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1 Term S Chimie Chap. 4 Les indicateurs colorés (correction) Activité expérimentale 1 Généralités 1.1 Définition Un indicateur coloré de ph est un mélange d espèces chimiques acido-basiques qui changent de couleur du fait de l évolution des proportions relatives de ces espèces en fonction du ph du milieu qui les renferme. Généralement, la forme acide est noté et la forme basique In. La zone de virage de l indicateur se définit généralement par l intervalle de ph dans lequel le rapport des concentrations molaires des formes acide et basique est tel que 1 In Cas du bleu de bromothymol (BBT) La structure des formes acide et basique du BBT est la suivante. Pour simplifier, le BBT sera considéré comme un monoacide. C + SO 3 - C + SO 3 - HO OH O - O H+ Forme acide jaune Forme basique In bleue Dans la littérature scientifique, la zone de virage du BBT est 6,0 7,6. Pour ph < 6, la forme acide prédomine et le BBT est jaune ; pour ph > 7,6, la forme basique prédomine et le BBT est bleu ; dans la zone de virage, le BBT est vert. 2 Diagramme de distribution des formes acide et basique du BBT 2.1 Absorbance du BBT Longueurs d ondes absorbées (nm) Couleur «absorbée» par le corps Couleur complémentaire Violet Vert-jaunâtre Bleu Jaune Bleu-verdâtre Orange Vert-bleuâtre Rouge Vert Pourpre Vert-jaunâtre Violet Jaune Bleu Orange Bleu-verdâtre Rouge Vert-bleuâtre A 1,2 In- 1 0,8 0,6 0,4 0, l (nm)

2 2 a. Quelle est la longueur d onde d absorption maximale max de la forme acide? de la forme basique? Pour la forme acide, le maximum d absorption se situe aux alentours de max = 440 nm. Pour la forme basique In, le maximum d absorption se situe aux alentours de max = 620 nm. b. Nous règlerons le spectrophotomètre à la longueur d onde = 620 nm : que faut-il comprendre? Le spectrophotomètre sera réglé sur la longueur d onde = max correspondant au maximum d absorption de l espèce basique In du BBT ; à cette longueur d onde, l espèce acide n absorbe pas du tout. 2.2 Diagramme de prédominance des espèces Le diagramme de prédominance des espèces acide et basique de l indicateur coloré se présente sous la forme d un axe gradué. prédomine 6,0 zone 7,6 de virage In prédomine ph c. Compléter le diagramme de prédominance du BBT. In pour que le BBT prenne sa couleur jaune. d. Chercher la valeur minimale du rapport In. 10 Lorsque ph < 6,0, la forme acide jaune du BBT prédomine, ce qui signifie alors que 1 e. Chercher la valeur maximale du rapport In pour que le BBT prenne sa couleur bleue. In. Lorsque ph > 7,6, la forme basique In jaune du BBT prédomine, ce qui signifie alors que Diagramme de distribution des formes acide et basique Le diagramme de distribution des formes acide et basique d un indicateur coloré donne les pourcentages en concentration des deux formes en fonction du ph du milieu. Si l on note C i la concentration initiale en soluté apporté du BBT, les pourcentages en concentration sont définis par In 100 et In 100 C C i 3 Etude expérimentale : diagramme de distribution des formes acide et basique du BBT 3.1 Principe de l étude Pour déterminer le domaine de prédominance des formes acide et basique In du BBT, il faut disposer de solutions de cet indicateur dans lesquelles les quantités en forme acide,, et en forme basique In - sont variables. La concentration molaire en indicateur apportée reste, elle, constante. i

3 3 Une série de solutions S i de ph croissant est préparée à partir de la solution de itton-robinson 1, d une solution de soude et d une quantité initiale constante de BBT. La série de solutions S i a une coloration bien visible, ce qui justifie la spectrophotométrie. On choisit un domaine de longueur d onde où seule la forme basique de l indicateur absorbe : c est le cas à = 620 nm, qui correspond au maximum d absorption de cette espèce. Il est alors aisé, par la mesure de l absorbance des solutions précédemment préparées, de tracer la courbe de l évolution des concentrations molaires des formes acide et basique du BBT en fonction du ph. 3.2 Préparation des solutions S i La solution de BBT utilisée pour la préparation des solutions S i a une concentration en BBT apporté C o = 3, mol.l 1. La solution de soude (Na + (aq) + HO (aq)) a une concentration en soluté apporté C b = 1, mol.l 1. Protocole expérimental Prélever à l aide de la pipette jaugée, un volume V = 20,00 ml de solution de itton-robinson, et les mettre dans un premier petit bécher. Ajouter dans ce bécher, à la burette graduée, le volume V i de solution de soude selon les indications figurant, pour chaque solution S i, dans le tableau synoptique (voir 3.3). Prélever à la pipette jaugée 10,0 ml de la solution de ce premier bécher et les mettre dans un second bécher Ajouter dans ce second bécher 1,0 ml de solution de BBT. Vous avez la solution S i. 3.3 Mesures solution [In - ] [] V (S i ) i (ml) ph A (10 5 mol.l -1 ) (10 5 mol.l -1 ) (I - n ) % HI n % 1 4,00 4,8 0,000 0,00 2,73 0, ,50 5,2 0,000 0,00 2,73 0, ,00 5,8 0,004 0,00 2,73 0, ,50 6,3 0,013 0,00 2,73 0, ,00 6,7 0,260 0,65 2,08 23,8 76,2 6 6,50 7,0 0,420 1,05 1,68 38,5 61,5 7 7,00 7,3 0,630 1,57 1,16 57,5 42,5 8 7,50 7,8 0,890 2,22 0,51 81,3 18,7 9 8,00 8,2 1,05 2,62 0,11 96,0 4, ,50 8,7 1,09 2,72 0,00 99,6 0, ,00 8,8 1,094 2,73 0, , ,50 11,0 1,094 2,73 0, , Exploitation des mesures f. Ecrire l uation de la réaction entre la forme acide du BBT et l eau. ( aq) H 2O( l) In ( aq) H3O ( aq) g. Exprimer la constante d uilibre de la réaction précédente. Comment l appelle-t-on dans ce cas? 1 La solution de itton Robinson se fabrique à partir d acide phosphorique 1M (25 ml), d acide acétique 1M (25 ml), d acide borique 0,1M (250 ml) et d eau distillée (q.s.p. 2 L). Cette solution a la propriété d avoir un ph qui varie linéairement avec la concentration en ions hydroxyde HO ajoutés avec la soude.

4 Q r, In ( aq) H O ( aq) ( aq) 3 K a 4 h. Déterminer la valeur de la concentration initiale C i en BBT apporté pour chacune des solutions S i (Rappel : C i est la même pour toutes les solutions S i ). Le volume de la solution S i est de 11,0 ml. On y a placé 1,0 ml de BBT à concentration apportée C o = 3, mol.l 1. La concentration de S i en BBT apporté est donc 1, , 0.10 c 3 11, ,7.10 mol. L 5 1 i. En appliquant le principe de conservation de la matière, exprimer C i en fonction de [] et de [In ]. c In j. Exprimer [In ] en fonction de l absorbance A à l aide de la loi de Beer-Lambert. A partir de la valeur A max de A pour laquelle on peut considérer que [In ] = C i, déterminer la valeur de la constante de Beer-Lambert, k. Selon la loi de Beer-Lambert, comme In est l espèce colorée, A k In Lorsque A = A max = 1,094, l espèce In atteint sa quantité maximale. On peut alors considérer que In c. Dans ce cas, et on peut en déduire la valeur de k, k A c A k c max 1,094 2,73.10 max 5 k. Exprimer [In ] et [] en fonction de A, A max et de C i. A Ac In k A 4,00.10 L. mol max 5 1 Ac A c In c 1 c Amax Amax l. Remplir les colonnes du tableau. Voir ci-dessus. m. Tracer le diagramme de distribution attendu (échelle : 1 cm pour 0,5 unités de ph en abscisses et 1 cm pour 10 % en ordonnées). Voir ci-dessous. n. A l aide du diagramme, déterminer la zone de virage du BBT en expliquant. o. Etablir la relation entre ph, pk a, [] et [In ] en partant de la définition de la constante d acidité K a, puis montrer qu un point particulier du diagramme permet d obtenir le pk a du couple (/In ). In ( aq) H3O ( aq) Ka ( aq)

5 In ( aq) H3O ( aq) log Ka log ( aq) In ( aq) pka log log H3O ( aq) ( aq) In ( aq) pka log ph ( aq) In ( aq) On peut voir que quand 1, ph = pk a. Ainsi, lorsque In ( aq) ( aq) ( aq), on peut trouver graphiquement la valeur du pk a, pk a = ph(50%) = 7,2. 5 p. Donner la valeur de la constante d acidité K a du couple (/In ). 7,2 6 Comme pka = 7,2, on a 10 6,3.10. K a 120 % Diagramme de distribution des formes acide et basique du BBT Zone de virage In ph

6 Pour retrouver la zone de virage 6 La zone de virage est définie pour 1 In Ainsi, on considère un rapport 10 entre les concentrations des deux espèces, qui doivent ainsi vérifier 10 In In 100 En utilisant la remarque précédente et la conservation de la matière. La résolution du système d uations précédent conduit symétriquement à 100 9,0% et, alors, In 91% 11 On obtient donc une zone de virage comprise entre ph = 6,5 et ph = 8,1. Cette zone de virage est différente de celle prévue dans la littérature ( 6,0 < ph < 7,6 ) : en dehors des erreurs systématiques, ceci provient certainement des données utilisées ; notamment, puisqu on travaille par spectrophotométrie, les coefficients d extinction molaire n ont aucune raison d être rigoureusement identiques pour les formes acide et basique du BBT

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