TP virtuel sur la vitesse de réaction : acide et gaz

Ce TP virtuel sur la vitesse de réaction correspond au TP obligatoire d'AQA GCSE Chemistry sur les vitesses, avec la méthode du recueil de gaz. Les élèves plongent des morceaux de carbonate de calcium dans de l'acide chlorhydrique, recueillent le dioxyde de carbone dans une seringue à gaz et tracent le volume en fonction du temps. Ils recommencent ensuite l'essai avec différentes concentrations d'acide. Ils calculent des vitesses moyennes, comparent les durées avec vitesse ∝ 1/t, et expliquent les résultats par la théorie des collisions. Il accompagne aussi le TP de cinétique d'AP Chemistry avec du marbre et de l'acide, où les élèves comparent les vitesses initiales pour trouver l'ordre de la réaction.

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, en mesurant le volume de gaz produit. En Combined Science: Trilogy, le même contenu est le point 5.6.1.2. La seconde méthode de ce TP, le changement de couleur ou de turbidité (la « croix qui disparaît »), n'est pas dans cette simulation.
• AP Chemistry Unit 5, Topics 5.1 Reaction Rates et 5.2 Introduction to Rate Law : voir le Prolongement.
• 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 :

« Vous doublez la concentration de l'acide de 1,0 M à 2,0 M et gardez tout le reste identique. Que deviennent le volume total de gaz et la rapidité avec laquelle il se forme ? »

Beaucoup d'élèves s'attendent à « deux fois plus de gaz ». Ne les corrigez pas encore.

Protocole dans la simulation

Le ballon contient 50 mL de HCl. L'essai se déroule à dix fois la vitesse réelle : 300 secondes de réaction prennent donc 30 secondes. Chaque essai reste sur le graphique, et le tableau des résultats liste tous les essais.

1. Gardez les valeurs de départ : CaCO₃, Morceaux, m = 0,40 g, C(HCl) = 1,0 M, température 25 °C. Appuyez sur Lancer et attendez que le chronomètre atteigne 05:00.
2. Les repères orange t₁ et t₂ partent de 20 s et 60 s. Faites-les glisser sur 30 s et 60 s. La ligne de formules indique le volume de gaz aux deux instants.
3. Lisez V final et t pour ½ du V final dans le tableau.
4. Appuyez sur Nouvel essai, changez seulement C(HCl) à 0,5 ; 1,5 et 2,0 M, et recommencez les étapes 1–3 pour chacune.
5. Calculez la vitesse moyenne sur les 60 premières secondes (volume à 60 s ÷ 60) et la vitesse sous la forme 1/t½.

C(HCl) (M)	V à 30 s (mL)	V à 60 s (mL)	V final (mL)	t½ (s)	Vitesse moyenne 0–60 s (mL/s)
0,5
1,0
1,5
2,0

Résultats attendus

Toutes les mesures viennent de la simulation avec 0,40 g de CaCO₃ en morceaux à 25 °C :

C(HCl) (M)	0,5	1,0	1,5	2,0
V à 30 s (mL)	17,9	33,6	47,1	58,7
V à 60 s (mL)	32,7	57,5	75,4	87,3
V final (mL)	99,2	99,2	99,2	99,2
t½ (s)	103	49	32	24
Vitesse moyenne 0–60 s (mL/s)	0,55	0,96	1,26	1,46

• Chaque essai se termine à 99,2 mL. Les 0,40 g de CaCO₃ (4,00 mmol) sont le réactif limitant, et même l'acide à 0,5 M est en excès.
• Les courbes sont plus pentues au début et se stabilisent à mesure que les morceaux sont consommés.
• Doubler la concentration divise t½ par deux (de 49 s à 24 s) : la vitesse, mesurée par 1/t½, double donc à peu près.
• La vitesse moyenne sur 60 s ne double pas (de 0,96 à 1,46 mL/s) : à 2,0 M, la réaction est presque finie à 60 s. C'est pourquoi on compare les vitesses au début, ou par la durée nécessaire pour recueillir un volume fixé.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Si vous doublez la concentration de l'acide, que deviennent le volume final et la rapidité de la réaction ?
2. Quelle variable devez-vous garder identique à chaque essai ?
3. À 1,0 M, quelle est la vitesse moyenne de réaction sur les 60 premières secondes ?
4. Avec vitesse ∝ 1/t½, combien de fois la réaction à 2,0 M est-elle plus rapide que la réaction à 1,0 M ?
5. Pourquoi l'acide à 2,0 M réagit-il plus vite sans produire plus de gaz ?

Réponses pour l'enseignant : (1) Le même volume final, recueilli plus vite. (2) La masse et la forme du CaCO₃, et la température. (3) 57,5 mL ÷ 60 s = 0,96 mL/s (accepter 0,94–0,98). (4) 49 ÷ 24 ≈ 2,0 (accepter 1,85–2,15). (5) Plus de particules d'acide par unité de volume donnent des collisions plus fréquentes avec la surface du CaCO₃ : la vitesse augmente. Le CaCO₃ est le réactif limitant : la quantité de CO₂ est fixée à 4,00 mmol (99,2 mL).

Idées fausses fréquentes

• « Un acide plus concentré produit plus de gaz. » C'est le réactif limitant qui fixe la quantité de produit. La concentration ne change que la rapidité de sa formation.
• « Une concentration plus élevée fait bouger les particules plus vite. » La vitesse des particules dépend de la température. La concentration augmente le nombre de collisions par seconde, pas leur énergie.
• « La vitesse reste constante pendant un essai. » La pente de V(t) est maximale au début et tombe à zéro.

Prolongement

• AP : ordre de réaction. Faites glisser t₁ sur 0 s et lisez « v à t₁ » dans le tableau : 0,657 ; 1,314 ; 1,971 et 2,628 mL/s pour 0,5 ; 1,0 ; 1,5 et 2,0 M. La vitesse initiale est proportionnelle à la concentration : dans ce modèle, la réaction est du premier ordre par rapport à H⁺.
• Surface de contact et température : à 1,0 M, passez à Poudre : t½ passe de 49 s à 10 s. De retour aux morceaux à 35 °C : t½ vaut 24 s, la moitié de la valeur à 25 °C.

Questions fréquentes

Les élèves peuvent-ils faire le TP sans hotte ni seringue à gaz ?

Oui. Ils obtiennent un jeu de données complet, des graphiques et des calculs grâce à la simulation. Utilisez-la pour enseigner la méthode avant le TP réel, ou à sa place.

Pourquoi l'acide est-il en excès dans chaque essai ?

Avec 0,40 g de CaCO₃ et 50 mL d'acide, même du HCl à 0,2 M (10 mmol) dépasse les 8 mmol nécessaires. Le volume final reste donc le même, et seule la vitesse change.

La simulation couvre-t-elle la méthode de la « croix qui disparaît » ?

Non. Elle utilise seulement le recueil de gaz. Faites la méthode au thiosulfate de sodium en TP réel, ou utilisez le modèle de collisions ci-dessous pour la représentation particulaire.

Simulations et guides associés

Vitesse de réaction – modèle des collisions (concentration, température, catalyseur, surface de contact)

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