Détermination de la constante d acidité d un indicateur coloré

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1 Terminale S I Détermination de la constante d acidité d un indicateur coloré Objectifs : - Utiliser un spectrophotomètre et un tableur graphique. - Déterminer le pka d un acide faible et les domaines de prédominance associés. - Comprendre le principe d un indicateur coloré. Le vert de bromocrésol (VBC) est un indicateur coloré : sa couleur dépend du ph de la solution dans laquelle il se trouve. Cet indicateur coloré est un indicateur coloré acido-basique : ses formes acide et basique sont de couleurs différentes, elles forment un couple acide/base. Pour simplifier, on utilisera les écritures HInd pour la forme acide (jaune) et Ind- pour la forme basique (bleue). On cherche ici à déterminer le pka de cet indicateur coloré en traçant le diagramme de distribution des espèces. Document 1 : Spectre d absorption du VBC (1) D après les graphes de l absorbance ci-contre des formes acide et basique de l indicateur coloré, on peut choisir la longueur d onde du spectrophotomètre qui permettra de déterminer la concentration de la forme basique Ind- : Au-delà d environ 580 nm, seule la forme basique Indabsorbe. Le maximum d absorption de la forme basique Ind- se situe vers 630 nm. On peut donc déterminer les concentrations de la forme basique grâce à l absorbance des solutions. La concentration de la forme acide se déduit alors des résultats. Document 2 : Quelques définitions * On rappelle : ph = pka + log = pka + log * On dit qu une espèce prédomine devant une autre si sa concentration lui est supérieure. On appelle alors domaine de prédominance d'une forme acide (ou basique) d'un couple, l'intervalle de ph pour lequel cette entité possède une concentration supérieure à celle de sa forme conjuguée. * Le diagramme de distribution des espèces d un couple est le graphe représentant leurs concentrations en fonction du ph, ici cela concerne les concentrations [Ind-] et [HInd] en fonction du ph. * La zone de virage d un indicateur coloré correspond à l intervalle de ph où les deux formes acide et base coexistent dans les mêmes proportions. La teinte de la solution est alors due à la couleur donnée par chaque forme acide et basique ; cette teinte est dite sensible. En dehors de cette zone, seule la couleur de la forme acide (ou basique) est perceptible et donne la teinte à la solution. En pratique, la zone de virage correspond l intervalle de ph pour lequel le rapport des concentrations molaires des formes acide et basique est tel que :. On peut montrer aussi que le ph appartient à l intervalle : [pka-1 ; pka +1]. * On rappelle que la loi de Beer-Lambert indique que l absorbance d une solution est proportionnelle à la concentration de l espèce colorée de la solution soit : A = k.c Document 3 : Comment tracer un diagramme de distribution? * Pour tracer un diagramme de concentrations en fonction du ph, il faut fabriquer des solutions de ph différents qui contiendront le même volume de solution d indicateur coloré (VBC) puis on mesure leur absorbance. * On répète donc plusieurs fois la préparation des solutions pour avoir toutes les solutions de ph connu puis on mesure les absorbances. * Lorsque toutes les mesures sont faites on passe à l exploitation. Effectuer le travail suivant. M.Meyniel 1/2

2 Réaliser le diagramme de distribution des espèces * Manipulations : Réaliser des solutions de ph différents et déterminer l absorbance de chaque solution préparée suivant les protocoles donnés ci-dessous. Préparation des solutions de ph connu. (A) Pour préparer une solution de ph déterminé, on peut utiliser une solution de Britton-Robinson (solution acide) : Compléter la burette avec de la soude (ou ) de concentration C = 0,5 mol.l -1. Placer un grand bécher de 250 ou 400 ml avec 100 ml environ de solution de Britton-Robinson sous la burette. Installer la sonde ph-métrique et verser la solution de soude jusqu à obtenir le ph désiré. (B) Pipeter V e = 10 ml de solution de ph connu dans un tube à essais. solution d hydroxyde de sodium C = 0,50 mol.l -1 solution de Britton-Robinson V = 100 ml Ajouter un volume v = 2,0 ml précisément de solution de vert de bromocrésol (VBC) de concentration molaire C 1 = 3, mol.l -1 et bien homogénéiser. (Attention à bien repérer les différentes solutions ) Chaque tube contient de la solution d indicateur coloré (VBC) de même concentration en soluté apporté mais les proportions des formes acide et basique varient à cause du ph imposé en partie (A)! Mesures d absorbance. Mesurer l absorbance de chaque solution à l aide d un même spectrophotomètre réglé à la longueur d onde = 640 nm. On aura soin de bien rincer la cuve avec la solution avant la mesure. Ecrire les valeurs mesurées de l absorbance et du ph dans le tableau distribué par le professeur. * Expressions des concentrations : 1. Lors de la préparation des différentes solutions de VBC, on a prélevé un volume v de solution de VBC à une concentration C 1. Puis, on a ajouté un volume V e de solution de ph souhaité. La solution finale de VBC a une concentration en VBC égale à C 0. Calculer cette concentration C 0 à partir de C 1, v et V e. 2. En utilisant la conservation de la quantité de matière, écrire la relation entre la concentration molaire C 0 apportée en VBC (dans chaque tube) et les concentrations molaires effectives des formes acide et basique [Ind - ] et [HInd]. 3. A la longueur d onde choisie, quelle est la relation entre l absorbance A de cette solution et la concentration molaire effective [Ind ] de la forme basique? Justifier la condition «à la longueur d onde choisie». 4. En considérant qu à ph élevé seule la forme basique du vert de bromocrésol Ind - est présente, que vaut la concentration molaire effective [Hind] en forme acide? 5. En déduire, à l aide de la loi de Beer-Lambert, l absorbance maximale mesurée A max pour un ph élevé en fonction de la concentration C 0 en VBC. 6. En utilisant la loi de Beer-Lamert, exprimer alors [Ind - ] puis [HInd] en fonction de A, C 0 et A max. * Tracer des courbes : Ouvrir le logiciel Régressi et rentrer vos valeurs de ph et celle de A. Créer une nouvelle grandeur calculée HInd puis Ind - en entrant les relations trouvées précédemment. Tracer alors [HInd] et [Ind - ] sur le même graphe mais sur deux axes différents, en fonction du ph. Ce graphique est appelé diagramme de distribution des espèces. (A reproduire sur la copie.) Exploitation a. Déterminer les domaines de prédominance des formes acide HInd et basique Ind - de ce couple acide-base. b. Montrer qu un point particulier de ce graphe permet de déterminer le pk A du couple acide-base HInd/Ind - et donc sa constante d acidité K A. Repérer ce point sur votre courbe et donner la valeur du pk A. c. Déterminer graphiquement la zone de virage de l indicateur coloré. d. Indiquer alors sur échelle de ph : la valeur d un ph neutre, la valeur du pk A, les espèces qui prédominent et la zone de virage du VBC. M.Meyniel 2/2

3 Réaliser le diagramme de distribution des espèces * Résultats expérimentaux : ph 2,28 3,41 4,55 5,01 7,12 9,65 A 0 0,114 0,922 1,68 1,727 1,793 * Expressions des concentrations : 1. Lors de la préparation des solutions de VBC, la quantité de VBC introduite initialement ne varie pas lors de l ajout de la solution de ph souhaité, on peut donc écrire : n VBC(EI) = n VBC(EF) Or n VBC(EI) = C 1.v n VBC(EF) = C 0.(V e + v) => C 0 = = = 5, mol.l La quantité de matière de VBC est donc conservée et ce qu il soit sous sa forme acide HInd ou sa forme basique conjuguée Ind - dans la solution préparée. On peut donc écrire n VBC(EF) = n HInd(EF) + n Ind-(EF) Or n VBC(EF) = C 0.(V e + v) n HInd(EF) = [Hind].(V e + v) => C 0.(V e + v) = [Hind].(V e + v) + [Ind - ](V e + v) n Ind-(EF) = [Ind - ].(V e + v) soit C 0 = [Hind] + [Ind - ] 3. D après le document 1, à λ = 640 nm, seule la forme basique du VBC absorbe. On en déduit donc que l absorption de la solution A n est due qu à cette seule forme basique : A = k.[ind - ] (avec la loi de Beer-Lambert, doc. 2) Rq : La loi de Beer-Lambert s écrit plus précisément : A = ε.l.[b - ] avec l la longueur de la cuve en cm ε le coefficient d extinction molaire en L.mol -1.cm En considérant qu à ph élevé seule la forme basique du vert de bromocrésol Ind - est présente, alors : [Ind - ] max = C 0,et par consequent, d après la réponse à la question 2.: [HInd] = 0 5. Pour un ph élevé, seule la forme basique est présente et sous une concentration C 0. Donc, en reprenant l expression de la réponse 3. pour la longueur d onde choisie, on peut écrire : A max = k.[ind - ] max = k. C 0 6. D après la réponse précédente : k = => On en déduit d après la question 3. que : [Ind - ] = = => Pour la forme acide : C 0 = [Hind] + [Ind - ] => [Hind] = C 0 [Ind - ] = C 0 = C 0.(1 ) * Tracer des courbes : Tableau regressi : diagramme de distribution des espèces : ph A [Ind-] = 5 E -5 (1 A)/1,79 [Ind-] = A 5 E -5/1, E E E E E E E E E E E E E-5 M.Meyniel 3/2

4 Exploitation a. D après le document 2, une espèce prédomine dès que sa concentration est supérieure à l autre présente. Donc, en utilisant le diagramme de distribution, on note que Hind prédomine pour un ph inférieur à 4,5 et Ind - pour un ph supérieur à 4,5. b. D après le document 2., ph = pk A + log. Donc, si [Hind] = [Ind - ], alors log = log 1 = 0 et ph = pk A. Donc le pk A correspond au ph pour lequel les concentrations des deux formes acide et basique sont égales soit 4,5 d après le diagramme de distribution : pk A = 4,5 => K A = 10 -pka = 10-4,5 c. Toujours d après le document 2., la zone de virage de l indicateur coloré est défini par [pka-1 ; pka +1] soit un intervalle de ph de [3,5 ; 5,5] dans le cas du VBC. d. [HInd] >>[Ind - ] [HInd] [Ind - ] [HInd] << [Ind - ] 0 jaune 3,5 4,5 vert = teinte sensible 5,5 bleu 14 ph M.Meyniel 4/2

5 Guides spectrophotomètres Spectrophotomètres Red TIDE 1 Brancher le spectrophotomètre Red Tide muni du module chimie à l ordinateur. 2 Ouvrir le logiciel overture (Raccourci sur le bureau OU Démarrer/tous les programmes/ocean Optics/Overture) 3 Si aucune fenêtre ne s ouvre, cliquer sur nouveau graphe 4 Cliquer sur (absorbance) pour que le spectrophotomètre mesure l absorbance en fonction de la longueur d onde λ. 5 Réglage du temps d intégration : (pour éviter la saturation de l appareil) choisir un temps d intégration faible (18ms) puis cliquer sur suite. 6 Faire «le noir» : cacher la lumière en ajoutant une cuve contenant un morceau de papier noir et cliquer sur l ampoule ; puis cliquer sur suite. 7 Faire «le blanc» : introduire une cuve contenant le solvant de la solution à étudier et cliquer sur ; puis cliquer sur finir. 8 Placer les solutions colorées dans les cuves de spectrophotométrie. 9 Cliquer sur l icône concentration. 10 Choisir : Loi de Beer Lambert. Créer une courbe d étalonnage. Puis suite 11 Choisir la longueur d onde de travail :. nm 12 Placer la première solution colorée et appuyer sur lancer le scan. Relever la valeur de l absorbance. 13 Placer la seconde solution colorée et appuyer sur lancer le scan. etc... Relever à chaque fois la valeur de l absorbance. Spectrophotomètre 1 Régler le spectrophotomètre sur la longueur d onde désirée et le sélecteur de filtre (à l'intérieur du capot) sur la position correspondant à. Régler le spectrophotomètre en absorbance (Abs) avec le bouton 1. Les cuves présentent deux faces lisses et deux faces dépolies. Le faisceau de lumière doit entrer par la face lisse repérée par la flèche sur le haut de la cuve. Réglage du blanc: remplir une cuve avec le solvant. Placer la face lisse de la cuve avec la flèche à l'intérieur du capot: la flèche de la cuve doit être en face de la flèche symbolisant le faisceau lumineux. Appuyer sur le bouton 2 pour régler le zéro de l'absorbance: le spectrophotomètre indique alors 0,000. Retirer la cuve avec le solvant. Remplir une autre cuve avec la solution, la placer dans le spectrophotomètre (attention au sens!) et mesurer son absorbance. Spectrophotomètre 2 1 -Régler la longueur d onde de travail en suivant les instructions portées sur le spectrophotomètre. 2- Placer dans l appareil une cuve de mesure (dite cuve de référence) ne contenant que le solvant, appuyer sur la touche 1 pour faire le blanc. 3- Retirer la cuve de référence et placer la cuve contenant la substance absorbante. Relever la mesure de l absorbance. M.Meyniel 5/2

6 LISTE MATERIEL SALLE 216 OBLIGATOIRE Au fond de la salle : - Solution de Britton Robinson (3L) + bécher de service - Soude à 0,5 mol/l (1L) + grand bécher de service - Vert de Bromocrésol à 3, mol/l - (1L) - Cannes à pèche - Bac de nettoyage des cuves de spectro Paillasse élève quantité matériel 1 ph-mètre 1 Burette 1 Agitateur magnétique + Barreau aimanté 10 Tubes à essais + bouchons + support 1 Pipette jaugée de 10 ml + Propipette 1 Pipette jaugée de 2 ml (gros bout) 1 Bécher de 200 ml 1 Petit bécher 1 Bécher poubelle 10 Cuves de spectros + support 1 Eprouvette graduée de 100mL fait - 1 module red tide sur les postes infos qui marchent (x5) - Installer les deux spectros profs sur les paillasses élèves dont les PC ne fonctionnent pas. M.Meyniel 6/2