TP virtuel de la croix qui disparaît : vitesse de réaction

Ce TP virtuel de la croix qui disparaît correspond à la seconde méthode du TP obligatoire d'AQA GCSE Chemistry sur les vitesses de réaction : suivre une réaction par le changement de turbidité. Les élèves mélangent du thiosulfate de sodium avec de l'acide chlorhydrique au-dessus d'une croix tracée sur papier et chronomètrent le temps que met le soufre à la masquer. Ils recommencent à cinq concentrations, tracent 1/t en fonction de la concentration, puis augmentent la température. Un mode colorimètre couvre le TP de cinétique au cristal violet d'AP Chemistry (voir le Prolongement).

Liens avec les programmes

• AQA GCSE Chemistry 4.6.1.2 (factors that affect the rates of chemical reactions) et son TP obligatoire sur l'effet de la concentration sur la vitesse, avec le changement de turbidité. En Combined Science: Trilogy, le même contenu est le point 5.6.1.2. Pour la méthode du volume de gaz du même TP, voir le TP virtuel sur la vitesse de réaction.
• AP Chemistry Unit 5, topics 5.1 Reaction Rates, 5.2 Introduction to Rate Law et 5.3 Concentration Changes Over Time (réactions d'ordre 1 et ln A en fonction du temps).
• NGSS HS-PS1-5 (standard américain) : expliquer l'effet d'un changement de concentration ou de température sur la vitesse d'une réaction.

Simulic n'est pas affilié au College Board ni à AQA, 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 :

« À 20 °C, 50 mL de solution de thiosulfate de sodium font disparaître la croix en 25 secondes environ. Vous utilisez à la place 25 mL de thiosulfate et 25 mL d'eau. Combien de temps la croix mettra-t-elle à disparaître ? »

Certains élèves répondent « le même temps, puisque le volume est le même ». Ne les corrigez pas encore.

Protocole dans la simulation

Chaque essai utilise une fiole neuve : le volume choisi de Na₂S₂O₃ 0,15 M, complété à 50 mL avec de l'eau, plus 10 mL de HCl 2 M.

1. Réglez Méthode sur « Croix qui disparaît », Température sur 20 °C et Vitesse du temps sur ×2.
2. Réglez Na₂S₂O₃ 0,15 M sur 50 mL. Appuyez sur Verser HCl et démarrer.
3. Observez le cercle « Vue de dessus ». Appuyez sur Croix invisible – stop (ou touchez l'image) dès que vous ne voyez plus la croix.
4. Recommencez deux fois et calculez le temps moyen. Mesure auto chronomètre un essai pour vous, avec une dispersion d'environ 3 %, comme un observateur soigneux.
5. Recommencez pour 40, 30, 20 et 10 mL de thiosulfate. L'eau est ajoutée automatiquement.
6. Calculez 1/t pour chaque moyenne. Appuyez sur 1/t – concentration pour voir le graphique.
7. Remettez le volume à 50 mL et recommencez à 30 °C et 40 °C. Appuyez sur 1/t – température.

V Na₂S₂O₃ (mL)	V eau (mL)	[S₂O₃²⁻] (M)	t₁ (s)	t₂ (s)	t₃ (s)	t moyen (s)	1/t (s⁻¹)
50	0	0,125
40	10	0,100
30	20	0,075
20	30	0,050
10	40	0,025

Résultats attendus

Après chaque essai, la simulation affiche le temps du modèle, le moment où la croix disparaît vraiment. Les essais isolés s'en écartent d'environ 3 %. À 20 °C :

V Na₂S₂O₃ (mL)	50	40	30	20	10
Temps du modèle t (s)	25,2	31,6	42,2	63,8	130
1/t (s⁻¹)	0,0397	0,0317	0,0237	0,0157	0,0077

• 1/t est proportionnel à la concentration en thiosulfate : les points sont sur une droite qui passe par l'origine. Diviser la concentration par deux (de 50 à 25 mL) double le temps, de 25,2 s à 50,8 s.
• Les vrais essais sont dispersés : nos essais en mesure auto à 50 mL ont donné 26,3 ; 25,4 et 25,5 s.
• Température, 50 mL : 52,0 s à 10 °C ; 25,2 s à 20 °C ; 12,8 s à 30 °C et 6,8 s à 40 °C. Chaque hausse de 10 °C double à peu près 1/t.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Comment le temps change-t-il quand vous utilisez 25 mL de thiosulfate et 25 mL d'eau au lieu de 50 mL de thiosulfate ?
2. Pourquoi ajoute-t-on de l'eau pour compléter le volume à 50 mL à chaque essai ?
3. Avec 20 mL de thiosulfate et 30 mL d'eau à 20 °C, quel est le temps moyen de disparition de la croix ?
4. Avec 50 mL de thiosulfate, combien de fois 1/t est-il plus grand à 30 °C qu'à 20 °C ?
5. Pourquoi peut-on utiliser 1/t comme vitesse, et comment rendre le chronométrage plus précis ?

Réponses pour l'enseignant : (1) Il double à peu près, de 25 s à 51 s. (2) Pour garder identiques le volume total et la hauteur de liquide à travers laquelle on regarde : seule la concentration en thiosulfate change. (3) Environ 64 s (accepter 59–69 s). (4) Environ 2,0 (accepter 1,75–2,2). (5) Chaque essai s'arrête quand la même quantité de soufre s'est formée : la vitesse est donc une quantité fixe divisée par t, proportionnelle à 1/t. Le point final est une appréciation : gardez le même observateur, la même croix et le même éclairage, répétez et faites la moyenne, ou utilisez un capteur de lumière pour détecter le point final.

Idées fausses fréquentes

• « Le volume total est le même, donc la concentration est la même. » Ajouter de l'eau à la place du thiosulfate diminue la concentration du réactif.
• « Un temps plus long veut dire une réaction plus rapide. » Le temps et la vitesse varient en sens inverse, c'est pourquoi le graphique utilise 1/t.
• « Chauffer fait seulement se heurter les particules plus souvent. » L'effet le plus important est qu'une plus grande part des collisions a assez d'énergie pour réagir.

Prolongement

• AP : colorimétrie au cristal violet. Passez la Méthode sur « Colorimètre », réglez [OH⁻] sur 0,02 M et 25 °C, et appuyez sur Démarrer la mesure. Comparez les graphiques A – t, ln A – t et 1/A – t : seul ln A – t est une droite (R² 0,9999), donc la réaction est d'ordre 1 par rapport au colorant. Nous avons obtenu k' = 4,0×10⁻³ s⁻¹ et t½ = 173 s. Avec 0,04 M de OH⁻, k' a doublé à 8,0×10⁻³ s⁻¹ (R² 0,9996 pour ln A, 0,88 pour les deux autres graphiques) : la réaction est donc aussi d'ordre 1 par rapport à OH⁻, avec k = 0,200 M⁻¹ s⁻¹.

Questions fréquentes

Pourquoi ne pas simplement faire le vrai TP ?

La vraie réaction dégage du dioxyde de soufre, toxique et capable de déclencher une crise d'asthme. La simulation fournit un jeu de données complet sans danger, avec des répétitions en quelques secondes. Utilisez-la avant un TP réel ou à sa place.

Pourquoi mes temps diffèrent-ils légèrement du tableau ?

Chaque essai est chronométré à l'œil, ou par Mesure auto avec une dispersion d'environ 3 %. C'est pourquoi les élèves répètent chaque essai et utilisent la moyenne.

Cela remplace-t-il la méthode du volume de gaz ?

Non. Le TP d'AQA demande les deux méthodes : l'une mesure un volume de gaz, l'autre suit un changement de couleur ou de turbidité. La méthode du volume de gaz est dans le TP virtuel sur la vitesse de réaction : ensemble, les deux guides couvrent tout le TP.

Simulations et guides associés

Mesure du volume de gaz au cours du temps – vitesse moyenne et instantanée de réaction Vitesse de réaction – modèle des collisions (concentration, température, catalyseur, surface de contact)

Pour d'autres activités de chimie, voir idées de leçons de chimie interactives. Pour mener la prédiction en cycle complet, voir prédire, observer, expliquer avec des simulations.