PROTOTYPE D ÉPREUVE. Chimie. Troisième année du deuxième cycle du secondaire (5 e secondaire) Guide d administration et de correction

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1 PROTOTYPE D ÉPREUVE Chimie Troisième année du deuxième cycle du secondaire (5 e secondaire) Guide d administration et de correction 2010

2 Gouvernement du Québec, 2010 Le ministère de l Éducation, du Loisir et du Sport autorise les commissions scolaires et les établissements d enseignement privés à reproduire ce document à des fins pédagogiques, sur support papier seulement. Tout autre mode de reproduction ou de diffusion est interdit sans l autorisation préalable du Ministère.

3 TABLE DES MATIÈRES INTRODUCTION CONTENU DU PROTOTYPE D ÉPREUVE Compétence disciplinaire évaluée Caractéristiques générales Concepts visés dans l épreuve Autres connaissances évaluées Documents constituant l épreuve CONDITIONS D ADMINISTRATION DE L ÉPREUVE Date de passation Durée Ressources autorisées Déroulement de l épreuve MODALITÉS DE Responsabilité de la correction Prise en compte des chiffres significatifs CONSTITUTION DU RÉSULTAT... 9 ANNEXE I Tableau de classification périodique des éléments ANNEXE II Formules et grandeurs ANNEXE III Questionnaire de rétroaction... 25

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5 INTRODUCTION En cette période d implantation du programme de chimie, le ministère de l Éducation, du Loisir et du Sport propose un prototype d épreuve en Les écoles ne sont pas tenues de l administrer, mais le Ministère les encourage fortement à l utiliser. L'épreuve illustre la façon d'évaluer les apprentissages. Elle constitue un modèle appelé à évoluer avec le temps, en fonction de l'application du nouveau programme. Nous invitons les personnes engagées dans l administration de cette épreuve à remplir le questionnaire de rétroaction (annexe III) et à le retourner à la Direction de l évaluation, à l attention de la personne responsable. Vos commentaires permettront d orienter nos travaux d élaboration des futures épreuves. Chimie 5 5 e secondaire

6 1 CONTENU DU PROTOTYPE D ÉPREUVE 1.1 Compétence disciplinaire évaluée Compétence 2 Mettre à profit ses connaissances en chimie 1.2 Caractéristiques générales Ce prototype d épreuve amène l élève à analyser des phénomènes et des applications en chimie. L élève a différents problèmes à résoudre individuellement en mobilisant ses connaissances sur les gaz, l aspect énergétique des transformations, la vitesse de réaction et l équilibre chimique, qui sont des concepts généraux du programme de chimie. La présente épreuve, qui compte un total de 60 points, comprend des questions dont le thème est inspiré de professions ou de métiers. Le domaine général de formation Orientation et entrepreneuriat est mis en évidence, ainsi que la place de la chimie au quotidien. L épreuve comprend des questions à développement, liées aux critères d évaluation de la compétence 2. Les trois critères évalués par cette épreuve sont : Utilisation pertinente des concepts, des lois et des modèles de la chimie Production d explications pertinentes Justification adéquate des explications Il est à noter que le premier critère de la compétence 2, Formulation d un questionnement approprié, n est pas évalué 6 5 e secondaire Chimie

7 1.3 Concepts visés dans l épreuve Concepts généraux Concepts prescrits Gaz Aspect énergétique des transformations Vitesse de réaction Équilibre chimique Propriétés physiques des gaz o Loi générale des gaz o Loi des gaz parfaits o Loi de Dalton o Hypothèse d Avogadro Diagramme énergétique Énergie d activation Variation d enthalpie Chaleur molaire de réaction Facteurs qui influencent la vitesse de réaction o Nature des réactifs o Concentration o Température o Catalyseurs Facteurs qui influencent l état d équilibre o Concentration o Température o Pression Principe de Le Chatelier Constante d équilibre o Constante d ionisation de l eau o Constantes d acidité et de basicité Relation entre le ph et la concentration molaire des ions hydronium et hydroxyde 1.4 Autres connaissances évaluées Chiffres significatifs et incertitude dans la mesure 1.5 Documents constituant l épreuve Cahier des tâches : document présentant les tâches ainsi que les questions auxquelles les élèves doivent répondre. Cahier de réponses : document dans lequel l élève consigne toutes les traces pertinentes pour la réalisation de l épreuve. Chimie 7 5 e secondaire

8 2 CONDITIONS D ADMINISTRATION DE L ÉPREUVE 2.1 Date de passation Le prototype d épreuve n est pas d administration obligatoire. S il est utilisé, la date d administration est déterminée par les établissements scolaires. 2.2 Durée 3 heures 2.3 Ressources autorisées Lors de l épreuve, l élève a besoin d une calculatrice scientifique. 2.4 Déroulement de l épreuve Chaque élève doit réaliser cette épreuve individuellement. Préparation Pour préparer l élève à la passation de l épreuve, une révision des concepts étudiés durant l année scolaire est de mise. Il est souhaitable que les élèves soient familiers avec les listes de formules et de grandeurs ainsi que le tableau de classification périodique des éléments auxquels ils auront droit. Réalisation L élève prend connaissance des tâches et des questions incluses dans le Cahier des tâches. Par la suite, il doit consigner tous ses éléments de réponse dans le Cahier de réponses. 8 5 e secondaire Chimie

9 3 MODALITÉS DE 3.1 Responsabilité de la correction La correction de l épreuve est sous la responsabilité des organismes scolaires et se fait à partir des modalités de correction fournies par le Ministère. Afin de s assurer d une compréhension commune des outils d évaluation, le personnel enseignant aurait avantage à se regroupe en comité de correction. L analyse de quelques copies d élèves permet à l équipe de mieux cerner la qualité de la production attendue selon les clés de correction proposées pour l épreuve. 3.2 Prise en compte des chiffres significatifs Les exemples de démarches présentés dans ce document prennent en compte les chiffres significatifs à chaque étape. Un élève ne devrait pas être pénalisé s il procédait autrement, à moins d indication contraire, comme c est le cas à la question 2. 4 CONSTITUTION DU RÉSULTAT Le résultat à l épreuve est noté sur 60 points. Il est souhaitable de le convertir en un résultat sur 100 points. Le pointage apparaissant au bas des items n est pas en pourcentage. Chimie 9 5 e secondaire

10 1. Accepter deux des trois actions suivantes : Augmenter la concentration des réactifs Augmenter la pression Diminuer la température Note : Accepter toute autre réponse jugée pertinente. 4 points Deux actions exactes 3 points Ne s applique pas. 2 points Une action exacte 1 point Ne s applique pas. 0 point Deux actions inexactes ou absentes 2. Exemple d une démarche appropriée Nombre de moles de H 2(g) nécessaire pv = nrt kpa L 102,3 kpa 8,00 L = n 8, K mol K n = 0,330 mol D après l équation, la production d une mole de H 2(g) exige une mole de Ca (s). Résultat Quantité de calcium à utiliser : 0,330 mol 4 points Démarche appropriée et résultat exact 3 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à des erreurs mineures comme un calcul arithmétique erroné, une transcription incorrecte, une unité de mesure omise ou incorrecte ou un nombre inadéquat de chiffres significatifs 2 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à des erreurs majeures comme l utilisation des degrés Celsius au lieu des kelvins dans ses calculs 1 point Ne s applique pas. 0 point Démarche inappropriée ou absente, peu importe le résultat 10 5 e secondaire Chimie

11 3. A) Procédé à utiliser : Le procédé avec le Ca est le plus rapide. Note : Une sélection erronée du procédé en A ne doit pas influer sur la correction de B. 2 points Procédé bien identifié 1 point Ne s applique pas. 0 point Résultat inexact ou absent B) Justification Lorsque le pétrochimiste augmente la concentration des réactifs, seuls ceux qui sont gazeux et aqueux sont impliqués dans le changement de vitesse de la réaction. Dans les deux procédés, le seul réactif à l état aqueux ou gazeux est la solution d acide chlorhydrique. Doubler la concentration de l acide chlorhydrique dans chacun des deux procédés va donc quadrupler la vitesse des deux procédés. La vitesse étant quadruplée dans chacun des cas, il n y a pas de raison de vouloir changer de procédé. Note : Une justification utilisant la formule de vitesse de réaction est aussi acceptée. 4 points Justification appropriée et complète 3 points Ne s applique pas. 2 points Justification partiellement appropriée, par exemple, où il est affirmé qu il n y a pas de différence, car la concentration est doublée dans les deux procédés, sans que ne soit mentionné le fait que seule la concentration des réactifs aqueux ou gazeux peut être augmentée. 1 point Ne s applique pas. 0 point Justification inappropriée ou absente Chimie 11 5 e secondaire

12 4. Exemple d une démarche appropriée p 1 = T 1 p T kpa p = K 293 K p 2 = 214 kpa Explication À une température de 20,0 C, la pression des pneus atteint 214 kpa. La pression maximale recommandée étant de 245 kpa, il n y a pas de raison de s inquiéter. 4 points Démarche appropriée et explication exacte 3 points Démarche appropriée, mais explication inexacte due à une erreur mineure comme un calcul arithmétique erroné, une transcription incorrecte ou une unité de mesure omise ou incorrecte 2 points Démarche appropriée, mais explication inexacte due à une erreur majeure comme l utilisation des degrés Celsius au lieu des kelvins. 1 point Démarche partiellement appropriée, par exemple qui présente le calcul de P 2 sans fournir d explication 0 point Démarche inappropriée ou absente, peu importe l explication 12 5 e secondaire Chimie

13 5. Exemple d une démarche appropriée pv = nrt kpa L 190 kpa 10,0 L = n 8, K mol K n = 0,780 mol p = pa p T n n A T p pa p pa = 190 kpa = 41,6 kpa 0,780 mol 0,2192 0,780 mol Ou 190 kpa 0,2192 = 41,6 kpa Résultat Pression exercée par les autres gaz : 41,6 kpa. 4 points Démarche appropriée et résultat exact 3 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à des erreurs mineures comme un calcul arithmétique erroné, une transcription incorrecte ou une unité de mesure omise ou incorrecte 2 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à une erreur majeure comme l utilisation de 78,08 % au lieu de 21,92 % 1 point Ne s applique pas. 0 point Démarche inappropriée ou absente, peu importe le résultat Chimie 13 5 e secondaire

14 6. Exemple d une démarche appropriée Masse molaire du CH 4 = 16,05 g/mol Masse molaire du C 3 H 8 = 44,11 g/mol Dans la bonbonne de méthane, il y a : 1200 g = 74,77 mol de méthane. 16,05 g/mol Dans la bonbonne de propane, il y a : 1650 g = 37,41 mol de propane. 44,11 g/mol Justification Selon l hypothèse d Avogadro, des volumes égaux de gaz, aux mêmes conditions de pression et de température, possèdent le même nombre de particules. Dans le cas présent, les deux gaz ont les mêmes conditions de pression et de température. Si le nombre de moles est égal pour les deux gaz, les contenants respectifs de chacun ont le même volume, mais ce n est pas le cas ici. Comme il y a une plus grande quantité de méthane que de propane, le volume de la bonbonne de méthane doit être plus grand que celui de la bonbonne de propane. 4 points Démarche appropriée, résultats exacts et justification adéquate 3 points Démarche appropriée et justification adéquate, mais résultat inexact dû à une erreur mineure comme un calcul arithmétique erroné, une transcription incorrecte ou une unité de mesure omise ou incorrecte Ou Démarche appropriée et résultats exacts, mais justification incomplète, par exemple où l hypothèse d Avogadro est omise 2 points Démarche partiellement appropriée et justification appropriée par rapport aux résultats 1 point Démarche partiellement appropriée, peu importe la justification 0 point Démarche inappropriée ou absente, peu importe la justification 14 5 e secondaire Chimie

15 7. Résultat 4 points Production adéquate du diagramme 3 points Production adéquate du diagramme, mais qui comporte une erreur mineure comme une transcription incorrecte ou une unité de mesure manquante 2 points Production partiellement adéquate du diagramme, par exemple qui présente une identification et une reproduction correctes de 2 des 3 éléments à corriger dans le diagramme 1 point Production partiellement adéquate du diagramme, par exemple qui présente une identification et une reproduction correctes de 1 des 3 éléments à corriger dans le diagramme 0 point Production inadéquate du diagramme ou diagramme absent Chimie 15 5 e secondaire

16 8. Exemple d une démarche appropriée m 1 c 1 Δt = m 2 c 2 Δt Eau Chocolat ( m 1 4,19 J/g C (25,0 C 35,0 C) = 2000 g 1,8 J/g C (25,0 C 4,0 C)) m 1 = 1, g Résultat Volume d eau nécessaire : 1,8 L d eau. 4 points Démarche appropriée et résultat exact 3 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à une erreur mineure comme un calcul arithmétique erroné, une transcription incorrecte ou une unité de mesure omise ou incorrecte 2 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à une erreur majeure comme la soustraction de la T f à la T i. 1 point Démarche partiellement appropriée, par exemple qui présente la quantité d énergie nécessaire pour réchauffer le chocolat 0 point Démarche inappropriée ou absente, peu importe le résultat 16 5 e secondaire Chimie

17 9. Exemple d une démarche appropriée D après les graphiques, 1 mole de méthanol libère 730 kj (1200 kj kj) et 1 mole d éthanol libère 1370 kj (2800 kj kj). Éthanol Masse molaire de C 2 H 5 OH = 46,08 g 1370 kj/mol 46,08 g/mol = 29,73 kj/g Méthanol Masse molaire de CH 3 OH = 32,05 g 730 kj/mol 32,05 g/mol = 22,8 kj/g La quantité d énergie libérée par gramme de substance brûlée pour l éthanol est de 29,73 kj/g. La quantité d énergie libérée par gramme de substance brûlée pour le méthanol est de 22,8 kj/g. Chimie 17 5 e secondaire

18 Dans le réservoir de 45,0 L d éthanol, il y a : 4 4 4,50 10 ml 0,79 g/ml = 3,6 10 g d'éthanol La quantité d énergie contenue dans ce réservoir est : 4 6 3,6 10 g 29,73 kj/g = 1,1 10 kj La même quantité d énergie nécessite une masse de méthanol de : 6 1,1 10 kj 4 = 4,8 10 g 22,8 kj/g Il nous faudrait donc un réservoir de : 4 4,8 10 g 4 = 6,1 10 ml 0,79 g/ml Résultat Le volume du réservoir de méthanol est de 61 L. Rappel : Ne pas pénaliser l élève qui ne tient pas compte des chiffres significatifs. 6 points Démarche appropriée et résultat exact 5 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à une erreur mineure comme un calcul arithmétique erroné, une transcription incorrecte ou une unité de mesure omise ou incorrecte 4 points Ne s applique pas. 3 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à une erreur majeure comme une conversion incorrecte de L à ml 2 points Démarche partiellement appropriée et correcte permettant de calculer la quantité d énergie libérée par gramme de substance brûlée pour l éthanol ET le méthanol 1 point Démarche partiellement appropriée et correcte permettant de calculer la quantité d énergie libérée par gramme de substance brûlée pour l éthanol OU le méthanol 0 point Démarche inappropriée ou absente, peu importe le résultat 18 5 e secondaire Chimie

19 10. Résultat Explication de la modification 1 : L ajout du catalyseur va déplacer la barrière d énergie cinétique vers la gauche. Explication de la modification 2 : L augmentation de la température déplacera l ensemble de la courbe vers la droite. 6 points Diagramme et explications des modifications appropriés 5 points Ne s applique pas. 4 points Diagramme approprié, mais comportant une erreur dans une des deux explications d une modification 3 points Diagramme comportant une seule modification appropriée ainsi que l explication s y rattachant OU Explications des modifications appropriées, mais diagramme erroné ou absent 2 points Diagramme approprié, mais explications des modifications inappropriées ou absentes 1 point Ne s applique pas. 0 point Diagramme inapproprié ou absent et explications des modifications inappropriées ou absentes Chimie 19 5 e secondaire

20 11. Exemple d une démarche appropriée Constante d acidité : 5,5x10-5 Concentration : 1,9x10-4 mol/l K a + [ H ][ CH 2CHOO ] = [ CH CHOOH] 2 + [ H ] = [ CH 2CHOO + 5 [ H ][ CH 2CHOO ] 5,5 10 = 4 1,9 10 mol/l ] [ H + ] = 1, mol/l ph = log [ H + ] ph = log 1,0 10 ph = 4,00 4 mol/l Résultat Le ph de la solution d acide acrylique : 4,00. Note : Ne pas pénaliser l élève qui tient compte du changement de la concentration initiale. Rappel : Ne pas pénaliser l élève qui ne tient pas compte des chiffres significatifs. 4 points Démarche appropriée et résultat exact 3 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à une erreur mineure comme un calcul arithmétique erroné, une transcription incorrecte ou une unité de mesure omise ou incorrecte 2 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à une erreur majeure comme [ CH 2CHOOH ] l utilisation de l opération K a = + [ H ][ CH 2CHOO ] 1 point Démarche partiellement appropriée et correcte, par exemple qui présente seulement le calcul de la valeur de [H + ] 0 point Démarche inappropriée ou absente, peu importe le résultat 20 5 e secondaire Chimie

21 12. Exemple d une démarche appropriée Masse molaire NaOH = 40,00 g/mol 0,50 g 40,00 g/mol = 0,012 mol 0 7,012 mol = 4, L mol/l = [ H ][ OH 14 ] 1 10 = [ H ] 4, mol/l [ H + ] = 2, ph ph ph = log[ H + ] = log 2,5 10 = 7,62 8 Explication L ajout de 0,50 g de NaOH dans l eau du bassin entraîne la hausse du ph, qui atteint 7,62. Si les poissons doivent vivre dans une eau dont le ph varie entre 7,5 et 8,5, alors un ph de 7,62 est adéquat à leur survie. 6 points Démarche appropriée et explication exacte 5 points Démarche appropriée, mais explication inexacte due à une erreur mineure comme un calcul arithmétique erroné, une transcription incorrecte ou une unité de mesure omise ou incorrecte 4 points Démarche appropriée et résultat exact, mais explication incohérente avec le résultat 3 points Démarche appropriée, mais résultat inexact dû à une erreur majeure comme un calcul erroné quant à la quantité de moles que représente 0,5 g de NaOH. 2 points Démarche partiellement appropriée et correcte permettant de calculer la [H + ] dans le bassin 1 point Démarche partiellement appropriée et correcte permettant de calculer la [OH - ] 0 point Démarche inappropriée ou absente, peu importe l explication Chimie 21 5 e secondaire

22 13. Résultat Le volume de liquide mesuré par ce cylindre gradué est de : 44 ± 0,5 ml. 4 points Résultat exact 3 points Ne s applique pas. 2 points Résultat exact, mais omission de l unité de mesure 1 point Résultat comportant un nombre erroné de chiffres significatifs 0 point Résultat inapproprié ou absent 22 5 e secondaire Chimie

23 ANNEXE I TABLEAU DE LA CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS I A 1 1 H 1,01 3 Li 6,94 11 Na 22,99 19 K 39,10 37 Rb 85,47 55 Cs 132,91 87 Fr (223) II A 2 4 Be 9,01 12 Mg 24,31 20 Ca 40,08 38 Sr 87,62 56 Ba 137,33 88 Ra (226) III B 3 21 Sc 44,96 39 Y 88, La-Lu Ac-Lr IV B 4 22 Ti 47,90 40 Zr 91,22 72 Hf 178, (267) V B 5 23 V 50,94 41 Nb 92,91 73 Ta 180, (268) VI B 6 24 Cr 52,00 42 Mo 95,94 74 W 183, (271) VII B Mn Fe Co Ni 54,94 55,85 58,93 58, ,91 75 Re 186, (272) Légende Symbole de l élément 1 H 1,01 44 Ru 101,07 76 Os 190, (270) Numéro atomique Masse atomique VIII B 45 Rh 102,91 77 Ir 192, (276) 46 Pd 106,40 78 Pt 195, (281) I B Cu 63,55 47 Ag 107,87 79 Au 196, (280) II B Zn 65,39 48 Cd 112,41 80 Hg 200, (285) III A 13 5 B 10,81 13 Al 26,98 31 Ga 69,72 49 In 114,82 81 Tl 204, (284) IV A 14 6 C 12,01 14 Si 28,09 32 Ge 72,59 50 Sn 118,71 82 Pb 207, (289) V A 15 7 N 14,01 15 P 30,97 33 As 74,92 51 Sb 121,75 83 Bi 208, (288) VI A 16 8 O 16,00 16 S 32,07 34 Se 78,96 52 Te 127,60 84 Po (209) 116 (293) VII A 17 9 F 19,00 17 Cl 35,45 35 Br 79,90 53 I 126,90 85 At (210) VIII A 18 2 He 4,00 10 Ne 20,18 18 Ar 39,95 36 Kr 83,80 54 Xe 131,30 86 Rn (222) 118 (294) La 138,91 89 Ac (227) 58 Ce 140,12 90 Th 232,04 59 Pr 140,91 91 Pa 231,04 60 Nd 144,24 92 U 238,03 61 Pm (145) 93 Np (237) 62 Sm 150,36 94 Pu (244) 63 Eu 151,96 95 (243) 64 Gd 157,25 96 (247) 65 Tb 158,93 97 (247) 66 Dy 162,50 98 (251) 67 Ho 164,93 99 (252) 68 Er 167, (257) 69 Tm 168, (258) 70 Yb 173, (259) 71 Lu 174, (262) Chimie 23 5 e secondaire

24 ANNEXE II FORMULES ET GRANDEURS FORMULES Q=mcΔT pv =nrt pv nt pv = nt p =p +p +p +... T pa pb pc p n A = p pa T n T GRANDEURS NOM SYMBOLE VALEUR Capacité thermique c massique de l eau 2 H O 4190 J/(kg C) ou 4,19 J/(g C) Masse volumique de l eau ρ HO 1,00 g/ml 2 Constante des gaz parfaits R 8,31 kpa L/(mol K) 24 5 e secondaire Chimie

25 ANNEXE III QUESTIONNAIRE DE RÉTROACTION Épreuve écrite CHIMIE Appropriation de l épreuve Quelle est votre première réaction concernant l épreuve dans son ensemble? Quelles sont vos réactions concernant les points suivants? Les conditions d administration de l épreuve : Les clés de correction de l épreuve : Encerclez le chiffre qui correspond à votre opinion. Qualité de l épreuve 4 = Très satisfaisant 3 = Satisfaisant 2 = Peu satisfaisant 1 = Insatisfaisant Administration de l épreuve Avez-vous utilisé intégralement cette épreuve? Sinon, quelles modifications y ont été apportées? Avez-vous prévu des conditions particulières pour l administration de l épreuve? Quelles mesures ont été prises pour aider les élèves en difficulté? Encerclez le chiffre qui correspond à votre opinion. Durée de l épreuve 4 = Très satisfaisant 3 = Satisfaisant 2 = Peu satisfaisant 1 = Insatisfaisant Niveau de difficulté 4 = Très satisfaisant 3 = Satisfaisant 2 = Peu satisfaisant 1 = Insatisfaisant Chimie 25 5 e secondaire

26 Correction de l épreuve Comment avez-vous procédé à la correction de l épreuve? Les clés de correction proposées ont-elles été comprises de façon univoque? Quels éléments ont dû être clarifiés dans les documents fournis pour la correction de l épreuve? Encerclez le chiffre qui correspond à votre opinion. Durée de la correction 4 = Très satisfaisant 3 = Satisfaisant 2 = Peu satisfaisant 1 = Insatisfaisant Qualité des outils de correction 4 = Très satisfaisant 3 = Satisfaisant 2 = Peu satisfaisant 1 = Insatisfaisant Commentaires (Joindre une ou plusieurs feuilles supplémentaires au besoin.) Retourner à : Alain Couture Direction de l évaluation Direction générale des services à l enseignement 600, rue Fullum, 8 e étage Montréal (Québec) H2K 4L1 Télécopieur : e secondaire Chimie