De l'eau qui s'évapore - RÉSULTATS

Je vous parlais dans mon dernier billet d'une question impliquant de l'eau qui s'évapore. J'y réponds maintenant, alors faites gaffe! Si vous n'avez pas lu le billet précédent, je me dois de vous avertir: SPOILER ALERT!

Image: http://www.robertcampbellphotography.com/

Faisons d'abord un rappel de la question d'hier... Si l'eau contenue dans le récipient de gauche s'évapore, que pourrez-vous voir dans la section grossie du récipient de droite?

Dans le cercle a., on voit une représentation de molécules d'oxygène et d'hydrogène. Il faudrait, pour passer de l'eau aux gaz "hydrogène" et "oxygène", briser les molécules d'eau. C'est possible, mais ça ne se produit pas lors de l'évaporation de l'eau. Les atomes d'oxygène et d'hydrogène sont simplement liés trop fortement ensemble pour se séparer spontanément. Heureusement, sinon on aurait de l'hydrogène gazeux (un explosif) et de l'oxygène gazeux (un comburant) au-dessus de notre bouilloire chaque fois qu'on se prépare du thé. Comme disait quelqu'un, faudrait pas fumer au-dessus de ça!

Dans le cercle b., on voit 2 molécules d'eau, 2 molécules d'hydrogène et 1 molécule d'oxygène. Pour la même raison qu'en a, cette représentation n'est pas correcte. Aucune molécule d'eau ne se convertit en hydrogène et oxygène gazeux durant l'évaporation.

Dans le cercle c., aucune particule n'est dessinée. Cette représentation non plus n'est pas correcte. En effet, un gaz, même s'il est invisible, est néanmoins composé de particules. Un gaz, c'est de la matière. Toute matière est composée de particules. C'est la théorie atomiste!

Dans le cercle d., on voit des atomes d'hydrogène et des atomes d'oxygène indépendants. Deux problèmes: comme j'ai déjà expliqué, il n'y a pas de bris des liaisons dans la molécule d'eau quand celle-ci quitte la phase liquide pour s'évaporer. Le deuxième problème est plus grave: cette représentation suggère que des atomes d'oxygène et d'hydrogène peuvent exister indépendamment dans la nature. Ce n'est pas le cas. Tous les deux existent toujours sous forme de molécules. Les molécules peuvent être élémentaires, comme la molécule d'hydrogène composée de 2 atomes d'hydrogène, ou encore être des composés, comme la molécule d'eau, composée de deux types d'atomes différents (H et O). Les seuls éléments qui existent sous forme d'atomes indépendants sont les gaz rares, comme l'hélium, le néon, l'argon, etc.

Dans le cercle e., on voit des molécules d'eau, certes moins nombreuses que dans le dessin de l'eau liquide, mais ayant la même forme et la même composition. C'est la bonne réponse. L'eau, sous forme liquide ou sous forme de vapeur, est toujours constituée des mêmes particules. Ces particules, ce sont les molécules d'eau. Une molécule est une entité discrète, pouvant grouper plusieurs atomes, et qui reste intacte lors des processus comme l'évaporation. Si les molécules d'eau sont moins nombreuses dans la vapeur, c'est que la matière gazeuse est moins dense que la matière liquide. Il y a moins de particules par unité de volume.

Cette question a fait l'objet d'un test auprès d'élèves de première année de cégep en sciences de la nature et d'étudiants universitaires en première année au bacc en enseignement des sciences. Les résultats, compilés par Jesús Vázquez, sont présentés ici:

On remarque que les élèves du cégep, en vaste majorité, croyaient que la réponse d. était la bonne. C'est un résultat typique: les élèves ont de la difficulté à faire la différence entre les processus qui brisent les liaisons entre les atomes d'une molécules et ceux qui ne les brisent pas - comme l'évaporation, par exemple. Pour briser les liaisons à l'intérieur d'une molécule, il faudrait fournir beaucoup d'énergie, parce que ce sont des liaisons très fortes, très solides. Pour briser les liaisons entre les atomes d'hydrogène et l'atome d'oxygène, il faudrait faire ce qu'on appelle l'électrolyse de l'eau, soit passer un courant électrique dans l'eau. C'est un effort plutôt violent, en comparaison de simplement laisser une flaque d'eau sécher, n'est-ce pas?

Il y avait aussi un 2e niveau à ma question.

Choisissez ensuite une raison pour votre choix:

1) L’évaporation donne de la vapeur, constituée d’oxygène et d’hydrogène.
2) L’évaporation est le processus par lequel les molécules de liquide gagnent de la chaleur pour se transformer chimiquement. La réaction peut être complète ou incomplète.
3) Un gaz est constitué de la même substance que le liquide dont il provient.
4) Un gaz est un composé très léger qui n’est pas constitué de particules.


Voici les résultats au 2e niveau, pour le même échantillon:

Choix de ............. Raison 1 ....... Raison 2 ....... Raison 3*....... Raison 4
réponse
_________________________________________________________
a ...............................4 ....................1 .................... 0..................... 0
b .............................. 1.................... 5 .....................0..................... 0
c ...............................0 .....................1..................... 2 .....................0
d .............................. 10 ...................7 .....................1 .....................0
e*.............................. 0 .................... 1 ....................20 ...................0
_____________
* Réponse correcte.

La raison correcte, "Un gaz est constitué de la même substance que le liquide dont il provient",
a été choisie par la presque totalité des élèves et étudiants qui avaient la bonne réponse.

Les "cas intéressants", du point de vue de la recherche éducative, peuvent être classés dans deux grandes catégories:
-Les élèves qui n'ont simplement pas la bonne réponse;
-Les élèves qui ont la bonne réponse, mais pas la bonne raison (ici, 1 seul étudiant universitaire).

Il est ensuite pertinent de découper les élèves de la première catégorie afin de voir les combinaisons "réponse/raison" qui expliquent un peu pourquoi ils n'ont pas la bonne réponse. L'intervention éducative à planifier n'est pas la même pour un élève qui répond "a/1" (la molécule d'eau s'évapore pour donner de l'hydrogène et de l'oxygène moléculaires) que pour celui qui répond "d/1" (la molécule d'eau s'évapore pour donner de l'hydrogène et de l'oxygène sous forme d'atomes libres).

Si vous avez envie de vous amuser, et que vous êtes plutôt bon en analyse de données, pourriez-vous me conseiller une façon d'analyser mes résultats? J'aurais environ 10-12 questions comme celle présentée ici, et à chaque question une "matrice" de patrons de réponse. (C'est dans ces moments-là que j'espère que Michel lit mon blogue... :P)

J'espère ne pas vous avoir assommé avec ce long billet. Demain, ce sera moins sérieux!