TP virtuel d'analyse gravimétrique : calcium d'une eau dure

Ce TP virtuel d'analyse gravimétrique reprend l'investigation sur l'eau dure d'AP Chemistry et le travail de gravimétrie d'IB et de VCE Chemistry. Les élèves mesurent 500 cm³ d'eau, précipitent le calcium sous forme de carbonate de calcium avec une solution de carbonate de sodium et testent le liquide limpide jusqu'à ce que la précipitation soit complète. Ils filtrent, lavent, puis chauffent, refroidissent et pèsent jusqu'à ce que deux pesées concordent. À partir de la masse du précipité, ils calculent la dureté en mg de CaCO₃ par dm³ et la teneur en calcium en mg de Ca²⁺ par dm³. Une solution étalon permet de valider la méthode, et sauter une étape montre aussitôt son effet. Tous les nombres ci-dessous ont été lus dans la simulation.

Liens avec les programmes

• AP Chemistry Unit 1, topic 1.4 (composition des mélanges, SPQ-2.B) et l'investigation d'AP sur l'analyse gravimétrique d'une eau dure.
• IB Chemistry, Tool 1 (techniques expérimentales) : mesurer des masses, filtrer et chauffer jusqu'à masse constante, avec les calculs de quantité de matière de Structure 1.4.
• VCE Chemistry (Australie) Unit 2, Area of Study 2 : dosage de substances dans l'eau, y compris par analyse gravimétrique.

Simulic n'est pas affilié au College Board, à l'IB ni à la VCAA, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Demandez : « Un élève oublie de laver le précipité de carbonate de calcium avant de le sécher. La dureté qu'il calcule sera-t-elle trop élevée, trop faible ou correcte ? » Sur un lien de classe, c'est la question 1 ; la simulation se débloque une fois que les élèves ont répondu.

Protocole dans la simulation

1. Choisissez Eau dure : Ca²⁺ sous forme CaCO₃, puis Solution étalon, et réglez Balance sur 0,0001 g. Laissez le curseur Échantillon d’eau sur 500 cm³.
2. Appuyez sur Mesurer l’eau, puis sur Ajouter 10 cm³ de Na₂CO₃. Appuyez sur Tester le liquide limpide ; ajoutez du Na₂CO₃ jusqu'à ce qu'aucun nouveau trouble n'apparaisse.
3. Appuyez sur Filtrer, puis deux fois sur Laver.
4. Appuyez sur Chauffer, refroidir, peser jusqu'à ce que le message indique que les deux dernières pesées concordent, puis sur Noter le résultat.
5. Recommencez sans laver. Choisissez ensuite Échantillon d’eau pour analyser l'eau du robinet inconnue.

Essai	Échantillon	Na₂CO₃ ajouté (cm³)	Lavages	Chauffages	Masse de CaCO₃ (g)	Dureté (mg CaCO₃/dm³)	Ca²⁺ (mg/dm³)
1	Étalon		2
2	Étalon		0
3	Échantillon d'eau		2

Résultats attendus

L'étalon contient 400 mg de CaCO₃ par dm³ : 500 cm³ en contiennent donc 0,2000 g. Les pesées comportent une très petite erreur aléatoire, si bien que les résultats concordent de près.

• Étalon, une portion de Na₂CO₃, lavé deux fois : 0,2009 g de CaCO₃, 402 mg/dm³ et 161 mg Ca²⁺/dm³. La masse constante est atteinte après 5 chauffages. Avec deux portions : 0,2016 g, 403 mg/dm³.
• Lavé une fois : 0,2037 g, 407 mg/dm³. Non lavé : 0,2147 g, 429 mg/dm³, signalé « non lavé ». Les sels solubles restants s'ajoutent à la masse.
• Balance à 0,01 g : 0,20 g et 400 mg/dm³, mais l'incertitude est de ±0,02 g, soit 10 % de la masse.
• Échantillon d'eau : un échantillon inconnu différent à chaque chargement de la page ou à chaque Nouvel inconnu. Un essai a donné 185 mg/dm³ pour une valeur vraie de 180 mg/dm³.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Si le précipité n'est pas lavé, la dureté calculée est-elle trop élevée, trop faible ou correcte ?
2. Une classe analyse la même eau avec des échantillons de 250, 500 et 1000 cm³. Quelle est la variable dépendante ?
3. Quelle masse de carbonate de calcium obtenez-vous avec 500 cm³ de la solution étalon ?
4. Calculez la teneur en calcium de l'étalon en mg de Ca²⁺ par dm³.
5. Expliquez pourquoi on chauffe, refroidit et pèse jusqu'à ce que deux pesées concordent.

Réponses pour l'enseignant : (1) Trop élevée : 429 au lieu d'environ 402 mg/dm³. (2) La masse de carbonate de calcium sec. (3) Accepter 0,198–0,207 g (environ 0,201 g). (4) Masse ÷ 100,09 × 40,08 × 1000 mg ÷ 0,500 dm³ ; accepter 158–166 mg/dm³. (5) Chaque chauffage chasse davantage d'eau. Deux pesées égales montrent que toute l'eau est partie ; s'arrêter trop tôt laisse de l'eau dans le solide, et la masse comme le résultat sont trop élevés.

Idées fausses fréquentes

• « Plus de réactif donne toujours un meilleur résultat. » Il en faut assez pour une précipitation complète, mais un gros excès laisse plus de sel soluble à éliminer au lavage.
• « Le lavage fait perdre du précipité. » Le carbonate de calcium est insoluble ; le lavage n'élimine que les sels solubles.
• « Un seul chauffage suffit. » La première pesée contient encore l'essentiel de l'eau retenue par le gâteau de filtration.
• « Le dernier chiffre de la balance rend le résultat exact. » Une balance à 0,01 g affiche 0,20 g pour un précipité de 0,2009 g.

Prolongement

• Sulfate sous forme BaSO₄ : avec Corps pur, 1 g de sulfate d'ammonium a donné 72,8 % de sulfate (valeur vraie 72,7 %) ; sans lavage, 74,0 %. Trois portions de BaCl₂ ont laissé la précipitation incomplète : 57,8 %.
• Chlorure de baryum hydraté : chauffez jusqu'à masse constante et trouvez x dans BaCl₂·xH₂O.

Questions fréquentes

Puis-je fixer les réglages pour ma classe ?

Oui. Dans la page de partage, fixez Expérience sur « Calcium d’une eau dure, précipité sous forme CaCO₃ », Échantillon sur « Corps pur / solution étalon », Résolution de la balance sur « 0,0001 g (balance analytique) » et Volume de l’échantillon d’eau sur 500 cm³ dans les valeurs de départ du lien.

Tous les élèves ont-ils le même échantillon d'eau ?

Non. L'échantillon d'eau inconnu est tiré au hasard à chaque chargement de la page : chaque élève trouve donc une dureté différente et la compare à la valeur vraie du tableau. C'est pourquoi les questions notées utilisent la solution étalon.

Pourquoi le tableau affiche-t-il la valeur vraie ?

Pour que les élèves calculent leur écart relatif en pourcentage et le relient aux étapes qu'ils ont sautées.

Simulations et guides associés

Identifier les ions d'un sel – test de flamme et précipités Réactif limitant et rendement – stœchiométrie avec des particules

Pour le chauffage jusqu'à masse constante avec le magnésium, voir le TP virtuel de formule empirique. Pour les tests de précipitation, voir le TP virtuel d'identification des ions.