TP : Mesure de la dureté de l eau

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1 TP : Mesure de la dureté de l eau Mots-clés : Production d eau potable / Traitement des eaux Document 1 : Les conséquences de la dureté de l eau Une eau alimentaire ne doit pas être trop douce car l Homme a besoin de calcium et de magnésium pour son métabolisme et la constitution de ses os. De plus, une eau trop douce attaque les canalisations, et certains métaux toxiques comme le plomb ou le cuivre peuvent se retrouver dans l eau sous forme d ions. Une eau dure conduit à la formation d un dépôt de tartre (carbonate de calcium, ou de magnésium, solides) dans les conduites d eau, la robinetterie et sur les résistances chauffantes des appareils comme le lave-linge. Ces dernières consomment alors plus d énergie et ont une durée de vie moindre. La dureté de l eau conduit également à une utilisation supérieure de détergents et de savons, moins efficaces dans les eaux dures. Figure 1 : Résistance de lave linge recouverte de tartre. Document : Plages de titre hydrotimétrique TH ( f ) 0 à 7 7 à à 5 5 à 4 > 4 Eau Très douce Douce Moyennement dure Dure Très dure Document 3 : La carte de France de la dureté de l'eau du robinet Une grande hétérogénéité caractérise la dureté de l eau sur le territoire français. Cette diversité est liée à la nature des sous-sols Définition de la dureté : La dureté, ou titre hydrotimétrique TH, d une eau correspond à la somme des concentrations en ions calcium et magnésium. Il se mesure en «degré français» ( f ) n peut déterminer cette grandeur à l aide de la Ca Mg relation suivante : TH ( f ) 4 10 Avec Ca et Mg exprimés en mol.l-1 Les eaux souterraines, issues de roches sédimentaires (calcaires), sont dures. Les eaux souterraines issues de terrains siliceux (granite, grès) sont douces. Les eaux de surfaces, qui n ont pas le temps de se charger en ions sont douces. Figure : carte de France de la dureté de l eau I. bjectif du TP L objectif est de déterminer la dureté de l eau de Contrex et de la comparer à celle fournie par les informations notées sur l étiquette. Thème n 3 : L eau Page 34

2 Pour déterminer la dureté de l eau, il faut retrouver la concentration massique en ions calcium et en ions C Mg. magnésium : Cm Ca et m II. Détermination expérimentale de la dureté de l eau Contrex II.1. Rôle de l EDTA L E.D.T.A. (ion éthylènediamminetétraacétate) est une espèce chimique qui peut se lier facilement aux ions calcium et magnésium. L édifice formé est appelé ion complexe (ou complexe) présenté dans l équation cidessous : Ca Ca Pour simplifier l écriture, on utilise la notation suivante : L E.D.T.A. se note Y 4-. L équation précédente devient : 4 Ca Y CaY Les ions complexes CaY et ( aq) ( aq) ions Ca + et Mg +. ( aq) ( aq) ( aq) Mg Y MgY 4 ( aq) ( aq) ( aq) MgY formés lors des réactions précédentes sont incolores, tout comme les La fin du dosage sera alors déterminée par un indicateur coloré de fin de réaction, le «noir d ériochrome T» (.E.T.) II.. Rôle du.e.t. Introduire ml de solution tampon ph = 10 dans trois tubes à essais numérotés 1, et 3. Ajouter quelques gouttes de.e.t. dans chaque tube. (n doit bien voir la coloration.) Le tube 1 sera le tube-témoin de la couleur du.e.t. «libre». Dans les tubes et 3, ajouter 1 ml de la solution du sulfate de magnésium de concentration 1, mol.l -1. Le tube sera conservé comme témoin de la couleur de [ Mg(. E. T.)] ( aq). Dans le tube 3, ajouter l E.D.T.A. goutte à goutte jusqu à observer un changement de couleur. Thème n 3 : L eau Page 35

3 II.3. Etapes du dosage 1 ère étape Complexation des ions calcium et magnésium avec le.e.t. (La solution devient rose.) ème étape L ajout de la solution d E.D.T.A. déplace l équilibre précédent et libère les ions calcium et magnésium qui vont réagir avec l E.D.T.A. pour former les complexes CaY et ( aq) ( aq) MgY. Ces complexes étant incolores, la solution reste rose jusqu à ce qu il reste des ions calcium et magnésium complexés avec le.e.t. 3 ème étape L E.D.T.A. est introduit en proportion stœchiométrique : tous les ions magnésium et calcium ont réagi avec l E.D.T.A, et le.e.t. retrouve sa forme libre. La solution devient bleue. II.4. Rôle du ph La couleur de la forme libre du.e.t. dépend du ph : 0 6,4 11,5 14 RSE BLEU JAUE II.5. Protocole Solution d E.D.T.A à 1) Eau de Contrex V 0 = 10,0 ml ) Environ 0 ml de tampon ammoniacal (ph = 10) 3) Environ 10 gouttes de la solution de.e.t. (pour une coloration franche) n effectue deux dosages, le premier, rapide, permet d avoir une valeur approximative du volume équivalent V eq1. Le deuxième permet d obtenir une valeur du volume équivalent à la goutte près V eq en commençant le goutte à goutte ml avant l équivalence attendue. V eq1 =... ml ; V eq =.... ml Thème n 3 : L eau Page 36

4 III. Exploitation du dosage A l équivalence, on a : 4 n minéraux n( Y ) versé n Ca n Mg n Y 4 initial initial versé En déduire l expression, puis la valeur, de la concentration molaire en ions calcium et magnésium, notée C minéraux, en fonction de C 1, V eq et V 0. En déduire une expression, puis une valeur du TH de l eau minérale. S aider de la définition du document 3. Utiliser maintenant les valeurs notées sur l étiquette ( pages avant), et les masses molaires atomiques suivantes, pour montrer que le TH annoncé de l eau minérale vaut : TH = 147 f M (Mg) = 4,3 g.mol -1 ; M (Ca) = 40,1 g.mol -1 ; Contrôle-qualité : comparer le résultat expérimental et le résultat attendu. Expliquer l écart mesuré. Qualifier la dureté de cette eau, à partir des documents. Thème n 3 : L eau Page 37

5 IV. Adoucissement d une eau «trop» dure Cette eau étant très dure, il faut l adoucir. IV.1. Action d une carafe filtrante Les carafes filtrantes du commerce contiennent une cartouche composée : - De charbon actif à base de fibres de noix de coco. Le charbon actif est généralement imprégné d'iodure d'argent. Le charbon actif piège le chlore, les bactéries, les molécules organiques et les pesticides. - De billes de résine échangeuse d'ions. Deux qualités aux actions complémentaires sont utilisées. Les résines anioniques éliminent les anions (nitrates, sulfates, et phosphates). Les résines cationiques éliminent les cations (calcium, magnésium, fer et métaux lourds) Après filtration, l eau issue de la carafe est débarrassée d une partie de ses ions au profit d autres ions (les ions calcium et magnésium sont remplacés par les ions sodium). Figure 1 : Carafe filtrante Brita IV.. Vérification expérimentale de son efficacité n filtre, à l aide de la carafe Brita, de l eau de Contrex et on détermine à l aide de la méthode précédente la dureté totale de l eau. REALISATI DU DSAGE DE L EAU FILTREE - Réaliser le dosage de l eau filtrée. - oter les résultats obtenus. - Mesurer l efficacité de la carafe. n peut définir l efficacité, notée e, en % (ou le pourcentage d ions calcium et magnésium éliminés) de la carafe par le rapport : C minérauxcontrex filtrée e 100 C minéraux Contrex otez ici vos mesures et résultats expérimentaux : Thème n 3 : L eau Page 38

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