TP virtuel de formule empirique : oxyde de magnésium

Ce TP virtuel de formule empirique reprend le TP classique de l'oxyde de magnésium de GCSE, IGCSE, A-level et IB Chemistry. Les élèves pèsent un creuset et son couvercle, ajoutent un ruban de magnésium, chauffent en soulevant le couvercle de temps en temps, puis recommencent chauffage, refroidissement et pesée jusqu'à masse constante. Ils convertissent les masses de magnésium et d'oxygène en moles et trouvent le plus simple rapport de nombres entiers. La simulation montre aussi ce qui ne va pas quand le couvercle reste fermé ou est retiré, et une deuxième expérience détermine l'eau de cristallisation du sulfate de cuivre(II) hydraté.

Liens avec les programmes

• AQA GCSE Chemistry 4.3.1.3 (variations de masse quand un réactif est un gaz) et 4.3.2 (quantité de matière, niveau approfondi).
• AQA A-level Chemistry 3.1.2.4 (formule empirique et formule moléculaire).
• Cambridge IGCSE Chemistry 0620, thème 3.3 (la mole : formules empiriques et eau de cristallisation).
• IB Chemistry Structure 1.4 (compter les particules par la masse) et AP Chemistry thème 1.3 (composition élémentaire des corps purs).

Simulic n'est pas affilié à AQA, à Cambridge, à l'IB, au College Board ni à aucun organisme d'examen, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Demandez aux élèves de s'engager sur une prédiction, sur papier ou comme question 1 du lien de classe :

« Vous chauffez 0,24 g de ruban de magnésium dans un creuset jusqu'à ce qu'il ait entièrement réagi. La masse du creuset et de son contenu augmente-t-elle, diminue-t-elle ou reste-t-elle la même ? »

Beaucoup d'élèves répondent qu'elle diminue, parce que « le magnésium part en fumée ». Ne les corrigez pas encore.

Protocole dans la simulation

1. Laissez Expérience sur « Oxyde de magnésium (combustion du Mg) » et Masse de magnésium sur 0,24 g. Le tableau indique déjà le creuset vide avec son couvercle, puis le creuset, le couvercle et le magnésium.
2. Réglez Couvercle sur « légèrement soulevé » et appuyez sur Commencer à chauffer. Le magnésium rougeoie pendant qu'il réagit.
3. Quand il ne rougeoie plus, appuyez sur Refroidir et peser. La nouvelle masse apparaît dans le tableau des résultats.
4. Appuyez de nouveau brièvement sur Commencer à chauffer, puis sur Refroidir et peser. Recommencez jusqu'à ce que la ligne d'état indique « Masse constante » : les deux dernières pesées diffèrent de 0,002 g au plus.
5. Calculez la masse de magnésium et la masse d'oxygène, puis la quantité de chacun en moles (Ar : Mg = 24,31 ; O = 16,00). Tapez votre formule sous Trouver la formule et appuyez sur Vérifier.
6. Appuyez sur Recommencer et refaites l'expérience avec Couvercle « retiré », puis avec Couvercle « fermé ». Comparez les rapports.
7. Facultatif : refaites les étapes 2 à 4 avec 0,12 g et 0,36 g de magnésium et tracez la masse d'oxygène en fonction de la masse de magnésium.

Masse de Mg (g)	Couvercle	Creuset + couvercle (g)	Creuset + couvercle + Mg (g)	Masse finale constante (g)	Masse de O (g)	mol O ÷ mol Mg
0,24	légèrement soulevé
0,24	retiré
0,24	fermé

Résultats attendus

Valeurs tirées de la simulation. La balance lit au 0,001 g près et son dernier chiffre fluctue de ±0,001 g : les groupes obtiennent donc des valeurs un peu différentes.

Couvercle	Masse de Mg (g)	Masse de O (g)	mol O ÷ mol Mg	Ce qu'indique le calcul
légèrement soulevé	0,241	0,154	0,97	MgO, pas d'erreur de manipulation
retiré	0,239	0,113	0,72	fumée échappée, masse finale trop faible
fermé (5 min, puis 6,6 min)	0,242	0,080, puis 0,094	0,50, puis 0,59	tout le Mg n'a pas réagi ; pas de masse constante

• Couvercle légèrement soulevé, la masse d'oxygène est de 0,152 à 0,156 g pour 0,24 g de magnésium, et le rapport est proche de 1 : 1. Le rendement en MgO est d'environ 99 %.
• La masse d'oxygène est proportionnelle à la masse de magnésium : environ 0,078 g pour 0,12 g et 0,230 g pour 0,36 g.
• Eau de cristallisation : 2,50 g de sulfate de cuivre(II) hydraté, chauffé doucement et refroidi dans un dessiccateur, perdent 0,901 g d'eau (36,0 %). On trouve x = 4,99 : la formule est CuSO₄·5H₂O.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Comment varie la masse du creuset et de son contenu quand on y chauffe du magnésium ?
2. Une classe utilise 0,12 g, 0,24 g et 0,36 g de magnésium. Quelle est la variable dépendante ?
3. Avec 0,24 g de magnésium et le couvercle légèrement soulevé, quelle masse d'oxygène se combine ?
4. D'après vos masses, que vaut la quantité d'oxygène divisée par la quantité de magnésium ?
5. Couvercle retiré, le rapport Mg : O vaut environ 1 : 0,72. Pourquoi ?

Réponses pour l'enseignant : (1) Elle augmente, d'environ 0,154 g, parce que l'oxygène de l'air se combine au magnésium. (2) La masse d'oxygène qui se combine (la masse de magnésium est la variable indépendante). (3) Environ 0,154 g (accepter de 0,150 à 0,160 g). (4) Environ 0,97 (accepter de 0,94 à 1,03) : la formule est donc MgO. (5) De la fumée blanche d'oxyde de magnésium s'est échappée : la masse finale, et donc la masse d'oxygène, est trop faible.

Idées fausses fréquentes

• « Ce qui brûle devient plus léger. » Le magnésium gagne de la masse parce qu'il se combine à l'oxygène. La masse se conserve, mais l'oxygène vient de l'air, qui n'a jamais été sur la balance.
• « Il faut laisser le couvercle fermé pour que rien ne s'échappe. » Couvercle fermé, il entre trop peu d'air et le magnésium ne réagit qu'à moitié. Il faut soulever le couvercle de temps en temps.
• « Un rapport de 0,97 signifie que la formule est Mg₃₃O₃₂. » Les rapports expérimentaux ne sont jamais exacts. Arrondissez au plus simple rapport de nombres entiers compatible avec l'incertitude expérimentale.

Prolongement

• Passez Expérience sur « Eau de cristallisation », choisissez le sulfate de cuivre(II) et trouvez x. Essayez ensuite un chauffage fort, ou décochez Refroidir dans un dessiccateur, et lisez l'erreur signalée par le calcul.
• Analyse par combustion (A-level et IB) : brûlez de l'éthanoate d'éthyle, trouvez les masses de C, H et O à partir du CO₂ et de l'H₂O absorbés, et utilisez le pic de l'ion moléculaire pour obtenir la formule moléculaire.

Questions fréquentes

Pourquoi le rapport sort-il un peu en dessous de 1 ?

Couvercle légèrement soulevé, environ 1 % de l'oxyde de magnésium s'échappe en fumée, comme dans un vrai creuset. Le rapport reste assez proche de 1 : 1 pour donner MgO.

La simulation tient-elle compte du nitrure de magnésium ?

Non. La petite quantité de nitrure formée dans l'air est ignorée : les seules erreurs viennent du couvercle, d'un chauffage incomplet et de la balance.

Combien de temps dure un essai ?

Environ 2 minutes : 25 secondes de chauffage correspondent à 5 minutes sur l'horloge. Il reste du temps pour comparer les positions du couvercle et pour l'hydrate.

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