TP virtuel sur la préparation d'un sel : sulfate de cuivre

Ce TP virtuel sur la préparation d'un sel correspond au TP obligatoire d'AQA GCSE Chemistry sur la préparation d'un échantillon pur et sec d'un sel soluble à partir d'une base insoluble. Les élèves tiédissent de l'acide sulfurique dilué, ajoutent de l'oxyde de cuivre(II) spatule par spatule jusqu'à ce qu'il en reste, et filtrent l'excès. Ils chauffent le filtrat jusqu'au point de cristallisation, le laissent refroidir et pèsent des cristaux bleus de sulfate de cuivre. Ils calculent ensuite le rendement et voient ce qui se passe si la solution est évaporée à sec.

Liens avec les programmes

• AQA GCSE Chemistry 4.4.2.3 (soluble salts) et son TP obligatoire sur la préparation d'un échantillon pur et sec d'un sel soluble à partir d'un oxyde ou d'un carbonate insoluble. En Combined Science: Trilogy, le même contenu est le point 5.4.2.3.
• AQA GCSE Chemistry 4.3.3.1 (percentage yield), pour les questions 3–5.
• AP Chemistry Unit 4, topic 4.5 Stoichiometry : le rendement théorique vient des moles du réactif limitant.
• NGSS HS-PS1-7 (standard américain) : utiliser des représentations mathématiques pour étayer la conservation de la masse au cours 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 :

« Vous préparez deux fois du sulfate de cuivre. La première fois, vous arrêtez de chauffer quand des cristaux se forment sur un agitateur en verre froid et vous laissez refroidir la solution. La seconde fois, vous faites évaporer toute l'eau. Qu'obtenez-vous la seconde fois ? »

Beaucoup d'élèves répondent « plus de cristaux, puisqu'il n'en reste plus dans l'eau ». Ne les corrigez pas encore.

Protocole dans la simulation

1. Réglez Acide sur H₂SO₄ dilué, Base sur CuO, Volume sur 25 mL, Concentration sur 1,0 mol/L, Évaporer sur « jusqu'aux cristaux » et Refroidissement sur « lent, à temp. ambiante ».
2. Appuyez sur 1. Chauffer l'acide. Ajoutez la base avec + 1 spatule CuO, une à la fois, jusqu'à ce que l'encadré d'information indique qu'une partie de la base ne se dissout plus. Notez le nombre de spatules.
3. Appuyez sur 3. Filtrer l'excès, puis sur 4. Évaporer jusqu'aux cristaux. Observez l'agitateur en verre : le chauffage s'arrête quand des cristaux s'y forment.
4. Appuyez sur 5. Laisser refroidir, puis sur 6. Recueillir, sécher, peser. Notez la masse, la masse théorique et le rendement dans le tableau des résultats.
5. Appuyez sur Nouvel essai. Passez le Refroidissement sur le bain de glace et recommencez. Remettez ensuite le Refroidissement sur lent, réglez Évaporer sur « à sec » et recommencez.

Essai	Évaporer	Refroidissement	Produit	Masse (g)	Masse théorique (g)	Rendement (%)	Taille des cristaux (mm)
1	jusqu'aux cristaux	lent
2	jusqu'aux cristaux	bain de glace
3	à sec	lent

Exécution auto fait toutes les étapes. Lors du premier essai, faites appuyer les élèves eux-mêmes sur les boutons pour qu'ils apprennent l'ordre.

Résultats attendus

Lectures dans la simulation avec les réglages ci-dessus :

Essai	Produit	Masse (g)	Théorique (g)	Rendement	Taille des cristaux
Refroidissement lent	cristaux bleus de CuSO₄·5H₂O	4,67	6,24	74,8 %	5,9 mm
Bain de glace	cristaux bleus de CuSO₄·5H₂O	4,38	6,24	70,2 %	1,9 mm
À sec	poudre blanche de CuSO₄ anhydre	3,29	6,24	52,7 %	poudre

• Il faut quatre spatules (2,4 g) de CuO. La quatrième laisse 0,41 g non dissous, ce qui montre que les 0,0250 mol d'acide ont toutes réagi.
• La masse théorique vaut 0,0250 mol × 249,7 g/mol = 6,24 g, car H₂SO₄ est le réactif limitant.
• Les 1,57 g perdus lors de l'essai lent se répartissent en 1,29 g encore dissous dans la solution restante, 0,19 g absorbés par le papier filtre et 0,10 g perdus au séchage.
• Le refroidissement lent donne quelques gros cristaux ; le bain de glace en donne beaucoup de petits.
• CuCO₃ donne les mêmes masses que CuO, mais fait effervescence pendant la réaction.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Qu'obtenez-vous si vous évaporez la solution de sulfate de cuivre à sec ?
2. Quand vous comparez le refroidissement lent et le bain de glace, quelles variables doivent rester identiques ?
3. Avec les réglages standard et un refroidissement lent, quelle masse de cristaux pesez-vous ?
4. Calculez le rendement en pourcentage.
5. Où est passée la plus grande partie du sulfate de cuivre manquant, et comment pourriez-vous en récupérer davantage ?

Réponses pour l'enseignant : (1) Moins de produit : 3,29 g de poudre blanche anhydre au lieu de 4,67 g de cristaux bleus. (2) L'acide, la base, le volume et la concentration de l'acide, et jusqu'où la solution est évaporée. (3) 4,67 g (accepter 4,62–4,72). (4) 4,67 ÷ 6,24 × 100 = 74,8 % (accepter 73,8–75,8). (5) La plus grande partie (1,29 g) reste dissoute dans la solution restante, car le sulfate de cuivre est encore soluble à température ambiante. Évaporez de nouveau cette solution pour obtenir une seconde récolte de cristaux.

Idées fausses fréquentes

• « La base en excès contamine le sel. » Elle est insoluble : la filtration la retire. L'excès garantit qu'il ne reste pas d'acide dans le produit.
• « Évaporer toute l'eau donne le plus de cristaux. » Les cristaux bleus contiennent de l'eau. Chauffer à sec les détruit.
• « Le rendement devrait être de 100 % si je suis soigneux. » Une partie du sel reste toujours dissoute dans la solution froide qu'on verse.
• « Un bain de glace donne plus de cristaux, donc c'est mieux. » Il donne des cristaux plus petits. Dans cette simulation, le rendement est aussi plus faible, car un refroidissement lent sur un ou deux jours laisse s'évaporer un peu plus d'eau.

Prolongement

• Changer d'échelle : réglez 50 mL d'acide à 1,0 mol/L. Demandez aux élèves de prédire la masse avant de lancer l'essai. Elle double à 9,34 g, mais le rendement reste de 74,8 %.
• Un autre sel : passez au HCl dilué. CuCl₂ est bien plus soluble que CuSO₄, donc une plus grande partie reste dans la solution restante : 1,14 g de cristaux de CuCl₂·2H₂O, soit un rendement de 53,5 %. Demandez pourquoi les sels très solubles sont plus difficiles à cristalliser.

Questions fréquentes

Les élèves peuvent-ils faire tout le TP obligatoire sans laboratoire ?

Ils peuvent suivre chaque étape, voir pourquoi chacune compte et calculer le rendement. Utilisez la simulation pour enseigner la méthode avant le TP réel, ou à sa place quand le temps manque. Les élèves doivent tout de même manipuler du vrai matériel à un moment donné.

Quelles unités la simulation utilise-t-elle ?

En français, elle affiche des mL et des mol/L. Le programme d'AQA utilise les cm³ et les mol/dm³ : 1 cm³ vaut 1 mL et 1 mol/dm³ vaut 1 mol/L, ce qui permet de passer directement des unes aux autres.

Comment proposer un montage différent à chaque classe ?

Changez les valeurs de départ du lien de classe, par exemple 40 mL d'acide à 1,5 mol/L. Faites l'essai une fois vous-même et réécrivez les nombres des questions 3 et 4 avant le cours.

Simulations et guides associés

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