l'industrie, Ils ont de bons ouvriers qualifiés, des hommes qui peuvent produire un article de bonne facture, mais pour ce qui est des techniciens de précision qui peuvent produire 500 unités exactement identiques répondant parfaitement aux spécifications

289

d'un bleu et totalement interchangeables, ils n'en disposent pas.

Soren Hakansson, le consultant de l'ULN.EISICLOL plus particulièrement associé à l'atelier de Rangoon disait récemment : "Je pense à l'avenir dans 10 ou 20 ans. Je vois l'industrie de l'équipement pour l'enseignement scientifique en Asie rEpondre largement aux besoins de ces régions, mais je vois plus encore. Parce qu'une grande partie du coût total de l'équipement scientifique scolaire est le prix de la

main d'oeuvre spécialisée et parce que cette main d'oeuvre est ici bien meilleur marché que dans des régions déve- loppées, il est tout à fait possible que dans le futur l'Asie devienne un exportateur d'équipement scientifique scolaire vers l'occident, dans le commerce extérieur:'

'

Non contente d'avoir réalisé des éconodes dans les échanges avec l'é- tranger, cette industrie aura en fait une balance extérieure positive.

290

Unité de laboratoire mobile pour des pays en voie de développement S. Baholo, C. M. Chabane et Y. J. Towse

Au Lesotho, des restrictions financières nous empêchent de doter immédiatement toutes les écoles secondaires des laboratoires nécessaires à la mise en place d'un enseignement des Sciences moderne et complet au niveau du Certificat d'Etudes ("Junior Certi- ficate", obtenu entre 1 1 et 14 ans en Grande Bretagne). Nous avons donc fait le plan d'une installation peu coûteuse servant à transformer une salle de classe en salle de travaux pratiques, par le branchement d'arrivées d'eau et de gaz sur les bureaux.

L'unité de base est plutôt conçue comme une table à thé roulante et peut être construite par toute personne ayant une expérience raisonnable en menuiserie. Il ne s'agit pas de proposer au professeur de fabriquer ces unités, mais plutôt d'engager un homme à tout faire ou un menuisier local pour qu'il fab'rique l'unité de base représentée sur la figure 1.

Les matériaux requis pour cette unité de base sont :

cornières .métalliques, 60cm x 3cm x 0,3cm morceaux de bois tendre, 60cm x 7,5cm x 1,5cm morceau de planche, 60cm x 60cm x 1,5cm morceaux de bois tendre, 63,6cm x lOcm x 1,5cm morceau de planche 63,6cm x 63,6cm x 1,5cm morceau de bois tendre, 15cm x 7,5cm x 5cm

On complète l'unité avec les pièces suivantes : (9) 4 roues robustes ou 4 roulettes de

(h) 1 robinet à gaz à 4 voies (i) 1 petite bouteille de gaz comprimé

(j) 1 tuyau en plastique épais de 45cm

faut eui 1

( 1 , 5 w

de long pour raccorder la bouteille de gaz au robinet

(k) 1 bassine 5 vaisselle en plastique (1) 1 tube de plastique rigide de

longueur 5cm sur 1,5cm de diamètre in té rieur

45cm de long et 1,5cm de diamètre extérieur

(m) 1 tuyau de plastique flexible de

(n) 1 seau en plastique (O) 1 réservoir d'eau de 30 1. en plas-

(p) de la colle (q) de la peinture de préférence résis-

tante aux acides et aux bases.

tique, muni d'un robinet

Figure 1

Reproduit avec l'autorisation de School Science of Review, vol. 58, 1976, p. 78-82. 291

La cornière métallique est percée de trous de façon à être vissée aux pièces de bois (b) et (4, ce qui donne le cadre de l'unité. Pour rendre ce cadre aussi rigide que possible, les angles des pièces (b) et (d) sont tail- lés en biseau, les pièces (b) sont ajustées à l'intérieur des cornières métalliques et les pièces (d) à l'ex- térieur, puis (c) est vissé ou cloué pour former une tablette (voir fig. l),

sorte que la bassine puisse s'y engager sans tomber. Un petit trou est percé en (e) pour le robinet à gaz et (f) est vissé ou cloué à (e), (e) est alors vissé ou cloué pour constituer la partie supérieure de l'unité (voir fig. 1).

On fixe les roues à la base des pieds de façon à pouvoir déplacer facilement l'unité. Le robinet à gaz est fixé dans le petit trou situé à la partie supérieure et raccordé par un tuyau de plastique à la bouteille de gaz.

est percé à l'aide d'un tube de métal chaud au fond de la bassine en plastique. Un petit tuyau à eau en plastique très résistant de même diamètre est alors fixé dans le trou ou collé avec de la résine époxy. Un tuyau de plastique flexible peut ensuite être collé à l'intérieur du tube pour permettre l'écoulement du contenu de la bassine dans un seau posé sur la tablette inf6- rieure de l'unité. La bassine est simplement enfoncée, dans le large trou prévu sur la planche supérieure, son rebord l'empêchant de tomber.

sur l'unité qui est donc munie d'eau courante. Les récipients que nous utilisons ont une forme un peu inhabituelle

Un trou est percé en (e) de telle

Un trou d'environ 1,5cm de diamètre

Le réservoir d'eau est installé

puisqu'ils sont creusés B leur base (voir fig. 2). De cette façon le réci- pient est maintenu solidement en place, en adaptant exactement le creux 2 une cale fixée sur la planche. (Des réci- pients ayant cette forme ne se trouvent pas toujours facilement et avec une autre forme de récipient il faudra trouver un autre moyen de le maintenir. On peut installer sur la planche supé- rieure un cadre rectangulaire de façon à pouvoir simplement mettre ou enlever le récipient). On placera le robinet d'eau bien au-dessus de la bassine pour pouvoir rincer les appareils à l'eau courante.

Il ne reste plus qu'à peindre l'unité. Une unité complète (voir figure 3) a été réalisée au Lesotho pour 50 R, (approximativement 30 livres).

L'unité peut être déplacée dans la classe de façon à fournir l'eau et le gaz nécessaires aux expériences faites sur les bureaux (à condition que les plateaux soient horizontaux). La figure 3 montre comment l'unité peut être utilisée par 4 étudiants travaillant deux par deux. Avec cet aménagement, 10 unités sont nécessaires pour une classe de 40 élèves. Il est possible évidemment de travailler avec deux fois moins d'unités en particulier si la classe est petite, en adoptant le schéma de travail indiqué sur la figure 4. Mais les avantages de la première disposition sont manifestes, spécialement avec des élèves plus âgés.

incliné, nous suggérons de les transformer en tables de travail horizontales de la façon suivante :

1 , Bureau à couvercZe mobi Ze Fabriquer le support indiqué sur la figure 5, en utilisant une pièce de bois tendre de 15cm x lOcm x 1,5cm comme base, une pièce de 1,5cm faisant fonction de montant et une pièce de 2,5cm jouant le rôle de cheville horizontale au sommet. Le haut du support sera alors fixé par 2 pinces à ressort de Terry (80/2) sur la face inférieure du couvercle, du côté ouvrant. Le support maintiendra donc le couvercle en position horizontale (figure 5).

2. Bureau à couvercZe fixe. Fabriquer une unité à poser sur le bureau, un peu comme un tiroir retourné (figure 6)

Si on dispose de bureaux à plateau

Figure 2

292

Figure 3

sur les bords, sont adaptées à la pente 00- du couvercle et empêchent tout mouvement

latéral.

boucher la bassine en plastique de façon à pouvoir l'utiliser comme cuvette dans

On peut utiliser un bouchon pour O

Figure 5

expérimentations employant des matériaux corrosifs. Acides et bases devront être très dilués et de toutes façons il faudra les verser par le tuyau d'écoule- ment en tinçant.abondamment à l'eau courante. Ainsi les élèves ne risqueront pas de s'éclabousser avec quelque chose de dangereux en vidant le seau, Après usage, l'unité peut être poussée au fond de la classe, là où elle ne gêne pas, ou même rangée hors de la classe.

En 1971, à la suite d'un accord bilatéral, le gouvernement britannique a débloqué des fonds destinés à l'équi- pement de laboratoires dans tous les lycées reconnus par le Ministère de

breux pays en voie de développement, le Lesotho a considérablement augmenté depuis peu le nombre de places disponi-

vy \\ ZLI 1'Education du Lesotho. Comme de nom- ...................... --1 z' -1 \\ d

'\

Figure 6

293

bles dans les écoles et l'unité présen- tée ci-dessus convient aux écoles secondaires ayant ouvert leurs portes ces quatre dernières années,

Lorsque le ministère pourra fournir à ces écoles un équipement de laboratoire définitif, les unités pourront Gtre utilisées dans les écoles primaires comme tables de démonstrations pour les instituteurs. Par conséquent bien que ces unités aient été produites pour un usage temporaire dans les lycées, elles serviront d'une manière ou d'une autre pendant plusieurs années,

Remarques

1. La longueur de la cornière métallique (a) dépendra en fait de la grandeur des roues et de la taille des bureaux auxquels l'unité doit servir. La hauteur totale de l'unité sera bien sûr la même que celle des bureaux, la taille "normale" des bureaux de travail dans les lycées étant de 72cm.

peuvent pas être taillés en biseau, les quatre pièces seront assemblées comme sur la figure 7, mais les dimensions de (c) et de (e) seront alors respectivement 61,5cm x 61,5cm x 1,5cm et 65,lcm x 65,lcm x 1,5cm.

2. Si les bords de (b) et de (d) ne

3. &'unité présentée sur la figure 3 est un prototype dont la bassine est vissée en dessous de (e). La bassine est plus stable dans la version modifiée décrite ci-dessus.

4. Si on utilise le schéma de travail de la figure 4, le tuyau du quatrième bec bunsen doit être accroché à la planche,supérieure de façon assez lâche, par une pince Terry (ou d'autres pinces) de façon à ne pas encombrer 1 'évier .

5. La longueur du montant vertical du support (figure 5) dépend de la hauteur du couvercle du bureau qu'il doit maintenir en position horizontale,

Remerciements

Nous tenons 2 remercier Mr Alan Roebuck, de l'Université de York, pour l'aide qu'il a apportée durant la période de fabrication de l'unité au Lesotho et plus tard durant la préparation de cet article en Grande Bretagne.

Figure 7

2 94

L e petit équipement de chimie du collège de professeurs de sciences du Kenya (KSTC) Une aide à l'enseignement pour un pays en voie de développement

M. Carroll, S. Pardhaii et J. W. Steward

Introduction

Au Kenya, il y a environ 1250 écoles secondaires dont 400 environ soutenues ou aidées par le Gouvernement. Les 850 éoo- les restantes sont soit des écoles "pri- vées" , soit des écoles "harambee" . Les premières sont dirigées par une personne ou une organisation et comprennent celles tenues par des ordres religieux. Les autres fonctionnent avec l'aide de la population locale. Les écoles privées ne reçoivent pas de créditsdu Gouvernement, mais quelques écoles "harambee'l reçoi- vent un ou deux enseignants envoyés par le Gouvernement. Quelques-unes aussi obtiennent de petites subventions pour la construction de salles de classe, laboratoires et autres bâtiments scolaires. L'effectif total des dcoles secondaires en 1973 était d'environ 185 O00 élèves dont environ 75 O00 fré- quentant des écoles non-subventionnées. La demande pour obtenir des places dans les écoles secondaires est considérable. En décembre 1974, 220 O00 enfants se présentaient au Certificat d'Etudes Primaires, l'examen de fin d'études primaires : parmi ceux-ci 25 O00 peut-être obtiendront une place en première année d'une école secondaire subventionnée et 35 O00 autres obtiendront des places en première année d'une école non-subven- tkonnée. Il reste environ 160 O00 élèves qui ne trouveront pas de placedans le secondaire.

Parmi les écoles subventionnées, la majorité sont des écoles secondaires à une seule section : environ 270 en tout ; un nombre au moins égal d'écoles non-

subventionnées mènent jusqu'à la classe 4 avec une seule section.

L'enseignement primaire a une durée de 7 ans ; le secondaire mène en 4 ans au Certificat Est-Africain d'Education de niveau O (SC-EACE) et quelques écoles secondaires permettent, après un cycle supplémentaire de 2 ans, d'obtenir le Certificat Supérieur d'Education de niveau A (HSC-EAACE) .

La qualification et l'expérience des professeurs des écoles secondaires subventionnées sont habituellement bien supérieures à celles des professeurs des écoles non-subventionnées. Quelques chiffres pour 1973 sont donnés dans le tableau 1 (extrait du Rapport Annuel du Ministre de 1'Education du Kenya, 1973).

On remarque une prédominance de professeurs non-diplômés aussi bien dans les écoles subventionnées que dans les écoles non-subventionnées. La situation est particulièrement critique pour ce qui est de l'enseignement des Sciences et des Mathématiques. Au Kenya, il y a encore peu de dipl8més en Sciences et en Mathématiques dans l'enseignement.

Le systhe d'enseignement du Kenya est basé sur le modèle britannique. Le Kenya est devenu indépendant en 1963, alors que la population fréquentant l'enseignement secondaire était beaucoup plus faible qu'actuellement. Par exemple en 1964, la population scolaire du secondaire était d'environ 36 O00 élèves. Cet effectif a été multiplié par cinq en dix ans. (Cette augmentation est particu-'


Tableau 1 Qualifications des enseignants des écoles secondaires subventionnées et non-subvention- nées du Kenya, 1973.

il Ecoles subventionnées Ecoles non-subventionnées Il

Di p 1 Ômés 1 864

2 405 S1 et autres +

Di p 1Ômés 83 8

S et autres 2 281 1 II

+ S1 : professeurs ayant 3 ans d'expérience après le SC-EACE.

lièrement marquée pour les écoles non- subventionnées dont la population est passée d'environ 8 500 à 75 O00 pendant la même période).

L'examen du SC-EACE (niveau O) et celui du HSC-EAACE (niveau A) était or- ganisé jusqu'en 1973 par le Syndicat local des Examens de l'Université de Cambridge. Depuis 1974, la responsabilité de la mise au point et l'organisation des études incombe au Conseil d'Examens Est- Africain mis en place en 1967. Des efforts considérables ont été effectués pour établir des programmes adaptés aux besoins du Kenya : parmi les programmes des écoles secondaires actuellement en usage, beaucoup ont été instaurés en Afrique Orientale par des professeurs en exercice, des membres de l'Inspection, etc.. .

Cependant, les écoles non-subven- tionnées présentent un problème particulier. L'examen junior du Secondaire (KJSE) peut être passé au Kenya en fin de classe 2 par les élèves des écoles non-subventionnées -alors que les élèves des écoles subventionnées ne sont pas autorisés 3 le présenter. Jusqu'en 1974, il était d'usage que le Gouvernement prenne en charge chaque année un certain nombre d'éco1es''harambee'' pourvu qu'elles satisfassent à quelques conditions minimales pour les prestations offertes. Cependant depuis 1975, le Gouvernement ne prend plus en charge les écoles "harambee", mais attribue des classes 3 supplémentaires aux écoles subventionnées. Les effectifs de ces classes seront sé- lectionnés par l'examen secondaire Ju- nior du Kenya (KJSE). Ainsi, pour les

élèves des écoles non-subventionnées, les résultats au KJSE ont pris une importance plus grande. Ici aussi, le problème revêt une ampleur considérable. Par exemple, en 1974, il y avait 40 O00 candidats pour le KJSE dont 27 O00 environ appartenaient à des écoles non-sub- ventionnées. En 1975, on peut compter sur 50 O00 candidats environ. Le nombre de places supplémentaires en classe 3 disponibles dans les écoles secondaires subventionnées n'excèdera sans doute pas 1 500 à 2 000. Tous ces candidats au KJSE ne choisissent pas les matières scientifiques. Jusqu'en 1974, les ma- tières scientifiques pouvant faire l'objet du KJSE étaient les Sciences dans leur ensemble (Science Générale) et la Biologie. Depuis 1975, les programmes scientifiques comportent des Sciences Physiques et de la Biologie. (Ceci peut sembler rétrograde étant donnée l'ampleur mondiale du mouvement vers la Science "Intégrée" : il est difficile de trouver des cours de "Science Intégrée" qui le soient réellement. Il serait plus juste de dire qu'ils sont faits de pièces et de morceaux, et non pas de manière in- tégrée).

Bien qu'au niveau du SC-EACE (niveau O) il y ait eu des tentatives pour établir des programmes scientifiques plus appropriés aux besoins de 1'Etat Est Africain, les problèmes de nombre sont considérables. Le tableau 2 peut aider à donner une iaée de l'ampleur du problème.

Les écoles dans lesquelles la Phy- sique ou la Chimie sont enseignées indé- pendamment pour le SC-EACE sont habituel-

296

lement bien pourvues en installations adéquates, fournitures, livres et personnel. C'est moins vrai pour celles qui enseignent les Sciences Physiques (en 1974, environ 220 écoles proposaient des candidats pour les Sciences Physiques) et encore moins vrai pour celles qui enseignent la Science Générale. Depuis 1975, apparaît pour l'enseignement de Science Générale un fait supplémentaire : n'importe quel candidat au SC-EACE peut s'y inscrire. Jusqu'en 1974, aucun candidat isolé ou provenant d'une certaine ca- tégorie d'école (grade D) n'était auto- risé à s'y inscrire. Cette année, le nombre d'inscrits à l'enseignement de Science Générale va sans doute considé- rablement augmenter bien que les candidats au SC-EACE ne puissent pas suivre à la fois un enseignement de Biologie et de Science Générale.

Outre ces facteurs, le Kenya est un très grand pays (superficie totale de 583 O00 km2) et le nombre des inspecteurs et autres conseillers scolaires est très réduit, Par exemple, il y a un inspecteur (basé à Nairobi) pour chaque matière scientifique et il y a un inspecteur pro- vincial dans chaque province (il y a huit provinces au total), Chaque inspecteur de province est soi-disant capable de donner un avis sur tous les aspects de la vie de l'école. Etant donné que beaucoup d'écoles peu subventionnées ou non-

subventionnées manquent de matériel de base essentiel tel que canalisations d'eau fonctionnelles, fournitures, élec- tricité, laboratoires de sciences décents et professeurs qualifiés, il est difficile pour des inspecteurs peu nombreux de faire face aux problèmes nombreux et variés qui se posent dans l'enseignement scientifique,

Dans de nombreuses écoles, l'enseignement scientifique pose de nombreux problèmes qui peuvent être résumés comme suit : 1 , Manque d'installations pour un ensei-

gnement scientifique approprié, notamment manque d'équipement de laboratoire,

2, Manque de professeurs scientifiques qualifiés : de nombreux professeurs dans les écoles nonesubventionnées sont des anciens élèves de niveau O ou A récemment sortis.

3. Manque de livres scientifiques convenables : les écoles non-subventionnées récupèrent des livres anciens que les écoles subventionnées n'utilisent plus.

4, Manque d'équipement scientifique : la craie et les paroles" sont très

utilisées dans les écoles non-subven- tionnées, usage qui ne pourra qu'augmenter avec l'augmentation du coût de l'équipement et des produits chimiques.

I I

Tableau 2

Nombre total des inscriptions scolaires pour le SC-EACE et nombre d'inscriptions dans les 'différentes matières scientifiques en 1973 et 1974 au Kenya.

: Nombre total des inscriptions scolaires pour : : le SC-EACE 28 479 34 570

. . ................................................. -------------_--- ----------------

20 110 10 540 6 806

2 520+

: Nombre d'inscrits par matière scientifique 18 952 9 148

Biologie (2 programmes) Science Générale Sciences Physiques 6 289

2 378 2 122

Chimie (3 programmes) Physique (3 programmes)

3 090+

+ 2 programmes seulement.

297

Etant données toutes ces contraintes, quels efforts ont été faits pour encourager un enseignement scientifique efficace dans les écoles moins fortunées? L'Unité d'Equipement scolaire du Collège des Enseignants de Science du Kenya (KSTC) est responsable de la production de matériel d'Enseignement scientifique de coût réduit. Le petit équipement de Physique et celui de Chimie en constituent deux exemples., Ce dernier est dé- crit en détail dans cet article.

Le petit équipement de Chimie

Le petit équipement de Chimie fournit une réponse partielle à quelques-uns des problèmes mentionnés ci-dessus. Il est relativement peu cher et coûte sur Ee marché 250 shillings (environ 16 livres). Des documents écrits sont fournis aux professeurs aussi bien qu'aux élèves : Livre de l'élève : Années1 et 2

Années3 et 4 Livre du professeur : Années 1 et 2

Années 3 et 4

Ainsi, ce petit équipement constitue un outil bon marché et cependant très pré- cieux car il peut être utilisé par des professeurs relativement inexpérimentés et non-qualifiés puisque le manuel du professeur décrit de manière détaillée la façon de s'en servir.

En quoi consiste ce petit équipe- ment ? Il contient assez de matériel pour réaliser au minimum 100 expériences simples. Les documents destinés au professeur fournissent les instructions pour 96 expériences, faisant partie des diffé- rents programmes scientifiques du SC-EACE mentionnés précédemment. Environ la moitié du matériel est constitué par de la verrerie et tous les éléments, quand ils ne sont pas utilisés, sont rangés dans des moules en plastique pla- cés dans une boîte de carton. On peut également ranger plusieurs éléments dans une boîte en bois conçue par l'Unité d'Equipement scolaire du KSTC. L'idéal serait que chaque élève puisse disposer d'un équipement, mais étant données les difficultés financières et la surcharge des classes du secondaire (40 à 45 élè- ves par classe), on peut se contenter d'un équipement pour 2 2 4 Glèves.

L'élément de base du matériel est un support perforé. C'est un tableau

percé de petits trous disposés à intervalles réguliers et maintenu en position verticale par 2 pieds. Il est plus stable et plus léger qu'un support de cornue. Chaque pièce peut être adaptée sur le support par l'intermédiaire d'une pince spéciale en acier inoxydable. La pince peut être fixée au support par une vis et une noix. On peut fixer les Gléments n'importe où sur le support et il est facile de comprendre comment relier des éléments entre eux. On peut éloigner le montage du support lorsque c'est néces- saire , par exemple pour le chauffer, ou plus commode. Ainsi, on peut se passer des supports de cornue, pinces, joints, trépieds et grilles métalliques. On peut ajuster les pinces à chaque article de verrerie, du thermomètre au bécher. L'expérience montre que les élè- ves trouvent qu'il est plus facile de faire des expériences en utilisant ce matériel qu'en utilisant un appareillage classique. La figure 1 représente quelques élèves utilisant ce montage. Ceipetit équipement a d'autres avantages. Par exemple, il n'est pas prévu de tube de verre coudé. Aussi pour recueillir un gaz dans l'eau, on utilise un tuyau en plastique souple débouchant dans un tube récepteur selon le dispositif présenté sur la figure 2. Ceci signifie que le montage est beaucoup plus facile 2 effectuer par les élèves,des étagères spéciales et des récipients à gaz ne sont pas néces- saires. On n'utilise pas non plus d'ampoules à robinet (pourquoi en utilise- rait-on d'ailleurs ?). Bien qu'une grande partie de la verrerie utilisée soit classique, le grand avantage de ce matériel de Chimie est que chaque élément a été conçu pour se combiner au plus grand nombre possible d'autres éléments. Ceci signifie que cet équipement est vraiment très souple. Par exemple, le tube de plastique rigide utilisé comme cellule d'élec- trolyse peut Gtre transformé en dessica- teur pour les gaz (voir fig. 3 et 4). De même, d'autres éléments peuvent assurer plusieurs fonctions.

L'Electrochimie illustre particuliè- rement bien quelle simplification l'emploi de ce petit équipement apporte aux travaux pratiques de Chimie. De nombreux professeurs de Science du Kenya trouvent difficile de réaliser des travaux pratiques sur ce sujet. Les électrodes de charbon (ou de cuivre) fournies dans le matériel,

298

F

F

ïglm ?

Ïsure 2

Figu

299

en forme de baguettes, sont insérées dans les trous d'un bouchon de caoutchouc qui s'adapte sur l'extrêmité d'un tube de plastique rigide. La cellule d'électro- lyse ainsi réalisée est étanche et de petit volume (20 cm3 environ). Un tube à combustion (petit tube à essais) peut être retourné sur chaque électrode pour récupérer les gaz dégagés durant l'élec- trolyse. Des tests de contrôle sur l'hy- drogène, l'oxygène et le chlore peuvent être réalisés sans difficulté. La cellule d'électrolyse est incluse dans un circuit tel que celui présenté sur la figure 1 , L'alimentation est réalisée par 2 piles de lampe-torche misesen sé- rie connectées par de simples cosses de laiton. Les fils métalliques ont des ex- trémités plates soudées et s'adaptent dans des plots à ressort. Des pinces crocodiles sont fixées aux électrodes pour fermer le circuit. Les eudiomètres, électrodes de platine, générateurs ou autres ustensiles sophistiqués ne sont pas nécessaires pour ces expériences d'électrochimie ! De plus, étant donné le petit volume de la cellule d'électro- lyse, les élèves n'utilisent que de faibles quantités de produits chimiques. Le travail à petite échelle est une parti- cularité de nombreuses expériences réali- sées avec ce matériel et présente 1'avan.- tage évident d'économiser de l'argent aux départements scientifiques des éco- les.

Cet équipement permet la réalisation d'un grand éventail d'expériences de Chi- mie simples. Les documents joints devraient permettre d'en tirer le meilleur parti. Les deux tomes du livre de l'Elè- ve contiennent des instructions détail- lées pour chacune des 96 expériences. Cependant, ce n'est pas un "livre de cuisine'' : les différentes étapes des questions incitent les élèves à observer, à noter avec précision et à réfléchir sans confusion sur leurs observations. Un exemple du type d'approche réalisé est donné ci-dessous (expérience 30). Cette expérience est relativement simple, mais le livre du Maître contient des conseils très détaillés pour la réaliser. Le livre du Maître pour l'expérience 30 est également ,cité ci-dessous.

Livre de l'élève

Expérience 30. Quelles sont les solutions qui conduisent l'électricité ?

Voir plus loin la liste du matériel uti- lisé.

A, 1 ,

2.

3.

4.

B, 1.

2,

3.

4.

5.

6.

7.

Fixer les piles au support selon le schéma. On dit qu'elles sont en série. Connecter les cosses aux plots à ressort. Connecter l'un des fils de la douille à l'un des plots à ressort (voir le schéma). Connecter l'autre fil de la douille au 3ème plot à ressort. Brancher sur l'un des fils métalliques et accrocher une pince crocodile. Connecter l'autre fil à la borne libre de la pile. Fixer une pince crocodile à l'autre bout du fil. Vérifier les contacts en mettant un instant les pinces crocodiles en contact.

Fixer un peiiit bécher sur le support. Placer le bouchon de caoutchouc portant les électrodes sur le bécher, de façon qu'elles plongent dans le bécher. Enlever le bouchon en caoutchouc. Remplir le bécher à moitié d'eau distillée. Replacer le bouchon en caoutchouc. Fixer les 2 pinces crocodiles sur les électrodes. Qu'observez-vous ? Ajouter quelques cm3 d'acide sulfurique dilué dans le bécher. Qu'observez-vous ? Jeter cette solution et rincer le bécher à fond. Répéter l'expérience avec les dif- férentes solutions décrites plus loin. Rincer le bécher soigneusement après chaque expérience. Rassembler tous les résultats dans un tableau comme ci-dessous : Faire une liste des substances pour lesquelles la lampe s'éclaire. Que pouvez-vous dire de ces substances?

Liste de matériel et de produits :

Support vis 7 noix 3 grosses pinces

bouchon de caoutchouc percé de trous muni de 2 électrodes de carbone 4 cosses pour les piles 3 plots à ressort ampoule montée sur une douille avec 2 fils

' un petit bécher

300

2 pinces crocodiles 2 fils conducteurs 2 piles de lampe torche.

eau distillée acide sulfurique dilué acide chlorhydrique dilué solution de nitrate de potassium

Figure 5

Douille avec ampoule

Figure 4

Électrodes de carbone

Eau distillée

solution d'hydroxyde de sodium solution de chlorure de sodium solution de chlorure de cuivre solution de sulfate de magnésium- solution de sucre acétone alcool méthylique toluène solution savonneuse.

Piles

1 301

Livre du Maître

Expérience 30. Quelles solutions conduisent 7, 'éleetricité ?

Ces expériences montrent aux élèves comment tester la conductibilité de liquides aqueux (solutions faites avec de l'eau). Les résultats indiquent que l'eau distil- lée (elle doit être frafchement .distillGe) ne conduit pas l'électricité, mais que de nombreuses solutions aqueuses de solides le font. Dans la suite du cours, les solutions conductrices seront iden- tifiées comme acides, bases et sels. Les solutions de substances organiques ne conduisent pas l'électricité (le savon est un sel, une solution savonneuse est donc conductrice).

Dans l'expérience 12, les élèves ont vu comment tester la conductibilité des solides. Ici, ils doivent modifier l'appareillage pour tester la conductibilité d'un liquide. Les solutions utilisées seront de molarité 2 M. Les pinces crocodiles sont attaquées si elles sont pla- cées dans certaines de ces solutions. C'est pourquoi l'arrivée et le départ du courant sont assurés par des baguettes de carbone (ou de cuivre) plongées dans le liquide et appelées électrodes.

Les solutions qui conduisent l'élecv tricité provoquent l'éclairage de l'ampoule. On peut les nommer "électrolytes". Si l'ampoule ne s'éclaire pas quand les électrodes sont placées dans un électro- lyte, vérifier que l'ampoule est faite pour un courant maximum de 0,3 ampère (limite notée sur l'ampoule). Si l'ampoule est correcte, mais refuse toujours de s'éclairer lorsqu'elle est en série avec un électrolyte, on peut encore :

1. agiter les électrodes, 2. remplacer les électrodes de carbone

par des électrodes de cuivre, 3. mettre une autre pile en circuit

(mais prendre garde que les électrodes ne se touchent pas).

lution, 4. augmenter la concentration de la so-

N.B. Avec une ampoule de lampe torche, on peut utiliser indifféremment l'eau du robinet ou l'eau distillée.

Si vous disposez d'un ampèremètre, mettez-le à la place de l'ampoule. L'in-

dication donnée par l'ampèremètre mesure la conductibilité de 12 solution. Avec des électrolytes forts, il y a un courant fort ; avec des électrolytes faibles, un courant plus faible.

Les élèves verront qu'il y a toujours une réaction sur les électrodes quand un électrolyte conduit l'électricité: Ils devront noter des observations telles que

l'électrode''. Plus loin dans le cours, ces réactions sur les électrodes seront expliquées. A ce stade, n'essayez)pas d'expliquer ce qui arrive.

dégagement de gaz", "précipité marron sur II

Certaines solutions aqueuses conduisent l'électricité. Ces solutions sont appelées électrolytes. Quand un électro- lyte conduit l'électricité, il se produit une réaction sur les électrodes. Temps : une séance. Cet exemple tiré du livre du Maître ne montre pas tous les aspects de ce livre : par exemple, dans de nombreux chapitres, on rencontre des "discussions" basées sur l'expérimentation et des suggestions pour un travail supplémentaire à partir de cette expérimentation. Ainsi le professeur peut considérer une expé- rience particulière comme faisant partie d'un ensemble pouvant être relié aux applications de la Chimie d'importance locale : industrie du ciment, fabrication de carbonate de sodium au lac Magadi, etc...

Mais le livre du Maître contient aussi des documents complémentaires pour que professeurs et élèves puissent en tirer le maximum de profit. Les rubriques supplémentaires suivantes apportent une aide aux professeurs :

(a) CorrgZation des expériences avec les programes du SC/EACE. Toutes les expériences sont reliées à des parties des programes de Science Générale et de SciencesPhysiques, Puisque les ex- périences sont classées par thème, cela est assez facile. Les chapitres des 2 tomes du livre de 1'Elève sont :

Années I et II : Chapitres: 1. Méthodes de séparation

2. Etude des réactions chimiques : éléments et c ompo s é s

302

3. 4. 5,

6.

7.

Anne'es III et Chapitres : 0.

9.

10, 1 1 , 12, 13. 14. 15.

16.

Air Eau Réaction des métaux avec l'eau et les acides ; hydrogène Carbone : dioxyde de carbone et carbonates Acides , bases et sels

I V : Concept de mole Variations d'énergie dans les réactions chimiques La chimie du chlore Electrochimie Equations chimiques La chimie de l'azote La chimie du soufre Cinétique des réactions chimiques La chimie du carbone (II).

(b) Organisation pratique du tra- sail. Court paragraphe situé au début du livre du Maître des années 1 et II.

(c) QueEques techniques pratiques : appendice B du livre des années 1 et II.

(d) Chimie et matériaux : appendice C du livre des années 1 et II. C'est une liste de tous les produits chimiques et matériels nécessaires pour les deux pre- mières années, jointe au matériel lui- même, Une liste semblable est fournie pour les années III et IV,

Pe) Préparation des solutions : appendice D du livre des années 1 et II. C'est une liste des méthodes de prépara- tion de toutes les solutions nécessaires aux 2 premières années. Une liste semblable est fournie pour les années III et IV I

Conclusion

Ce petit équipement de Chimie propose une solution aux problèmes de l'enseignement de la Chimie dans un pays en voie de développement. Les professeurs inexpérimentés et relativement peu qua- lifiés reçoivent un guide détaillé pour réaliser des expériences et en tirer le maximum de profit pour l'enseignement. Néanmoins, il ne serait pas réaliste de croire qu'il puisse être un remède uni-

versel aux maux de l'enseignement de la Chimie au Kenya, L'utilisation de cet équipement pose 4 problèmes : 1 ,

2.

3.

4.

le matériel est relativement petit et n'est donc pas pratique pour une dé- monstration. De nombreux éléments sont petits et peuvent se perdre facilement, Il faut organiser soigneusement les expérien- ces pour limiter au maximum la perte d'éléments. Bien que la liste des produits chimiques nécessaires aux expériences soit donnée, ces produits ne sont pas fournis. On envisage de mettre au point une "boîte de produits'' : celle-ci contiendrait tous les produits chimiques nécessaires pour réaliser les expériences décrites. Les manuels destinés aux élèves ne contiennent aucun autre texte que ceux directement rattachés aux expé- riences. Donc, bien que cies 2 manuels soient bon marché, les élèves auront besoin d'autres documents, sous forme de livres ou d'autres textes écrits.

En dépit de ces problèmes, les avantages de ce matériel sont énormes du point de vue du co&t et de la démarche pédagogique.

Des professeurs d'autres pays en voie de développement peuvent souhaiter profiter de ce matériel tel qu'il est, ou l'adapter à leurs conditions locales, Toutes les démarches devront être adres- sées à : Monsieur le Directeur, Unité d'équipement scolaire, Collège des Professeurs de Sciences du Kenya, P.O. Box 30596, Nairobi, Kenya.

Remerciements

Les auteurs remercient pour leur contribution au développement du petit équipe- ment les personnes suivantes : Le Docteur Per Backlund et Monsieur MbAka NjeFu qui ont réalisé tout le travail original sur le matériel, mis au point les expériences et dans le cas du Dooteur Backlund, rédigé le Livre de 1'Elève ; et Miss Rosemary Steer qui a révisé le Livre de 1'Elève pour les années II et 112 et rédigé le Livre du Martre pour ces m8mes années.

303

VIII. Jeux et simulations

Quelques exemples de jeux et de simulations sont rassemblés dans ce recueil. Leur but est de faciliter l'é- tude de la chimie ; ils sont en général individualisés, et écrits pour motiver les étudiants et leur permettre de travailler à leur rythme.

Dans le premier, Hassall (Nouvelle Zélande) présente un jeu de cartes très simple : un exemple parmi d'autres de ce genre de travail, qui a donné lieu à une vaste littérature. D'autres exemples sont donnés par Lewis (G.B.).

Les expériences de simulation sont souvent d'excellents moyens pour introduire des sujets de conception difficile. Mc Laughlin (Ghana) propose une simulation de cinétique utilisant des cartes . C'est fort amusant comme elle le dit. Ensuite, Holdsworth (Papouasie- Nouvelle Guinée) décrit l'utilisation de calculatrices électroniques simples pour les cours de chimie au lycée. Même

s'il décrit le travail dans le cas d'une calculatrice particulière,la méthode peut évidemment être utilisée avec d'autres calculatrices.

D'autres exemples de son travail sont publiés dans le AustraZian Science Teachers Journa2 23,74 et 113 (1977). Bayless (U.S.A.), en utilisant une calculatrice plus compliquée que celle de Holdsworth, montre comment on peut prendre des décisions concemant les aspects économiques du procédé Haber ; il relie aussi la chimie à une réaction fondamentale qui conceme toute notre vie. Chabay et Smith (U.S.A.) enfin, décri- vent PLATO, probablement le plus vaste système d'enseignement individualisé du monde, et qui va sans doute le rester. On l'a mentionné non pas tant comme un modèle à imiter que pour montrer jusqu'où on peut aller dans ce domaine, si on en a les moyens. Ainsi, en quelques étapes, nous atteignons PLATO partir d'un jeu de cartes.

305

Jeu du tableau périodique T. R. C. Hassall

Le jeu se propose d'occuper une leçon et une séance de travail à la maison sur un ensemble de douze leçons sur le tableau périodique, Le reste de l'ensemble consiste en une série de dé- monstrations et d'expériences montrant les ressemblances et l'évolution progressive des propriétés des éléments de deux groupes voisins, en se servant des groupes un et deux. Outre l'observation de l'aspect physique, la ductili- té, etc..., la réaction de l'élément avec l'eau a été utilisée comme base de comparaison. Les réactions les plus violentes ont été exécutées à titre de démonstrations, les moins violentes à titre d'expériences pour les élèves. En plus de ce travail expérimental , quelques leçons comprennent une révision élémentaire de la structure interne des atomes et l'explication des termes tels que isotope. En dehors du jeu pendant la classe, tout le travail à la maison a été tiré du premier chapitre de"Readings in Fifth Form Science : Chemistry" édité par T.R. Hitchings. Le jeu a été essayé sur deux classes scientifiques de cin- quième, l'une comprenant des élèves dont plusieurs se présentaient à l'examen de passage en sixième classe, l'autre comprenait des élèves qui avaient des dif- ficultés en lecture.

avaient vu une partie du sujet en qua- trisme classe, mais il a été admis que ces notions nécessitaient une re'vision rrrhutieuse. On n'a pas exigé des étu- diants qui avaient des difficultés de lecture de faire autant de devoirs à la maison que ceux de l'autre groupe et on leur a présenté davantage de thèmes en

Quelques élèves de chaque groupe

classe ; on leur a montré aussi le film "Euidence for Atoms and MoZecuZes" pendant que l'autre groupe faisait quelques expériences sur les réactions des élé- ments du groupe deux avec les acides dilués.

Le jeu lui même se présente dans une petite enveloppe, tous les élèves en recevant une et la conservant durant toute la classe de cinquième, pour des références ultérieures et des révisions. Chaque enveloppe porte au verso un court texte de révision sur les isotopes et contient à l'intérieur les instructions pour jouer ainsi qu'un ensemble de 21 petites cartes correspondant à chacun des éléments : H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne, Na, Mg, Al, Si, P, S, C1, Ar, K, Ca et Br. Le nombre d'éléments uti- lisés a été limité par la nécessité de pouvoir imprimer une série complète sur une simple feuille papier ministre, c.a.d. en utilisant deux stencils et en tirant les pages recto-verso. Une carte type de l'ensemble se présente ainsi : Recto *Métal

Mou et moins dense que l'eau Masse Atomique Relative = 6,94 1 atome : 1 atome H 1 atome : 1 atome C1 2 atomes : 1 atome O Réagit avec l'eau pour donner H + base

Lithium Li 6,94 2,21

2 Verso 3

Reproduit avec l'autorisation de New Zealand Science Teacher, vol. 9, 1974, p. 22-6. 307

On joue comme au jeu de "Patience". Les cartes sont mêlées puis étalées, le côté "propriétés" vers le haut.

cartes correspondant à des éléments aux propriétés semblables. Les cartes de chaque groupe sont rangées dans l'ordre des masses atomiques croissantes, la plus petite en haut. Les groupes sont ensuite rangés de façon à ce que les plus métalliques soient à gauche, et on retourne les cartes. La partie correspondante du tableau périodique peut être vérifiée avec le livre. On espère que ce jeu montre comment Mendeléev a construit son tableau à partir de la connaissance des propriétés des éléments ; on espère aussi que le jeu sensibilisera les élè- ves à la systématique de la chimie et des réactions chimiques, et les aidera à relier les propriétés des éléments à la structure électronique de leurs atomes.

groupe des candidats à l'entrée en si- xième classe dont la plupart en vinrent à bout en vingt cinq minutes environ. A l'autre classe, on se borna à donner le principe. Il ressort de conversations avec des parents que certains éléments de cette classe furent extrêmement satisfaits de réussir à terminer le jeu tout seuls à la maison.

Le test a été proposé à chaque groupe dans la période suivant celle du jeu. Les six candidats se trouvaient en conditions d'examen et ont obtenu une moyenne de 19 sur un total possible de 34+. Le test a été donné comme "exercice avec documents" pour 1' autre groupe, avec l'appui du professeur (en pointant les réponses justes pendant la durée de l'exercice). Dans ces conditions cette classe a obtenu une moyenne de 27.

On les assemble alors en groupes de

Le jeu se déroula très bien dans le

308

JEU DU TABLEAU PERIODIQUE

Règle du jeu : 1.Sortir les cartes

et les tourner de SOT' te que toutes aient un k dans le coin su- périeur gauche,

2.Arranger les cartes en formant des groupes d ' é lémen t s ayant des propriétés similaires.

3.Arranger les grou pes en colonnes paral. lèles, Mettre les cartes dans l'ordre des masses atomiques la plus petite en haut.

4.Mettre les colonnes en ordre, la plus métallique à gauche,

5.Ensuite, en prenant soin de ne pas déranger la disposition, retourner chaque carte , Vérifier votre résul- tat avec le tableau de MendGlgev (1 ' autre côt6 montre :

No Atomique Nom Symbole Masse Atomique Re 1 at i ve Configuration élec- tronique.)

%on métal gaz très léger Masse Atomique Relative = 1,008 1 atome: 1 atome C1 2 atomes:l atome O (explos if) Insoluble dans l'eau pour des applications pratiques.

%on métal gaz Masse Atomique Relative = 16,OO 1 atome:2 atomes H 1 atome:2 atomes C Entretient la combus tion ,légèrement soluble dans l'eau

%éta1 , dur et léger %asse Atomique Relative : 9,Ol 1 atome:2 atomes H 1 atome:l atome O Pas de réaction notable avec l'eau froide. Très toxique.

%on métal gaz Mas se Atomique Relative : 14,Ol 1 atome:3 atomes H Plusieurs oxydes, nais l'un est : 2 atomes:3 atomes Presque insoluble dans l'eau.

%on métal cristaux bruns Masse Atomique Relative : 10,81 1 atome:3 atomes H 1 atome:3 atomes C 2 atomes:3atomes O L'élément pur est chimiquement inert oxyde acide.

309

-8 Oxygène O 16,00 296

4 B6 ry 1 1 i um Be 9,Ol 292

7 Azote N 14,01 2 9 5

5 Bore B 10,81 293

1 Hydrogène H

310

%on métal Gaz très léger Masse Atomique Relative = 4,OO Ne se combine pas avec H, O, C1, Se dissout diffici lement dans 1 'eau.

%on métal Plusieurs variétés sllotrop iques %asse Atomique Relative : 32,06 1 atome:2 atomes H 1 atome:2 atomes C1 3xydes acides

%éta1 Iur et léger 4asse Atomique lelative : 26,98 1 atome:3 atomes C1 2 atomes:3 atomes O lydroxyde Amphotère

%on métal ;az dense 4asse Atomique lelative : 20,18 Je se combine pas ivec O, H, C1, )ifficilement solu- )le dans l'eau,

Mou et léger Masse Atomique Relative : 39,lO 1 atome:] atome H 1 atome:l atome C1 2 atomes: 1 atome O Réagit avec 1 'eau (vi o 1 emmen t ) po Ur donner H et une 2 base

%éta1 Mou et léger Masse Atomique Relative : 22,99 1 atome:] atome H 1 atome:] atome C1 2 atomes: 1 atome O Réagit avec l'eau pour donner H et une base. 2

S o n métal Gaz vert et lourd Yasse Atomique Relative : 35,45 1 atome:] atome H 1 atome: 1 atome O réagit avec l'eau pour donner un acide

%on métal noir et mou OU Zristaux durs et transparents Yasse Atomique Relative : 12,OI 1 atome:4 atomes H 1 atome:4 atomes C1 1 atome:2 atomes O

*Non métal Gaz plus dense que 1' air Masse Atomique Relative : 19,OO 1 atome:l atome H 2 atomes: 1. atome O Très réactif, réa- git avec l'eau pour donner un acide.

'Semi métal Solide dur !fasse Atomique Relative : 28,09 1 atome:4 atomes H 1 atome:4 atomes C1 1 atome:2 atomes O 3xyde acide (solide

%éta1 Léger, mou 4asse Atomique lelative : 40,08 1 atome:2 atomes H 1 atome:2 atomes C1 1 atome:] atome O léagit avec l'eau zt donne H + base, 2

%éta1 {ou, moins dense lue l'eau 4as se Atomique lelative : 6,94 I atome:l atome H I atome:l atome C1 ? atomes:] atome O {éagit avec l'eau !t donne H + base. 2

%éta1 Dur et léger Masse Atomique Relative : 24,31 1 atome:2 atomes H 1 atome:2 atomes C1 1 atome:l atome O Réagit avec la vapeur d'eau et donne H2 + base.

*Non-métal ; 2 va- riét6s allotropique solides: rouge, jaune. Masse Atomique Relative : 30,97 1 atome:3 atomes H 1 atome:3 atomes C1 Quelques oxydes acides,

son-mé t al Gaz lourd Masse Atomique Relative 39,95 Ne se combine pas avec H, C1, O. Difficilement soluble dans l'eau.

* Non-métal Liquide brun, vola- til Masse Atomique Relative : 79,91 1 atome:l atome H 2 atomes:] atome O Réagit avec 1 ' eau pour donner un acid

311

12 Magnésium Mg 24,31 2,8,2

.15 Phosphore P 30997 2,8,5

18 Argon Ar 39,95 2,8,8

35 Brome Br 79,91 2,8,18,7

9 Fluor F 19 ,O0 297

14 Silicium Si 28 ,O9 2,8,4

20 Calcium Ca 40 ,O8 2,89892

3 Lithium Li 6,94 291

19 Pot as sium K 39910 2,8,8,1

I I Sodium Na 22,99 2,891

17 Chlore c1 35,45 2,897

6 Carbone C 12,Ol 294

2 Hé 1 ium He 4,00 2

16 Soufre 5 32 ,O6 2,8,6

13 Aluminium Al 26,98 2,893

10 Né on Ne 20,18 298

312

Jeu de cartes chimiques D. C. Lewis

Les jeux de cartes chimiques, peuvent aider à atténuer la monotonie d'une leçon théorique, Ce travail n'a pas de prétentions à l'originalité ou à la perfection et je serais heureux de recevoir des suggestions d'amélioration ou des contre-propositions.

LE JEU DE LA FORMULE.

Mis en oeuvre avec des élèves de troisième année, ce jeu aide à la com- préhension des concepts de formule et de valence. On a besoin de trois types de cartes, de trois couleurs différen- tes.

1 , Orange H, NH4H2?NH ),, $a, Mg, Pb, Zn, Mn, Fe, #e2, Al, Al2, Cr, C, Si.

Na, Na , K, K2, Ag, Ag2,

SO4, (SO4I3, H4' 3. Rouge Six cartes marquées ERREUR.

Cela permet de jouer à six au plus. Les cartes sont mélangées, cinq sont distri- buées à chaque joueur, et le reste est disposé en pile, face cachée. Chaque joueur joue à son tour soit (1) une carte orange, puis (2) une carte verte sur une orange déjà jouée pour constituer une formule correcte, ou (3) s'il soup- çonne une formule erronée, une carte l l ~ ~ ~ ~ ~ l f . Si la formule est fausse, la personne qui a joué la mauvaise carte verte ramasse les trois cartes ; si la formule est juste, le joueur qui a posé la carte "Erreur" les ramasse toutes les trois.

Si un joueur est incapable de jouer, il peut échanger une de ses cartes contre la première de la pile et passer son tour.

a épuisé toutes ses cartes et reste un tour complet sans se voir opposer une carte 'Erreur".

Le gagnant est celui qui le premier

LE JEU DE L'ELECTROLYSE. Quatre différents types de cartes

sont nécessaires : 1. Neuf cartes (de préférence de couleur

différente du reste), marquées : H2 dégagé à la cathode Na libéré à la cathode Mg libéré à la cathode Cu libéré à la cathode Pb libéré à la cathode

O dégagé à l'anode Cf2 dégagé B l'anode Br2 dégagé B l'anode I2 libéré à l'anode

Ces cartes sont mélangées et empilées face vers le bas, la première étant re- tournée face en haut,

2. Des cartes marquées : NaOH (as) NaOH fondue NaCl (aq) NaCl fondu NaBr (as) NaBr fondu Na1 (as) MgS04 (aq) MgCl2 (as)

MgBr2 (4 MgCl2 fondu

MgBr2 fondu

Na1 fondu Na2S04 ( a d H2S04 (4 HC1 (aq) conc. HBr (aq) conc. HI (aq) conc. MgO fondu

CuBr2 fondu Cu0 fondu CuSOq(aq) Electrodes Cu CuSOq(aq) Electrodes Pt Cu(N03) 2 (aq)


MgI2 (aq) PbO fondu Mg(N03)2 (as) PbC12 fondu CuC12 (aq) PbBr2 fondu CuC12 fondu PbI2 fondu CuBr2 (aq) Pb(N03)2 (aq) 3. Six ou huit cartes marquées ERREUR.

4. Huit ou dix cartes marquées ECHANGE. Ces 3 types de cartes sont mélangés et on en distribue cinq à un maximum de huit joueurs : le reste est laissé en pile face vers le bas. Les joueurs jouent, sur la première carte retournée du (1) ci-dessus, une carte indiquant une électrolyse qui pourrait produire ce corps simple. Si un joueur est incapable de jouer une carte correcte à son tour, il peut : soit (a) échanger une carte de son jeu contre la première de la pile ; soit (b) s'il pense qu'un joueur s'est trompé, poser une carte "Erreur" sur la carte qu'il croit erro- née ; s'il y a vraiment erreur, le joueur l'ayant commise ramasse sa carte et la carte Erreur ; sinon, c'est la personne ayant joué la carte Erreur qui les ramasse ; ou (c) jouer une carte "Echan- gel' si la première carte de la pile (1) ci-dessus est retournée. Les joueurs doivent alors jouer selon les indications de cette carte.

Le gagnant est le premier à se dé- barrasser de toutes ses cartes et à rester un tour sans se voir opposer une carte "Erreur".

DOMINOS MOLAIRES.

On joue comme aux dominos ordinaires, mais en utilisant des masses d'éléments courants à la place des points, et en assortissant les nombres de moles. On utilise des combinaisons de O,] ; 0,5 ; 1 ; 2 ; 3 ; 4 et 5 moles des éléments suivants H, C, N, O, Na, S, C1, Ca ; par exemple :

2.

3.

4. on

Elles sont mélangées et empilées, face vers le bas, sauf la première qui est retournée.

Des cartes avec des quantités convenables de solutions standard pour neutraliser les quantités ci-dessus par exemple pour 1 M HN03, 5 1 de KOH 0,2 M, 2 1 de KOH 0,5 M, 500 ml de NaOH 2 H, 200 ml de NaOH 5 M, 1 1 de Na2C03 0,5 m, 250 ml de Na2C03 2 m. Au total : 36 cartes différentes. Six cartes marquées ERREUR.

Six ou huit cartes marquées ECHANGE.

joue de la même façon qu'au Jeu de 1'Electrolyse : les cartes (2), (3) et (4) sont brassées et on en distribue 5 à chacun des six joueurs ; le reste est empilé, face vers le bas. Chaque joueur joue à son tour une carte qui neutralise exactement la carte retoumée de la pile centrale (1). Si un joueur ne peut fournir il doit : soit (a) échanger une carte contre la première de la pi1e;soit (b) s'il estime qu'un joueur à commis une erreur, mettre une carte "Erreur" à côté de la carte erronée. (Si erreur il y a, le joueur l'ayant commise ramasse les deux cartes ; sinon le joueur ayant mis la carte Erreur, les prend); ou (c) jouer une Carte "Echange"si la première carte de la pile (1) est retournée et doit être jouée par tous les joueurs. Le gagnant est le premier à se débarras- ser de toutes les cartes et à rester un tour entier sans être contesté.

LE

1.

2. 3,

JEU DES ELEMENTS (SIXIEME CLASSE),

Un ensemble de cartes avec les élé- ments les plus courants (approx. 45 symboles). Six cartes marquées ERREUR. De grandes cartes divisées horizon- talement en quatre parties, dont chacune est assez grande pour qu'on puisse juxtaposer une carte d'élé- ment.

LE JEU DES MOLES,

Le jeu ressemble au Jeu de 1'Elec- trolyse. Cartes nécessaires : 1 .

314

Six cartes (de couleur différente du reste) marquées : 1 mole HNO3 1 mole H2SO4 5 moles NaOH 4 moles HC1

2 moles KOH

1/2 mole Na2C03

Les cartes (1) et (2) sont brassées et on en distribue cinq à huit joueurs au maximum. Une des trois grandes cartes est placée au milieu et chaque joueur à son tour place un élément à côté de la propriété correspondante. Si un joueur ne peut pas jouer, il peut échanger une carte contre une de celles qui restent ou contrer un autre joueur avec une carte "Erreur" comme dans les jeux pré&-

Possède seulement la valence un

Gazeux 2 température Elément relativement peu ambiante réactif

Solide 2 haut point de fus ion

Existe sous forme de molé- cules à la température ambiante

Tous ces isotopes sont radioactifs

Forme des hydrures inter- , sticiels

Con duc t eur é lec trique à l'état fondu

E le c t roly t e

~ - Valence variable Solide à température ambiante

et point de fusion peu élevé

Forme un hydrure io- Forme un halogènure covalent nique

Forme un oxyde acide Forme un oxyde amphotère

JEUX DE CHIMIE ORGANIQUE (SIXIEME CLASSE)

Molécule ou ion plans

Ne contient pas de doublets libres

Molécule contenant des liaisons TT

Il faut : 1. Une grande carte centrale comportant Les trois types de cartes sont brassés

un composé organique important (p.ex, et on en distribue cinq à chaque jou- éthylène, méthyl-benzène). eur. Chacun à son tour joue : ( 1 ) une

les produits obtenus à partir de celui-ci comme composé de départ (b) les conditions de réactions et toutes ses cartes. réactifs nécessaires et (c) six cartes ERREUR.

2. De plus petites cartes donnant (a) carte réactif, (2) la carte du produit exact ou (3) une carte Erreur, jusqu'b ce qu'un joueur se soit débarrassé de

3 Hybridation sp 3 2 Hybridation sp d

Molécule ou ion à Molécule contenant deux déf icit électronique doublets libres

Gaz à température Molécule ou ion linéaire ambiante

315

Cinétique chimique et stimulation d'une classe M. P. McLaughlin

Un peu d'imagination mène loin. Prenez un jeu de cartes, par exemple, un objet peu courant dans une classe de chimie et par 11 même un moyen didactique presque garanti pour susciter l'attention de vos étudiants. Un jeu de cartes est un instrument aux talents très variés. En particulier on peut l'employer pour introduire la notion de vitesse de réaction.

La cinétique chimique est un sujet que l'on peut trouver dans les programmes secondaire et universitaire. Ce n'est pourtant pas un sujet facile à enseigner, surtout dans le secondaire, parcequ'il est mathématique par nature. Les mathématiques sont malheureusement une barrière de potentiel que peu d'é- tudiants peuvent surmonter et constii tuent peut-être le principal facteur académique responsable du manque habituel de scientifiques et de professeurs de Sciences au Ghana, Cet article es- quisse une méthode simple pour introduire la cinétique. La méthode qui illustre les aspects qualitatif et quantitatif des vitesses de réaction est néanmoins facile à comprendre par les étudiants.

SIMULATION. Une réaction chimique peut être simulée : 1) en utilisant des objets pour représenter des molécules, 2) en les faisant ''entrer en collision" à une vitesse déterminée, 3) en comptant, à intervalles réguliers, le nombre de "molé- cules" réactives qui restent. De cette façon les étudiants peuvent observer, 2 une échelle visible, ce que font les atomes et les molécules réels lorsqu'ils réagis sent.

La clef de la compréhension est la

Pour simuler une réaction de premier ordre, p. ex. une décomposition radioactive, utiliser d'abord un grand carré dessiné sur une feuille de papier et divisé en cent autres carrés plus petits (10 sur IO), numéroter les colonnes de 1 à 10 et les lignes de même. De cette façon chaque carré est désigné par deux numéros, comme dans le cas de coordonnées cartésiennes. Dans ce sys- tème chaque petit carreau représente un atome du radioisotope. Pour simuler une réaction en solution, utiliser seulement une partie des carreaux. La fraction utilisée doit être égale à la fraction molaire du réactif et les carreaux correspondants numérotés d'une manière convenab 1 e .

Dans une seconde étape de l'expé- rience des atomes sont choisis au hasard, chaque sélection définissant une unité de temps, p. ex. une seconde. Autrement dit, .lorsqu'on aura fait dix sélections, on dira que dix secondes se sont écou- lées. Si l'on choisit un atome de réac- tif, il devient un atome de produit. Si l'on choisit un atome de produit, il est laissé de côté et la seconde s'écoule sans qu'une réaction ait lieu. Le résul- tat est que la quantité de réactif diminue progressivement et la quantité de produit augmente : situation très satisfaisante I En répérant les secondes, et en comptant périodiquement les atomes de réactif qui restent, on peut tracer le graphe de la concentration du réactif en fonction du temps.

Le succès de cette simulation dé- pend de la méthode de choix des atomes au hasard, cette méthode devant être rapide et efficace. C'est ici qu'inter-

?

316 Reproduit avec l'autorisation du Journal ofthe Ghana Association ofScience Teachers, vol. 16, no 1, 1976, p. 50-1.

vient le jeu de cartes. En enlevant tou- concentration du réactif en fonction du tes les figures d'un jeu ordinaire de temps et déterminer la constante de vi- cinquante deux cartes, il reste un jeu tesse etc. Les possibilités de la mé- de quatre ensembles de dix. Ces quarante thode sont presqu'illimitées. cartes sont bien brassées et placées en rectangle (quatre rangs de dix). Cet arrangement fournit vingt couples de nombres de quatre façons différentes, suivant la façon de lire : horizonta- lement ou verticalement, et suivant que l'on commence par la première ou la deu- xième carte. Ces nombres ne sont pas tout à fait au hasard, mais l'erreur est négligeable pour cette application. Par conséquent un simple arrangement donne quatre vingts couples de nombres fournissant des données pour quatre vingts sélections. Trois dispositions successives de ce genre sont suffisantes pour une réaction de quatre "minutes".

Pour simuler une réaction du deu- xième ordre, il est nécessaire de faire deux sélections par seconde. Ceci exige quatre nombres au hasard. Une réaction a lieu seulement lorsque deux molécules de réactif sont choisies simultanément. Pour cette réaction on peut utiliser deux arrangements distincts de cent carrés, ou encore un seul arrangement en divisant chaque petit carré en deux parties, une pour chaque réactif. Dans tous les cas, les résultats sont de nouveau excellents. La constante de vitesse devrait être ici : 1,OO x 10. Mon premier essai a donné k = ],O3 x IO, en prenant la moyenne de quatre ensem-

En pratique cause des fluctua- bles de données pour quatre minutes. tions statistiques il est préférable d'utiliser un arrangement pour quatre réactions distinctes, et de prendre la moyenne des résultats. En une demi-heure une personne travaillant seule peut de cette façon suivre quatre réactions pour un total de quatre "minutes". Les résul- tats, si on prend la moyenne, donnent un graphe qui est presqueune reproduction parfaite de la courbe théorique. La constante de vitesse k devrait-être égale à 0,0100 par seconde. Un résultat type selon cette méthode donne k = 0,0102

Cette méthode, qu'on trouve dans la littérature sous le nom de méthode de Monté Carlo, est applicable à tout type de réaction simple ou complexe. En raison de son caractère probabiliste, des résultats de grande qualité nécessitent un grand ensemble de molécules réagis- santes (environ dix mille). C'est pour cette raison que des calculateurs sont normalement utilisés. C'est un petit inconvénient, Par contre c'est une mé- thode qui n'échoue jamais.

par seconde, J'incite les lecteurs 2 l'essayer pour eux-mêmes et aussi bien avec leur classe. Cela fonctionne toujours. Et de plus c'est amusant.

La façon d'exploiter les résultats dépendra naturellement du niveau des étudiants auxquels le sujet est enseigné.

Référence : Pour le secondaire, il serait suffisant de limiter l'exposé à la signification du temps de demi-vie qui dans ce cas est B.J. Rabinovitch, J. Chem. Educ., 46,262 de 69,3 secondes. Une classe du supé- (1969) * rieur devrait tracer le logarithme de la

317

Emploi des calculatrices de poche dans l'enseignement de la chimie. Deuxième partie : nouvelles expériences simulées en chimie physique D. K. Holdswortli

Les calculatrices scientifiques programmables sont maintenant disponibles à des prix abordables par les laboratoires des lycées ou par les parents des étudiants en sciences. Les instruments électroniques de poche sont capables de remplir la plupart des fonctions que remplit un calculateur coûteux, sur lequel ils ont quelques avantages. Les frais de fonctionnement des calculatrices sont négligeables, on peut écrire les programmes rapidement sans connaître un langage d'ordinateur (ex. FORTRAN) et les étudiants n'ont guère besoin d'explications. Des expériences simulées en chimie physique peuvent être réali- sées par exemple toutes les fois qu'il n'y a pas d'appareillage disponible, ou lorsque le temps est limité, ou comme méthode de révision des principes chimiques.

On a déjà décrit (1) des exemples d'expériences simulées pour la mesure du pH. Voici d'autres exemples d'expérien- ces de chimie simulées employant une calculatrice scientifique programmable (2), pour lesquelles on a écrit des programmes types. On suggère qu'une partie du temps gagné par l'application du programme soit mise à profit par l'étudiant pour faire des exercices courts, utilisant les données fournies par la calculatrice. EXF'ERIENCES SIMULEES

1. Le spectre atomique de Z 'hydrogène.

que à travers l'hydrogène à basse pression provoque une émission de lumière, Lorsque la lumière émise est dispersée par un prisme, elle donne naissance au

Le passage d'une décharge électri-

spectre atomique de l'hydrogène qui se compose d'un grand nombre de raies fines de couleurs caractéristiques. En 1885, Balmer a remarqué que les inverses des longueurs d'ondes d'une série de raies d'émission obéissaient à la loi :

où n est un entier supérieur à 2 (3,4,

Des expériences postérieures ont montré qu'il existe d'autres séries de raies d'émission, toutes de la forme :

5, .,.).

1 1 1 - = Rd (1 - 1) m n x

où n et m sont des entiers n>m ; la constante R,, = 0,010968 nm'*, Pour la série de Lyman m = 1 , pour la série de Balmer m = 2, pour la série de Paschen m = 3, etc,

Les premières longueurs d'onde dans la série de Balmer se situent dans le visible et peuvent être observées à travers un spectroscope sous la forme de raies fines.

mée de façon à afficher directement pour différentes valeurs de n et de m. La constante 0,010968 est très proche de 6/547 ; elle est introduite sous cette forme étant donné que seuls des entiers peuvent être programmés.

La calculatrice peut être program-

Programme : (B/E( enter 1 x : 1 stol enter I var I enter 1 x '547'1

: 1 - rcl +1'6'1 x 1 1 +l,b (24 steps) \C/CE 1

318 Reproduit avec l'autorisation de School Science Review, vol. 58, 1976, p. 284-7.

Exécution : \ m exec 1 n exec 1

Affichage : longueur d'onde (1) en nm Les longueurs d'onde des raies

d'émission des séries de Balmer, Lyman et Paschen sont calculées et introduites dans les tableaux

(a) Série de BaZmer

m n (nm) 2 3 656,4 2 4 2 5 2 6 2 7

2 10 2 20 2 50 2 100 2 500 364,7 2 1000

Couleur

limite de série

(b) Série de Lyman m n (nm) Visible U.V. ou i.r.

1 2 I21,6 1 3 1 4 1 5

(c) Série de Paschen m n (nm) Visible U.V. ou i.r.

3 4 3 5 3 6 3 7

Pour compléter la dernière colonne qui relie h aux couleurs du spectre visible, à l'ultra violet ou à l'infrarouge, l'étudiant doit consulter un spectre en couleurs et gradué, comme celui qu'on trouve chez Kodak Ltd (3). L'étudiant remarquera que chaque série a une longueur d'onde minimum (limite de la série) y lorsque n est grand (tend vers l'infini). L'enseignant encouragera une discussion sur les niveaux éner- gétiques et une explication des spectres atomiques et de la nature de l'atome.

2. La vitesse de désintégration radio-

Lorsque les atomes de 31P

active d'un radioisotope artificiet. sont 15 bombardés par des neutrons de grande 6-

nergie dans une pile atomique, les ato-

mes absorbe35 les neutrons pour former des atomes 15P radioactifs, et il y a émission de rayons gamma de grande fré- quence, Le radioisotope se désintègre spontanément par émission de particules béta de grande vitesse, qui peuvent être dénombrées par un comp 55ur Geiger. L'ac- tivité d'une masse de 15P se réduit de moitié en 14,7 jours, correspondant 2 sa demi-vie ou période.

On peut montrer que pendant la dé- sintégration :

activité au temps t activité initiale act ivi té re 1 a t ive=

( 1 ) - A t = e étant la constante de désintégration.

A la demi-vie :

In 2 14,7

A = - En éliminant de (1) et (2), on obtient la radioactivité relative de :g P :

-ln2 e 1 4 y 7

t - = antilog (-0,020474 t)

On peut écrire un programme pour la calculatrice afin d'obtenir la radio- activité relative du radioisotope à tout temps t (jours), Le programme exige que le nombre décimal 0,020474 soit remplacé par un rapport approximatif de deux nom-

bres entiers, soit - Programme : i B/E 1 enter I'51'1x 1'2491'1

1 - 1 antilogl a 1 (16 steps) 1 C/CE i Exécution : 1 t (days) exec ]

51 2491 '

Affichage : radioactivité relative du radioisotope.

Il est maintenant possible de construire un tableau des résultats et de tracer le graphe de la radioactivité relative en fonction du temps. L'enseignant peut donner des exercices s'appuyant sur le graphe de l'affichage du calculateur. Il est intéressant de noter que les valeurs affichées pour la radio- activité relative de :gP après un an et après 13 ans sont de 3,3,10-8 et 6,l. l O-98 respectivement,

319

Après une discussion sur la formation de '2C dans les couches supérieures de l'atmosphère sous l'effet du bombardement des atomes d'azote par des rayons cosmiques, et sa lente désintégration dans les tissus morts des plantes et des animaux, la calculatrice peut être pro- grammée pour afficher l'âge de l'échan- tillon si l'activité résiduelle est connue.

Programme : I B/E 1 enter 1 log 1'5' j i i \ '93031')~ 1 - A 1 (16 steps)( CICE] 3. Influence de la température sur la

Arrhenius (1889) a démontré que

vitesse de réaction.

pour que deux molécules qui se heurtent puissent réagir, il était essentiel qu'elles possèdent une énergie minimale, l'énergie d'activation. Pour un gaz, la théorie des probabilités montre que la distribution des vitesses des molécules est telle que la fraction des molécules possédant une éner ie E à un instant quelconque est e -EBRT, Dans la réaction entre la diméthylaniline et l'iodomé- thane en solution, les constantes de vitesse du deuxième ordre sont de 0,0716 et 0,210 mol-' m3 s-l à 298 K et 313 K respectivement (4), d'où l'on déduit une énergie d'activation de 55,6 kJ mol-'. Lorsque la constante de vitesse est dou- blée :

1 E l 1 2 In - = - - (- - r ) T1 2

1,0365 x c.a.d. - - - - 1 - T2

La calculatrice peut être programmée pour afficher T lorsque T lui est donné.

Programme : (B/E 1 enter(; jstolenterl'8') 1 enter 1- lantilog 1 ' 10365 ' 1 x irclj - 1; 1-1 1 1 (23 steps)l C/E /

Lorsqu'on introduit des valeurs de T proches de la température ambiante ($98 K), la température T affichée est supérieure 2 T de 10 K environ, ce qui permet d'observer que la vitesse de la

2 1

2 1

réaction est approximativement doublée pour une élévation de température de 10 degrés (5).

4. La Fsi de Charles

La plupart des laboratoires des lycées sont équipés pour permettre aux élèves de vérifier la relation PV = constante (à température constante), ou loi de Boyle. La vérification pratique de la loi de Charles pose plus d'un problème. Toutes les écoles n'ont pas l'appareillage nécessaire (surtout dans les pays en voie de développement) ; l'expérience est conduite lentement, et on doit beaucoup insister sur l'habileté expérimen- tale. Le professeur de sciences peut vouloir simuler l'expérience en utilisant une calculatrice prograde. Celle-ci peut afficher le volume de 1 mole gazeuse à la température toc. Programme : IB/E \enter\'273' '2241'1 x 1 1 '27300' \+iA((23 steps) 1 C/CE I''

On introduit des valeurs de t de 0°C à 100°C et le volume du gaz est af- fiché directement en dm3 (22,41 dm3 à 0°C). On trace une courbe des résultats entre -300°C et +300"C, et on demande à l'étudiant de trouver la température à laquelle le volume du gaz 1) a doublé (par rapport à 0°C) et 2) semble être nul.

On peut alors engager la discussion, établir la loi de Charles et introduire les notions de zéro absolu, de gaz parfait et d'échelle Kelvin.

REFERENCES

1. D.K. Holdsworth, ''Uses of pocket cal- culators in chemical education, Part 1 : Simulated experiments in pH measurements",S,S.R., 1976,202,58,83.

2. Sinclair Scientific Programmable Cal- culator, from Sinclair Radionics Ltd, St Ives, Huntingdon, Cambridgeshire.

1968,219,50-1. Reprint, Photochemical Reproduction of the Visible Spectrwn, disponible à Kodak Ltd, Hemel, Hemp- stead, Hertfordshire.

4. R.B. Heslop et G.M. Wild, SI Units in Chemistry (Londres : Applied Science, 1971), p. 113.

Elements of PhysicaZ Chemistry (Lon- dres : Longmans, Green, 1967), pp.229- 30.

3. G. Feinberg, "Light", Scient. Am.,

5. F.W. Goddard et E.J.F. James, The

320

La synthèse de l'ammoniac. Un projet de recherche en laboratoire comportant une simulation P. L. Bayless

L'utilité de simulatiom pouréten- dre l'expérience de laboratoire est bien admise et appuyée par plusieurs exemples excellents (1). Nous avons cherché des exemples d'expériences simulées qui : 1') soient assez courts pour être pro- grammés sur des calculatrices comme Hewlett Packard HP 65 ; 2') nécessitent que l'étudiant interprète les données pour d'autres applications du programme et 3') conduisent à des conclusions tau- chant l'économie, l'histoire et l'environnement. Cet article décrit une telle simulation (100 étapes) sur la synthèse de l'ammoniac avec les données principales et les références-clefs, constituant un projet de "recherche" s'étalant sur une B deux semaines. En ajustant la tâche demandée au niveau de l'étudiant, cette simulation convient à des enseignements de Chimie Générale, de Sciences Physiques pour non-scientifiques, et de Chimie Physique,

l'historique de la synthèse de l'ammoniac et on leur demande ensuite d'écrire un rapport de recherche en choisissant dans une liste de sujets proposés,

On donne d'abord aux étudiants

Documentation

L'ammoniac occupe la troisième place dans la production de l'industrie chimique des Etats-Unis. 14 millions de tonnes d'ammoniac liquide ont été synthéti- sés à partir des éléments en 1974 (2). Seuls l'acide sulfurique et l'oxygène ont été produits à plus grande échelle. Tandis qu'une partie de l'ammoniac liquide est utilisée directement comme engrais la plus grande partie est transformée en urée et en nitrate, sulfate et phosphate

d'ammonium, Une partie est oxydée en a- cide nitrique (3), pour stre employée surtout dans l'industrie des engrais et des explosifs.

Avant le début du siècle, le sal- pêtre du Chili était la principale source mondiale d'engrais azotés. Les chimistes du siècle demier ont reconnu le potentiel illimité contenu dans l'azote atmosphérique, à condition de pouvoir le convertir à bas prix, en une forme soluble dans l'eau, c.a.d. de le fixer (4). Les efforts de Fritz Haber (5) et de Walter Nernst (6) pour étudier et comprendre les lois de vitesse et d'équi- libre qui régissent la synthèse directe de l'ammoniac constituent un épisode passionnant de l'histoire de la science, inconnu des profanes. Haber qui avait tout juste réussi sa soutenance de doctorat en 1891, était vers 1911 Directeur de l'Institut Kaiser Wilhelm 5 Berlin (Institut Max Planck après la 2ème guerre mondiale). Il avait réussi à synthé- tiser trois onces (85 g) d'ammoniac par heure (7). La Badische Anilin-und Soda Fabrik a mis sur pied une équipe d'ingé- nieurs chimistes sous la direction de Car1 Bosch dans le but de porter la production à 30 tonnes par jour en 1913. La nouvelle technologie des hautes pressions développée par BASF a rendu possible toute une série d'autres procédés commerciaux importants (8).

En raison du blocus naval que l'An- gleterre a infligé à l'llllemagpe en 1914 l'approvisionnement en salpêtre du Chili a été interrompu, et le procédé Haber est devenu crucial pour la poursuite de la production d'explosifs et de nourriture. Il est très probable que la pre-

Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Education, vol. 53, no 5, mai 1976, p. 318-20. 32 1

mière Guerre Mondiale n'aurait pas duré quatre ans si l'Allemagne n'avait possé- dé l'industrie chimique la plus avancée du monde. Haber était apprécié en son temps : non seulement il était considéré comme un héros national, mais le Prix Nobel lui a été décerné en 1918. Malgré tout, il a regretté par la suite d'avoir dirigé 1 'indus trie chimique de. guerre , y compris l'inspection stratégique de la première utilisation des gaz toxiques. Les clauses sévères de l'Armistice, nourries par l'amertume d'une guerre in- terminable et l'incroyable inflation de la période d'après-guerre ont certainement contribué à la montée du Nazisme. En 1933 le "Juif Haber" fut exilé d'Al- lemagne et mourut en Suisse un an après.

du point de vue économique limite la formation d'ammoniac, puisqu'il doit être produit pour être ensuite mélangé à l'azote atmosphérique. Toutes les mé- thodes possibles pour produire de l'hy- drogène ont fait place à la conversion du gaz naturel à cause du bas prix traditionnel de ce gaz et du pétrole. Un procédé courant consiste à mélanger en proportions convenables du gaz naturel, de la vapeur d'eau et de l'air suivant les schémas.

L'hydrogène est le réactif qui,

2 CH + H20 -+ CO + 3H

CO + H O +CO + H2

4

2 2 Le CO2 est absorbé avant que le "gaz de synthèse" n'entre dans le convertisseur. Il est récupéré et vendu sous forme de gaz carbonique liquide ou transformé en urée. Le mélange résiduel contient l'hy- drogène et l'azote, dans le rapport convenable de 3 à 1.

3 3H2 + N - 2NH 2

L'agriculture moderne Nord Américaine dépend de la production d'ammoniac, et elle est extrêmement gourmande en éner- gie (9). On a estimé (IO) qu'il faut plus de six calories provenant de combustible fossile pour mettre sur la table une calorie de nourriture.Les graines hybrides 2 haut rendement de la Révolution Verte demandent aussi de l'énergie, car elles nécessitent d'importantes applications d'engrais et d'herbicides et de l'irrigation. Jusqu'ici la production d'ammoniac a augmenté plus vite que la

population mondiale, mais l'évolution récente de l'économie du pétrole néces- sitera un réexamen de nombreuses prio- rités et stratégies habituelles.

Rapport de Recherche

Cadre de la Recherche (importance de la Synthèse de l'Ammoniac) : Choisir un sujet : 1) Méthodes de fixation de l'Azote 2) Engrais azotés 3) L'Ammoniac, intermédiaire dans l'in-

4) Sources d'hydrogène pour la synthèse

5) Explosifs chimiques 6) La faim dans le monde 7) La Révolution Verte 8) Besoins en Energie pour la production

9) Synthèses commerciales à haute pres-

IO) Histoire du procédé Haber-Bosch 1 1 ) Equilibres en phase gazeuse

dustrie chimique

de l'ammoniac

aliment aire

s ion

Données Expérimentales (par simulation avec HP-65).

1) Déterminer l'effet de la pression sur le rendement et sur le temps d'éta- blissement de 1 'équilibre

sur le rendementet sur le temps d'éta- blissement de 1 'équilibre

le rendement et sur le temps d'éta- blissement de 1 'équilibre

4) Déterminer la pression et la tempéra- ture pour obtenir le meilleur rendement, et pour un temps de réaction compris entre 0,OI et 0,l heure

2) Déterminer l'effet de la température

3) Déterminer l'effet du catalyseur sur

Calculs : Dépendent du Niveau de 1'Etudiant.

1) Kp 5 différentes températures/pres- s ions

2) Variation de Kp avec la température (graphiquement ou à l'aide de calculatrice HP 65)

3) Calcul de l'énergie libre standard, de l'enthalpie et de l'entropie, et comparaison avec les valeurs de la lit térature.

compressibilité des gaz 4) Relation de Kp avec la pression ;

5) Fugacité et coefficients d'activité 6) Projet de dispositif expérimental

322

Discussion (Relation entre Données Expé riment a 1 es et co Ur s / documents ) . Choisir un sujet : 1) Le Principe de Le Chatelier 2) Gaz réels 3) Attractions intrzmoléculaires et po-

larité des liaisons 4) Equation de Van't Hoff ou de Clausius

C1 apeyron

Commentaires sur le Programme (pour les enseignants seulement).

Le calcul de % NH à l'équilibre 3 peut-être trouvé dans la plupart des textes de chimie physique. On admet que H et N sont introduits dans un rapport molaire de 3 à 1 et demeurent dans ce rapport à l'équilibre,

Ainsi :

2 2

et puisque NH-2 P

A

1/2 3/2 Kp = P N2 'H2

l'équation finale est : n

Etant donné que les calculs d'équilibres sont effectués en utilisant les pressions partielles des gaz, ces calculs supposent que les gaz sont parfaits. Cela est manifestement une hypothèse médiocre pour l'amoniac come pour tous les réactifs sous les fortes pressions utilisées dans la synthèse. En effet des tentatives pour prévoir des valeurs précises de Kp sous très hautes pressions ont échoué (4). La simulation utilise une équation obtenue en ajustant les valeurs expéri- mentales de Kp (1 1). Par exemple sous 30 atm Kp dépend de la température suivant la loi linéaire :

6460 In Kp = -13,95 + - T r2 = 0,9997

La variation de Kp en fonction de la pression totale est illustrée par les exemples suivants

-8 2 P ( 400°C) lnKp=-4 , 4 1 + 1,50~lO-~P+5,39x 1 O

(450°C) lnKp=-5,06+1,24~10-~P+1,67xlO -7 P 2

2 Le terme P n'est pas important en dessous de 2000 atm ; on l'a par conséquent négligé dans la simulation. En combinant la dépendance de la température et la dépendance de la pression (par essais et erreurs) on obtient l'équation sim- plifiée uti,lisée dans la simulation

(2) 6460 + 1,IP - 14 lnKp = T

Cette équation est généralement en accord avec les valeurs expérimentales de Kp avec moins de 10 % d'erreur relative, jusqu'à 2500 atm environ (Tableau 1). Un des premiers succès de Haber corres- pondait à une production d'environ 0,005 Z NH à 1000°C et sous 1 atm. La 3 simulation donne 0,0045 % dans les mêmes conditions. La simulation du temps mis pour atteindre l'équilibre a été très simplifiée pour être insérée dans les 100 étapes du programme de la carte-programme de la HP 65. On obtient pourtant des résultats qualitativement corrects. L'étape déterminant la vitesse dans la synthèse de l'ammoniac semble être la chimisorption de N2 sur le catalyseur, tandis que l'étape lente dans la désorption de l'ammoniac est la dé- sorption de N2 de la surface du catalyseur (4). En outre, sur une surface de Tungstene la décomposition de l'ammoniac est initialement d'ordre zéro, à cause de la saturation de la surface (12) @. Cela ne semble pas être vrai pour le platine (12) ou le fer (13). La simulation suppose une cinétique d'ordre zéro, Ainsi :.

dPNH3 = kdt

et = kt P N H ~

et t représentent la pression O' P N H ~

(i! Une intdressante adjonction au programme a été proposée par B. Huebert, Co Zorado Co Z Zège. Si on disposait de pZus d'étapes dans le programme, on pourrait e'tudier Za dgpendance de Za constante de vitesse d'ordre ze'ro vis à vis de Za surface du catalyseur, ce qui fournirait à Z'étudimt m para- mètre re 2ie' à Za tai 2 le et au coût du rgacteur.

323

Tableau 1. Comparaison du Kp : Expérimental et Simulé Pression atm fotale

30 1 O0 300 1500 2000 2500 3000 Oc l 400

450

500

7 10

1 O00

0,0129 0.0137 O. 1384 0.2977 0.7864 1.254 (O. O 129) (O. O 144) (O. 142) (0.322) (0.730) (1.650) O. 00676 O ,00725 O. 00884 O. 06962 O. 1337 (O. 0066 1) (0.00735) (0.00997) (0.0619) (O. 132) O. 00386 O. 00402 O. 00498 (O. 003 70) (O. 00408) (O. 00543) O. 00064 1 (O. 0006 14) 0,000 148 (O. O00 136)

de l'ammoniac à l'équilibre et le temps Tableau 2 : pour atteindre cet équilibre. Alors : Simulation de la Synthèse de l'Ammoniac.

La constante de vitesse k dépend de la température, elle a été calculée par

In k = (-Ea/RT) + 30 (4)

où Ea est l'énergie d'activation d'brrhe- nius en calories, et 30 est le logarithme naturel du facteur préexponentiel. Ea (14) est introduit dans le programme par 1 'étudiant :

pas de catalyseur ; Ea = 80 O00

Fe comme catalyseur ; Ea = 50 O00 W comme catalyseur ; Ea = 40 O00

Pour utiliser le programme l'étu- diant choisit une température (OC) et une pression totale (atm), il les introduit séparément dans les registres. En appuyant sur la touche 2 NH3 le programme calcule Kp (dquation (2)), puis résoud l'équation du second degré ( 1 ) par rapport à p et divise ce résultat par la pressionNH3 totale pour afficher le pourcentage de NH3 dans le mélange à l'équilibre. Si l'on choisit et introduit la valeur convenable de Ea, et si 1 'on appuie ensuite sur la touche Temps, il calcule la constante de vitesse d'ordre zéro (équation (4)), ensuite il calcule (équation (3)) et affiche le temps en heures mis pour atteindre 1 'équilibre.

Eti- que t t age

Touche Touche Touche Registre

LBL A STO 1 RTN LBL B 2 7 3 + STO 2 RTN LBL C 6 4 6 O

1

1

ENTER

RCL 1 X +

RCL 2 - 1 4 - f-1 LN

STO 3

RCL 1 2

3

O 8

ENTER RCL 3

X

- I

+ CHS STO 4 ENTER

RCL 1 ENTER

4

X

X

X - f

RCL 4

CHS 2

STO 5 RCL 1

1 O O

X

+

-

-

X DSP

; RTN LBL

D STO 6 RTN LBL

E 3 O

RCL 6 RCL 2 - ; . - - f-1 LN RCL 5 -

g 1 /x 3 6 O O

DSP 2

RTN

-

RlP AP

R2'K B°C

R3Kp C%NH3

R4b DE a (quadratic term) Et ime

NH3 R5 P

R6Ea

Les variables peuvent être chan- gées une 2 une pour des résultats compa- ratifs.

324

La Vistron Corporation, Lima, Ohio fait marcher son réacteur à ammoniac à 950°F (510°C) et 3100 psig (211 atm) et ajoute 3% d'ammoniac recyclé aux gaz de synthèse (rapport 3:1) pour obtenir environ 17% NH3 par passage sur un catalyseur au fer activé. La simulation pré- voit 19,16 % NH dans ces conditions avec 0,0772 h (2,63 min) pour atteindre l'équilibre. En optimisant le rendement simulé en ammoniac, avec un temps compris entre 0,OI et O,] heure et avec un catalyseur au fer on obtient :

600 atm 1000 atm 1000 atm 600°C 600°C 570°C

0,012 h 0,033 h 0,lO h

Mais il existe d'autres possiblités à l'intérieur de cet intervalle de temps.

29 % NH3 46 % NH3 51 % NH3

Références citées :

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(1975).

325

Utilisation de cours de chimie assistés par ordinateur Un élément d'enseignement individualisé dans un cours

Ruth Chabay et Stanley G. Smith

Le système d'enseignement assisté par ordinateur PLATO IV (1) est utilisé à l'université d'Illinois dans plusieurs grands Cours de Chimie dont il constitue un élément individualisé OÙ chacun progresse à sa propre vitesse. Le rôle de PLATO dans ces cours est double : pre- mièrement il foumit un enseignement conversationel.individualis6 sur l'essentiel du cours et deuxièmement il fournit un plan du cours, un plan de travail hebdomadaire, les réponses aux questions d'examen, un moyen de communication entre les étudiants et l'enseignant et, pour chaque étudiant, un bilan de ses notes et de sa place dans l'ensemble du groupe, Ces deux aspects ont été expérimentés durant plusieurs semestres et ont reçu de la part des étudiants un accueil enthousiaste.

l'Université d'Illinois sont écrites dans des styles pédagogiques variés et couvrent un large éventail de sujets. Elles comportent des dialogues didac- tiques entre l'étudiant et l'ordinateur des animations et autres informations graphiques produites par l'ordinateur, des expériences simulées, des problëmes de synthèse à réponse ouverte (2), des jeux chimiques et des exercices. Dans la plupart des cas une seule leçon comporte plusieurs de ces éléments. Dans un cours d'initiation à la chimie s'é- tendant sur un semestre et s'adressant à des étudiants débutants en chimie générale, ou dont les bases en chimie sont faibles, les leçons PLATO traitent la plus grande partie de la théorie fondamentale, Elles permettent aux étudiants de s'exercer à la résolution des problè- mes en corrigeant immédiatement les fau-

Les leçons PLATO mises au point 2

tes et en apportant au besoin une aide individuelle. Par exemple dans une leçon sur le principe de répartition (Aufbau) (3), PLATO aide les étudiants à établir les configurations électroniques des vingt premiers atomes, expliquant au passage le principe d'exclusion de Pauli. Aprës avoir établi la configuration du calcium avec l'aide de PLATO, l'étudiant traite un ensemble de pro- blèmes dans lesquels il doit établir le remplissage électronique d'un atome don- né en touchant l'emplacement de chaque élec tron . les étudiants traitent les lois des gaz parfaits par le biais d'expériences si- mulées (4) et s'exercent ensuite à ré- soudre des problèmes, Les étudiants utilisent l'écran de visualisation com- mandé par touches pour obtenir les 6- quations nécessaires, comme dans la figure 1. Ils continuent en résolvant. des problèmes numériques, avec l'aide de PLATO si besoin est (5).

D'autres leçons PLATO utilisées dans ce cours de Chimie Générale couvrent les principes théoriques de base et fournissent aux étudiants une aide individuelle dans leur travail sur d'autres sujets, notamment le système métrique, la notation scientifique, la nomenclature, la structure atomique, les liaisons ioniques et covalentes, les formules chimiques, 1'6quilibrage des réactions, la stoechiométrie et les équi- libres chimiques (6). En outre quelques étudiants passent leurs examens hebdoma- daires avec PLATO, ce qui leur laisse plus de temps pour des questions dans les séances de discussion.

Dans une autre série de leçons,

326 Reproduit avec l'autorisation du Journal of Chemical Education, vol. 54, no 1, décembre 1977, p. 745-7.

Figure 1. Un affichage provenant d 'une Zeçon sur les applications de la loi des gaz parfaits. On a demandé à l'é- tudiant de calculer Ir, PLATO a indi- qué les erreurs dans les réponses données par les e'tudiants en biffant Irnrr dans le dénominateur et en indiquant que quelque chose manque dans Ze numérateur. L'étudiant a demandé de Z'aide et par conséquent la solution du probZBme est affichée.

Figure 2. Après avoir réalise' le montage pour une distilZation 2 'e'tudiant doit mettre la circulation d'eau, ajouter de Za pierre ponce puis chauffer le bain d'hui Ze et recuei ZZir Zes fractions lorsque le produit distilZe.

Dans les cours de chimie organique du premier semestre, les leçons PLATO traitent tous les sujets importants du cours : la nomenclature, l'activité optique ¶ 1 'analyse conformationelle ¶ la chimie de différents groupes fonctionnels, la substitution électrophile aromatique, les spectroscopies R.M.N. et I.R. et les

synthèses à plusieurs étapes (7). Dans ces cours les leçons PLATO sont données comme travail 2 la maison et l'étudiant obtient plusieurs points pour chaque le- çon qu'il traite globalement, comme pour le cours de chimie générale ; les points correspondants représentent environ 10 '2 de la note de la totalité du cours. Normalement un étudiant de ce cours passe environ 2 h. par semaine pour le cours PLATO, bien que, chaque étudiant pouvant travailler à son propre rythme et revoir les sujets comme il le désire, le temps nécessaire varie beaucoup d'un étudiant à l'autre. Par exemple, bien qu'en moyenne les étudiants passent 35 h. sur PLATO durant un cours semestriel, quelques étu- diants passent jusqu'à 80 h. à travailler et revoir les leçons PLATO.

mie organique utilisent les expériences simulées pour foumir les données expéri- mentales nécessaires à l'étude de concepts importants. Par exemple dans une leçon de chimie organique concernant les réactions de substitution et d'élimination (8), l'é- tudiant doit réaliser un ensemble d'expé- riences simulées pour déterminer la dépen- dance de la vitesse de réaction (bromure de n-butyle avec éthylate de sodium) vis- à-vis de la concentration des réactifs. Il regarde ensuite une représentation animée des réactions E2 et SN2 qui aboutissent 2 deux produits différents. Après avoir ré- pété le même type d'expériences pour la réaction de bromure de t-butyle avec l'é- thylate de sodium et avoir vu les repré- sentations animées des réactions de substitution et d'élimination unimoléculai- res l'étudiant est conduit à une discussion de la stabilité de différents types d' ions carbonium.

D'autres programmes de chimie organique sont en relation directe avec le travail de laboratoire qu'effectuent les étudiants. Par exemple une leçon sur la distillation fractionnée (9), Figure 2, permet à l'étudiant de réaliser la suite d'opérations nécessaires pour assembler l'appareillage, contrôler la température de distillation et collecter les fractions.

Dans un cours de laboratoire d'a- nalyse organique qualitative d'un niveau plus élevé les étudiants passent les trois ouquatre premières séances de travaux pratiques sur PLATO, en revoyant d'abord les techniques de base d'analyse chimique par voie humide et d'analyse spectroscopique, puis en développant les

Un grand nombre de leçons de chi-

327

stratégies logiques pour l'identification de produits inconnus ( IO).

Dans tous ces cours les étudiants travaillent sur PLATO au moment qui leur convient sans être sous la conduite d'un professeur, Un étudiant travaillant sur PLATO se voit proposer une liste de le- çons correspondant au programme. de la semaine en cours et peut choisir de travailler sur l'une quelconque de ces le- çons ou de revoir des leçons qu'il a pré- cédemment menées à bien. Si l'étudiant a fini sa dernière session de PLATO en laissant une leçon inachevée, on lui donne le choix entre reprendre la leçon au début ou choisir une autre leçon. Sou- vent le professeur établit au début du semestre une programmation des sujets 2 étudier de sorte qu'au début de chaque nouvelle semaine on présente à l'étudiant une liste des leçons de la semaine, avec la possibilité de revoir des leçons anté- rieures ou de continuer s'il a fini son travail en avance.

Chaque professeur travaillant avec PLATO possède un plan d'ensemble de l'organisation des leçons qui lui permet de décider sur quels critères il permettra à un étudiant de passer à une nouvelle leçon et aussi de donner des exercices particuliers à certains étudiants si né- cessaire.

PLATO lui-même joue un rôle important en groupant des informations subjec- tives et objectives sur le fonctionnement des leçons, pour aider à leur évaluation et à leur révision. L'ordinateur fournit un moyen de communication directe entre les étudiants et le professeur et fait passer aussi des questionnaires d'enquête.

cacité des leçons sont recueillies automatiquement au fur et à mesure que les é tudi ant s t ravai 11 en t .

Des données comprenant 2 la fois le catalogue des réponses jugées "incor- rectes" et des analyses statistiques du fonctionnement de la leçon avec un groupe important d '6 tudian t s peuvent suggérer des révisions susceptibles d'augmenter l'efficacité de la leçon.

Souvent des auteurs familiers avec le langage chimique habituel ne prévoient pas les variantes que les étudiants peuvent introduise.Dans une leçon sur les électrons de valence (11) par exemple, on a demandé aux étudiants d'écrire le symbole de l'ion couramment formé par C1. En analysant les réponses considérées comme fausses, on s'est aperçu qu'un

Des données objectives sur l'effi-

grand nombre d'étudiants avait écrit "Cl-l" alors qu'on considérait comme juste seulement la réponse "Cl'" . Le programme a donc été modifié pour que

soit aussi accepté. l'c~-l'

D'autre part une autre réponse courante était ttCl+t', Etant donné que cette faute était assez répandue la leçon a été modifiée pour faire à l'étudiant qui répond "Cl+" un commentaire particulier lui rappelant que lorsqu'un atome gagne un électron, il forme un ion néga- tif, Une autre faute était l'omission du "C" majuscule et dans la version révi- sée on rappelle aux étudiants qui ont écrit le symbole incorrectement que la majuscule est nécessaire.

En plus de la mise en mémoire des réponses spécifiques fausses on recueille automatiquement les données statistiques concernant les réactions d'un grand nombre d'étudiants. PLATO enregistre le nombre de questions posées à chaque étu- diant, le nombre de questions auxquelles il a répondu correctement dès le premier essai, le nombre d'erreurs qu'il a commi- ses et qui ont été spécifiquement prévues par l'auteur, le nombre d'erreurs non- prévues, le nombre de fois que l'étudiant a demandé de l'aide et le temps que 1'6- tudiant a passé pour chaque segment logique ou "section" d'une leçon.

A partir de telles informations statistiques il est possible de tracer le profil d'une leçon et d'indiquer quelles parties sont particulièrement difficiles ou très faciles pour les étu- diants. Un tel profil fait souvent appa- raître la nécessité d'une révision d'une partie donnée pour éclaircir la formulation d'un problème, aider davantage 1'6- tudiant ou lui donner plus d'informations avant de lui demander de résoudre les problèmes.

La figure 3 montre le nombre moyen de questions abordées dans chaque section d'une leçon sur la chimie des alcènes (12) par les 174 étudiants pour lesquels on a collecté les données. Les exercices courts des sections 1,5 et 6 se détachent de même que le jeu de problèmes de révi- sion dans la section 8. Dans les autres sections les questions ne correspondaient pas à des exercices mais généralement 2 des questions tendancieuses concernant le mécanisme d'une réaction particulière. Bien qu'il y ait un plus grand nombre de questions dans l'ensemble des problèmes de la section 8 que dans toute autre section, cet ensemble de problèmes ne

328

demande pas sensiblement plus de temps que les autres.

La figure 4 qui est un histogramme montrant la distribution du nombre de problèmes abordés dans la section 8, pour le groupe tout entier, permet d'examiner plus en détail cette section,

étaient présentés à l'étudiant dans un ordre quelconque. Si le problème était résolu au premier essai, il était retiré de l'ensemble ; sinon on le présentait à nouveau plus tard.

Dans cette section les problèmes

Figure 3 : Histogramme montrant Ze nombre de questions amqueZZes Zes Qtudiants ont re'pondu, dans chaque partie d'me leçon ~ 2 . ~ 1 Zes aZc8nes. La section 8 comporte un jeu de problèmes de re'uision.

Figure 4 : Histogramme montrant la distribution des nombres de prob Zèmes abordés dans Za section 8 de Za Zeçon sur Za chimie des aZcènes. Les probtèmes sont présente's dans un ordre aZe'atoire et retire's de Za Ziste Zorsqu'iZs sont re'soZus au premier essai.

Pour achever l'ensemble de problè- mes, l'étudiant devait répondre correctement à chacun des 24 problèmes différents. Comme l'histogramme l'indique le nombre de questions dans l'ensemble de problè- mes varie ainsi considérablement d'un étudiant à l'autre. La courbe de dispersion de la Figure 5 illustre le fonctionnement de cet algorithme - plus l'étu- diant a fait d'erreurs plus on lui a posé de questions. La difficulté de cet ensemble de problèmes semble avoir été appro- priée comme le montre l'histogramme de la Figure 6 qui indique la distribution du pourcentage de problèmes correctement résolus dès le premier essai. Les étu- diants ont réalisé une moyenne de 80 X de réponses correctes dès le premier essai ce qui montre que les problèmes n'étaient ni faciles au point d'être assommants, ni difficiles au point d'être frustrants pour les étudiants.

tissage individuel PLATO offre quelques services aux étudiants et aux enseignants. Les grandes lignes du cours et le plan de travail de chaque cours sont disponibles sur PLATO. Les étudiants peuvent ainsi noter le programme de travail passé et futur aussi bien que celui de la semaine en cours, Immédia- tement après chaque examen d'une heure les étudiants peuvent obtenir de PLATO les réponses aux questions de l'examen et les étudier ensuite, à leur convenance. En outre tout étudiant peut obtenir une liste de toutes ses notes dans ce cours, et, à l'aide des histogrammes comparer son niveau aux examens individuels et son total de points avec ceux du reste de la classe. Ce programme est apparu comme étant le programme le plus populaire offert par PLATO durant ces cours. Pendant un semestre où quatre examens ont été donnés, les 300 étudiants inscrits à ce cours ont consulté ce "livre des notes'' plus de 3000 fois 1

le cours utilisant PLATO fut peut-être le changement du comportement des étu- diants. Etant donné que les leçons PLATO sur un sujet donné étaient disponibles avant qu'on en discute pendant le cours, presque la moitié des 150 étudiants avaient travaillé les leçons avant d'assister au cours. Beaucoup de séances de travail en classe cessaient d'être des cours pour se transformer en discussions vives, durant lesquelles l'enseignant était confronté à des questions comme :

En plus des activités d'appren-

L'effet le plus spectaculaire sur

329

Figure 5 : Graphe rqre'sentant Ze nombre de problèmes en fonction du nombre d'erreurs, Les questions pour Zesque 2 les la réponse n'est pas correcte au premier essai sont présente'es à nouveau. Quel- ques étudiants réussissent à faire jusqu'a' deux fois plus de problèmes que d'autres. La dispersion résulte d 'erreurs répétées sur la mgme question.

Figure 6 : Histogramme montrant le pourcentage des prob lèmes de révision correctement résolus au premier essai. Une moyenne de 70-80 % montre que les btudiants ont dominé la matière traite'e dans une leçon.

"J'ai trouvé dans PLATO un pro- blème que je ne peux pas résou- dre ; pouvez-vous me montrer comment m'y prendre ?" "Mais que se passerait-il dans cette réaction si on diminuait le pH ? I r

Les opinions des étudiants sur l'utilisation de PLATO dans ces cours ont été enthousiastes. Dans un questionnaire d'enquête qu'ont rempli 310 des 341 étu-

diants qui ont suivi un cours de chimie organique utilisant PLATO, plus de 96 % des étudiants ont dit que PLATO les avait aidés à apprendre la chimie et ont souhaité que les leçons PLATO deviennent une partie permanente du cours. Des étu- diants de ce cours ont dit :

le plus valable pour assimiler ce cours. On peut apprendre à son rythme propre (et ce qui est le mieux, pas à la pointe de l'aube)''.

"PLATO n'était pas comme un livre ici je devais arriver à la réponse exacte et je pouvais essayer de résoudre la pro- blème au lieu de dire : "Oui, je le sais sûrement". Le temps passé était sans aucun doute bien utilisé et productif ." Remerciements

"PLATO est probablement l'outil

Ce travail a reçu le soutien du Computer-Based Education Research Labo- ratory à l'Université d'Illinois et de la National Science Foundation.

Bibliographie

1 .

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330

IX. Chimie et industrie

Donner un enseignement pertinentest un des principaux soucis des enseignants de Chimie. Beaucoup d'enseignants ont le sentiment que les programmes scolaires n'accordent pas assez d'attention aux relations entre la Chimie et l'Industrie. Ainsi, les étudiants devraient être mieux instruits sur les procédés modernes aussi bien en ce qui concerne leur chimie que les grands traits de leur technologie. L'impact de l'industrie chimique sur la société est particulièrement important. Alors qu'on a considérablement insisté dernièrement sur les effets nuisibles de la Chimie, tels que les accidents ou la pollution, les étudiants devraient avoir une vue équilibrée, dans laquelle on dis-

cuterait aussi des énormes bénéfices qui découlent de l'industrie chimique.

Nous avons déjà un article sur une proposition d'établissement d'une industrie chimique sur la Lune (dans la section 3). Les articles suivants nous ra- mènent sur Terre.

Dans le premier article, Hughes dé- fend l'introduction dans nos programmes de ce qui est quelquefois appelé Chimie appliquée". Comme il le souligne, de

nombreux enseignants ont des difficultés pour obtenir des informations à jour. Une partie de cette information est don- née-par Daniels dans les deux articles qui. suivent.

II

331

Chimie pure ou chimie appliquée Will Hughes

La seconde guerre mondiale a con- tribué à mettre l'accent sur la position privilégiée que la Technologie chimique pourrait accuper dans l'économie nationale grâce à ses possibilités de conversion des ressources naturelles en produits utiles. Pendant la période de paix qui a suivi, l'industrie chimique s'est développée en s'occupant peu de l'épui- sement des ressources ou des effets sur l'environnement et la société, et son appétit pour les chimistes qualifiés était insatiable. Ce climat n'encoura- geait guère les changements dans l'édu- cation des étudiants en Chimie. Puisque les diplômés étaient facilement embau- chés, le système éducatif ne pouvait être que satisfaisant.

Pendant cette période, des auteurs de livres de Chimie pouvaient écrire : ... On ne répétera jamais assez que le

scientifique étudie la Chimie pour son propre intérêt et pas simplement pour les bénéfices matériels qui découlent de ces études" (Anon, 1956) et "Des deux faces de la Science, la Skience pure est de loin la plus importante. Certaines personnes ont besoin de beaucoup de temps pour assimiler ce fait" (Anon, 1957).

II

La décennie des années soixante, l'ère pt-Spoutnik 1, a vu l'apparition de nouveaux programmes scolaires scientifiques en Chimie (CBA, 1964 ; Chem-study 1965, Nuffield 1966) développés par divers groupes d'élaboration de programmes et soutenus financièrement par la National Science Foundation aux Etats-Unis et la Nuffield Foundation en Grande Bretagne. Ces programmes ont remplacé des notions dépassées et insignifiantes par des no-

tioils nouvelles et ont changé la façon d'apprendre. Au lieu d'accumuler l'information factuelle, on a cherché à dévelop- per la compréhension des principes de la chimie et des processus d'élaboration des connaissances scientifiques. Le contenu s'est déplacé uers la Chimie physique et la Physique et il est en conséquence devenu plus rigoureux et plus abstrait. Du point de vue de la Chimie per se, ces cours étaient excellents. Les étudiants en Chimie sont arrivés en étant mieux préparés, quoique moins nombreux, aux étapes suivantes de leur éducation. Du point de vue d'une formation générale destinée à tous les étudiants, ces cours ont été moins réussis.

La vogue des attitudes "anti- science" parmi les étudiants en Lettres et en Sociologie a co'incidé avec une baisse des inscriptions aux cours scientifiques de l'université. Sans vouloir suggérer de relation causale simple, on peut noter que vers l'époque où les nouveaux programmes de Chimie ont kté introduits, la société a pris nettement conscience des conséquences antisociales de progrès scientifiques et techniques in- contrôlés. La qualité de vie semblait en danger.

Ainsi, en moins de quinze ans, 1'6- ducation scientifique doit faire face à de nouvelles difficultés et il faut introduire des programmes et des cours nouveaux. Les cours dans lesquels le contenu fondamental est important et entra$- ne une spécialisation plus rapide et plus marquée, dbivent céder la place à des cours de science destinés à tous les étudiants et non plus seulement viser B

Reproduit avec l'autorisation de Daniels, J. D. (ed) New Movements in the Study and Teaching of Chemistry. Londres, Temple Smith, 1975, p. 111-19.

333

la préparation des carrières professionnelles de quelques-uns. Il faudrait, sur les sujets traités, refondre les cours de Chimie pour y inclure des considéra- tions sur les implications culturelles, économiques et sociales.

Le grand public ne distingue pas entre science "pure" et "appliquée" lorsqu'il hasarde l'opinion que la science au mieux n'a pas de relation avec les forces importantes qui se donnent du mal pour changer la société et, au ptre, est une des principales forces qui tendent à détruire les valeurs humaines. Une telle vue de l'entreprise scientifique et technologique est soutenue par un grand nombre d'étudiants qui seront éven- tuellement des responsables dans la vie sociale, politique et professionnelle.

Des expériences scientifiques anté- rieures n'ont pas réussi à donner à l'étudiant une expérience des relations entre la Science, la technologie et la société. Lorsque des tentatives ont été faites dans cette direction, elles ont eu tendance à faire voir tout en beau et à négliger les effets nocifs du dévelop- pement technologique.

Les frontières entre les aspects purs" et "appliqués" de la Chimie ne sont pas du tout clairement définies. Le chimiste "appliqué" et le chimiste "pur" travaillent dans des domaines analogues, même si leurs buts et leurs points de vue peuvent être différents, La Chimie est devenue une discipline plus diffuse que ne le pensent la plupart d'entre nous.

1 1

La Chimie en classe de Sixième QU à l'université peut facilement se placer d'un point de vue trop académique. Nos préoccupations concernant les atomes ou les molécules ne devraient pas nous permettre d'ignorer les problèmes de l'home en relation avec son environnement. Si de tels problèmes sont exclus des cours scientifiques, ils pourraient bien ne pas être pris en considération ailleurs,

Des distinctions rigides ont eu tendance à séparer la Chimie à l'école de la métallurgie, de la Biochimie et du Génie chimique. Les étudiants nourris de Chimie fondamentale ignorent l'étendue et l'importance de ces applications. Il est clair que tous les étudiants scienti-

fiques ne poursuivront pas des carrières dans la recherche universitaire et celle- ci ne devrait pas Gtre envisagée comme le seul but valable.

On a sugggré qu'une des raisons pour lesquelles les cours scientifiques appli- qués au collège et à l'université sont moins bien tolérés que les cours scientifiques purs,est que les étudiants ont eu une expérience antérieure seulement en Chimie fondamentale. Il existe une tendance, commune aux étudiants et aux enseignants, à estimer plus la recherche fondamentale que la recherche appliquée ou sur programme.

Si les enseignants et les autres continuent à insister sur le "ou" du titre du chapitre, ils ne serviront pas bien une société qui, malgré ses craintes, compte de plus en plus sur les progrès technologiques pour sa prospérité. La situation globale correspond au commentaire selon lequel l'apathie s'installe dans les écoles car les sources de revenu national sont mal comprises ou même igno- rées (Linklater 1968).

Pourquoi n'enseigne-t-on plus les applications de la Chimie à l'école ? Il y a à cela plusieurs raisons.

Il existe trop peu de publications utilisables dans ce domaine, de sorte que les enseignants, qui n'ont pas assez de connaissances sur les applications et les implications de la Chimie sont peu confiants et se sentent bien plus en sé- curité en s'en tenant à la Chimie fondamentale pour laquelle la documentation est accessible.

De nombreuses tentatives faites pour introduire des éléments d'application ont eu tendance à exagérer les aspects technologiques (boulonnerie nécessaire pour fabriquer du verre et autres choses semblables) aux dépens de la science et des principes scientifiques. D'autres contributions restent à l'état d'accessoires et d''ornements extérieurs en contraste avec le coeur du programme et nécessitent plus de temps que ne peuvent ou ne veulent leur consacrer les écoles qui ont le souci de respecter les programmes.

Les enseignants se considèrent comme des experts en Chimie fondamentale

334

et mettent en doute la réalité de la Chimie enseignée par exemple à l'usage des futures infirmières ou des futurs ingénieurs. Ne serait41 pas préférable de donner un cours de base sans ces applications et de renvoyer ensuite notre étu- diant à la personne qui, dans ce domaine, est la mieux préparée, par son expérience et ses goÛts,pour discuter les applications pratiques ?

Bien qu'il soit reconnu qu'il est important pour l'étudiant de voir mis en pratique dans une situation réelle les principes qu'il a appris à l'école, les enseignants affirment avec force que, manquant de connaissances, de ressources et d'informations, ils ne sont pas en mesure d'assurer cette partie souhaitable dë l'enseignement.

Dans un sens, les arguments ont tendance à se polariser entre d'une part ceux qui font valoir les mérites de la science pure en tant qu'étude des principes de base et plaident qu'il est mieux de laisser les aspects appliqués à l'enseignement supérieur ou à des experts mieux informés sur le sujet ; et d'autre part, ceux qui font valoir que négliger la technologie entraînerait une pénurie des techniciens dont a besoin la société.

La Société Chimique Américaine dans sa publication "Objectifs et directives pour les programmes du premier Cycle en Chimie" souligne que deux "faces" doivent être enseignées ensemble dans une approche intégrée . "Tout particulièrement durant la pre- mière année, des efforts spéciaux doivent être faits pour donner aux étudi- ants une description exacte et un aperçu historique de l'impact immense de la science chimique sur la pensée et la technologie, ainsi que l'importance pour les nations, pour l'homme et son environnement, des produits chimiques de syn- thèse et des transformations chimiques dans l'agriculture, la Médecine et d'autres parties d'une société technologique moderne".

"L'accent mis sur la théorie pure a trop souvent conduit à négliger les aspects pratiques, esthétiques et huma- nitaires de notre science, non seulement dansles cours pour des non-scientifiques mais aussi dans l'éducation des chimistes

professionnels'' (Société Chimique Améri- caine 1972).

Intégration de la chimie pure et de la chimie appliquée :

Dans les dernières années, on a pris de plus en plus conscience de l'excès de théorie et du manque d'aspects technologiques ou appliqués dans les programmes de Chimie. Bien que des tentatives iso- lées de rémédier à ce déséquilibre aient été faites durant des années, c'est seulement dernièrement que le besoin d'adapter'le contenu et les méthodes aux demandes actuelles de la société a été reconnu dans une certaine mesure.

Les progrès accomplis sont mis en évidence par une floraison d'articles dans les journaux d'éducation scientifique et technologique et par le dévelop- pement important des liens entre les plus importantes industries chimiques et des écoles. Le projet Nuffield pour la Chimie (Nuffield 1970) et le Joint Matriculation Board (JMB 1974) ont apporté des contributions importantes dans cette voie.

Le cours Nuffield pour des étudiants de seize à dixrhuit ans fait ressortir la nécessité de présenter la Chimie comme un sujet intégré. L'enseignement comprend aussi une information et une expérience sur la contribution de la Chimie dans divers domaines technologiques, donnée par des éléments de documentation de fond bien à jour : ''Projets spéciaux" et "Le Chimiste en action".

Vers la fin du cours Nuffield, chaque étudiant entreprend un projet au cours duquel les principes étudiés peuvent être appliqués dans des contextes nouveaux de nature technologique comme la Biochimie, le Génie chimique ou la Chimie alimentaire. Ces études sont ba- sées sur des expériences en laboratoire et ont pour but non seulement de présen- ter des applications du cours de base, mais aussi de montrer quelques consé- quences sociales et économiques du pro- grès de la Chimie avec leurs implications morales et éthiques.

"Le Chimiste en action" aide l'enseignant et l'étudiant à comprendre le rôle des chimistes dans l'industrie en fournissant des exemples d'applications des principes chimiques, en montrant la natu-

335

re des tâches confiées aux chimistes professionnels et en mettant en lumière le caractère coopératif et pluridisciplinaire des activités des différents scientifiques dans l'industrie.

le JMB a récemment publié un contre- programme adapté aux besoins des étudi- ants qui désirent étudier la Chimie sous l'angle des relations entre principes de base et technologie chimique et les larges implications sociales et économiques des applications de la technologie.

Le programme est divisé en un tronc commun et une série de sujets optionnels. Les étudiants étudient le tronc commun et deux options. L'une de ces options est choisie parmi la Chimie agricole, la Chimie des systèmes vivants, la Chimie alimentaire, la Pétrochimie et les Polymères. La deuxième est choisie parmi la Chimie des colorants, 1'Electro- chimie, la Science des combustibles et et de la combustion, la Chimie inorganique générale et la Métallurgie (Hallas et Hughes 1974).

Le tronc commun comprend une partie importante sur les aspects sociaux et économiques de la technologie chimique à côté d'autres parties sur les procédés industriels et les principes chimiques. Dans le but d'aider les enseignants à traiter ces aspects, six études de cas ont été préparées et publiées, pour permettre aux étudiants de se rendre clairement compte que les applications de la Chimie ont de larges implications sociales et économiques, et de comprendre les relations existant entre principes chimiques et pratiques industrielles. Ces études de cas sont :

une étude du traitement des efflu- ents l'utilisation et l'abus des médica- ments les voies de synthèse du phénol le soufre et l'environnement les procédés de pulvérisation de mé taux les industries à base de sel.

Les projets Nuffield and JMB sont des tentatives réalistes pour intégrer la Chimie pure et appliquée. Les autres contributions telles que des articles dans les journaux d'éducation scientifique soit passent sous silence les appli-

cations de la Chimie et concentrent leur attention sur les techniques, soit sont trop particulières et donnent prise à la critique des enseignants qui trouvent ces matières trop éloignées des principes chimiques fondamentaux faisant l'objet des examens. Elles sont perçues comme des expériences enrichissantes mais consom- mant une partie du temps nécessaire pour préparer l'es examens.

Le projet de l'Université de Bath (Daniels 1970), une entreprise coopéra- t h e risquée, comprenant des étudiants, des enseignants et des compagnies industrielles et ayant pour objectif le développement de projets adaptés, de simulations de procédés et de recherches physico-chimiques, promet de faire naî- tre des idées et du travail pratique pouvant être incorporés dans les programmes actuels. L'emploi et le traitement de matériaux importants, l'étude de situations réelles et de problèmes reliés à la Chimie enseignée et illustrant ses principes, y sont d'un grand intérêt.

Les difficultés que rencontrent les enseignants pour se tenir au courant des données modernes sur les procédés et les problèmes industriels sont vraiment graves. Une solution partielle à ce problème apparaît dans la tendance à publier des extraits de journaux comme "Chemical Age'' et "European Chemical News" dans des revues accessibles aux enseignants de Chimie, "School Science Review" par exemr ple. Les enseignants lisant attentivement disons "Chemical and Engineering News". trouveront que ces articles et ces annon? ces relient très efficacement la Chimie et les produits chimiques aux individus, aux affaires, au gouvernement, à l'édu- cation et au consommateur..

Une somme d'informations sous forme de livrets, de diapositives, de films d'enseignement et de tableaux muraux est disponible gratuitement ou à bas prix auprès des principales firmes de l'industrie chimique. Le Centre d'Information Scolaire sur l'Industrie Chimique (Haines 1974) est aussi à la disposition des enseignants anglais.

L'avenir :

Il n'est pas rare de trouver un di- plômé en Chimie qui, bien que connaissant très bien son sujet, sache peu de choses

336

sur l'importance relative ou le tonnage de beaucoup des composés qu'il a étudiés. Pour ce qu'il en sait, tous sont d'in+ portance et de valeur égales pour la société. Il ne connalt rien de l'histoire de son sujet, ni de la façon dont l'histoire l'a modelé, ni de l'influence pro? fonde de la Chimie sur la civilisation. Il n'est pas rare que ce même diplômé en Chimie devienne enseignant. Les cours de Chimie à l'école, au collège et à l'Uni- versité doivent tous contribuer à l'amé- lioration de telles situations.

Les enseignants (Kerr 1979 ; Presst 1970) suggèrent qu'un facteur déterminant de l'efficacité de l'enseignant de Chimie est la perception qu'ont de lui ses étu- diants. Kerr dit que ''dans une certaine mesure, cette efficacité dépend du contenu du cours et du style d'enseignement adopté, mais un facteur beaucoup plus important est l'attitude et la personna- lité du professeur. Il est de plus en plus évident que ce qui détermine l'effi- cacité d'un individu en tant que professeur de Chimie, c'est sa personnalité et son système de valeurs". Mais comment changert-on les attitudes des gens ?

Du fait que beaucoup de nos efforts précédents dans le domaine de l'enseignement en Chimie ont été concentrés sur le contenu, nous avons eu tendance à négli- ger les problèmes de communication et les problèmes personnels des étudiants apprenant la Chimie. L'idée que la Chi- mie est neutre et indépendante des jugements de valeur et qu'elle doit être enseignée comme telle est erreur grossi- ère. La Chimie enseignée de manière aussi aseptisée ignorerait des implications sociales telles que les dilemmes politiques, éthiques et moraux posés de plus en plus par les progrès de la science et de la technologie.

Plusieurs des problèmes posés aux paragraphes précédents méritent d'être considérés attentivement par les enseignants de Chimie. Les responsables de la mise au point des programmes devraient apporter quelquesrunes des réponses en examinant quelles parties de la Chimie sont appliquées dans l'industrie, comment et pourquoi.

Pourquoi certainEs opérations industrielles sont-elles énormes et d'autres petites ?

Quelle est la relation entre les prix, l'échelle de production et la production totale ?

les marges de profit et sur les profits ?

pend-elle de ces marges ?

vre dans les différentes parties de l'industrie chimique ?

Quel est en fait l'objectif de l'industrie ? Pourquoi existe-t-elle ?

Pourquoi est-elle diffgrente du reste des activités scientifiques ?

Pourquoi est-il important d'augmenter la vitesse de traitement des matières premières ? Quels procédés utiliser, OÙ placer l'installation et quelles dimensions lui donner, sont des questions également importantes. Est-ce que la science et la technologie peuvent inté- grer la commercialisation dans les pré- visions et dans la rentabilité ?

pas tous les étudiants, mais elle est souvent le fond des activités des sciences appliquées.

Quelle est l'influence du prix sur

Comment la vitesse d'innovation dé-

Comment est employée la main d'oeu-

L'économie technologique ne séduira

Ces dernières années, la croissance a bouleversé l'industrie chimique établie, Les industries basées sur les minerais continuent à fournir des matières pre- mières à la Chimie inorganique, mais la croissance de ces industries a été en gros parallèle à la croissance de la population et non pas liée à la richesse de la nation. La Chimie organique fine s'est développée beaucoup plus rapidement et continue de fournir des produits dont les applications sont spécialisées et que les gens sont prêts à payer cher. Mais la croissance vraiment spectaculaire a eu lieu dans l'industrie pétrochimique h cause de la disponibilité du pétrole comme matière première.

Il serait sûrement beaucoup plus profitable pour nos étudiants de se poser des questions sur tout cela plutôt que de coller sur telle ou telle partie de la Chimie l'étiquette pure ou appliquée.

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338

Que peut apporter l'industrie chimique à l'enseignement? 1 ere partie D. J. Daniels

Dans plusieurs numéros récents de Chemical and Engineering News, des professeurs d'universités américaines, donnant suite à des lettres parues dans Chemistry in Britain, ont discuté des mé- rites et de la validité de cours comprenant une partie de chimie industrielle.

Il y a quelques années encore la philoso- phie sous-jacente de l'enseignement des sciences était marquée par le souci d'apporter une certaine somme de connaissances. Il y a pourtant eu des changements ces dernières années : on a d'abord présenté la science comme méthode d'enquête, puis plus récemment on a réuni ces deux conceptions pour s'intéresser aux relations entre l'homme et son environnement, comme le montre le diagramme de Venn de la figure l.

connaissances

Relation entre l'homme et son environnement

Figure 1 : Intecrelations dans 1'Ensei- gnement des Sciences.

Il s'en est suivi une multiplication des occasions de coopération des enseignants entre eux et mon intention est ici de proposer quelques façons d'utiliser,directement ou indirectement, l'industrie chimique comme aide 2 l'enseignement dans les lycées et de montrer en même temps que cette aide n'est pas nécessairement unilatérale.

Aujourd'hui plus que jamais, il faut donner des informations sur la nature des activités industrielles et agricoles, grâce auxquelles le pays comble la plupart de ses besoins vitaux, tout en y ajoutant des considérations sur les pro- blèmes sociologiques, économiques et éthiques qui en découlent. Il faut éga- lement considérer l'une après l'autre et classer les manières par lesquelles l'industrie peut directement nous aider.

Programme de relations : Visites d'usines. Assistance visuelle et autres ressources matérielles. Formation des maîtres et cours de perfectionnement. Fourniture de matériel. Subventions.

Programme de relations.

Cette idée a été émise au Royaume Uni en 1968 par la "Agricultural Division of Imperia1 Chemical Industries Limited", le but principal étant de developper un plan de relations entre la Division et les écoles locales, basé sur des objectifs plus larges que le recrutement qui était auparavant l'objectif principal.

Reproduit avec l'autorisation de Canadian Chernical Education. vol. 11, no 3, 1975, p. 60-2. 0 Copyright The Chemical Institute of Canada 1975.

339

Comme l'a dit son instigateur M.A.J.W. Pegg, le plan devait devenir un moyen important pour permettre des communica- tions dans les deux sens entre un certain nombre d'écoles et la Division ; il pourrait jouer le rôle d'un canal pour la publication rapide des changements technologiques afin d'améliorer le contenu souvent démodé des livres de classe ; de plus on pourrait donner aux étudiants une image plus claire de la vie industrielle et trouver (sans recherche déli- bérée d'emplois au sein d'une firme par- ticulière) le moyen de créer des liens plus étroits entre les enseignants et les étudiants et la vie industrielle, grâce à des visites d'usines judicieusement organisées ; l'industrie,de son côté> par l'intermédiaire des 6coles)comprendrait mieux les conséquences industrielles pouvant découler d'un changement des programmes d'enseignement.

Le plan devait fonctionner en at- tachant un jeune scientifique diplômé de la Société à chaque école participante, avec comme consigne de rendre visite à l'école environ trois fois par an et d'y fournir des informations sur l'industrie, d'effectuer des cours occasionnels pour les étudiants pendant les vacances, d'in- viter ceux qui seraient intéressés à participer à certains séminaires scientifiques ou technologiques au sein de la firme et de fournir, directement ou indirectement, des ressources, dans la mesure du possible et lorsque ce serait nécessaire.

Le succès du programme initial fut tel qu'il a été depuis adopté par la plupart des industries du Royaume Uni et qu'il existe plusieurs chargés de liaison (1). L'efficacité de ces relations repose sur le degré d'engagement du chargé de liaison et sur la réalité de l'intérêt exprimé par le professeur et il faut remarquer que quelques-unes desliaisons n'ont rien donné faute de l'un ou de l'autre de ces ingrédients. Même si la communication dans la direction industrie-école s'est beaucoup amé- liorée par le moyen de ce programme de relations, la communication dans la direction inverse est un problème qui nécessite plus d'attention, car l'industrie ignore malheureusement encore les développements de l'enseignement : c'est un problème qui doit sûrement exister également dans d'autres pays.

Pour commencer, on pourrait peut- être persuader CIL de développer un tel programme au Canada.

Visites d'usines.

Dans le passé elles n'ont été souvent-qu'une trop bonne excuse pour une journée de congé bienvenue avec repas gratuit, à la fin de l'année scolaire. De telles visites ont été 2 juste raison considérées par les industriels comme une perte de temps et les enseignants devraient s'efforcer de spécifier les buts de la visite qu'ils demandent. En quoi ces buts doivent-il s alors consis ter ? 1. Illustrer certaines parties du programme. 2. Simplifier certaines parties du programme.

Dans les deux cas la conséquence est que le groupe ne fera pas le tour complet de l'installation chimique, mais visitera seulement la partie de l'installation qui l'intéresse pour ses études. Cela suppose aussi qu'une telle visite devrait donner aux étudiants l'envie de comprendre la partie du programme qui s'y rapporte.

3. Montrer la relation entre le programme et la pratique industrielle, conduisant à une meilleure connaissance des applications de la science.

4. Indiquer la nature pluridisciplinaire d'une grande partie des activités de l'industrie chimique et souligner qu'un grand nombre de chimistes ont besoin de connaissances et de compétences en dehors de leur propre spécialité.

5. Supprimer les idées fausses sur l'industrie chimique.

6. Indiquer les carrières possibles. Ce but est différent des autres et doit etre de la compétence des orienteurs plutôt que de celle du professeur.

A

Ayant déterminé les buts particuliers qu'une visite doit se fixer, le professeur peut décider des objectifs et organiser la visite de concert avec le chargé d'enseignement de la société, afin que la possibilité de les réaliser soit maximale. A cet égard il est important d'expliquer exactement quel type d'étudiants et de quel âge va venir et

340

dans quel but. Il faut proposer un choix de dates et indiquer le nombre des par- ticipants souhaité. Il faut se renseigner à l'avancecar un grand nombre de firmes ont un programme de visites très chargé. De même il est recommandé de réserver les billets de transport bien àl'avance. La durée d'une visite doit être commandée par les besoins et non par le souci de remplir une journée.

Il est important que le professeur lui-même (ou elle-même) ait fait une étude de l'installation chimique concer- née, avant la visite, de sorte que le matériel écrit et visuel approprié puisse etre préparé et utilisé durant une séance de documentation précédant la visite et pendant laquelle il (ou elle) aura l'occasion de s'assurer que les étudiants ont appris les notions de base se rapportant à la visite.

A

Il faut demander finalement aux parents des étudiants de signer un for- mulaire de décharge approprié pour la couverture du professeur en cas d'accident.

A l'occasion de la visite on a intérêt à s'assurer que les étudiants en retirent quelque chose. Dans une certaine mesure cela sera facilité par une liaison étroite avec la firme, afin que les guides comprennent clairement les objectifs et soient choisis en fonction de leurs faci- lités de communication avec les étudiants. Il est toutefois important d'avoir rédigé des documents et des questionnaires que les étudiants compléteront sur place. Ces documents ne doivent pas nécessairement être les mêmes ; il n'y a en effet suffisamment à dire sur le sujet pour fournir à chaque étudiant un projet spécifique.

A la fin de la visite quelqu'un doit remercier les hÔtes,de préférence un étudiant au nom du groupe.

De retour 2 l'école il faut envoyer une lettre de remerciements et se réunir pour discuter des résultats de l'expérience et approfondir le sujet. Il est important d'insister pour que tous les projets soient achevés et il est bon de se référer à la visite dans des cours ultérieurs si c'est opportun.

On peut voir de ce qui précède que des visites réussies nécessitent beaucoup

d'efforts de la part des professeurs et des étudiants, mais que si elles sont bien organisées elles peuvent être des exercices importants et enrichissants.

Aides visuelles et autres ressources matérielles.

Le matériel avec lequel l'industrie s'est équipée ces dernières années au Royaume Uni peut être classé dans les Ca- tégories suivantes : petits livres fournissant la matière de base ou des exten- sions selon les besoins des programmes, tableaux muraux, petits équipements, échan- tillons, transparents projetables (rétro- projecteurs) films, films en boucle fer- mée et diapositives. Plusieurs Sociétés ont fait paraître des livrets concernant leurs activités, constituant un dévelop- pement de certains sujets du programme ou une mise à jour des connaissances des professeurs et des étudiants. Le travail le plus significatif dans ce domaine a probablement été effectué par BP, Shell, ICI et Unilever et les professeurs canadiens et américains peuvent certainement acquérir des copies de leurs publications par l'intermédiaire de filiales ou de compagnies associées. Une solution beaucoup plus satisfaisante consiste à encourager les compagnies américaines à produire leur propre matériel, en relation spécifique avec les besoins des industries locales et des professeurs, et de le réaliser en étroite collaboration avec des professeurs en exercice afin d'obtenir un matériel pertinent et approprié. Il me semble que le modèle courant de matériel américain de ce type n'est pas excellent, bien que CIL ait apporté quelques modifications utiles au matériel anglais. Une utilisation plus fructueuse des techniques industrielles est la production de matériels qui aident directement au d6veloppement du programme (2,3). Les industries cana- diennes pourraient offrir une telle aide en réalisant plus souvent des études ponctuelles montrant les aspects sociaux, économiques et écologiques de quelques- unes de leurs installations courantes, bien que la vérité oblige à signaler que 1'"American Manufacturing Chemists Asso- ciation" a produit quelques matériels intéressants et très utiles ; de telles considérations devraient recevoir une attention plus soutenue dans les écoles de manière à développer une génération plus instruite de ces problèmes.

341

' Les tableaux muraux peuvent être très utiles surtout pour l'illustration simplifiée des diagrammes de circulation des fluides. Plusieurs sociétés produisent de tels diagrammes, mais pour la plupart ils souffrent du désir de mettre un grand nombre d'informations sur un seul tableau, ou d'une appréciation insuffisante des concepts mis en jeu ; ici encore la participation active de professeurs jouant le rôle de conseillers peut prévenir de telles erreurs.

Quelques firmes ont réalisé des montages en rapport direct. ou indirect avec leurs activités, encore qu'il s'agit là d'un développement qui n'a pas beaucoup progressé en dehors su Royaume Uni. Des exemples : le "Star River Project" parrainé par ESSO, une simulation qui concerne l'installation d'un ensemble de pétrochimie sur une zone sans infrastructure au bord d'une rivière et traite par simulation de la façon dont l'industrie pétrochimiqueprend ses décisions. Des études ultérieures ont été réalisés sur l'installation d'un terminal pétrolier, le marché des paraffines, le choix d'un pétrolier cÔtier,l'exploitation du pétrole en Mer du Nord.On peut obtenir des échan- tillons de diverses sources industrielles, mais ils sont d'habitude peu utiles aux professeurs, sauf s'ils sont accompagnés de la bibliographie nécessaire indiquant comment ils peuvent être utilisés à Ilé- Cole. C'est encore un domaine OÙ l'inter-

Les films, les films en boucle fermée et les diapositives sont une autre façon de fournir aux élèves une "pseudo" expérience industrielle et plusieurs entreprises du Royaume Uni ont développé un ou plusieurs de ces types d'aide. Pour une utilisation à l'école la plupart des films sont pourtant trop longs et d'un contenu trop exhaustif. Au contraire les films en boucle fermée traitent d'un seul sujet et peuvent être facilement regardés une ou plusieurs fois pour être assimilés. Les montages de diapositives ont souvent les mêmes défauts que les films, mais les professeurs peuvent au moins enlever ce qui leur semble hors de propos pour une leçon donnée. Il doit exister beaucoup de concepts chimiques qui peuvent être rendus plus réels s'ils sont reliés aux procédés de l'industrie canadienne : on ne saurait trop répéter que l'industrie locale devrait fournir de tels matériels ; l'exemple du Royaume Uni montre qu'on peut y arriver facilement.

Formation des maitres et cours de per- f ec t ionnemen t .

Si les premiers cours de formation au Canada et aux Etats Unis ressemblent à ceux du Royaume Uni, très peu de futurs professeurs de chimie se familiariseront avec des méthodes susceptibles d'apprendre aux étudiants les procédés industriels et les relations entre leur spécialité, l'industrie, l'environnement, etc. C'est

vention de conseillers est très importante. Dans ce domaine la "Plastic Division" de dans la formation de base et dans la ICI a rendu un service très utile en vendant formation continue, en fournissant ou eu à des écoles, à prix coÛtant,de gros pa- facilitant par son aide les cours néces- quets de chutes de perspex ; ce produit a saires. Mes propres étudiants ont passé une multitude d'utilisations potentielles au cours de ces dernières années une danS.les cours scientifiques et techniques semaine sur une installation chimique et peut-être des expériences similaires particulière pour en étudier toutes les pourraient-elles être tentées sur ce con- ramifications (5) tandis que d'autres t inent . années ils ont encadré un groupe d'enfants

dans une étude des industries et de l'environnement dans leur propre localité (6); dans les deux cas il y a eu une aide

de la part des industries concernées.

là que l'industrie peut apporter son aide

Si l'on désire que l'école développe encore plus laconscience de l'existence de la chimie industrielle, les professeurs financière et matérielle très généreuse doivent être aidés par des procédés visuels modernes montrant les étapes les plus importantes des procédés industriels. L'industrie peut ici apporter son aide en four- des voyages d'études et de perfectionne- nissant des transparents adaptés et des ment durant lesquels les professeurs ont notes pour des diagrammes de circulation pu améliorer leurs propres connaissances des fluides dans les procédés industriels des procédés industriels et, dans quel- modernes. Au Royaume Uni quelques-uns sont ques cas, manipuler dans des laboratoires maintenant commercialisés. de l'industrie.

On a aussi organisé en Angleterre

342

L'ICI en a essayé avec succès une intéressante variante : un groupe de professeurs a rencontré un groupe de scientifiques de l'industrie pour mettre 2 jour leurs connaissances sur certains aspects de l'industrie et de l'éducation, et coo- pérer ensuite pour la rédaction de textes adaptés 2 l'enseignement des grandes classes (7). Quelques-uns de ces textes sont disponibles auprès de CIL.

Les industries chimiques ont éga- lement subventionné des périodes pendant lesquelles les professeurs et les étudiants de dernière année ont réalisé des travaux pratiques de longue durée souvent en relation avec les procédés industriels et de nature très complexe(8).

La création avec l'aide de l'industrie du "Centre d'Information des Ecoles sur 1 'Industrie chimique" au "North London Polytechnic" a été, à plusieurs titres, le projet le plus significatif au Royaume Uni pour la documentation des professeurs. La préposée aux relations peut renseigner les professeurs et édite régulièrement un bulletin d'informations ; plus récem- ment ce centre a commencé la réalisation des documents visuels correspondants.

Fourniture d'appareillage.

J'espère que les idées émises jusqu'ici valent la peine d'être développées de ce côté de l'atlantique ; il n'y a pas de doute que la partie vitale dans toutes ces initiatives est la coopération étroite professeurs-industrie. Aucune des deux parties ne peut faire, seule de son côté, quelque chose pour revivifier l'enseignement de la chimie et lui redonner de l'intérêt aux yeux des étudiants d'aujour- d'hui.

Un laboratoire de recherche de l'industrie dispose souvent d'un appareillage et de produits chimiques dont il n'a plus

matériels vers les écoles est nécessaire. Ces écoles aux maigres ressources, sont avides de tout matériel, des tubes 2 essai aux spectromètres infra-rouge sophistiqués. De nombreuses écoles au Royaume Uni se déclareraient très satisfaites de cadeaux

chimistes de l'industrie mettent sans ré- fléchir de tels appareils au rebut.

besoin ; une voie d'acheminement de ces 4.

de cette nature mais, très souvent, les 5.

Voilà donc les façons directes par lesquelles l'industrie peut aider l'enseignement de la chimie dans les écoles. Dans la deuxième partie ( Canadian Chemical Education 11 (4) 78 (1976)) je souhaite examiner les façons indirectes pour lesquelles l'industrie peut apporter son aide.

Bibliographie.

1 . The Schools-Industry Link Scheme, B.A. Haines. Schools-Industry Link Sche Scheme Advisory Commitee, Alembic House, 93 Albert Embankment, London.

2. Industrial Horizons : The Location of an Oil-Refinery, M. Walker. Ed. D.J. Daniels, Bath University Press 1974.

3. Chemistry Case Studies, Ed. D.J. Daniels, B. Hallas and W.J. Hughes. Joint Matriculation Board, Manchester 15, 1974. Overhead transparencies and overla ys for : routes to phenol, Haber process, production of ethanol, production of nitric acid, Solvay process, Contact process. D.J. Daniels and M.J. Tomlinson. Philip Harris Ltd., Birmingham. Trainee Teachers Visit Industry, D.J; Daniels and G. Llyod. Chemistry and Industry (1970) p. 1299.

Subventions. 6. Interdisciplinary Studies, D.J. D Daniels. Educ. Chem. 9 6 , 214((1972)

Les professeurs ont souvent des idées pour le développement des programmes qui méritent d'être creusée mais qui n'abou-

vement modestes. Une autre faqon d'aider ces professeurs est l'attribution de bourses spéciales qui leur permettraient de passer un an dans une université pour se remettre à jour et elaborer des programmes.

tissent pas faute de subventions relati- 7.

8. A

and An Experiment in Interdiscipli- nary Studies. D.J. Daniels. Educ. in Sci. , Jan. 35 ( 1 973). E.g. Catalysts. C.J. Attridge. D.J. Daniels, P. Gysin, B. Haines. (One a series of Sixth Form Topics) ICI (1972). D.J. Daniels and M.J. Tomlinson. The Ashby Project Week. Educ. Chem., 1 1 2, 54 (1974).

343

Que peut apporter l'industrie chimique à l'enseignement? 2eme partie D. J. Daniels

J'espère que parmi les idées émises j usqu' ici (Canadian Chemical Education 1 1 , 60 (1975) quelques unes méritent d'être suivies de près de ce côté de l'Atlantique. On ne saurait trop insister sur le fait que la composante essentielle dans toutes les initiatives est la coopération étroite entre les professeurs et l'industrie. Aucune des deux parties ne peut, seule, faire grand'chose pour vivifier l'enseignement de la Chimie et le faire apparaître pertinent aux yeux des étudiants d' aujourd'hui.

Passons sur l'aide directe que l'industrie peut fournir à l'enseignement de la chimie dans les écoles. Je désire explorer ici les diverses manières indirectes par lesquelles l'industrie peut apporter une aide. Les programmes scientifiques des dernières années d'études sont, trop souvent, dictés par les besoins des universités. Cela a des effets malheureux dont beaucoup se re- flètent à des niveaux plus bas de l'école. Un des problèmes les plus significatifs est la tendance à envisager la chimie seulement comme une discipline académique qui a peu de contacts avec les domaines situés en dehors des limitations étroites imposées par une définition rigoureuse des sujets. Je reconnais cependant que quelques cours pour des non scientifiques essayent de relier la chimie et la société, comme le fait l'uni- versité de Windsor. Le point significatif est que de tels cours sont rarement offerts à des étudiants qui ont l'intention d'obtenir leur diplôme de chimie . Le secteur de la chimie industrielle est parmi les plus importants actuellement, à la fois directement et indirectement

par son activité, son importance écono- mique et son impact sur les gens et l'environnement. Il me semble que tous les cours scientifiques au Canada devraient traiter de quelques aspects du développement et des effets de l'industrie chimique canadienne ; d'ailleurs , il existe peut-être d'autres objectifs très importants qui n'ont pas été envisagés. Quels sont alors les aspects de l'industrie chimique qui pourraient et devraient légitimement être inclus dans un cours scientifique avancé à l'école ? J'en propose quatre : la chimie des procédés ; les éléments du génie chimique ; l'arrière plan économique de l'industrie ; les facteurs sociaux et économiques liés à la situation et au fonctionnement d'une usine chimique.

comme exemple, j'ai l'intention de suggérer comment quelques-uns des domaines ci-dessus pourraient légitime- ment faire partie d'un cours de chimie au lycée.

Quels sont alors les problèmes chimiques et techniques posés par la réalisation et le fonctionnement d'une installation Haber ? Une telle installation fera inévitablement partie d'un ensemble plus vaste produisant des engrais et ne peut pas être dissociée des problèmes économiques. Il suffit de dire à ce niveau que la production d'ammoniac doit suffire pour assurer le

En prenant le processus Haber

k Présentée à Chem. Ed. 75,19-22 Août, 1975. Université de Waterloo, Waterloo ON. Part 1 : Canadian ChemicaZ Education, 1 1 (3) 60 (1975).

344 Reproduit avec l'autorisation de Chem. 13 News, vol. 82, décembre 1976, p. 6-9. 0 Copyright University of Waterloo 1976.

fonctionnement continu de l'usine asso- ciée de production d'engrais mais ne doit pas être trop abondante et créer des problèmes de stockage avant son utilisation. Parallèlement on doit avoir une petite réserve pour le cas où l'installation Haber devrait être mise hors circuit temporairement pour une raison ou pour une autre. Le problème global est alors celui de l'ajustement de la production d'ammoniac et pour une petite usine on peut le représenter schématiquement par la figure 2. L'équation de base pour la synthèse de l'ammoniac :

AH = -93 kJ N2 + 3H2 '=$= 2NH3

est bien connue,mais quelles sont les implications de cette réaction pour une opération à grande échelle ? Le succès de la synthèse de l'ammoniac dépend de la disponibilité, en grandes quantités , d'un mélange 3: 1 d'hydrogène et d'azote extrêmement pur. On a exploité diverses sources d'hydrogène. En Angle- terre on l'a préparé initialement à partir du gaz à l'eau puis par reformage à la vapeur du naphtha, et plus récemment à partir du gaz naturel (méthane), par un procédé analogue. La disponibilité de sources de prix raisonnable a été le facteur déterminant le plus important de ces changements. L'azote est, depuis toujours, obtenu à partir de l'air.

Préparation des gaz destinés à la synthèse.

Le gaz naturel est amené par gazoduc à une pression d'environ 2MPa. Les composés soufrés sont enlevés par absorption, probablement sur catalyseur à base de zinc, et le gaz est ensuite comprimé à une pression de 2 à 4 MPa, avant reformage partiel à 'La vapeur, dans un four, avec un catalyseur au nickel :

CH4(g) + H20(g) =CO(g) + 3H2(g) & = -206 kJ

L'hydrocarbure et la vapeur sont employés dans un rapport d'environ 2: 1. Un approvisionnement contrôlé en air est l'agent principal de reformage dans le four secondaire, de nouveau avec un catalyseur au nickel. La combustion du méthane non utilisé avec l'oxygène de l'air fournit la chaleur de la réaction :

AH = -318 kJ Dans le cas OÙ le naphta est encore utilisé, des réactions analogues se dé- roulent dans les appareils de reformage.

Réaction de conversion.

reformage secondaire sont refroidis 2 environ 350°C dans des récupérateurs de chaleur (du type échangeur de chaleur) , tandis que la chaleur dégagée est utili-

Les gaz venant de l'appareil de

Reformage

Catalytique Vapeur (H20)

Air (O2 et N2)

900 tonnesljour NH

(1) Stockage 5000 tonnes max.

(2) Exportation Utilisation totale 1500 tonnes/jour 900 tonnesljour

3 NH4 NO

DEFICIT ( 1 ) Consommation

(2) Importation 5000 tonnes max.

1500 tonnesljour

Figure 2. Production et traitement de Z 'Amoniac.

345

sée pour former de la vapeur à haute pression. Cette vapeur, en présence d'un catalyseur fer-chrome, réagit avec le monoxyde de carbone présent :

CO(g)+H20(g) +C02+H2(g)

Le dioxyde de carbone est éliminé par absorption dans une solution chaude de carbonate de potassium et récupéré ensuite en chauffant la solution à la vapeur, Les traces restantes de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone sont éliminées par reaction avec l'hydrogène (méthanation) sur catalyseur à base de nickel à environ 350'C dans un réacteur en acier :

AH = -40 kJ

C02(g) + 4H2(g) e= CH4(g) + 2H20 (€9 A H = -166 kJ

co(g) + 3H2(g) fCHq(g) + H2O(g)

Préchauffage de l'air ,-,

NH3 liquide Fiqure 3.

un échangeur de chaleur et, après réaction, envoyé à travers un échangeur de chaleur

A H = -206 kJ Cette demière réaction est évidemment l'inverse de la première étape de reformage. de Les produits sont

finalement refroidis et envoyés dans un séparateur pour enlever l'ammoniac liquide Synthèse de l'ammoniac.

comprim6 entre environ 15 et 35 MPa et recyclés, avec une purge périodique, pour mélangé avec des gaz recomprimés provenant

Le mélange hydrogène/azote 3: 1 est résiduel. Les gaz non transformés sont

éliminer le méthane qui n'a pas réagi et du convertisseur de synthèse, Il est l'argon apporté par chauffé à la température de réaction dans tallation simplifié

figure 3. Prix de Revient de la Production d'Amoniac Charges fixes :

Coût en capital 8 3.500.000 coût total (comprenant le fonds de roulement) 3.920.500

Coût de la Production en $/tonne :

Charges fixes en capital (dépréciation, etc. 20 % par an)

150 tonnes/ j Our usine équipée de compr e s se urs alternatifs

8 14.00 Charges de fonctionnement :

Naphta Catalyseurs et produits Combustible des fours - naphta Combustible des chaudières - mazout Energie électrique Eau de fonctionnement Eau de refroidissement Travail Sous produit

Total des charges de fonctionnement 8

7.74 1 .O2 3.04

3.76 o. 12 0.20 0.80

16.68

-

-

Total de coût de production ($/tonne) $ 30.68

l'air. Un schéma d'ins- est représenté par la

Tableau 1.

8 10.000.000

11.200.000 750 tonnes/jour usine équipée de comp r e s s e Ur s c en t r i- fuges et de récupé- rat eurs d' énergi e ,

8 8.16

8.10 1 .O2 5.86 0.30 1.12 o. 10 1. ,O6 O. 16 2.32

8 15.40 $ 23.56

Adapté de R. Fowler. Tendances dans l'Industrie de fixation de l'Azote. Dans Modem Chemistry in Industry. Ed. J.G. Gregory, Société pour l'Industrie Chimique 1968.

346

Considérations Economiques et Sociales,

augmente avec la capacité et comme la production d'engrais a dramatiquement augmenté dans les dernières années, (cf. Figure 4), la dimension des installations Haber a augmenté. En 1965 des installations de 300 tonnes/jour étaient courantes et, plus récemment, quelques installations à 3000 tonnes/jour ont été réalisées. Le tableau 1 indique les coûts relatifs de la production d'amoniac dans de grandes et petites installations. Même s'ils sont déjà anciens ces

On a longtemps cru que le rendement

. 14 !a, .,x 13

3 10

$ 8

12 11

- 9

2 ' u 6 a 5 " 4 .rl 3

E l O

a,

g .; 2 3

NH3 de synthèse

Cyanamide calcique

CT] NH3 Sous-produit 0 Salpêtre du Chili

1900 10 20 30 40 50 60

Figure 4. Production d'azote fixé.

chiffres sont significatifs. Quoi qu'il en soit, de tels chiffres supposent que l'installation travaille à plein régime et ce n'est normalement absolument pas le cas ; avec une capacité mondiale de 60 mégatonnes/an on produit réellement seulement 48 mégatonnes/an. Sur cette quantité 39 mégatonnes sont employées pour la production d'engrais et on s'attend 5 une augmentation annuelle de 7 %, pour atteindre 58 mégatonnes en 1980. Jusqu'ici la quantité d'engrais produite a équilibré l'augmentation régulière des demandes venant surtout des pays industrialisés, mais on a prévu un déficit de 4 % (5mégatonnes) vers 1977, ce qui représente une perte cumulative catastrophique en production de céréales de quelques 100 mégatonnes. Les pays les plus touchés seront les pays les moins développés qui,avec le tiers de la population mondiale, ne peuvent acquérir que moins du quart de la quantité disponible d'engrais. Les Etats-Unis et

l'Europe Occidentale représentent la moitié de la consommation totale, tandis que l'Afrique en utilise moins de 1 %. Il y a une double raison 2 cela : les pays sous-développés rencontrent de grandes difficultés pour trouver l'argent pour acheter soit l'engrais soit les installations chimiques nécessaires à la production locale, tandis que les producteurs n'ont pas assez augmenté leur production pour leur propre demande. Par exemple, tandis que les prix de l'engrais de production Sud-Africaine sont bien plus bas que ceux du reste du monde, les exportations ont baissé, car la demande intérieure a augmenté cte-90 X en 1973/74, et on est arrivé à une situation où les engrais azotés doivent être importés. A l'école, une discussion de facteurs du type de ceux énumérés ci-dessus rendra l'étude de la synthèse de l'amoniac plus pertinente et plus intéressante, mais elle ne serait pas complète si on ne mentionnait pas les controverses sur la quantité de nitrates que les engrais azotés ajoutent à l'eau des rivières et aux sources d'eau potable. Des études réali-sées par le Laboratoire d'Etude de la Pollution de l'Eau dans le Royaume Uni indiquent que dans certains domaines plus de 30 2 des nitrates utilisés conune engrais sont entraînés par lessivage dans les rivières, tandis qu'une étude américaine a montré les corrélations significatives existant entre le pourcentage d'azote provenant des engrais et la concentration totale de nitrate dans le Lac Decatur.

Certaines inquiétudes actuelles proviennent de discussions sur la façon dont ces ions nitrate peuvent être trans- formés, par des processus naturels, en agents carcinogènes, tels que les nitrosamines.

11 ne faut pas passer sous silence le fait que les engrais azotés, bien qu'ils soient importants, ne constituent qu'une partie d'un réseau d'activités qui foumissent la nourriture pour la population et qui sont bien résumées dans la Figure 5 (due à P.W. Reynolds (1)).

La plupart des interactions entre la chimie , la technologie, les problèmes de l'environnement et l'économie sont incluses dans cette étude détaillée de la production de l'ammoniac, mais il est peut-être utile d'indiquer d'autres

347

sortes d'informations qui peuvent être utilisées. La Figure 6 montre les relations entre la consommation, la production et le prix du nickel sur une période de quelques années. Elle peut servir de base pour tirer certaines conclusions évidentes et animer des discussions.

1

situées 2 Maitland, Courtright et Sarnia dans l'Ontario, Calgary, Redwater, Medicine Hat et Fort Saskatchewan dans 1 'Alberta, Trail , BC, et Cornwallis dans le Manitoba. Comment ces sites sont-ils reliés aux particularités géographiques, aux différentes sources d'hydrogène,à l'offre de main d'oeuvre etc, et quels sont les avantages et les désavantages pour les zones concernées ? D'autres développements récents, qui pourraient conduire à des discussions an a 1 o gue s in t é r e s s an t e s , pourrai en t être le projet du complexe de production d'engrais phosphatés de Texasgulf à Timmins, en Ontario, qui, s'il se réalisejutilisera les roches phosphatées provenant de Caroline du Nord et l'acide sulfurique provenant des fonderies d'Ontario ; ou le projet des mines de columbium à St. Honoré qui nécessitera 1000 tonnes/an d'acide éthane-dioïque pour traiter environ 500.000 tonnes/an de minerai. L'acide devra être importé du New Jersey. C'est par ces moyens que la chimie, étudiée dans son contexte social, prendra un sens aux yeux de la plupart des étudiants.

Conservateurs

Herb i ci des I

1 7 - 1 , Pesticides Récoltes

Nourriture pour les hommes

Figure 5. Nourriture Ù partir de quelques sources nature 2 les.

Je suggérerai finalement qu'on devrait utiliser une carte du Canada, indiquant 1 'emplacement des plus grandes industries chimiques, comme point de départ pour intégrer un sujets étudiés dans le secondaire, en provoquant des discussions sur la signification du choix des différents emplace- ments.

avons considéré, les installations sont

grand nombre des

Dans le cas de l'ammoniac que nous

Prix sur le marché libre 4000 500

400

300

200

al G O

&+ d a w

10

Prix B la production 150

1962 1965 1968 1971

Figure 6. Prix du nickel, Consommation totale et production.

348

Si le sujet doit être enseigné de Bibliographie, cette façon, l'évaluation doit être modifiée pour prendre en compte les aspects technologiques et donner l'occasion aux étudiants de formuler des jugements de valeur. Nous devons réfléchir plus à fond sur les moyens d'obtenir des évaluations valables et sûres, à l'intérieur de ce nouveau cadre. Pour illustrer les types de questions qui devraient être posées, je vous demande de vous reporter à celles proposées par le Joint Matricu- lation Board du Royaume Uni (2).

1 .

2.

Agriculture, nourriture et engrais. Dans la Chimie Moderne dans l'Indus- trie. P.W. Reynolds. Society for ChemicaZ Industry , 1968.

Chimie (Avance'e) Programme Echanti Z lon de Questions. Joint Matriculation Board, M. 15, 1974.

A.

Manches ter

349

(II) ED.IO/XIV.II 3 / F

nouvelles tendances de l'enseignement de la chimie, v.5; l

Documents