Laboratório virtual da cruz que desaparece: concentração

Este laboratório virtual da cruz que desaparece corresponde ao segundo método da prática obrigatória do AQA GCSE Chemistry sobre velocidade das reações: acompanhar uma reação pela mudança de turbidez. Os alunos misturam tiossulfato de sódio com ácido clorídrico sobre uma cruz desenhada num papel e cronometram quanto tempo o enxofre leva para escondê-la. Eles repetem em cinco concentrações, fazem o gráfico de 1/t em função da concentração e depois aumentam a temperatura. Um modo colorímetro cobre o laboratório de cinética do cristal violeta do AP Chemistry (veja a Extensão).

Alinhamento com o currículo

• AQA GCSE Chemistry 4.6.1.2 (fatores que afetam a velocidade das reações químicas) e sua prática obrigatória sobre como a concentração afeta a velocidade, usando a mudança de turbidez. No Combined Science: Trilogy o mesmo conteúdo é o 5.6.1.2. Para o método do volume de gás da mesma prática, veja o laboratório virtual de velocidade de reação.
• AP Chemistry, Unidade 5, tópicos 5.1 Reaction Rates, 5.2 Introduction to Rate Law e 5.3 Concentration Changes Over Time (reações de primeira ordem e ln A em função do tempo).
• NGSS HS-PS1-5 (padrão dos EUA): explicar o efeito de mudar a concentração ou a temperatura na velocidade de uma reação.

O Simulic não é afiliado ao College Board nem à AQA, nem endossado por eles.

Antes do laboratório (5 min)

Peça aos alunos que se comprometam com uma previsão, no papel ou como pergunta 1 do link da turma:

"A 20 °C, 50 mL de solução de tiossulfato de sódio fazem a cruz desaparecer em cerca de 25 segundos. Você usa 25 mL de tiossulfato e 25 mL de água no lugar. Quanto tempo a cruz vai levar para desaparecer?"

Alguns alunos dizem "o mesmo tempo, porque o volume é o mesmo". Não os corrija ainda.

Método na simulação

Cada medição usa um frasco novo: o volume escolhido de Na₂S₂O₃ 0,15 M, completado com água até 50 mL, mais 10 mL de HCl 2 M.

1. Ajuste Método em "Cruz que desaparece", Temperatura em 20 °C e Ritmo do tempo em ×2.
2. Ajuste Na₂S₂O₃ 0,15 M em 50 mL. Clique em Adicionar HCl e iniciar.
3. Observe o círculo "Vista de cima". Clique em Cruz sumiu – parar (ou toque na imagem) assim que não conseguir mais ver a cruz.
4. Repita mais duas vezes e calcule o tempo médio. Medição automática cronometra uma medição para você, com uma dispersão de cerca de 3%, como um observador cuidadoso.
5. Repita com 40, 30, 20 e 10 mL de tiossulfato. A água é adicionada para você.
6. Calcule 1/t para cada média. Clique em 1/t – concentração para ver o gráfico.
7. Volte o volume para 50 mL e repita a 30 °C e 40 °C. Clique em 1/t – temperatura.

V Na₂S₂O₃ (mL)	V água (mL)	[S₂O₃²⁻] (M)	t₁ (s)	t₂ (s)	t₃ (s)	t médio (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

Resultados esperados

Depois de cada medição, a simulação mostra o tempo do modelo, o momento em que a cruz realmente desaparece. Medições isoladas se dispersam cerca de 3% em torno dele. A 20 °C:

V Na₂S₂O₃ (mL)	50	40	30	20	10
Tempo do modelo 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 é proporcional à concentração de tiossulfato: os pontos ficam sobre uma reta que passa pela origem. Reduzir a concentração à metade (de 50 para 25 mL) dobra o tempo, de 25,2 s para 50,8 s.
• Medições reais se dispersam: as nossas medições automáticas com 50 mL deram 26,3, 25,4 e 25,5 s.
• Temperatura, 50 mL: 52,0 s a 10 °C, 25,2 s a 20 °C, 12,8 s a 30 °C e 6,8 s a 40 °C. Cada aumento de 10 °C mais ou menos dobra 1/t.

Perguntas para os alunos

1. (Previsão, repetida depois do laboratório) Como o tempo muda quando você usa 25 mL de tiossulfato e 25 mL de água em vez de 50 mL de tiossulfato?
2. Por que se adiciona água para completar o volume até 50 mL em todas as medições?
3. Com 20 mL de tiossulfato e 30 mL de água a 20 °C, qual é o tempo médio para a cruz desaparecer?
4. Com 50 mL de tiossulfato, quantas vezes 1/t a 30 °C é maior que a 20 °C?
5. Por que 1/t pode ser usado como a velocidade, e como a cronometragem poderia ficar mais precisa?

Respostas para o professor: (1) Ele mais ou menos dobra, de 25 s para 51 s. (2) Para manter iguais o volume total e a profundidade do líquido através da qual se olha, de modo que só a concentração de tiossulfato mude. (3) Cerca de 64 s (aceite 59–69 s). (4) Cerca de 2,0 (aceite 1,75–2,2). (5) Toda medição para quando a mesma quantidade de enxofre se formou, então a velocidade é uma quantidade fixa dividida por t, o que é proporcional a 1/t. O ponto final é um julgamento, então use o mesmo observador, a mesma cruz e a mesma iluminação, repita e tire a média, ou use um sensor de luz para detectar o ponto final.

Erros conceituais comuns

• "O volume total é o mesmo, então a concentração é a mesma." Adicionar água no lugar de tiossulfato diminui a concentração do reagente.
• "Um tempo maior quer dizer uma reação mais rápida." Tempo e velocidade são inversamente relacionados, e é por isso que o gráfico usa 1/t.
• "Aquecer só faz as partículas colidirem com mais frequência." O efeito maior é que uma fração maior das colisões tem energia suficiente para reagir.

Extensão

• AP: colorimetria do cristal violeta. Mude o Método para "Colorímetro", ajuste [OH⁻] em 0,02 M e 25 °C, e clique em Iniciar medição. Compare os gráficos A – t, ln A – t e 1/A – t: só ln A – t é reto (R² 0,9999), então a reação é de primeira ordem no corante. Obtivemos k' = 4,0×10⁻³ s⁻¹ e t½ = 173 s. Com OH⁻ 0,04 M, k' dobrou para 8,0×10⁻³ s⁻¹ (R² 0,9996 para ln A, 0,88 para os outros dois gráficos), então ela também é de primeira ordem em OH⁻, com k = 0,200 M⁻¹ s⁻¹.

Perguntas frequentes

Por que não fazer só a prática real?

A reação real libera dióxido de enxofre, que é tóxico e pode desencadear crises de asma. A simulação dá um conjunto completo de dados com segurança, com repetições em segundos. Use-a antes de um laboratório real ou no lugar dele.

Por que os meus tempos diferem um pouco da tabela?

Cada medição é cronometrada a olho, ou pela Medição automática com cerca de 3% de dispersão. É por isso que os alunos repetem cada medição e usam a média.

Isso substitui o método do volume de gás?

Não. A prática da AQA pede os dois métodos: um que mede o volume de gás e outro que acompanha uma mudança de cor ou de turbidez. O método do volume de gás está no laboratório virtual de velocidade de reação, então os dois pacotes juntos cobrem a prática inteira.

Simulações e guias relacionados

Medição do volume de gás ao longo do tempo – velocidade média e instantânea da reação Velocidade das reações – modelo de colisões (concentração, temperatura, catalisador, superfície de contato)

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