TP virtuel Le Chatelier : couleurs, Qc et Kc

Ce TP virtuel Le Chatelier suit le TP d'investigation guidée d'AP Chemistry dans lequel les élèves perturbent des équilibres colorés et expliquent chaque changement de couleur. Les élèves travaillent avec deux tubes à essai. Dans le premier, Fe³⁺ et SCN⁻ forment FeSCN²⁺, rouge sang ; les élèves ajoutent des réactifs, en retirent un par précipitation et diluent. Dans le second, [Co(H₂O)₆]²⁺ rose et [CoCl₄]²⁻ bleu réagissent au chauffage et au refroidissement. Après chaque changement, la simulation affiche les concentrations et compare Qc avec Kc. Les élèves repartent avec un tableau de données, une règle pour chaque type de perturbation et des arguments pour le signe de ΔH.

Liens avec les programmes

• AP Chemistry Unit 7, topics 7.9 Introduction to Le Châtelier's Principle (TRA-8.A) et 7.10 Reaction Quotient and Le Châtelier's Principle (TRA-8.B), et le TP d'investigation guidée d'AP Chemistry sur le principe de Le Chatelier.
• NGSS HS-PS1-6 (standard américain) : améliorer la conception d'un système chimique en modifiant les conditions pour déplacer un équilibre.
• Il convient aussi aux chapitres sur l'équilibre d'IB Chemistry et d'A-level Chemistry.

Simulic n'est pas affilié au College Board ni à AQA, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Projetez le tube rouge de thiocyanate de fer et demandez :

« Ce mélange rouge est à l'équilibre : Fe³⁺ + SCN⁻ ⇌ FeSCN²⁺. Vous ajoutez une goutte de nitrate d'argent. Ag⁺ retire SCN⁻ sous forme d'un solide blanc. Que devient la couleur rouge ? »

Beaucoup d'élèves répondent « rien, l'argent n'est pas dans l'équation ». Recueillez les votes et passez à la suite.

Protocole dans la simulation

Partie A : thiocyanate de fer (Fe³⁺ + SCN⁻ ⇌ FeSCN²⁺)

1. Ouvrez le premier onglet. Gardez les valeurs de départ (Fe³⁺ 2,0 mM, SCN⁻ 1,5 mM). Attendez environ 10 secondes, jusqu'à ce que l'affichage indique que le système est à l'équilibre. Notez les trois concentrations et la couleur.
2. Appuyez une fois sur Ajouter Fe³⁺. Observez la jauge : Qc passe sous Kc, puis revient. Notez le nouvel équilibre.
3. Appuyez sur Réinitialiser, attendez l'équilibre, puis appuyez une fois sur Ajouter AgNO₃. Notez.
4. Appuyez sur Réinitialiser, attendez, puis appuyez une fois sur Ajouter de l'eau (5 mL). Notez. Calculez ce que serait [FeSCN²⁺] par la seule dilution (× 10/15).

Partie B : chlorure de cobalt ([Co(H₂O)₆]²⁺ + 4Cl⁻ ⇌ [CoCl₄]²⁻ + 6H₂O)

5. Ouvrez le second onglet. Gardez les valeurs de départ (Cl⁻ 6 M, bain à 25 °C). Attendez l'équilibre et notez les deux concentrations de cobalt et Kc.
6. Réglez la Température du bain sur 60 °C. Attendez que le thermomètre indique 60 °C et que Kc ne change plus (environ 40 secondes). Notez.
7. Réglez le bain sur 0 °C et notez de nouveau quand Kc ne change plus (jusqu'à une minute).

Perturbation	Couleur après	Qc par rapport à Kc juste après	Sens du déplacement	Concentration clé (mM)
Aucune (départ)
+ Fe³⁺
+ AgNO₃
+ eau
Bain 25 → 60 °C
Bain 60 → 0 °C

Résultats attendus

Toutes les valeurs viennent de la simulation avec les réglages ci-dessus.

Étape de la partie A	[Fe³⁺] (mM)	[SCN⁻] (mM)	[FeSCN²⁺] (mM)	Couleur
Équilibre	1,710	1,210	0,290	rouge orangé
+ Fe³⁺	2,577	1,091	0,394	rouge plus foncé
+ AgNO₃	1,791	0,796	0,199	plus pâle, AgSCN blanc
+ eau	1,190	0,857	0,143	plus pâle

Qc revient à Kc = 140 après chaque perturbation. La seule dilution laisserait 0,193 mM de FeSCN²⁺. La valeur mesurée de 0,143 mM montre un déplacement vers le côté qui compte le plus de particules dissoutes.

Bain de la partie B	[Co(H₂O)₆]²⁺ (mM)	[CoCl₄]²⁻ (mM)	Kc	Couleur
0 °C	48,0	2,0	3,16·10⁻⁵	rose
25 °C	39,9	10,1	2,00·10⁻⁴	violet
60 °C	16,8	33,2	1,66·10⁻³	bleu

Ajouter ou retirer une espèce modifie Qc, mais jamais Kc. Seule la température modifie Kc. Le chauffage multiplie Kc par environ 8,3 et rend le tube bleu : la réaction directe est donc endothermique.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Vous ajoutez AgNO₃ au mélange rouge à l'équilibre. Que devient la couleur rouge ?
2. Quelles variables doivent rester identiques entre les mesures du cobalt à 25 °C et à 60 °C ?
3. Avec les valeurs de départ, que vaut [FeSCN²⁺] à l'équilibre ?
4. Par quel facteur Kc du système du cobalt augmente-t-il de 25 °C à 60 °C ?
5. La réaction directe du cobalt est-elle exothermique ou endothermique ? Expliquez à l'aide de la couleur et de Kc.

Réponses pour l'enseignant : (1) Elle pâlit : retirer SCN⁻ rend Qc > Kc, donc FeSCN²⁺ se dissocie. (2) La quantité de Cl⁻ et le volume : n'ajoutez ni HCl ni eau entre les mesures. (3) 0,290 mM. (4) Environ 8,3 (1,66·10⁻³ ÷ 2,00·10⁻⁴ ; accepter 8,0–8,6). (5) Endothermique : le chauffage rend le tube bleu et augmente Kc, donc l'équilibre se déplace dans le sens direct pour absorber la chaleur apportée.

Idées fausses fréquentes

• « Ajouter du Fe³⁺ consomme tout le Fe³⁺ ajouté. » Le déplacement ne s'oppose qu'en partie à la modification : [Fe³⁺] finit quand même plus haut (2,577 contre 1,710 mM).
• « Kc change quand on ajoute un réactif. » La jauge montre Qc qui bouge et Kc fixé à 140. Seule la température fait varier Kc.
• « La dilution ne fait qu'affaiblir la couleur. » Elle déplace aussi l'équilibre : la couleur pâlit donc plus que ne le voudrait le seul facteur de dilution.

Prolongement

• Vérifier Kc soi-même : les élèves calculent Qc à partir des trois mesures après chaque perturbation, par exemple 0,394 ÷ (2,577 × 1,091) × 1000 = 140 L/mol.
• Varier le départ : réglez d'autres valeurs de départ pour Fe³⁺ et SCN⁻ sur le lien de classe. Les concentrations à l'équilibre changent, mais Qc se stabilise à 140 à chaque fois.

Questions fréquentes

Pourquoi l'équilibre met-il plusieurs secondes à s'établir ?

Le temps est ralenti pour que les élèves puissent observer le déplacement. Dans un vrai tube à essai, ces équilibres s'établissent presque instantanément.

Les valeurs de Kc et de ΔH du cobalt sont-elles réelles ?

Ce sont des valeurs illustratives, choisies pour reproduire les couleurs observées. Le sens de chaque déplacement est juste, mais ne comparez pas les nombres du cobalt avec ceux d'une table de données.

Faut-il quand même faire le TP réel ?

Si vous le pouvez, oui : les vraies couleurs marquent les esprits. Le chlorure de cobalt(II) est cependant une substance dangereuse : beaucoup d'établissements utilisent la simulation pour la partie cobalt et gardent les tubes de thiocyanate de fer pour la paillasse.

Simulations et guides associés

Équilibre chimique – déplacement de N₂O₄ ⇌ 2NO₂ Diagramme énergétique d’une réaction – exothermique ou endothermique

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