III.2.Réponses à la question 2

A partir de la question 1), nous nous proposons de voir si l’étudiant donne du sens au point d’équivalence. La détermination des ions au point d’équivalence, se fait en plusieurs étapes. L’étudiant doit définir les réactifs, les couples mis en jeu, l’équation de la réaction et enfin les ions présents en solution au point d’équivalence.

Du point de vu du savoir savant, le point d’équivalence est caractérisé par l’épuisement des réactifs.

Au point A : [Mn2+] = c0, [Fe3+ ] = 5c0, [MnO4 -] =  et [Fe2+ ] = 5

Ceci explique que Fe2+ et MnO4 - sont des espèces minoritaires.

Les réponses acceptables sont alors les suivantes :

liste des espèces majoritaires : Fe3+, Mn2+

liste des entités possibles en explicitant les entités minoritaires :

Fe3+, Mn2+, H3O+ , SO4 2-, Fe2+, MnO4 -. L’étudiant doit préciser que Fe2+, MnO4 - sont des espèces minoritaires.

Pour les questions 2), 3), 4), 5) l’ajout à SA d’une solution de sulfate de manganèse Mn2+ + SO4 2- ou de permanganate de potassium K+ + MnO4 - ou de sulfate ferreux Fe2+ + SO4 2-ou de sulfate ferrique 2 Fe3+ + 3 SO4 2- ne pourra pas affecter quantitativement l’équilibre du système. C’est seulement la concentration de l’entité ajoutée qui va augmenter. Ceci peut se traduire par un déplacement sur la courbe indiquant une variation (augmentation ou diminution) du potentiel du système. La variation du potentiel du système est due à l’augmentation de la concentration de l’entité ajoutée mais n’indique pas un déplacement significatif de l’équilibre du système.

Pour fournir une réponse correcte du point de vue du savoir savant, l’apprenant doit s’appuyer sur le modèle de Nernst.

A l’aide du modèle de Nernst, les étudiants auront à relier les changements de concentrations des entités formant le système chimique à un changement de potentiel du système ou à un déplacement sur la courbe.

D’après l’analyse à priori et d’après l’étude des conceptions (Stavridou & Solomonidou, 2000, Schmidt, 1995), nous faisons l’hypothèse que, pour répondre à ces questions, les étudiants peuvent s’appuyer sur trois modèles :

  • Modèle de Nernst
  • Modèle de Le Chatelier  (Stavridou & Solomonidou, 2000)
  • Modèle des couples de charges (Schmidt, 1995)

Nous nous proposons, à travers l’analyse des réponses des étudiants, de voir s’ils font référence au modèle de Nernst pour prévoir l’évolution du système. Nous nous intéresserons aussi aux différents autres modèles que peuvent mobiliser les étudiants pour prévoir cette évolution.

  • Copie 1

1) L’étudiant ne fait pas le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il se contente de donner la liste de toutes les entités indiquées sur la courbe de dosage (Fe2+, Fe3+, MnO4 -, Mn2+).

2) 3) 4) 5) L’étudiant raisonne l’évolution du système par la loi de Chatelier (Solomonidou, 2000) : le système sera déplacé dans le sens qui tend à annuler le changement effectué.

L’étudiant relie dans chaque cas la variation du potentiel à la variation de l’intensité de la couleur de l’ion permanganate.

L’étudiant a des difficultés à relier les changements de concentrations des entités formant le système chimique à un déplacement sur la courbe.

Pour la question 2 l’étudiant applique la loi de Le Chatelier (loi de modération) et fait agir l’oxydant le plus faible sur le réducteur le plus faible pour prévoir une réaction indirecte alors que la réaction directe est quasi-totale.

Pour la question 3 , il conçoit qu’il y a réaction d’oxydoréduction alors qu’il n’a pas de réducteur.

Pour la question 4, l’étudiant ne voit pas que la perturbation est vraiment minime car il ne s’appui pas sur l’équation de Nernst mais il continu à appliquer la loi de Le Chatelier pour prévoir une évolution dans le sens direct.

Pour la question 5 l’étudiant conçoit qu’il y a réaction d’oxydoréduction alors qu’il n’y a pas d’oxydant.

  • Copie 2

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence (au point A les réactifs sont épuisés) et répond que les ions présents au point A sont : (Fe3+, Mn2+, K+, SO4 -, OH-, H3O+).

2) 3) 4) 5) Pour répondre à ces questions l’étudiant écrit tout d’abord l’équation redox pour pouvoir appliquer la lois de Le Chatelieret pour raisonner sur l’évolution du système lors des changements de concentrations des entités.

  • Copie 3

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence (au point A les réactifs sont épuisés) et répond que les ions présents au point A sont : (Fe3+, Mn2+, SO4 2-, OH-, H+).

2) 3) Pour répondre à ces questions l’étudiant donne le sens de déroulement de la réaction (direct ou inverse), il donne à chaque fois l’un des produits formés sans donner l’équation de la réaction d’oxydoréduction. D’après les produits fournis par l’étudiant, nous faisons l’hypothèse qu’il ait appliqué la loi de le Chatelier pour la prévision de l’évolution du système chimique.

4 )5) Pas de réponse.

  • Copie 4

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne les entités majoritaires Fe3+ et Mn2+.

2) 3) 4) 5) Pour répondre à ces questions l’étudiant donne la variation du potentiel de chaque électrode en s’appuyant sur l’équation de Nernst.

  • Copie 5

1) L’étudiant donne les entités présentes en solution d’une manière erronée (Fe3+, Mn2+, K+,SO4 2-, Fe2+).

2) 3) 4) 5) Pour répondre à ces questions l’étudiant s’appuis sur l’équation de Nernst relative à chaque électrode, mais l’étudiant se trompe pour le potentiel associé au couple MnO4 -/Mn2+

  • Copie 6

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence (au point A les réactifs sont épuisés) et répond que les ions présents au point A sont : (Fe3+, Mn2+, K+, SO4 2-, OH-, H3O+).

2)3) 4) 5) L’étudiant raisonne sur l’évolution du système en appliquant implicitement la loi de Chatelier sans qu’il la mentionne : le système sera déplacé dans le sens qui tend à annuler le changement effectué. L’étudiant ne donne aucune équation de la réaction alors qu’il décrit l’évolution du système en sens direct et en sens inverse.

  • Copie 7

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne les entités « en proportions importantes » : Fe3+ et Mn2+ et il signale qu’il existe « des quantités faibles » : Fe2+ et MnO4 -

2) La réponse de l’étudiant est qu’aucune réaction n’aura lieu, mais il n’explicite pas le modèle qu’il utilise et il ne précise pas la variation du potentiel. Cependant il précise que la concentration de Mn2+ augmente.

3) 4) et 5) pas de réponse

  • Copie 8

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence (au point A les réactifs sont épuisés) et répond que les ions présents au point A sont : (Fe3+, Mn2+, K+, SO4 2-).

2) Aucune réponse.

3)4)5) Pour répondre à ces questions l’étudiant donne le sens de déroulement de la réaction directe ou inverse sans donner l’équation de la réaction d’oxydoréduction mais il se réfère implicitement à la loi de Chatelier. Particulièrement pour répondre à la question 4), l’étudiant prévoit une précipitation de Fe2(SO4); il s’agit alors du modèle de couple de charges.

  • Copie 9

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence (au point A les réactifs sont épuisés) et répond que les ions présents au point A sont : (Fe3+, Mn2+, K+, SO4 2-).

2) 3)4)5) Pour répondre à ces questions l’étudiant donne le sens de déroulement de la réaction directe ou inverse sans donner l’équation de la réaction d’oxydoréduction mais il se réfère implicitement à la loi de Chatelier.

  • Copie 10

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence (au point A les réactifs sont épuisés) et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+ et que K+, SO4 2- sont des ions spectateurs.

2) 3) 4) 5) L’étudiant prévoit qu’aucune réaction n’aura lieu et donne l’évolution du potentiel du système chimique mais il ne précise pas le modèle qu’il utilise.

  • Copie 11

1) L’étudiant ne fait pas le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il se contente de donner la liste de plusieurs entités qui ne sont pas toutes présentes au point d’équivalence (Fe2+, Fe3+, Mn2+, K+, SO4 2-, OH-, H+).

2) 3) 4) 5) Pour répondre à ces questions l’étudiant fournit l’équation de Nernst dans le cas général et donne l’évolution du potentiel mais il se trompe.

  • Copie 12

1) L’étudiant ne fait pas le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il se contente de donner la liste de plusieurs entités qui ne sont pas toutes présentes au point d’équivalence (Fe2+, Fe3+, Mn2+, K+, SO4 2-).

2) la réponse de l’étudiant est que rien ne se passe mais il indique une augmentation des concentrations des entités ajoutées

3) Pour répondre à cette question l’étudiant donne les produits et le sens de déroulement de la réaction sans donner l’équation. Nous faisons l’hypothèse qu’il se réfère implicitement à la loi de Le Chatelier.

4) 5) la réponse de l’élève est qu’il y a simplement augmentation des concentrations des entités ajoutées.

  • Copie 13

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+, K+, SO4 2-.

2) L’élève prévoit une évolution du système dans le sens indirect selon la loi de la modération et il prévoit la formation d’un précipité MnO2 à partir de Mn2+ et SO4 2-.

3)4) L’évolution du système est prévue selon la loi de la modération

5) Pas de réponse

  • Copie 14

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+, K+, SO4 2-.

2) La réponse de l’élève est que rien ne se passe, mais il n’explicite pas le modèle qu’il utilise.

3)4) Les deux réponses sont régies par la loi de modération

5)La réponse est que rien ne se passe, mais l’élève ne fournie aucune explication.

  • Copie 15

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+, K+, SO4 2-.

2) La réponse de l’élève est que rien ne se passe, mais il n’explicite pas le modèle qu’il utilise.

L’évolution est prévue en sens inverse, mais l’étudiant ne fournie aucune explication

4)5) L’évolution obéit implicitement à la loi de modération

  • Copie 16

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+, K+, SO4 2-.

2)La réponse de l’étudiant est que la réaction évolue dans le sens indirecte selon  « les lois de la cinétique ».

3)L’étudiant répond que rien ne se passe et il avance une bonne explication sur la composition du système.

4)La réponse à cette question est régie par la loi de la modération

5)La réponse de l’étudiant est que rien ne se passe

  • Copie 17

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+, H+, OH-, K+, SO4 2-.

2) La réponse de l’étudiant est que la réaction évolue dans le sens directe selon la loi de modération.

3)L’étudiant répond que rien ne se passe et donne une explication correcte en s’appuyant sur la composition du système.

4)La réponse à cette question est régie par la loi de la modération.

5) La réponse de l’étudiant est que rien ne se passe.

  • Copie 18

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+, H+.

2) 3) L’étudiant prévoit l’évolution du potentiel en se référant à l’équation de Nernst, relative au couple MnO4 - /Mn2+. Il mentionne l’évolution du potentiel en le reliant aux concentrations de Mn2+ et de MnO4 -

4)5)Pas de réponse

  • Copie 19

1) L’étudiant ne fait pas le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il se contente de donner la liste de plusieurs entités qui ne sont pas toutes présentes au point d’équivalence (Fe2+, Fe3+, Mn2+ H+, K+, SO4 2-).

2)3) En se référant à l’équation de Nernst l’étudiant donne l’évolution du potentiel.

4) La réponse est que rien ne se passe mais il n’y a aucune argumentation

5) Pas de réponse

  • Copie 20

1) L’étudiant ne fait pas le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il se contente de donner la liste de plusieurs entités qui ne sont pas toutes présentes au point d’équivalence (Fe2+, Fe3+, Mn2+ H+, K+, SO4 2-, H2O).

2)3) L’étudiant donne l’évolution du potentiel d’une manière erronée, mais il n’explicite pas le modèle qu’il suit.

4) Pas de réponse

5) L’étudiant prévoit une réaction, décrit l’évolution du potentiel en se référant à la courbe mais il n’explicite pas le modèle qu’il suit.

  • Copie 21

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+.

2) 3) L’étudiant prévoit l’évolution du potentiel en se référant à l’équation de Nernst, qu’il donne pour chacun des deux couples, mais il fait une erreur de signe pour l’équation de Nernst correspondante au couple Fe3+/Fe2+. L’étudiant mentionne l’évolution des concentrations mais il donne une différence de potentiel erronée due à l’erreur de signe.

4)5) En se référant à l’équation de Nernst, l’étudiant mentionne que l’évolution de la différence de potentiel se fait selon « un effet contraire ». Ceci nous conduit à faire l’hypothèse que cet étudiant interprète aussi l’évolution du système selon la loi de modération ou la loi de Le Chatelier .

  • Copie 22

1) L’étudiant ne fait pas le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il se contente de donner la liste de plusieurs entités qui ne sont pas toutes présentes à l’équivalence (Fe2+, Fe3+, Mn2+, K+, SO4 2-).

2)3)4)5) L’étudiant décrit l’évolution du potentiel en se référant à l’équation de Nernst .

  • Copie 23

1) L’étudiant ne fait pas le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule car il ne donne pas la liste des entités au point A, mais il donne les proportions des entités Fe2+ et MnO4 - à l’équivalence.

2)3) L’étudiant prévoit une augmentation du potentiel pour les deux cas, il ne donne pas l’équation de Nernst et n’explicite aucun modèle.

4)5) Pas de réponses.

  • Copie 24

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+, H+, OH-

2)3)4)5) L’étudiant prévoit l’évolution du potentiel en se référant à la loi de modération : l’équilibre est perturbé afin de consommer l’entité qui a été ajoutée.

  • Copie 25

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, au point d’équivalence A, il donne la composition du système : Fe3+ et Mn2+.

2) La réponse est que rien ne se passe et l’étudiant ne donne pas d’argumentation

3)4) L’étudiant prévoit une évolution du potentiel et un déplacement d’équilibre mais il n’explicite pas le modèle qu’il suit.

5) L’étudiant prévoit une réaction parasite et mentionne les propriétés perceptibles du produit qui sera formé.

  • Copie 26

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+, H2O, K+, SO4 2-.

2) 3)4)5) L’étudiant prévoit l’évolution du potentiel en se référant à l’équation de Nernst mais il se trompe dans l’écriture de cette équation relativement au couple Mn2+/MnO4 -.

  • Copie 27

1) L’étudiant fait le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il donne du sens au point d’équivalence et répond que les ions présents au point A sont : Fe3+, Mn2+

2) L’étudiant prévoit une réaction de précipitation selon le modèle de couple de charge : Fe2 (SO4)3

3) La réponse de l’étudiant c’est qu’il y a oxydation des Mn2+

4)5) Les réponses de l’étudiant indiquent que « rien ne se passe » mais n’explicitent pas le modèle utilisé.

  • Copie 28

1) L’étudiant ne fait pas le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui se déroule, il indique que les entités présentes au point d’équivalence sont les suivantes: Fe3+, Fe2+, Mn2+

2) L’étudiant prévoit une réaction de précipitation selon le modèle de couple de charge : il s’agit de la formation de Fe(SO4)

3)La réponse de l’étudiant satisfait à la loi de modération.

4)5)L’étudiant prévoit une précipitation selon lé modèle de couple de charge : il s’agit Fe(SO4).

  • Copie 29

1) L’étudiant ne fait pas le lien entre le graphique du dosage et la réaction qui s’est déroulée car il mentionne qu’au point A les entités présentes sont: Fe3+, Fe2+, Mn2+, H2O, K+, SO4 2-.

2) L’étudiant prévoit une évolution de réaction selon la « loi de modération ».

3)4)5) L’étudiant prévoit l’évolution du potentiel du système ( V ou V) d’une manière erronée, mais ne donne pas explicitement le modèle qu’il suit.