Table des matières. Introduction Les compétences en sciences. Bibliographie Remerciements

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1 Ville de Bruxelles Programme de sciences (Sciences de base et sciences générales) 3 e, 4 e, 5 e, 6 e années de l enseignement secondaire général de type II (mai 2001) Introduction Les compétences en sciences Table des matières Programmes de chimie Cours de chimie à 2 périodes par semaine 4 ème année 5 ème année 6 ème année Cours de chimie à 1 période par semaine Répartition thématique Répartition annuelle : 3 ème année 4 ème année 5 ème année 6 ème année Exemples de situations problèmes et situations d apprentissage en chimie Glossaire de chimie Programmes de biologie Cours de biologie à 1 période par semaine 3 ème année 4 ème année 5 ème année 6 ème année Cours de biologie à 2 périodes par semaine 4 ème année 5 ème année 6 ème année Glossaire de biologie 2 ème degré Glossaire de biologie 3 ème degré Exemples de situations problèmes et situations d apprentissage en biologie Programmes de physique Directives méthodologiques pour le professeur de physique Cours de physique à 1 période par semaine 3 ème année 4 ème année 5 ème année 6 ème année Cours de physique à 2 périodes par semaine 4 ème année 5 ème année 6 ème année Bibliographie Remerciements Programme sciencesd2d3.p65 1

2 Introduction «Le savant n est pas celui qui fournit les vraies réponses, c est celui qui pose les vraies questions» Claude Levi-Strauss En préliminaire du programme de sciences pour les 3 e, 4 e, 5 e et 6 e années de l enseignement secondaire général de type II de la Ville de Bruxelles, il est important de rappeler une série de notions clés. En effet, le «Décret définissant les Missions prioritaires de l Enseignement Fondamental et de l Enseignement Secondaire et organisant les Structures propres à les atteindre» du 24 juillet 1997 définit les notions qui seront d application constante au long de ce programme et qui doivent être présentes à l esprit du professeur dans l application de celui-ci. Définitions Compétence : aptitude à mettre en œuvre un ensemble organisé de savoirs, de savoir-faire et d attitudes 1 permettant d accomplir un certain nombre de tâches. Compétences terminales : référentiel présentant de manière structurée les compétences dont la maîtrise à un niveau déterminé est attendue à la fin de l enseignement secondaire. Compétences disciplinaires : référentiel présentant de manière structurée les compétences à acquérir dans une discipline scolaire. Compétences transversales : attitudes, démarches mentales et démarches méthodologiques communes aux différentes disciplines à acquérir et à mettre en œuvre au cours de l élaboration des différents savoirs et savoir-faire; leur maîtrise vise à une autonomie croissante d apprentissage des élèves. Programmes d études : référentiel de situations d apprentissage, de contenus d apprentissage, obligatoires ou facultatifs, et d orientations méthodologiques qu un pouvoir organisateur définit afin d atteindre les compétences fixées par le Gouvernement pour une année, un degré ou un cycle. «Je me permets d insister sur ce point : les compétences ne constituent à l origine qu une nouvelle manière de définir des objectifs, des finalités à poursuivre. Il n y a donc pas de pédagogie ou de didactique des compétences, il existe des pratiques pédagogiques, anciennes ou nouvelles, qui sont davantage que d autres à même d atteindre ces finalités. Pour l enseignant, il ne s agit donc pas de changer de pédagogie du tout au tout mais d interroger ses pratiques afin de savoir si elles sont bien, de nature à poursuivre les objectifs désormais définis en ces nouveaux termes. Dans certains cas, la réponse sera positive : on n a pas attendu de décret pour pratiquer en classe une réelle pédagogie active qui développait des compétences, comme monsieur Jourdain, sans le savoir» 2 «On assimile parfois la compétence au seul savoir-faire. Or, il s agit plutôt de «savoirs pour faire» 3 En ce qui concerne les programmes de sciences, la Ville de Bruxelles dont l enseignement général est de type II, souhaite garder la distinction entre la physique, la chimie et la biologie tout en installant, là où cela se justifie, les nécessaires synergies entre ces trois sciences. Les professeurs, par un travail en commun, permettront les passerelles et les convergences voulues. De plus, les grilles horaires du type II sont telles que seul le cours de sciences à 3 heures est organisé en 3 ème. 1 Savoir-être 2 Marc Romainville : «Les implications didactiques de l approche par compétences», XXVII Séminaire d été du CEDOCEF, Août ibidem Programme sciencesd2d3.p65 2

3 Les compétences en sciences Les compétences terminales et savoirs requis en biologie, chimie et physique sont définis selon deux niveaux distincts : 1. Les sciences de base, nécessaires à chacun pour gérer sa vie de citoyen.(1période/semaine par science) 2. Les sciences générales, nécessaires à ceux qui orientent leur formation vers les sciences, les mathématiques ou la technologie.(2 périodes/ semaine par science) Sciences de base La vie quotidienne dans la société du vingt et unième siècle est à ce point influencée par les sciences et les techniques que tout citoyen, quel que soit son niveau social, doit pouvoir accéder à des savoirs scientifiques actualisés et être capable de raisonnements adéquats. La confrontation au réel par des pratiques expérimentales est une caractéristique fondamentale des sciences. En matière d apprentissage, cela doit se traduire, chaque fois que c est possible, par une référence à des expérimentations et du travail de terrain. Outre des savoirs, on définit aussi des attitudes et des compétences, liées à la pratique scientifique, don t on ne retiendra ici que celles qui sont indispensables à tout citoyen. Le manque de matériel approprié, les restrictions horaires et l absences de laboratoires risquent de déboucher sur un enseignement hybride des sciences, entre tradition et rénovation, alors même que les Compétences terminales veulent accentuer la pratique et l auto-construction du savoir. Celles-ci mettent valablement l accent sur les aspects fondamentaux d une démarche scientifique, avec une marge d initiative professorale permettant de détailler telle pratique quotidienne en ouvrant la «boîte noire» y correspondant. Des ajouts non certifiables seront donc occasionnellement nécessaires par exemple, en chimie, les aromatiques, la biochimie. Le cours à une période hebdomadaire mentionne les possibilités thématiques, en conservant les notions et les structures «Chimie» indispensables en cas de changement d orientation au 3ème degré. Celles-ci seront développées selon les groupes d élèves concernés, avec des «balises» qui évitent toute dérive d une vulgarisation sans démarche scientifique : la seule vision d une cassette ne constitue pas une réflexion. Le glossaire joint n a aucune volonté d exhaustivité. Il est joint en guise de pistes lexicales, exemplaires pour des élèves des sections scientifiques ou indicatives pour les autres. La maîtrise lexicale dépendra des notions fixées et de l état d avancement du cours, sans répartition annuelle restrictive. Compétences et attitudes communes à la biologie, la chimie et la physique A. Attitudes qui paraissent indispensables à tout citoyen L honnêteté intellectuelle impose, par exemple, de rapporter ce que l on observe et non ce que l on pense devoir observer; de reconnaître les limitations du travail entrepris; de s investir dans une étude sérieuse et une analyse critique des questions mises au débat et, le cas échéant, de suspendre son jugement. L équilibre entre ouverture d esprit et scepticisme suppose, entre autres, d être ouvert aux idées nouvelles et inhabituelles, mais de suspendre son jugement s il n existe pas de données plausibles ou d arguments logiques à l appui de ces idées; de reconnaître les explications inconsistantes, les généralisations abusives et les failles dans une argumentation; de se poser la question; «Comment est-on arrivé à ces conclusions?»; de chercher à se documenter à diverses sources, en confrontant les informations recueillies. Programme sciencesd2d3.p65 3

4 La curiosité conduit à s étonner, à se poser des questions sur les phénomènes qui nous entourent et à y rechercher des réponses. Le souci d inscrire son travail dans celui d une équipe. B. Compétences scientifiques 1. Confronter ses représentations avec les théories établies 2. Modéliser : construire un modèle qui rend compte de manière satisfaisante des faits observés 3. Expérimenter 4. Maîtriser des savoirs scientifiques permettant de prendre une part active dans une société technoscientifique. 5. Bâtir un raisonnement logique 6. Communiquer. «Les savoirs prennent leur sens dans la mesure où ils permettent d acquérir les compétences générales définies ci-dessus et les compétences spécifiques fixées dans le programme. C est dans cette perspective que l on choisira le développement à donner aux savoirs.» 4 Sciences générales Compétences et attitudes communes à la biologie, la chimie et la physique Les compétences particulières aux sciences relèvent de l observation du monde et de son analyse, elles influencent directement la manière d apprendre, d utiliser la connaissance et d agir. L enseignement doit faire comprendre que la biologie, la chimie et la physique : font continuellement appel à des modèles, modèles avec leurs limites, qui permettent de décrire une réalité souvent complexe; sont des sciences «au quotidien» qui doivent être au service des personnes en éclairant les questions nouvelles qu elles se posent au sujet de leur bien-être, de leur environnement et de leur santé; sont des sciences expérimentales, contribuant ainsi à mettre en place des démarches traditionnelles aptes à résoudre des situations-problèmes; confrontent sans cesse les représentations spontanées à des modèles établis; doivent être articulées à d autres disciplines pour donner une vision globale de la réalité; sont nées et se développent dans des contextes culturels, socio-économiques et techniques précis; sont propices à une réflexion d ordre éthique; utilisent les raisonnements inductif, déductif, par analogie et par l analyse systémique. A. Adopter des attitudes en accord avec une éthique scientifique L honnêteté intellectuelle impose, par exemple, de rapporter ce que l on observe et non ce que l on pense devoir observer; de reconnaître les limitations du travail entrepris; de s investir dans une étude sérieuse et une analyse critique des questions mises au débat et, le cas échéant, de suspendre son jugement. 4 Moniteur belge du 10 mai 2001 Programme sciencesd2d3.p65 4

5 L équilibre entre ouverture d esprit et scepticisme suppose, entre autres, d être ouvert aux idées nouvelles et inhabituelles, mais de suspendre son jugement s il n existe pas de données plausibles ou d arguments logiques à l appui de ces idées; de reconnaître les explications inconsistantes, les généralisations abusives et les failles dans une argumentation; de se poser la question; «Comment est-on arrivé à ces conclusions?»; de chercher à se documenter à diverses sources, en confrontant les informations recueillies. La curiosité conduit à s étonner, à se poser des questions sur les phénomènes qui nous entourent et à y rechercher des réponses. Le souci d inscrire son travail dans celui d une équipe. B. Maîtriser des compétences scientifiques 1. S approprier des concepts fondamentaux, des modèles ou des principes en évaluer la portée et les limites; les utiliser pour rendre compte des faits observés; les utiliser dans des explications argumentées ou des prévisions. 2. Conduire une recherche et utiliser des modèles rechercher l information adéquate, en estimer le crédit et, le cas échéant, consulter un spécialiste; élaborer des modèles en faisant bon usage des boîtes noires; utiliser des modèles en tenant compte de leur domaine de validité; imaginer des procédures expérimentales; élaborer une synthèse critique. 3. Utiliser des procédures expérimentales détecter un problème, observer un phénomène; repérer les principaux facteurs qui peuvent influencer un phénomène, faire des prédictions; concevoir une expérience; réaliser une expérience; analyser les résultats obtenus; rendre compte de l expérience sous la forme d un rapport (écrit et/ou oral). 4. Bâtir un raisonnement logique 5. Utiliser des procédures de communication utiliser un langage correct et précis respectant les conventions, les unités et les symboles internationaux; décrire les procédures suivies pour que d autres puissent répéter l expérience ou résoudre le problème; utiliser différentes formes de présentation comme les tableaux, graphiques, schémas, diagrammes, plans, croquis, ; défendre un point de vue de manière structurée. 6. Résoudre des applications concrètes cerner la question et sélectionner les données utiles; concevoir une stratégie qui permette de répondre à la question qui a été posée; vérifier si le résultat est plausible et, le cas échéant, en estimer l incertitude; réfléchir sur les méthodes, raisonnements et procédures utilisés. Programme sciencesd2d3.p65 5

6 7. Utiliser les outils mathématiques et informatiques adéquats. 8. Utiliser des savoirs scientifiques pour enrichir des représentations interdisciplinaires établir un lien entre les pratiques expérimentales en physique, chimie et biologie; établir un lien entre les développements des sciences et des technologies et, par exemple :. la pratique de certaines activités (les industries automobile, agro-alimentaire le sport ). l évolution de notre mode de vie (mobilité, automatisation, aménagement du temps de travail ). les développements de la médecine (espérance de vie, techniques médicales de diagnostic et de soins, mise au point de médicaments, de vaccins, ). leur impact sur l environnement. la vision que l on a du monde. 9. Établir des liens entre des démarches et notions vues en sciences et vues ailleurs, par exemple : mettre en évidence le transfert de certains modèles, démarches, concepts ou compétences d une discipline à une autre; en faisant appel à un exemple historique ou actuel, situer la construction d une théorie dans son contexte d origine et décrire son évolution ainsi que quelques débats qui l ont accompagnée «Les savoirs prennent leur sens dans la mesure où ils permettent d acquérir les compétences générales définies ci-dessus et les compétences spécifiques fixées dans le programme. C est dans cette perspective que l on choisira le développement à donner aux savoirs.» Programme sciencesd2d3.p65 6

7 Programmes de chimie A. Quatrième année : (deux périodes par semaine) Cours de chimie à deux périodes par semaine Compétences - établir la formule des composés usuels et y associer les fonctions chimiques correspondantes - appliquer de manière raisonnée les règles conventionnelles de nomenclature Constitution de la matière Savoirs disciplinaires - composés minéraux et organiques (approches) - correspondance entre noms usuels et nomenclature conventionnelle de certains produits - citer les faits expérimentaux qui ont permis d établir la nature corpusculaire de la matière - décrire la structure de l atome - utiliser le concept de mole - convertir des moles en unités de masse et de volume et inversement - établir le lien entre le modèle atomique et la notion d isotope - analyser le tableau périodique des éléments pour en tirer des informations pertinentes - expliquer comment se forme un ion à partir d un atome, d une molécule La matière à l échelle atomique et moléculaire La classification périodique Le modèle ionique - évolution du modèle atomique jusqu au modèle de Bohr - masse atomique, masse atomique relative, masse moléculaire et masse moléculaire relative, nombre d Avogadro, mole, masse molaire, volume molaire (notions à affiner au 3 ème degré) - concept d élément (rappels 3 ème année, différence entre élément et isotope) - types, noms et symboles des éléments naturels les plus courants - utilisation de certains isotopes dans différents domaines. - éléments A (groupes principaux) - concept d électronégativité - cations, anions en relation avec la classification des éléments - rôle et importance des ions dans divers domaines (électrolyse, solutions aqueuses,...) - fonctions sel, acide, base (modèle d Arrhenius) Programme sciencesd2d3.p65 7

8 - distinguer une liaison ionique d une liaison covalente et expliquer la relation entre les propriétés physiques et la structure moléculaire - calculer une concentration en diverses unités - interpréter les indications de concentration sur les étiquettes commerciales, sur un protocole d analyse médicale, sur des bouteilles de laboratoire de chimie, - préparer une solution de concentration donnée - traduire une réaction chimique par une équation chimique - lire, traduire une équation chimique en mole et en gramme - résoudre des problèmes de stœchiométrie dans le cas de réactions complètes et de réactions aboutissant à un état d équilibre Cohésion de la matière Les solutions La réaction chimique - modèles de la liaison chimique en relation avec l électronégativité - liaisons intermoléculaires et états de la matière ( notions à approfondir au 3 ème degré) - solutions et solubilité (notions de base) ( à maîtriser au troisième degré) - concentration d une solution - notion de dilution - unités conventionnelles et usuelles (lecture d étiquettes, ) - équation / bilan (bilan massique) - stœchiométrie (préacquis : conservation de la matière, formules, valences) ( à poursuivre au 3 ème degré) - fonctions chimiques (poursuite de l étude entamée en 4 ème année) Programme sciencesd2d3.p65 8

9 B. Cinquième année : (deux périodes par semaine) Compétences - utiliser le concept de mole - convertir des moles en unités de masse et de volume et inversement - distinguer une liaison ionique d une liaison covalente et expliquer la relation entre les propriétés physiques et la structure moléculaire - appliquer l équation d état du gaz parfait dans une situation concrète - utiliser des tableaux de couples redox pour justifier et prévoir des phénomènes d oxydoréduction de la vie courante et établir les équations redox correspondantes - expliquer le fonctionnement d une pile, d un accumulateur - caractériser une molécule d hydrocarbure - représenter dans le plan une molécule d hydrocarbure saturé (alcane) - écrire la formule développée et la formule semi-développée d isomères d alcane - distinguer des isomères et les nommer - écrire l équation bilan de combustion d un alcane - retracer les étapes qui permettent de produire des carburants automobiles à partir du pétrole brut - représenter la structure d un hydrocarbure insaturé à double liaison (alcène) - écrire la formule développée et la formule semi-développée d un polymère plastique tel que le polyéthylène - écrire l équation bilan de polymérisation de l éthène ou éthylène La matière à l échelle atomique et moléculaire Cohésion de la matière Loi du gaz parfait Réactions d oxydoréduction Notions de chimie organique Savoirs disciplinaires - masse atomique, masse atomique relative, masse moléculaire et masse moléculaire relative, nombre d Avogadro, mole, masse molaire, volume molaire - liaisons intermoléculaires et états de la matière - utilisation de l équation d état du gaz parfait - notion de nombre d oxydation - notion d oxydant et de réducteur - notion d oxydoréduction - notion de couple redox - classification des couples redox - notion de pile redox - notion de composé organique - sources des hydrocarbures (pétrole, gaz et charbon) - hydrocarbures saturés ou alcanes (structure 3D, formule développée et semidéveloppée; isomérie et nomenclature; combustion et importance des alcanes, du pétrole au carburant; indice d octane d une essence, reformage des essences et additifs) - hydrocarbures insaturés à double liaison ou alcènes (structure 3D, formule développée et semi- développée; isomérie et nomenclature; réaction d addition; réaction de polymérisation, importance des alcènes, synthèse des matériaux polymères plastiques) - propriétés des polymères plastiques (comparaison avec les matériaux conventionnels) Programme sciencesd2d3.p65 9

10 - comparer les propriétés des matériaux plastiques à celles des matériaux conventionnels (propriétés mécaniques, thermiques, longévité, ) - opérer la relation entre le caractère polluant d un matériau et son caractère biodégradable ou non - décrire les différents modes de retraitement des déchets plastiques (recyclage, valorisation chimique, incinération, mise en décharge) - identifier les fonctions organiques oxygénées d après le groupement fonctionnel - expliquer les propriétés principales et quelques utilisations de substances à fonction oxygénée (substances qui contribuent à améliorer nos conditions de vie ou qui sont impliquées dans des processus biologiques - utiliser à bon escient des substances que l on trouve dans la vie courante - interpréter les logos de danger et de recyclage Utilisation de quelques substances courantes - cycle de vie d un matériau plastique - impact des déchets plastiques sur l environnement - gestion des déchets plastiques (recyclage, valorisation chimique, incinération, décharge) - fonctions organiques des classes de composés correspondants (alcools, aldéhydes, cétones) - les aromatiques : benzène, (à titre facultatif) - produits composés de chimie minérale et organique, tels que acide chlorhydrique, acide sulfurique, eau de Javel, soude caustique, ammoniac, ammoniaque, acétone, alcool dénaturé, formol, méthanol, Programme sciencesd2d3.p65 10

11 C. Sixième année : (deux périodes par semaine) Compétences - expliquer l utilisation de certains éléments dans la vie courante (fer, cuivre, argent, etc ) - appliquer l équation d état du gaz parfait dans une situation concrète - calculer une concentration en diverses unités - interpréter les indications de concentration sur les étiquettes commerciales, sur un protocole d analyse médicale, sur des bouteilles de laboratoire de chimie, - préparer une solution de concentration donnée - distinguer une réaction exothermique d une réaction endothermique - réaliser des mesures calorimétriques en vue de déterminer la variation d enthalpie ( H) accompagnant une transformation - lire et interpréter un diagramme enthalpique - choisir à bon escient un combustible selon son pouvoir calorifique - justifier l existence de réactions complètes, incomplètes ou impossibles - prévoir le sens spontané d évolution d une transformation - exprimer et déterminer la valeur d une constante d équilibre - déterminer les conditions susceptibles d améliorer le rendement d un processus réactionnel industriel du point de vue thermodynamique - expliquer l importance des facteurs qui influence la vitesse de réaction des phénomènes de la vie courante (cuisson des aliments, explosifs, ) Classification périodique et réactions d oxydo-réduction Loi du gaz parfait Les solutions Eléments de thermo-dynamique et de cinétique chimique Savoirs disciplinaires - importance de certains éléments dans la vie quotidienne (fer, cuivre, argent, ) - utilisation de l équation d état du gaz parfait - solution et solubilité - concentration d une solution - unités conventionnelles et usuelles (lecture d étiquettes, ) mise en pratique (concentration, molarité) - aspects énergétiques des réactions exothermiques et endothermiques - notion d enthalpie et de variation d enthalpie (H, H) - convention de signe - approche élémentaire des notions d entropie et de variation d entropie (S; S) - loi de Guldberg et Waage, principe de Le Chatelier - concept de vitesse moyenne de réaction - facteurs influençant la vitesse d une réaction - notion de catalyseur Programme sciencesd2d3.p65 11

12 - expliquer le rôle d un catalyseur (enzymes, pot catalytique, ) - expliquer le mode de fonctionnement et l importance du pot catalytique dans la problématique de la pollution atmosphérique évaluer le pouvoir calorifique d un alcane - équilibrer (pondérer) des équations ioniques et moléculaires - utiliser un tableau de produits de solubilité pour justifier et prévoir des phénomènes de précipitation (exemples tirés de la vie courante) - utiliser des tableaux de couples acidobasiques pour justifier et prévoir des phénomènes de la vie courante impliquant des réactions acidobasiques (avec des acides et des bases qui nous entourent) et établir les équations acidobasiques correspondantes - construire et traiter des tableaux, diagrammes et graphiques de titrages acidobasiques en vue de déterminer la concentration d un acide ou d une base et de choisir l indicateur approprié - identifier les fonctions organiques oxygénées d après le groupement fonctionnel - expliquer les propriétés principales et quelques utilisations de substances à fonction oxygénée (substances qui contribuent à améliorer nos conditions de vie ou qui sont impliquées dans des processus biologiques) - utiliser à bon escient des substances que l on trouve dans la vie courante - interpréter les logos de danger et de recyclage Principales réactions chimiques et propriétés de substances usuelles : Réactions de précipitation Principales réactions chimiques et propriétés de substances usuelles : Réactions acido-basiques Chimie organique Utilisation de quelques substances courantes - notion de produit de solubilité - réactions acidobasiques (évolution et généralisation) - modèles des acides et des bases (Arrhenius, Lowry et Brönsted; caractère amphotère de l eau) - ph : notion, échelle, importance quotidienne - produit ionique de l eau - propriétés d un mélange tampon - acides carboxyliques, esters - réactions d estérification - les amines (à titre facultatif) - produits composés de chimie organique, tels que aspirine, savons, huiles, graisses, glucides, acides aminés, protéines, etc. Programme sciencesd2d3.p65 12

13 Cours de chimie à une période par semaine Ø Répartition thématique Vivre dans l Univers Vivre sur la Terre Vivre en société Vivre en famille Vivre avec son corps Vivre dans l Univers Vivre sur la Terre Matière à l échelle atomique et moléculaire Classification périodique Constitution de la matière Classification périodique Le modèle ionique Cohésion de la matière Loi du gaz parfait - modèle corpusculaire de la matière - concept d élément (distinction entre corps simple et élément et identification) - éléments naturels les plus courants (types, noms et symboles) - évolution du modèle atomique jusqu au modèle de Bohr - masse atomique, masse atomique relative, masse moléculaire et masse moléculaire relative, nombre d Avogadro, mole, masse molaire, volume molaire - utilisation de certains isotopes dans différents domaines - classification des éléments - mélanges, corps purs, simples et composés - nomenclature des substances usuelles (approche des différentes fonctions chimiques) - composés minéraux et organiques (approches) - correspondance entre noms usuels et nomenclature conventionnelle de certains produits - classification des éléments - concept d électronégativité - cations, anions en relation avec la classification des éléments - rôle et importance des ions dans divers domaines (électrolyse, solutions aqueuses, ) - modèles de la liaison chimique en relation avec l électronégativité - liaisons intermoléculaires et états de la matière - utilisation de l équation d état du gaz parfait Programme sciencesd2d3.p65 13

14 Vivre en société Classification périodique et réactions d oxydoréduction Réaction chimique Eléments de thermodynamique et de cinétique chimique Notions de chimie organique Utilisation de quelques substances courantes - importance de certains éléments dans la vie quotidienne (fer, cuivre, argent, ) - concept - équation-bilan (équilibrer une équation, conservation du nombre d atomes, loi de Lavoisier) - stœchiométrie (conservation du nombre d atomes, bilan massique) - fonctions chimiques - aspects énergétiques des réactions exothermiques et endothermiques - notion d enthalpie et de variation d enthalpie (H; H), convention de signe - approche élémentaire des notions d entropie et de variation d entropie (S; S) - loi de Guldberg et Waage, principe de Le Chatelier - concept de vitesse moyenne de réaction - facteurs influençant la vitesse d une réaction - notion de catalyseur - notion de composé organique - sources des hydrocarbures (pétrole, gaz et charbon) - hydrocarbures saturés ou alcanes (structure 3D, formule développée et semi-développée; isomérie et nomenclature; combustion et pouvoir calorifique d un alcane; importance des alcanes, du pétrole au carburant) - hydrocarbures insaturés à double liaison ou alcènes (structure 3D, formules développée et semi-développée; isomérie et nomenclature; réaction d addition; réaction de polymérisation; importance des alcènes, synthèse des matériaux polymères plastiques) - propriétés des polymères plastiques (comparaison avec les matériaux conventionnels) - cycle de vie d un matériau plastique - impact des déchets plastiques sur l environnement - gestion des déchets plastiques (recyclage, valorisation chimique, incinération, décharge) - fonctions organiques des classes de composés correspondants (alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, esters) - réaction d estérification - produits composés de chimie minérale et organique, tels que acide chlorhydrique, acide sulfurique, soude caustique, eau de Javel, ammoniac, ammoniaque, margarine, savons, huiles, graisses, Programme sciencesd2d3.p65 14

15 Vivre en famille Les solutions Réactions de précipitation Réactions acido-basiques (évolution et généralisation) Réactions d oxydoréduction Utilisation de quelques substances courantes - solution et solubilité - concentration d une solution - unités conventionnelles et usuelles (lecture d étiquettes, ) - notion de dilution - notion de produit de solubilité - modèles des acides et des bases (Arrhenius, Lowry et Brönsted; caractère amphotère de l eau) - ph: notion, échelle, importance quotidienne - produit ionique de l eau, - propriétés d un mélange tampon - notion de nombre d oxydation - notion d oxydant et de réducteur - notion d oxydoréduction - notion de couple redox - classification des couples redox - produits composés de chimie minérale et organique, tels que acide chlorhydrique, acide sulfurique, soude caustique, eau de Javel, ammoniac, ammoniaque, margarine, savons, huiles, graisses, Programme sciencesd2d3.p65 15

16 Vivre avec son corps Eléments de thermodynamique et de cinétique chimique Réactions acidobasiques (évolution et généralisation) Chimie organique Utilisation de quelques substances courantes - aspects énergétiques des réactions exothermiques et endothermiques - notion d enthalpie et de variation d enthalpie (H; H) - convention de signe - approche élémentaire des notions d entropie et de variation d entropie (S; S) - loi de Guldberg et Waage, principe de Le Chatelier - concept de vitesse moyenne de réaction - facteurs influençant la vitesse d une réaction - notion de catalyseur - modèles des acides et des bases (Arrhenius, Lowry et Brönsted, caractère amphotère de l eau) - ph: notion, échelle, importance quotidienne - produit ionique de l eau - propriétés d un mélange tampon - fonctions organiques des classes de composés correspondants (alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, esters) - réaction d estérification et applications (parfums, additifs alimentaires, ) - produits composés de chimie organique, tels que protides, lipides, glucides, Programme sciencesd2d3.p65 16

17 Ø Répartition annuelle A. Troisième année : (une période par semaine) Matière à l échelle atomique et moléculaire Vivre dans l Univers Savoirs disciplinaires Constitution de la matière, par exemple :. modèle corpusculaire de la matière. concept d élément (distinction entre corps simple et élément et identification), classification. éléments naturels les plus courants (types, noms et symboles) Compétences. décrire la structure, le fonctionnement, l origine et l évolution de l univers à la lumière de modèles Constitution de la matière Vivre sur la Terre Savoirs disciplinaires. mélanges (exemples : air, eau de mer ); distinguer les différents types de mélanges. corps purs, simples et composés; distinguer les principaux corps purs simples et les principaux corps purs composés (eau, électrolyse de l eau, dihydrogène, dioxygène, dioxyde de carbone, métaux, non métaux, ). nomenclature des substances usuelles. valence, établissement des formules à l aide des valences. composés minéraux et organiques (approches). correspondance entre noms usuels et nomenclature conventionnelle de certains produits Compétences. modéliser diverses formes de la matière constitutive du vivant et du non-vivant. utiliser une démarche scientifique pour appréhender des phénomènes naturels, des processus technologiques Programme sciencesd2d3.p65 17

18 Réaction chimique Vivre en société Savoirs disciplinaires. concept de réaction chimique. distinguer une réaction chimique d un phénomène physique. équation-bilan (équilibrer une équation, conservation du nombre d atomes, loi de Lavoisier). stœchiométrie (conservation du nombre d atomes, bilan massique). fonctions chimiques (l étude de cette notion sera poursuivie en 4 ème année) Compétences. évaluer l impact de découvertes scientifiques et d innovations technologiques sur notre mode de vie B. Quatrième année : (une période par semaine) Matière à l échelle atomique et moléculaire Classification périodique Vivre dans l Univers Savoirs disciplinaires. évolution du modèle atomique jusqu au modèle de Bohr. masse atomique, masse atomique relative, masse moléculaire et masse moléculaire relative, nombre d Avogadro, mole, masse molaire, volume molaire. utilisation de certains isotopes dans différents domaines. classification des corps constitutifs de la matière : mélanges, corps purs, métaux, non métaux, composés organiques et minéraux. classification des éléments Compétences. décrire la structure, le fonctionnement, l origine et l évolution de l univers à la lumière de modèles Programme sciencesd2d3.p65 18

19 Classification périodique Le modèle ionique Cohésion de la matière Savoirs disciplinaires. classification des éléments Vivre sur la Terre. concept d électronégativité. cations, anions en relation avec la classification des éléments. rôle et importance des ions dans divers domaines : électrolyse, solutions aqueuses, sels, acides, bases, (modèle d Arrhenius),. interactions entre molécules et / ou ions. modèles de la liaison chimique en relation avec l électronégativité. liaisons intermoléculaires et états de la matière Compétences. expliquer comment les interactions entre particules ont permis, au fil du temps, la structuration de la matière, l émergence de la vie et son évolution. utiliser une démarche scientifique pour appréhender des phénomènes naturels, des processus technologiques Les solutions Vivre en famille Savoirs disciplinaires. solution et solubilité. concentration d une solution. unités conventionnelles et usuelles (lecture d étiquettes, ). notion de dilution Compétences. expliquer l impact écologique de la consommation. expliquer pourquoi et comment intégrer des règles de sécurité et / ou d hygiène dans des comportements quotidiens C. Cinquième année : (une période par semaine) Loi du gaz parfait Savoirs disciplinaires. utilisation de l équation d état du gaz parfait Vivre sur la Terre Compétences. modéliser diverses formes de la matière constitutive du vivant et du non-vivant Programme sciencesd2d3.p65 19

20 Vivre en société (Certains thèmes sont abordés en 5 ème année et complétés en 6 ème année) Classification périodique et réactions d oxydoréduction Notions de chimie organique Savoirs disciplinaires. importance de certains éléments dans la vie quotidienne (fer, cuivre, argent, ) Eléments de chimie organique et quelques applications dans divers domaines et secteurs d activité, par exemple :. notion de composé organique. sources des hydrocarbures (pétrole, gaz et charbon). hydrocarbures saturés ou alcanes (structure 3D, formule développée et semi-développée; isomérie et nomenclature; combustion et pouvoir calorifique d un alcane; importance des alcanes, du pétrole au carburant. hydrocarbures insaturés à double liaison ou alcènes (structure 3D, formule développée et semi-développée, isomérie et nomenclature; réaction d addition; réaction de polymérisation; importance des alcènes, synthèse des matériaux polymères plastiques). propriétés des polymères plastiques (comparaison avec les matériaux conventionnels). cycle de vie d un matériau plastique. impact des déchets plastiques sur l environnement. gestion des déchets plastiques (recyclage, valorisation chimique, incinération, décharge). fonctions organiques des classes de composés correspondants (alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, esters). réaction d estérification Compétences. utiliser une argumentation rationnelle, dans des débats de société sur des sujets tels que l énergie, la radioactivité, les déchets, la santé, l environnement,. évaluer l impact de découvertes scientifiques et d innovations technologiques sur notre mode de vie. évaluer l impact d actes quotidiens sur l environnement. utiliser une argumentation rationnelle, dans des débats de société sur des sujets tels que l énergie, la radioactivité, les déchets, la santé, l environnement,. évaluer l impact de découvertes scientifiques et d innovations technologiques sur notre mode de vie Programme sciencesd2d3.p65 20

21 Utilisation de quelques substances courantes. produits composés de chimie minérale et organique, tels que acide chlorhydrique, acide sulfurique, soude caustique, eau de Javel, ammoniac, ammoniaque, margarine, savons, huiles, graisses,. chimie, sécurité, santé. utiliser une argumentation rationnelle, dans des débats de société sur des sujets tels que l énergie, la radioactivité, les déchets, la santé, l environnement,. évaluer l impact de découvertes scientifiques et d innovations technologiques sur notre mode de vie. évaluer l impact d actes quotidiens sur l environnement Réactions d oxydoréduction Utilisation de quelques substances courantes Vivre en famille Savoirs disciplinaires. conversion de l énergie chimique en énergie électrique et inversément. notion de nombre d oxydation. notion d oxydant et de réducteur. notion d oxydoréduction. notion de couple redox. classification des couples redox. notion de pile redox. produits composés de chimie minérale et organique, tels que acide chlorhydrique, acide sulfurique, soude caustique, eau de Javel, ammoniac, ammoniaque, margarine, savons, huiles, graisses, Compétences. expliquer pourquoi et comment intégrer des règles de sécurité et / ou d hygiène dans des comportements quotidiens Programme sciencesd2d3.p65 21

22 D. Sixième année : (une période par semaine) Vivre en société (Certains thèmes sont abordés en 5 ème année et sont complétés en 6 ème année) Classification périodique et réactions d oxydoréduction (= complément des matières abordées en 5 ème année) Eléments de thermodynamique et de cinétique chimique Savoirs disciplinaires. importance de certains éléments dans la vie quotidienne (fer, cuivre, argent, ). aspects énergétiques des réactions exothermiques et endothermiques. notion d enthalpie et de variation d enthalpie (H; H). convention de signe. approche élémentaire des notions d entropie et de variation d entropie (S; S). loi de Guldberg et Waage, principe de Le Chatelier). concept de vitesse moyenne de réaction. facteurs influençant la vitesse d une réaction. notion de catalyseur Compétences. expliquer pourquoi et comment intégrer des règles de sécurité et / ou d hygiène dans des comportements quotidiens. utiliser une argumentation rationnelle, dans des débats de société sur des sujets tels que l énergie, la radioactivité, les déchets, la santé, l environnement,. évaluer l impact de découvertes scientifiques et d innovations technologiques sur notre mode de vie. évaluer l impact d actes quotidiens sur l environnement Programme sciencesd2d3.p65 22

23 Notions de chimie organique (= abordées en 5 ème année et achevées en 6 ème année) Utilisation de quelques substances courantes (= complément des matières de 5 ème année). notion de composé organique. sources des hydrocarbures (pétrole, gaz et charbon). hydrocarbures saturés ou alcanes (structure 3D, formules développée et semi-développée; isomérie et nomenclature, combustion et pouvoir calorifique d un alcane, importance des alcanes» du pétrole au carburant. hydrocarbures insaturés à double liaison ou alcènes (structure 3D, formules développée et semi- développée; isomérie et nomenclature; réaction d addition; réaction de polymérisation; importance des alcènes, synthèse des matériaux polymères plastiques). propriétés des polymères plastiques (comparaison avec les matériaux conventionnels). cycle de vie d un matériau plastique. impact des déchets plastiques sur l environnement. gestion des déchets plastiques (recyclage, valorisation chimique, incinération, décharge). fonctions organiques des classes de composés correspondants (alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, esters). réaction d estérification. produits composés de chimie minérale et organique, tels que acide chlorhydrique, acide sulfurique, soude caustique, eau de Javel, ammoniac, margarine, savons, huiles, graisses,. expliquer pourquoi et comment intégrer des règles de sécurité et / ou d hygiène dans des comportements quotidiens. expliquer pourquoi et comment intégrer des règles de sécurité et / ou d hygiène dans des comportements quotidiens Programme sciencesd2d3.p65 23

24 Les solutions Réactions de précipitation Réactions acidobasiques (évolution et généralisation) Utilisation de quelques substances courantes (= complément des matières de 5 ème année) Vivre en famille Savoirs disciplinaires. solution et solubilité. concentration d une solution. unités conventionnelles et usuelles (lecture d étiquettes, ). notion de dilution. notion de produit de solubilité. modèles des acides et des bases (Arrhenius, Lowry et Brönsted; caractère amphotère de l eau). ph : notion, échelle, importance quotidienne. produit ionique de l eau. propriétés d un mélange tampon. produits composés de chimie minérale et organique, tels que acide chlorhydrique, acide sulfurique, soude caustique, eau de Javel, ammoniac, ammoniaque, margarine, savons, huiles, graisses, Compétences. expliquer pourquoi et comment intégrer des règles de sécurité et / ou d hygiène dans des comportements quotidiens. expliquer pourquoi et comment intégrer des règles de sécurité et / ou d hygiène dans des comportements quotidiens Programme sciencesd2d3.p65 24

25 Eléments de thermodynamique et de cinétique chimique Réactions acidobasiques (évolution et généralisation) Chimie organique Utilisation de quelques substances courantes Vivre avec son corps Savoirs disciplinaires. aspects énergétiques des réactions exothermiques et endothermiques. notion d enthalpie et de variation d enthalpie (H; H). convention de signe. approche élémentaire des notions d entropie et de variation d entropie (S; S). loi de Guldberg et Waage, principe de Le Chatelier. concept de vitesse moyenne de réaction. facteurs influençant la vitesse d une réaction. notion de catalyseur. modèles des acides et des bases (Arrhenius, Lowry et Brönsted, caractère amphotère de l eau). ph : notion, échelle, importance quotidienne. produit ionique de l eau. propriétés d un mélange tampon. fonctions organiques des classes de composés correspondants (alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, esters). réaction d estérification et applications (parfums, additifs alimentaires, ). produits composés de chimie organique, tels que protides, lipides, glucides,. chimie et hygiène Compétences. expliquer des attitudes préventives pour sauvegarder son patrimoine santé. identifier des signes de dysfonctionnement de l organisme en vue de consulter un professionnel de la santé. expliquer des attitudes préventives pour sauvegarder son patrimoine santé. identifier des signes de dysfonctionnement de l organisme en vue de consulter un professionnel de la santé Programme sciencesd2d3.p65 25

26 Exemples de situations problèmes et de situations d apprentissage en chimie Cours de chimie à deux périodes semaine Exemple n 1 Enoncé : Détermination expérimentale de la masse d acide acétique contenue dans 100 g de vinaigre. Domaines des savoirs que l on peut aborder : 1) Constitution de la matière. mélanges, corps purs. composés minéraux et organiques. correspondance entre noms usuels et nomenclature conventionnelle 2) Modèle ionique. rôle et importance des ions dans les solutions aqueuses. fonctions acide, base, sel 3) Les solutions. concentration d une solution. notion de dilution. unités conventionnelles et usuelles. lecture d étiquette 4) La réaction chimique. équation bilan. stœchiométrie. Mots clés :. corps purs. mélange. ions. acide. base. sel. indicateur coloré. dilution. titrage. point d équivalence. concentration massique et molaire. titre massique. éprouvette graduée. pipette. matras. burette. erlenmeyer Programme sciencesd2d3.p65 26

27 Démarche d apprentissage * S approprier des concepts fondamentaux les utiliser pour rendre compte des faits observés. Les élèves repèrent empiriquement, les caractères acides et basiques des produits courants et effectuent un premier classement. Utiliser des procédures expérimentales, observer un phénomène. Les élèves identifient à l aide d indicateurs colorés le caractère acide ou basique de produits de la vie (dont le vinaigre) parallèlement à trois corps purs. Utiliser les procédures de communication : utiliser différentes formes de présentation comme les tableaux. Les élèves classent les produits en trois catégories et identifient le caractère acide du vinaigre. Ils comparent cette dernière classification à celle obtenue empiriquement et en tire des conclusions. Analyser un mode opératoire expérimental. Le mode opératoire expérimental est fourni par le professeur. Les élèves doivent s approprier les termes techniques utilisés. Repérer les principaux facteurs qui peuvent influencer l observation d un phénomène. Utilisation du matériel adéquat et précision sur la mesure en fonction du matériel utilisé. Utilisation correcte de la verrerie en minimisant les erreurs provenant du manipulateur. Influence ou non de l addition d eau en cours de manipulation sur le résultat final. Traduire une réaction chimique par une équation chimique. Les élèves doivent repérer la réaction de neutralisation et la traduire en équation. Concevoir l expérience. Ecrire un mode opératoire compte tenu des remarques formulées ci-dessus. Réaliser l expérience. Visualisation de la notion de point d équivalence, précision avec laquelle on y arrive. Analyser les résultats obtenus : Lire et traduire l équation chimique en mole. Repérer les données fournies par l expérience Établir le rapport stœchiométrique entre les réactifs. Résoudre les problèmes stœchiométriques dans le cas de réactions complètes. Calcul de la concentration molaire de la solution. Calculer une concentration en diverses unités et interpréter les indications de concentration sur l étiquette commerciale. Calcul du titre massique de la solution et comparaison avec les données fournies sur l étiquette de la bouteille de vinaigre. Écarter les résultats aberrants. * = compétence Programme sciencesd2d3.p65 27

28 Exemple n 2 Cours de chimie à deux périodes par semaine Enoncé : Comparez le pouvoir calorifique de différents combustibles :. le gaz naturel (méthane). le propane. le butane. l essence (octane). le charbon. Domaines des savoirs que l on peut aborder : 1) Eléments de thermodynamique et de cinétique chimique :. aspects énergétiques des réactions exothermiques et endothermiques. notions d enthalpie et de variation d enthalpie. convention de signe 2) Notions de chimie organique :. hydrocarbures saturés 3) Loi du gaz parfait :. utilisation de l équation d état du gaz parfait 4) Utilisation de quelques substances courantes :. méthane. propane. butane. essence 5) La matière à l échelle atomique et moléculaire :. mole, masse molaire, volume molaire 6) Sources, formes et transformation d énergie 7) Systèmes d unités Mots clés : pouvoir calorifique hydrocarbure saturé combustion pétrole réaction exothermique calorie réaction endothermique joule enthalpie de formation kilowattheure enthalpie de réaction mole Programme sciencesd2d3.p65 28

29 Démarche d apprentissage * concevoir une stratégie qui permette de répondre à la question qui a été posée rechercher l information adéquate, en estimer le crédit et, le cas échéant, consulter un spécialiste Recherche de la définition Les élèves doivent rechercher la définition du pouvoir calorifique. Quels sont les outils dont ils disposent pour faire cette recherche : livres, cours de chimie et de physique, Internet. élaborer une synthèse critique des différentes définitions La littérature définit un pouvoir calorifique supérieur et inférieur. utiliser un langage précis et correct respectant les conventions et les unités Comparer les différentes définitions, cerner les limites des définitions et établir une définition précise en tenant compte des unités et des conventions de signes. Recherche des valeurs du pouvoir calorifique La notion de pouvoir calorifique étant définie, les élèves doivent rechercher la valeur pour chaque combustible. Ces valeurs peuvent être soit trouvées dans la littérature, soit calculées, soit mesurées expérimentalement. Cette dernière approche n est pas réalisable au laboratoire pour des raisons techniques. On peut cependant envisager une visite dans des laboratoires où l on effectue ce type de mesures. Les élèves sont divisés en deux groupes, chacun se chargeant d une partie de la recherche. Recherche des valeurs dans la littérature Sélectionner les données utiles Utiliser un langage précis et correct respectant les conventions et les unités Elaborer une synthèse critique Etablir un lien entre le cours de chimie et l industrie. Les élèves recherchent les valeurs du pouvoir calorifique des différents combustibles dans la littérature ou sur Internet, mais aussi sur des factures de gaz et chez les revendeurs de carburant (essence, propane, butane). Les élèves doivent sélectionner les données en se référant à la définition du pouvoir calorifique qui a été retenue et définir un système d unités qui permette la comparaison entre les différents combustibles. Si des différences dans les chiffres apparaissent, ils s interrogeront quant à l origine de ces différences : nature exacte du combustible, conditions de mesure, facteurs qui influencent la mesure du pouvoir calorifique. décrire les procédures suivies pour comparer les résultats représenter les résultats sous forme de tableau Les élèves du groupe présentent les résultats sous forme de tableau. Calcul du pouvoir calorifique écrire l équation bilan de combustion d un alcane calculer le pouvoir calorifique au départ des enthalpies de formation appliquer l équation du gaz parfait dans une situation concrète Les élèves calculent l enthalpie de réaction des cinq combustibles. Ils convertissent les résultats obtenus dans le système d unités choisi. Ils présentent leurs résultats sous forme de tableau. Analyse et présentation des différents résultats obtenus comparer des résultats réfléchir sur les méthodes, raisonnements et procédures utilisés Programme sciencesd2d3.p65 29