Laboratório virtual de velocidade de reação: ácido e gás

Este laboratório virtual de velocidade de reação corresponde à prática obrigatória do AQA GCSE Chemistry sobre velocidades, pelo método de coleta de gás. Os alunos põem pedaços de carbonato de cálcio em ácido clorídrico, coletam o gás carbônico numa seringa de gás e fazem o gráfico do volume em função do tempo. Depois repetem a medição com outras concentrações de ácido. Eles calculam velocidades médias, comparam tempos com velocidade ∝ 1/t e explicam os resultados com a teoria das colisões. Também apoia o laboratório de cinética do AP Chemistry com mármore e ácido, em que os alunos comparam velocidades iniciais para achar a ordem de reação.

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, medindo o volume de gás produzido. No Combined Science: Trilogy o mesmo conteúdo é o 5.6.1.2. O segundo método dessa prática, a mudança de cor ou de turbidez (a "cruz que desaparece"), não está nesta simulação.
• AP Chemistry, Unidade 5, tópicos 5.1 Reaction Rates e 5.2 Introduction to Rate Law: veja a Extensão.
• 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:

"Você dobra a concentração do ácido de 1,0 M para 2,0 M e mantém todo o resto igual. O que acontece com o volume total de gás e com a rapidez com que ele se forma?"

Muitos alunos esperam "o dobro de gás". Não os corrija ainda.

Método na simulação

O frasco tem 50 mL de HCl. A medição roda a dez vezes a velocidade real, então 300 segundos de reação levam 30 segundos. Cada medição fica no gráfico, e a tabela de resultados lista todas elas.

1. Mantenha os valores iniciais: CaCO₃, Pedaços, m = 0,40 g, C(HCl) = 1,0 M, temperatura 25 °C. Clique em Iniciar e espere o cronômetro chegar a 05:00.
2. As marcas laranja t₁ e t₂ começam em 20 s e 60 s. Arraste-as para 30 s e 60 s. A linha da fórmula mostra o volume de gás nos dois tempos.
3. Leia V final e t para ½ do V final na tabela.
4. Clique em Nova medição, mude só C(HCl) para 0,5, 1,5 e 2,0 M e repita os passos 1–3 para cada uma.
5. Calcule a velocidade média nos primeiros 60 s (volume em 60 s ÷ 60) e a velocidade como 1/t½.

C(HCl) (M)	V em 30 s (mL)	V em 60 s (mL)	V final (mL)	t½ (s)	Velocidade média 0–60 s (mL/s)
0,5
1,0
1,5
2,0

Resultados esperados

Todas as leituras vêm da simulação com 0,40 g de pedaços de CaCO₃ a 25 °C:

C(HCl) (M)	0,5	1,0	1,5	2,0
V em 30 s (mL)	17,9	33,6	47,1	58,7
V em 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
Velocidade média 0–60 s (mL/s)	0,55	0,96	1,26	1,46

• Todas as medições terminam em 99,2 mL. Os 0,40 g de CaCO₃ (4,00 mmol) são o reagente limitante, e até o ácido 0,5 M está em excesso.
• As curvas são mais inclinadas no início e se estabilizam à medida que os pedaços se consomem.
• Dobrar a concentração reduz t½ à metade (de 49 s para 24 s), então a velocidade, medida como 1/t½, praticamente dobra.
• A velocidade média em 60 s não dobra (de 0,96 para 1,46 mL/s): em 2,0 M a reação está quase terminada aos 60 s. É por isso que as velocidades são comparadas no início, ou pelo tempo para coletar um volume fixo.

Perguntas para os alunos

1. (Previsão, repetida depois do laboratório) Se você dobrar a concentração do ácido, o que acontece com o volume final e com a rapidez da reação?
2. Qual variável você precisa manter igual em todas as medições?
3. Em 1,0 M, qual é a velocidade média da reação nos primeiros 60 s?
4. Usando velocidade ∝ 1/t½, quantas vezes a reação em 2,0 M é mais rápida que a reação em 1,0 M?
5. Por que o ácido 2,0 M reage mais rápido mas não produz mais gás?

Respostas para o professor: (1) O mesmo volume final, coletado mais rápido. (2) A massa e a forma do CaCO₃ e a temperatura. (3) 57,5 mL ÷ 60 s = 0,96 mL/s (aceite 0,94–0,98). (4) 49 ÷ 24 ≈ 2,0 (aceite 1,85–2,15). (5) Mais partículas de ácido por unidade de volume dão colisões mais frequentes com a superfície do CaCO₃, então a velocidade aumenta. O CaCO₃ é o reagente limitante, então a quantidade de CO₂ é fixa em 4,00 mmol (99,2 mL).

Erros conceituais comuns

• "Um ácido mais forte produz mais gás." O reagente limitante define a quantidade de produto. A concentração só muda a rapidez com que ele se forma.
• "Uma concentração maior faz as partículas se moverem mais rápido." A rapidez das partículas depende da temperatura. A concentração aumenta o número de colisões por segundo, não a energia delas.
• "A velocidade fica constante durante uma medição." A inclinação de V(t) é máxima no início e cai a zero.

Extensão

• AP: ordem de reação. Arraste t₁ para 0 s e leia "v em t₁" na tabela: 0,657, 1,314, 1,971 e 2,628 mL/s para 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0 M. A velocidade inicial é proporcional à concentração, então a reação é de primeira ordem em H⁺ neste modelo.
• Superfície de contato e temperatura: em 1,0 M, mude para Pó: t½ cai de 49 s para 10 s. De volta aos pedaços, a 35 °C: t½ é 24 s, metade do valor a 25 °C.

Perguntas frequentes

Os alunos podem fazer a prática sem capela nem seringa de gás?

Sim. Eles obtêm um conjunto completo de dados, gráficos e cálculos na simulação. Use-a para ensinar o método antes do laboratório real, ou no lugar dele.

Por que o ácido está em excesso em todas as medições?

Com 0,40 g de CaCO₃ e 50 mL de ácido, até o HCl 0,2 M (10 mmol) é mais do que os 8 mmol necessários. Isso mantém o volume final igual, então só a velocidade muda.

A simulação cobre o método da "cruz que desaparece"?

Não. Ela só usa a coleta de gás. Faça o método do tiossulfato de sódio como laboratório real, ou use o modelo de colisões indicado abaixo para a visão das partículas.

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