L altération des roches - Correction. Dosage des ions hydrogénocarbonate dans une eau minérale

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1 L altération des roches - Correction Mots-clefs : Erosion ; dissolution ; concrétion. ACTIVITE EXPERIMENTALE Dosage des ions hydrogénocarbonate dans une eau minérale Objectifs Savoir réaliser un dosage acide-base par plusieurs méthodes. Déterminer par titrage acido-basique, la quantité d'ions hydrogénocarbonate contenus dans une eau minérale. Comparer à l'information portée sur l'étiquette Problème Dans les eaux d alimentation, le caractère basique (alcalinité) est dû principalement à la présence d ions carbonate CO 3 2- et d ions hydrogénocarbonate HCO 3 -. On considère qu une eau ayant un ph supérieur à 8,3 contient des carbonates. Une eau dont le ph est inférieur à 8,3 ne contient pas de carbonates mais seulement des hydrogénocarbonates. On veut déterminer par titrage acido-basique soit à l aide d un ph-mètre, soit en utilisant un indicateur coloré approprié, la quantité d ions hydrogénocarbonate contenus dans une eau de boisson ; comparer à l information portée sur l étiquette. Etude préliminaire 1. Etude du comportement de l ion hydrogénocarbonate «L ion hydrogénocarbonate HCO 3 - est un ampholyte ou l'ion hydrogénocarbonate HCO 3 - est amphotère.» a) Que signifie ce qualificatif : amphotère? Une espèce amphotère (adjectif) est une espèce qui peut se comporter soit comme un acide, soit comme une base. Cette espèce est appelée un ampholyte (nom). b) Donner les deux couples acide-base auxquels il appartient. Il apparaît dans les couples : CO 2, H 2 O(aq) / HCO - 3 (aq) pk A1 = 6,4 HCO - 3 (aq) / CO 2-3 (aq) pk A2 = 10,3 c) Ecrire les équations des deux réactions possibles de cet ion avec l'eau. L ion hydrogénocarbonate se comporte comme un acide : HCO 3 - (aq) CO 3 2- (aq) + H + (aq) L ion hydrogénocarbonate se comporte comme une base : CO 2, H 2 O(aq) HCO 3 - (aq) + H + (aq) d) Dans les eaux d'alimentation, l'alcalinité est due principalement à la présence d'ions carbonate CO 3 2- (aq) et d'ions hydrogénocarbonate HCO 3 - (aq). Montrer, à partir des constantes d équilibre, que l'affirmation suivante est exacte : Une eau dont le ph est supérieur à 8,2 contient des ions carbonate, une eau dont le ph est inférieur à 8,2 ne contient pratiquement pas d'ions carbonate. TP : Dosage des ions hydrogénocarbonates dans l eau 1 C. Grange-Reynas

2 Donc une eau de ph 8,2 contient environ 100 fois moins d ions carbonate CO 3 2- (aq) que d ions hydrogénocarbonate HCO 3 - (aq). Si ph < 8,2 on peut considérer qu il n y a pas d ions carbonate dans l eau. 2. Etude du diagramme de distribution des espèces e) A partir du diagramme de distribution des espèces donner les valeurs des pka des 2 couples. Justifier votre réponse. Par définition, ph = pka + log Base Acide donc si [base] = [Acide] alors ph = pka A partir du diagramme, [CO 2,H 2 O] = [HCO 3 - ] pour ph = 6,4 et [HCO 3 - ] = [CO 3 2- ] pour ph = 6,4 f) Dans quel domaine de ph, l espèce CO 2, H 2 O(aq) représente-t-elle plus de 99% des espèces de ces couples? ph < 4,5 g) Même question pour les ions carbonates CO 3 2- (aq). ph > 12 h) Etablir un diagramme de prédominance des espèces 3. On veut déterminer la procédure pour titrer une espèce ampholyte : Faut-il la considérer comme un acide ou comme une base? En utilisant les diagrammes de distribution des espèces en solution pour choisir les conditions du titrage, faut-il titrer les ions hydrogénocarbonates par une solution acide ou une solution basique? Les questions suivantes vont permettre de répondre à cette question 1 er cas : Une solution d ions hydrogénocarbonate est titrée par une solution de soude. i) Ecrire l équation de la réaction entre les ions hydrogénocarbonate et les ions hydroxyde apportés par la solution de soude (Na + + HO - ). HCO 3 - (aq) + HO - (aq) H 2 O + CO 3 2- (aq) j) Quel est l ordre de grandeur du ph à l équivalence du titrage? Justifier la réponse. L équivalence est atteinte lorsque les ions hydrogénocarbonate ont totalement disparu c est à dire pour un ph > ème cas : Une solution d ions hydrogénocarbonate est titrée par de l acide chlorhydrique k) Ecrire l équation de la réaction entre les ions hydrogénocarbonate et les ions oxonium apportés par l acide. HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) H 2 O + CO 2, H 2 O(g) Les ions chlorure sont des ions spectateurs. l) Quel est l ordre de grandeur du ph à l équivalence de ce titrage? Justifier la réponse. L équivalence est atteinte lorsque les ions hydrogénocarbonate ont totalement disparu c est à dire pour un ph < 4,5. TP : Dosage des ions hydrogénocarbonates dans l eau 2 C. Grange-Reynas

3 m) Les indicateurs colorés usuels et les électrodes de phmètre permettent-ils de doser plutôt avec un acide ou avec une base? Limite du ph-mètre Les ph-mètres du lycée ont des électrodes qui ne donnent pas des indications fiables pour ph>11. Le ph-mètre peut être utilisé pour le dosage par l acide chlorhydrique. On donne le tableau des indicateurs colorés On donne le tableau des indicateurs colorés Indicateur Forme acide Couleur Forme basique Zone de virage Largeur de la zone de virage Bleu de bromophénol Jaune Bleu 3,1-4,5 2,4 Hélianthine (ou méthyl-orange) Rouge Jaune 3,2-4,4 1,2 Vert de bromocrésol rhodamine Jaune-rosé Bleu 3,8-5,4 1,6 Bleu de bromothymol Jaune Bleu 6,0-7,6 1,6 Rouge de méthyle Jaune Rouge 4,8-6,0 1,2 Phénolphtaléine Incolore Rose 8,2-10,0 1,8 Parmi les indicateurs colorés suivants, lequel doit-on utiliser pour réaliser un dosage colorimétrique? Justifier la réponse. Pour lequel des 2 dosages de l ion hydrogénocarbonate peuvent-ils servir? Aucun indicateur ne peut mettre en évidence l équivalence lors du dosage par la soude (ph > 12) n) A l aide des résultats de l approche théorique et des données du tableau des zones de virage de quelques indicateurs colorés, justifier le choix du vert de bromocrésol rhodamine (BCR) comme indicateur coloré dans ce titrage. L ordre de grandeur du ph à l équivalence du titrage des ions hydrogénocarbonate par les ions oxonium (ph 4,5) se situe dans la zone de virage du vert de bromocrésol rhodamine. _3.2_dosage_eau_prof.html Réalisation du dosage par titrage des ions hydrogénocarbonates Remarques Rincer soigneusement votre burette graduée : La vider de son contenu, la rincer à l eau distillée, puis la rincer avec la solution que vous allez utiliser (solution d acide chlorhydrique). Une fois ce rinçage effectué, remplir la burette avec la solution d acide chlorhydrique, ajuster le zéro. Vous allez réaliser deux dosage : un dosage rapide, et un dosage à la goutte : - Essai rapide : Tout en agitant, ajouter ml par ml le contenu de la burette. Repérer la zone correspondant à l équivalence : volume équivalent approximatif. - Essai à la goutte : Avant la zone d équivalence : ajouter le contenu de la burette ml par ml : Entre 1,5 ml avant et 1,5 ml après le volume équivalent approximatif, ajouter le contenu de la burette 0,1 ml par 0,1 ml (goutte à goutte). Repérer précisément le volume équivalent. TP : Dosage des ions hydrogénocarbonates dans l eau 3 C. Grange-Reynas

4 Matériel : Bécher de 100 ml Burette graduée de 25 ml Pipette jaugée de 50,0 ml Barreau aimanté Agitateur magnétique Verre à pied Indicateur coloré : vert de bromocrésol + Eau minérale (Evian) Solution d acide chlorhydrique (H + + Cl - ) C = 2,0 x 10-2 mol.l -1 ph-mètre + solutions étalons Protocole : Etalonner le ph-mètre Remplir une burette graduée avec la solution d acide chlorhydrique. Ajuster au zéro. Prélever exactement 50,0 ml d eau minérale avec la pipette jaugée et placer le prélèvement dans un bécher de 100 ml Ajouter 15 gouttes de vert de bromocrésol Mettre en place un barreau aimanté et placer l électrode de ph dans l échantillon d eau minérale. Mesurer le ph de la solution Sous agitation magnétique, introduire progressivement la solution d acide chlorhydrique et relever les valeurs du ph après chaque ajout. Noter le volume pour lequel l indicateur coloré change de couleur. Tableau des résultats expérimentaux V A en ml ph 0 1,0 2,0 3,0 V A en ml ph Exploitation des résultats Tracer le graphe ph = f(vacide) à l aide du logiciel REGRESSI. A l aide de la méthode des tangentes, repérer l équivalence. Comparer ce résultat à celui obteniu grâce à l indicateur coloré Tracer la courbe représentative de ph = f(vacide), dérivée de la fonction ph = f(vacide) Comment expliquez-vous l évolution de la conductivité de la solution lors de l addition de nitrate d argent? Ecrire l équation de la réaction qui se produit dans le bécher Déterminer la concentration molaire des ions chlorure de l eau de mer Déterminer la concentration massique en ions chlorure de l eau de mer. TP : Dosage des ions hydrogénocarbonates dans l eau 4 C. Grange-Reynas

5 Données : La mesure du titre alcalimétrique (TA) permet de déterminer la concentration en ion carbonate CO 3 2- (aq). Le titre alcalimétrique complet (TAC) est lié à la concentration totale en ions hydrogénocarbonate et carbonate. La concentration en ions hydrogénocarbonate peut être obtenue par différence entre le TAC et le TA. - Le TA est égal au volume d acide chlorhydrique de concentration 2, mol.l -1 en H 3 O + (aq) nécessaire pour doser 100 ml d eau en présence de phénolphtaléine. - Le TAC est égal au volume d acide chlorhydrique de concentration 2, mol.l -1 en H 3 O + (aq) nécessaire pour doser 100 ml d eau en présence de vert de bromocrésol. a) Déterminer le TAC des eaux minérales dosées. b) Calculer les concentrations molaires et massiques en ions hydrogénoc arbonate pour l eau minérale testée. c) Comparer les résultats expérimentaux aux indications portées sur l étiquette de la bouteille et déduire quelle est la méthode de titrage la plus précise. Pour chaque méthode de titrage, calculer l écart relatif (en pourcentage) : valeur théorique valeur exp érimentale x 100 valeur th éorique Compléments a) Décrire la préparation de 100 ml de solution d acide chlorhydrique à 2, mol.l -1 à partir d une solution d acide chlorhydrique (H 3 O + (aq) + Cl - (aq)) à 1, mol.l Préparer cette solution. Vous allez doser la solution que vous venez de préparer, afin de vérifier sa concentration. Pour réaliser ce dosage, la solution titrante sera une solution de soude (Na + (aq) + OH - (aq)), de concentration C soude = 1, mol.l -1. b) Ecrire l équation de la réaction support du titrage. Remarques : Ici on réalise le dosage des ions hydrogénocarbonates avec deux méthodes : Dosage acide/base avec détermination de l équivalence au virage de l indicateur coloré Dosage acide /base ph-métrique : détermination du volume équivalent à l aide de la méthode des tangentes ou de la dérivée L altération des roches 5

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