TP virtuel sur les transformations physiques et chimiques

Ce TP virtuel sur les transformations physiques et chimiques associe le TP classique « une nouvelle espèce s'est-elle formée ? » à la démonstration de la conservation de la masse en flacon fermé. Les élèves réalisent sept transformations sur une balance, de la fusion de la glace à la combustion de la laine d'acier et au bicarbonate avec le vinaigre. Ils pèsent avant et après, observent le thermomètre et un modèle particulaire, cochent les indices observés et classent chaque transformation. Ils refont ensuite en flacon fermé les transformations qui ont gagné ou perdu de la masse. Toutes les valeurs ci-dessous ont été lues dans la simulation.

Liens avec les programmes

• NGSS MS-PS1-2 (norme américaine) : analyser des données sur les propriétés des substances avant et après leur interaction pour décider si une réaction chimique a eu lieu. MS-PS1-5 : les atomes se réarrangent, donc la masse se conserve.
• AQA GCSE Chemistry (8462), 4.3.1.1 et 4.3.1.3 : conservation de la masse, et variations de masse quand un réactif ou un produit est un gaz.
• Key Stage 3 science (Angleterre) et Cambridge IGCSE Chemistry (0620), 6.1 : la différence entre transformations physiques et chimiques.

Simulic n'est pas affilié à AQA ni à Cambridge, 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 :

« On verse du bicarbonate de soude dans du vinaigre, dans un bécher ouvert posé sur une balance. Que devient l'indication de la balance à la fin ? »

Attendez-vous à beaucoup de « elle ne change pas, car la masse se conserve ».

Protocole dans la simulation

1. La page s'ouvre sur Bicarbonate + vinaigre et Ouvert à l’air. Cliquez sur Peser avant, puis sur Démarrer, et observez la balance, le thermomètre et le modèle particulaire. Cliquez sur Peser après.
2. Cochez les indices observés, cliquez sur Vérifier les indices, choisissez Transformation physique ou Transformation chimique et cliquez sur Noter le résultat.
3. Cliquez sur Tester les propriétés et Essayer d’inverser pour obtenir d'autres indices.
4. Cliquez sur Fermé (système fermé) et recommencez.
5. Réalisez les six autres transformations en récipient ouvert, puis refaites Laine d’acier qui brûle et Ébullition de l’eau en récipient fermé.

Transformation	Récipient	m avant (g)	m après (g)	Δm (g)	Indices	Physique ou chimique ?
Bicarbonate + vinaigre	ouvert
Bicarbonate + vinaigre	fermé

Résultats attendus

La simulation n'a pas d'erreur aléatoire : tous les élèves obtiennent ces valeurs. En flacon fermé, Δm valait 0,00 g pour les sept transformations.

Transformation (ouvert)	Avant → après (g)	Δm (g)	T (°C)	Type
Fusion de la glace	81,84 → 81,84	0,00	−5,0 → 8,0	physique
Dissolution du sel	118,36 → 118,36	0,00	20,0 → 18,6	physique
Ébullition de l’eau	111,84 → 103,84	−8,00	20,0 → 100,0	physique
Laine d’acier qui brûle	63,84 → 64,26	+0,42	environ 750 au maximum	chimique
Rouille du fer (7 jours)	68,84 → 68,93	+0,09	20,0 → 20,0	chimique
Bicarbonate + vinaigre	115,36 → 114,31	−1,05	20,0 → 16,6	chimique
Formation d’un précipité	141,99 → 141,99	0,00	20,0 → 23,3	chimique

• Récipient ouvert : la masse a diminué quand un gaz est parti et a augmenté quand le dioxygène s'est fixé sur un solide. La précipitation est une transformation chimique, et pourtant la masse n'a pas changé.
• Flacon fermé : le bicarbonate avec le vinaigre indiquait 200,88 g avant et après ; la laine d'acier, 149,36 g les deux fois.
• Essayer d’inverser a rendu la glace, le sel et l'eau pour les transformations physiques, et rien pour les transformations chimiques.
• Vérifier les indices accepte gaz, échange d'énergie, nouvelle espèce et variation de masse pour le bicarbonate avec le vinaigre, mais seulement échange d'énergie et « s’inverse facilement » pour la dissolution du sel.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Que devient l'indication de la balance quand le bicarbonate réagit avec le vinaigre dans un bécher ouvert ?
2. Quelle est la variable indépendante quand vous comparez le bécher ouvert et le flacon fermé ?
3. Que vaut Δm pour la laine d'acier qui brûle à l'air libre ?
4. Quelle conclusion les résultats en récipient ouvert permettent-ils de tirer ?
5. Pourquoi l'ébullition de l'eau est-elle une transformation physique, alors que le bicarbonate avec le vinaigre est une transformation chimique ?

Réponses pour l'enseignant : (1) Elle diminue, de 115,36 g à 114,31 g, car du dioxyde de carbone s'échappe. (2) Le fait que le récipient soit ouvert ou fermé. (3) +0,42 g (accepter 0,41–0,43). (4) Une variation de masse en récipient ouvert montre qu'un gaz est parti ou s'est fixé, pas que la transformation est chimique. (5) La vapeur est toujours de l'eau et se recondense ; le dioxyde de carbone et l'éthanoate de sodium sont de nouvelles espèces qu'on ne peut pas retransformer.

Idées fausses fréquentes

• « Brûler rend les objets plus légers. » La laine d'acier a gagné 0,42 g de dioxygène de l'air.
• « Des bulles indiquent une transformation chimique. » L'eau qui bout fait aussi des bulles, mais ce sont des bulles de vapeur.
• « Un changement de température prouve une réaction. » La dissolution du sel a refroidi l'eau à 18,6 °C, et c'est une transformation physique.

Prolongement

• Réalisez le bicarbonate avec le vinaigre en flacon fermé et comptez les atomes de chaque élément dans le modèle particulaire avant et après (MS-PS1-5). Dans le bécher ouvert, le dioxyde de carbone sort du champ, tout comme il quitte la balance.
• Comparez la laine d'acier qui brûle (+0,42 g en une minute) et la rouille (+0,09 g en sept jours) : dans les deux cas, le fer se combine au dioxygène, à des vitesses très différentes.

Questions fréquentes

Faut-il modifier les valeurs de départ du lien de classe ?

Non. Les valeurs par défaut, Transformation Bicarbonate de soude (NaHCO₃) et vinaigre et Récipient Ouvert à l’air (les gaz peuvent entrer et sortir), correspondent à la question 1. Laissez Afficher les réponses dès la fin de la transformation (démonstration par l’enseignant) décoché pour que les élèves cochent eux-mêmes les indices.

Pourquoi le flacon fermé indique-t-il beaucoup plus que le bécher ouvert ?

La balance pèse aussi le récipient, et le flacon bouché est plus lourd. Comparez Δm.

Tous les élèves obtiendront-ils les mêmes nombres ?

Oui. Il n'y a pas d'erreur aléatoire, et la balance est précise à 0,01 g.

Simulations et guides associés

Réactifs, produits et restes – sandwichs et molécules États de la matière – modèle particulaire lors du chauffage et du refroidissement

Pour les changements d'état, voir le plan de séance sur les états de la matière. Pour compter les atomes dans les équations, voir le plan de leçon sur l'équilibrage des équations chimiques.