TP DE SELECTION REGIONALE

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1 Olympiades Nationales de Chimie 2010/2011 thème «la chimie de l'eau» TP DE SELECTION REGIONALE L'eau salée au quotidien Cette séance de TP comporte trois parties : une partie de chimie organique, où l'on fabrique un savon l'on étudie son pouvoir moussant une partie de chimie analytique, où l'on étudie les caractéristiques de l'eau salée une partie de chimie industrielle, où l'on découvre la fabrication de l'eau de Javel. Propriétés des réactifs utilisés Nom Données physicochimiques Pictogramme Phrases R et S 2,3-bis[[(Z)-octadec-9- enoyl]oxy]propyl (Z)- octadec-9-enoate dit : oléine C 57 H 104 O 6 (l) M = 885,43 g.mol -1 Tfus = -5.5 C Téb=235 C d =0,91 insoluble dans l eau R 11 S 25 Hydroxyde de sodium dit : soude NaOH(s) M = 46,07 g.mol -1 Tfus = 681 C d = 1,515 soluble dans l'eau R 36/ S /39-24/25-36/37/39 Ethanol C 2 H 6 O (l) M = 84,2 g.mol -1 Tfus = -114 C Téb=78 C d = 0,79 soluble dans l'eau R /37/38-39/23/24/25-23/24/25-68/20/21/22-20/21/22-52/53 S / /25 Eau de javel 2 Na + (aq)+cl - (aq) +ClO - (aq) d=1,2 soluble dans l'eau R S /37/ /9

2 Solution aqueuse de thiosulfate de sodium 0,10 mol.l -1 R 36/37/38 S 24/ Na + (aq)+s 2 O 3 2- (aq) Partie A - Fabrication et étude d'un savon Il s'agit de transformer une huile végétale, composée de triglycérides, en savon. L'opération nécessite deux étapes : 1. d'abord une hydrolyse basique de l'huile d'olive en ions : la saponification 2. Puis l'obtention du savon par précipitation de l'oléate de sodium formés dans de l'eau salée : le relargage. PROTOCOLE 1.1 La réaction de saponification : l'hydrolyse de l'oléine par l'eau Matériel : ballon (150mL), éprouvette graduée (10mL et 50mL), réfrigérant à eau, entonnoir à solide,chauffe-ballon, bécher de 200mL. Produits : huile d'olive, hydroxyde de sodium, éthanol, solution de chlorure de sodium saturée, pierre ponce. EXPÉRIENCE : Mesurer la masse de 10 ml d'huile d'olive. Introduire l'huile d'olive mesurée dans un ballon de 100 ml. Ajouter avec précaution environ : 30 ml d'eau et 10g d'hydroxyde de sodium. 2/9

3 Ajouter 20 ml d'éthanol, agiter doucement et observer Introduire quelques grains de pierre ponce. Surmonter le ballon d'un réfrigérant à eau. Chauffer le mélange pendant 45 minutes environ.pendant ce temps, on pourra envisager de commencer la partie B. Q1 : L'eau et l'huile sont-ils miscibles? Pour qu'une transfomration chimique soit efficace, il faut que les réactifs soient en contact. Q2 : Quel est l'intérêt de rajouter de l'éthanol dans le mélange réactionnel? Q3 : Déterminer, en vous aidant de la page 1, la quantité de matière n 0 en huiled'olive et n 1 en soude Q4 : Compléter le tableau d'avancement de la transformation étudiée et en déduire la quantité de matière maximale d'oléate de sodium que l'on peut obtenir. Q5 : En déduire la masse maximale de savon que l'on peut obtenir..2 Le relargage dans l'eau salée EXPÉRIENCE : Verser le mélange encore chaud dans 150 ml d'une solution saturée en chlorure de sodium. Agiter fortement à l'aide d'une baguette en verre. Refroidir le mélange dans un bain eau/glace. Filtrer le savon sur un filtre Büchner. Laver le savon avec de l'eau glacée afin d'éliminer l'excédent de sel. Sécher le savon à l'étuve. Après séchage, peser le savon obtenu. Q6 : Evaluer le rendement de la transformation chimique PROTOCOLE 2.3 La réaction de saponification : l'hydrolyse de l'oléine par l'eau Matériel : 2 béchers : 200 ml et 100mL, un e baguette en verre, une plaque chauffante Produits : huile d'olive, solution d'hydroxyde de sodium à 6,5 mol.l -1, éthanol, solution de chlorure de sodium saturée. Dans un bécher de 200 ml introduire : 20 ml d'huile d'olive 10 ml de solution de soude observer 20 ml d'éthanol agiter à l'aide de la baguette en verre et observer Agiter à l'aide d'un agitateur de verre constamment tout en chauffant le mélange en évitant de le porter à ébullition : Il faut faire apparaître une masse épaisse et consommer toute l'huile. Q1 : L'eau et l'huile sont-ils miscibles? Pour qu'une transfomration chimique soit efficace, il faut que les réactifs soient en contact. 3/9

4 Q2 : Quel est l'intérêt de rajouter de l'éthanol dans le mélange réactionnel? Q3 : Déterminer la quantité de matière n 0 en huiled'olive et n 1 en soude Q4 : Compléter le tableau d'avancement de la transformation étudiée et en déduire la quantité de matière maximale d'oléate de sodium que l'on peut obtenir. Q5 : En déduire la masse maximale de savon que l'on peut obtenir..4 Le relargage dansl'eau salée Lorsqu'une masse épaisse et blanche apparaît : Retirer le bécher de la plaque chauffaute Ajouter environ 40 ml d'eau bouillante et mélanger Refoirdir le mélange dans unbain d'eau glacée ajouter environ 50mL de solution saturée de chlorure de sodium Filtrer le savon sur un filtre Büchner. Laver le savon avec de l'eau glacée afin d'éliminer l'excédent de sel. Sécher le savon à l'étuve. Après séchage, peser le savon obtenu. Q6 : Evaluer le rendement de la transformation chimique.5 Tests d'indentification d'un savon Matériel : 2 tubes à essais munis de bouchon, 2 pipettes pasteur Produits : savon râpé, solutions de chlorure de fer(iii) à 0,1 mol.l -1 et de chlorure de cuivre (II) à 0,1 mol.l - 1 EXPÉRIENCE : A l'aide du tableau suivant, vérifier que le produit est bien du savon : Dans un tube à essais contenant un peu de savon, ajout de 2 ml d'une solution de : Observations après agitation Commentaires Chlorure de fer (III) à 0,1 mol.l -1 Précipité rouge Les ions oléates forment des Chlorure de cuivre (II) à 0,1 mol.l -1 Précipité bleu précipités avec de nombreux cations metalliques Eau distillée Présence de mousse La mousse est caractéristique de la présence d'un savon.6 Peut-on se laver dans l'eau de mer? La peau sécrète du sébum qui est un corps gras tout comme l'huile. Matériel : 2 tubes à essais munis de bouchon, 2 pipettes pasteur Produits : savon râpé, eau distillée, solution de chlorure de sodium saturée EXPÉRIENCE : Dans un tube à essais, introduire un peu de savon, 2mL d'eau distillée, quelques gouttes d'huile. Agiter. Q7 : Le mélange est-il homogène ou hétérogène? Expliquer alors l'action lavante du savon. 4/9

5 EXPÉRIENCE : Recommencer l'expérience en replaçant l'eau distillée par de l'eau salée. Q8 : Est-il possible de se laver dans l'eau de mer? Partie B Caractéristiques de l'eau salée.1 Salinité de l'eau de mer L eau de mer est de l'eau salée, elle contient des substances dissoutes, les sels, constitués d'ions principalement des ions halogénures comme l'ion chlorure et des ions alcalins comme l'ion sodium. La salinité est un des paramètres les plus importants de l'eau de mer, et désigne la teneur en sels dissous. La salinité moyenne des océans est de 35 g/l, et reste généralement comprise entre 30 g/l (Atlantique nord) et 40 g/l (mer Rouge). Les mers intérieures ou assimilées ont une salinité supérieure, parce que l'évaporation y concentre le sel, de ce fait, la salinité de la Mer Morte est de 330 g/l. Matériel : un bécher de 250 ml, entonnoir à solide, un papier filtre, agitateur magnétique et conductimètre. Produits : une pissette d'eau distillée, chlorure de sodium EXPÉRIENCE : On va déterminer la solubilité du sel dans l'eau, dans les conditions de température du laboratoire, par conductimétrie. Introduire environ 100 ml d'eau distillée et environ 50g de chlorure de sodium dans un bécher. Mettre le bécher sous agitation afin de faciliter la dissolution du sel Au bout de 5 d'agitation, on considère alors que la solution est saturée. Mesurer sa conductance. Q9 : Ecrire l'équation de dissolution du chlorure de sodium dans l'eau. Donner une relation entre la concentration en soluté (qui s'est dissout) apporté c et les concentrations effectives des espèces ioniques dissoutes. Q10 : Quel est la relation entre conductivité et les concentrations effectives des espèces ioniques dissoutes obtenues? Q11: D'après vos mesures, déterminer les concentrations effectives des espèces ioniques dissoutes. La solubilité d'un composé ionique ou moléculaire, appelé soluté, est la concentration maximale de ce composé que l'on peut dissoudre ou dissocier dans un solvant, à une température donnée. Q12 : En déduire la solubilité, en g.l -1, notée «s» du chlorure de sodium dans l'eau. Q13 : Comparer votre résultat à la salinité des océans et de la Mer Morte. 5/9

6 .2 Influence du sel sur quelques caractéristiques de l'eau.2.1. Densité Matériel : une fiole jaugée de 50,0mL, une balance électronique EXPÉRIENCE : A l'aide d'une balance électronique et d'une fiole jaugée de 50,0 ml, déterminer la densité de l'eau salée saturée précédente. Q14 : En comparant la flotabilité d'un oeuf dans l'eau et dans l'eau salée, donner un encadrement de la densité d'un oeuf frais Température de fusion Matériel : un thermomètre, un bécher de 100 ml produits : du sel de table (chlorure de sodium) EXPÉRIENCE : Dans un bécher, mélanger de la glace et de l'eau distillée. Q15 : Mesurer la température correspondant à cet équilibre de changement d'état, dans les conditions du laboatoire, et noter sa valeur. EXPÉRIENCE : Saupoudrer le mélange précédent avec un grosse cuilléréedu sel de table et mélanger. Q16 : La température a-t-elle évoluée? Quelle est l'effet du sel sur la température de fusion de l'eau? Q17 : Expliquer brièvement pourquoi l'on sale les routes l'hiver Température d'ébullition EXPÉRIENCE : Dans un bécher, porter à ébullition l'eau salée saturée. Q18 : Mesurer la température lorsque le mélange bout et expliquer l'effet du sel sur la température d'ébullition de l'eau. Partie C L'eau salée pour la synthèse de l'eau de javel L'observation par Berthollet, dans les années 1790, des propriétés décolorantes du dichlore gazeux le conduit à préconiser son emploi en solution pour le blanchiment des textuiles. Mais l'eau de chlore libère facilement du dichlore toxique et sa concentration est limitée par la solubilité réduite du dichlore dans l'eau. Pour remédier à ces inconvénients, le dichlore a été dissout dans une solution d'hydroxyde de potassium : Cl 2(g) +2 (Na + (aq)+ho - (aq) ) ( Na + (aq)+cl - (aq) )+(Na + (aq)+clo - (aq)) La solution obtenue, dénommée «d'eau de javel», est un mélange équimolaire en solution aqueuse de chlorure de sodium et d'hypochlorite de sodium..1 Fabrication d'une eau de javel à partir de l'eau salée Matériel : un voltamètre à électrodes de platine surmontée deux éprouvettes graduées de 25mL, une alimentation réglable, des fils de connection, un interrupteur. 6/9

7 Produits : une solution saturée de chlorure de sodium, du chlorure de sodium. Pour produire de l'eau de javel, il faut avant tout produire des ion hydroxyde et du dichlore par électrolyse d'une eau salée. Les équations aux électrodes sont : 2 Cl - (aq) Cl 2(g) + 2 e - 2 H 2 O (l) + 2 e - H 2(g) + 2 HO - (aq) On utilisera de la phénolphtaléine afin d'identifer l'anode, lieu où il sont produits les ions hydroxydes. EXPÉRIENCE : Mettre dans un voltamètre une solution saturée de chlorure de sodium, une spatule de chlorure de sodium et quelques gouttes de phénolphtaléine. Brancher une alimentation stabilisée au voltamètre via un interrupteur en position ouverte. Tégler l'alimentation sur 20V. Fermer l'interrupteur et lancer le chronomètre en même temps Arrếter l'expérience en ouvrant l'interrupteur au bout de 4 minutes. ATTENTION à arrêter l'électrolyse avant que les gaz ne s'échappent : le dichlore est toxique!! Q19 : Identifier la demi-équation correspondante à une oxydation et à une réduction. Q20 : Compléter le schéma en identifiant les produits obtenus, et en indiquant le sens de migration des ions présents en solution. Q21 : Ecrire l'équation correspondante à la transformation chimique globale. Q22 : Mesurer le volume de gaz formé à la cathode au bout de 4 minutes Q23 : En déduite la quantié de matière de dichlore produit, puis la quantité d'ions ClO - (aq) que l'on pourrait obtenir en mélangeant le contenu des deux éprouvettes..2 L'eau de javel redevient de l'eau salée au fil du temps.2.1. L'oxydation de l'eau L ion hypochlorite contenu dans l eau de Javel est fortement oxydant et, en particulier, il est susceptible d oxyder l eau en donnant un dégagement de dioxygène. Les couples d oxydoréduction mis en jeu, en milieu basique, sont les suivants : L équation globale est : 2 ClO (aq) 2 Cl (aq) + O 2 (g) ClO (aq) + H 2 O (l) + 2 e Cl (aq)+ 2 OH (aq) 4 OH (aq) 2 H 2 O (l) + O 2 (g) + 4 e Bien que dans ce bilan l eau n apparaisse pas, elle est indispensable à la réaction 7/9

8 Toutefois, la réduction de l ion hypochlorite par l eau est lente mais c est elle qui impose une limite de durée d utilisation à l eau de Javel : un an pour l eau de Javel diluée, trois mois pour les extraits Rôle de divers catalyseurs L oxydation de l eau par l ion hypochlorite peut être accélérée par divers catalyseurs : les ions métalliques (du fer, cuivre, cobalt, nickel, plomb...) et la lumière (surtout les rayonnements UV). Pour cette raison, l eau de Javel doit être conservée dans des récipients opaques et non métalliques, en polyéthylène ou PVC. Matériel : un tube à essais, deux béchers, deux pipettes pasteur Produits : une solution d'eau de javel commerciale, une solution de chlorure de fer (II) EXPÉRIENCE : La réaction d'oxydation de l'eau par les ion hypochlorites peut être mise en évidence en utilisant un catalyseur dont le rôle est d'accelerer la transformation chimique. Dans un tube à essais, introduire : 1 ml d'eau de javel quelques gouttes d'une solution de chlorure de fer (II) Q24 : Décrire le phénomène observé.expliquer pourquoi on peut affirmer que ce sont les ions fer (II) de la solution introduite qui sont responsables de la transformation chimique observée et pourquoi ils ne sont que le catalyseur de cette transformation (c'est à dire qu'ils ne sont pas consommés au cours de celle-ci) Dosage d'une eau de javel Principe du dosage : En solution aqueuse, les ions hypochlorites réagissent avec les ions iodures en présence d'acide acétique pour donner du diiode. Le diode à son tour réagit avec le thiosulfate de sodium aqueux. Les couples oxydo-reducteurs mis en jeu sont : ClO - (aq)/cl - (aq) I 2 (aq) /I - (aq) S 4 O 6 2- (aq) /S 2 O 3 2- (aq) Le diiode prenant une teinte jaune pale, de l'empois d'amidon est utilisé, formant un complexe bleu/noir avec le diiode et permettant ainsi de mieux repérer l'équivalence. Q25 : Écrire la réaction de réduction des ions hypochlorite par les ions iodure. Q26 : Cette réaction étant totale, écrire une relation entre la quantité de matière d'ions hypochlorite de la solution initiale et la quantité de matière de diiode formé. Matériel : pipettes jaugées 10,0 ml et 20,0mL, fiole jaugée de 100,0 ml, 2 bécher 50mL, erlemeyer 250mL, burette graduée 25mL, agitateur magnétique muni d'un barreau aimanté Produits : bouteille d'eau de javel à 9,6% de chlore actif, solution aqueuse d'iodure de potassium 0,10 mol.l -1, solution de thiosulfate de sodium 0,10 mol.l -1 EXPÉRIENCE : Diluer 10 fois l'eau de Javel commerciale Dans un erlenmeyer de 250mL, introduire un volume V 0 =20,0 ml de la solution diluée d'eau de javel 8/9

9 Ajouter ensuite environ 20mL d'une solution d'iodure de potassium à 0,10 mol.l -1 Agiter le mélange pendant 2 minutes sur agitateur magnétique Ajouter environ 15 gouttes d'acide acétique pur ou 10 ml acide chlorhydrique molaire préparer la burette avec une solution de thiosulfate de sodium à 0,10 mol.l -1 Titrer le diiode formé dans la solution. On ajoutera quelques gouttes d'empois d'amidon afin de mieux pour terminer le dosage. Repérer le volume versé à l'équivalence Q27 : compléter le tableau décrivant la réaction de titrage. Q28 : En déduire la quantité de diiode formé au cours de la première étape. Q29 : En déduire la concentration effective d'ions hypochlorite de la solution d'eau de javel commerciale. Sur l'étiquette, non peut lire le pourcentage de chlore actif de la solution. Il rend compte de la masse totale de dichlore utilisé lors dela fabrication d'une masse m de solution. Pour une solution à 9,6%, on peut en déduire la concentration effective initilae en ions hypochlorites par : [ ]. 9,6% ρ ClO( aq ) = i M ( Cl2 ) Q30 : Calculer la concentration effective en ions hypochlorites annoncée par l'étiquette de la bouteille et comparer au résultat du titrage. Conclure. 9/9