À propos de cette expérience
Place un tampon de coton imbibé de solution d’ammoniaque à une extrémité d’un long tube en verre et un autre imbibé d’acide chlorhydrique concentré à l’autre extrémité. Personne ne souffle les gaz dans le tube, et pourtant, au bout de quelques minutes, un anneau blanc de chlorure d’ammonium apparaît à l’intérieur. L’anneau n’est pas au milieu : il se forme plus près de l’extrémité contenant le chlorure d’hydrogène, car les molécules d’ammoniac, plus légères, se déplacent plus vite et diffusent plus loin pendant le même laps de temps. Réalise l’expérience, change les gaz et le tube, puis compare la position de l’anneau à la prédiction de la loi de Graham.
Objectifs pédagogiques
- Décrivez la diffusion comme la propagation nette des particules des zones de forte concentration vers celles de faible concentration.
- Expliquez pourquoi l’anneau se forme plus près de l’extrémité contenant le chlorure d’hydrogène.
- Reliez la vitesse des particules de gaz à leur masse molaire.
- Utilisez la loi de Graham pour prédire où deux gaz se rencontrent.
- Expliquez pourquoi la diffusion sur de longues distances est lente, même si les molécules de gaz se déplacent très rapidement.
Comment l’utiliser
- 1Lancez l’expérience par défaut. Où le cercle apparaît-il ? Mesurez sa distance par rapport à chaque extrémité.
- 2Comparez les deux courbes de concentration avant la formation du cercle. Quel gaz s’est propagé le plus loin ?
- 3Remplacez HCl par HBr. Le cercle se déplace-t-il vers l’extrémité acide ou s’en éloigne-t-il ? Pourquoi ?
- 4Remplacez NH₃ par la méthylamine. Comment la position du cercle change-t-elle ?
- 5Divisez par deux la longueur du tube. Comment le temps nécessaire à l’apparition du cercle change-t-il ? Est-il divisé par deux ?
- 6Comparez la position de l’anneau avec la prédiction en pointillés selon la loi de Graham.
Le modèle
Hypothèses
- Chaque gaz diffuse dans l’air immobile le long du tube. Son coefficient de diffusion diminue avec la racine carrée de sa masse molaire, à partir de 0,23 cm²/s pour l’ammoniac.
- Les bouchons de coton maintiennent la concentration constante à chaque extrémité. Les deux gaz ne se gênent pas avant de réagir.
- Le cercle apparaît à l’endroit où le produit des deux concentrations atteint pour la première fois un seuil fixe. Dans la réalité, les cercles peuvent se décaler de quelques centimètres en raison des courants d’air et du degré d’imprégnation des bouchons.
- Le tube est à température ambiante. Les durées sont réelles ; les boutons de vitesse ne changent que la vitesse à laquelle l’horloge avance à l’écran.
À essayer en classe
- Q1À température ambiante, les molécules de gaz se déplacent à plusieurs centaines de mètres par seconde. Pourquoi faut-il plusieurs minutes pour que l’anneau se forme ?
- Q2Explique, à l’aide des masses molaires, pourquoi l’anneau se forme plus près de l’extrémité contenant HCl.
- Q3Prédis où l’anneau se formerait dans un tube de 60 cm utilisant NH₃ et HCl.
- Q4Comment le fait de réchauffer le tube modifierait-il le temps nécessaire à la formation de l’anneau ?
- Q5Pourquoi cette expérience doit-elle être réalisée sous une hotte aspirante ?
Foire aux questions
Pourquoi la simulation ne place-t-elle pas l’anneau exactement à l’endroit prédit par Graham ?
La loi de Graham décrit la manière dont les gaz s’échappent par un minuscule orifice. Dans un tube, les molécules diffusent dans l’air et la distance qu’elles parcourent augmente comme la racine carrée du temps. L’anneau se forme là où les deux gaz sont suffisamment concentrés pour réagir. Ce point se trouve près de l’estimation de Graham, sans toutefois lui correspondre exactement.
Comment réaliser l’expérience réelle en toute sécurité ?
Travaille sous une hotte aspirante, porte des lunettes de protection et des gants, et utilise une pince pour placer simultanément un morceau de coton imbibé à chaque extrémité d’un tube en verre sec. Bouche les extrémités et garde le tube immobile et bien horizontal.
Pourquoi un tube plus long prend-il beaucoup plus de temps ?
La distance de diffusion augmente avec la racine carrée du temps. Pour parcourir une distance deux fois plus grande, les gaz ont besoin d’environ quatre fois plus de temps. Ainsi, si l’on double la longueur du tube, l’anneau met environ quatre fois plus de temps à apparaître.