Chimie minérale. Préparation de gels et croissance de cristaux dans les gels. Surriabre Pedro. Abegg Daniel. Laboratoire 161

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1 Chimie minérale Préparation de gels et croissance de cristaux dans les gels Abegg Daniel Surriabre Pedro Laboratoire août 2008

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3 Table des matières 1 Préparation de gels et croissance de cristaux dans les gels Introduction But de la manipulation Partie pratique Formation d un gel à base d alcool polyvinylique et de borax Croissance de cristaux Questions Formation d un gel à base d alcool polyvinylique et de borax Croissance de cristaux dans les gels de silice Conclusion Annexe Fiche de toxicité

4 4 Table des matières

5 1 Préparation de gels et croissance de cristaux dans les gels 1.1 Introduction Les gels sont une classe importante de produit qui ont de multiples utilités dont la possibilité de former des cristaux (par exemple PbI 2 ), ce qui est impossible dans un milieu aqueux. Les gels sont difficiles à définir mais la caractérisation la plus proche est un système à deux composants de nature semi-solide, riche en liquide. Les gels sont donc composés en grande partie d eau, qui est piégée dans un réseau tridimensionnel. Ce dernier forme un polymère à liaisons faibles. La vitesse de formation d un gel est dépendant du ph et de la température. 1.2 But de la manipulation Le but est de caractériser les facteurs nécessaires à la formation de gels et d observer la croissance de cristaux dans ces derniers. 5

6 PARTIE PRATIQUE 1.3 Partie pratique Formation d un gel à base d alcool polyvinylique et de borax Dans un bécher est placé 25 ml d alcool polyvinylique 4%, puis 3 ml de Borax dans eau 4% en agitant vigoureusement. bservations Il y a la formation très rapide d un gel. Les borates ([B() 4 ] ) forment avec les fonctions diols de l alcool polyvinylique des liaisons hydrogènes ou les molécules d eau s insèrent. Le réseau tridimensionnel est de forme variable à cause de la nature de liaisons H. R R. B R R Fig. 1.1: Liaisons hydrogènes formant un gel Croissance de cristaux 1. Préparation des produits Silicate de sodium V = densité sol = = ml Dans un bécher sont placés les ml de silicate de sodium et dilution à 100 ml avec de l eau.

7 1.3 7 Acide acétique Concentration = 99.8% Densité = g/ml MM = 62 g/mol V = 1 M 0.1 L 62 g/mol = 5.9 ml Dilution à 100 ml avec de l eau. 2. Formation de gels et de cristaux d iodure de plomb acétate de plomb : C 4 H 6 4 Pb 3H 2 MM = g/mol m = MM 1 ml 1 M = 0.38 g Dans un bécher est mis 1 ml d acétate de plomb et ajout de 15 ml d acide acétique. En agitant, ajout de 15 ml, goutte à goutte de silicate de sodium. 2 éprouvettes sont remplies aux 2/3 et le gel se forme pendant la nuit. 2 solution de 5 ml de KI sont préparées : 0.5 g et 1,0 g. Ces solutions sont ajoutées dans les tubes à essais et l un d entre eux est mis dans un bainmarie à 40 C pendant 5 semaines. Pb I PbI 2(s) 3. Facteurs influençant la formation d un gel Mise de 0.19 g d acétate de plomb dissout dans 0.5 ml d eau dans un bécher, ajout de 7.5 ml de silicate de sodium et ensuite de 7.5 ml d acide acétique. bservations Il y a la formation d un précipité avant l ajout d acide acétique qui ne change rien. Comme précédemment mais d abord ajout de l acide acétique puis du silicate de sodium bservations Le gel ne se forme pas mais il devrait le faire après un certain temps (une nuit).

8 PARTIE PRATIQUE 4. Formation d anneaux de Liesegang par précipitation de HgI 2 Dans un bécher sont dissout 0.13 g de KI dans 15 ml d acide acétique, goutte à gouttes est ajouté 15 ml de silicate de sodium. Cette solution est mise dans 2 éprouvettes et le gel se forme pendant la nuit. Idem pour 2 autres éprouvettes, mais avec 0.21 g de iodure de potassium. Dans chaque tube est placé 5 ml de Hg 2 Cl 2 ()1.3 g dans 20 ml). 1 tube avec une concentration de KI 0.1 M et 1 avec 0.2 M sont placé dans un bain-marie. Les ions iodures sont dans le gel et avec le mercure qui entre dans le gel, il y a précipitation. 2I + Hg 2+ HgI 2(s) 5. Formation de cristaux de tartrate de calcium acide tartrique : C 4 H 6 6 MM = g/mol m = MM 20 ml 1 M = 3 g Dans un bécher est dilué 7.5 ml de solution de silicate de sodium marqué pour tartrate de calcium avec 7.5 ml d eau. Ajout goutte à goutte de 15 ml d acide tartrique 1 M. Mise dans 2 éprouvettes et le gel se forme pendant la nuit. Par éprouvettes 5 ml d une solution de CaCl 2 1 M (1.5 g dans 10 ml) et un tube avec mis dans un bain-marie. Les ions tartrates dans le gel forment des cristaux avec le calcium qui pénètre. CaCl 2 + Ca + 2 Cl Fig. 1.2: Formation de cristaux de tartrate de calcium

9 Questions 1. Donnez le structure de l anion du borax Na 2 B 4 7. Que pouvez-vous dire sur la valence du bore dans ce composé? Quels composés connaissez-vous qui ont un nombre de coordination 4 pour le bore? Dans ces composés, peut-on observer des longueurs de liaison différentes? B H B B B. Fig. 1.3: Structure de l anion borax hydraté [B 4 5 () 4 ] 2 Le bore, dans ce composé, à des valences 3 et 4. Le [B() 4 ] est aussi un composé avec un bore possédant une valence 4 ou bien aussi le NaBH 4. Ces composés sont de forme tétraédrique et leurs longueurs de liaison sont plus légèrement plus longue que les composé ou le bore à une valence de 3 à cause de l encombrement sphérique. 2. Écrivez pour chaque essai les réactions chimiques entre les composantes autres que le gel. Décrivez le structure du complexe de calcium formé! Voir parties correspondantes Formation d un gel à base d alcool polyvinylique et de borax 1. Notez vos remarques sur l état physique du gel : élasticité, rigidité, etc. Le gel est élastique et il prend la forme du récipient. Il piège l eau ce qui se voit par les bulles dans le gel qui est transparent.

10 QUESTINS 2. Est-ce que le gel est soluble dans l eau? Expliquez. Il piège (absorbe) l eau et donc augmente de volume. Si le gel est chauffé il se dissoudra car les liaisons hydrogènes le formant se briseront. 3. Expliquez les différences mécaniques et physiques entre les gels et les polymères covalents classiques comme le caoutchouc vulcanisé. Le caoutchouc vulcanisé (pneu de voiture, etc.) est rigide et n absorbe pas l eau à l inverse du gel, car il s agit des liaisons covalentes tandis que le gel ne possède que des liaisons hydrogènes ce qui donnent de propriétés mécaniques et physiques différentes. Comme par exemple la variation de température influence peu le caoutchouc vulcanisé mais dissout le gel, etc Croissance de cristaux dans les gels de silice 1. Expliquez pourquoi l ordre des réactifs est important à la formation d un gel. (1.3.2 et 1.3.3) L ordre des réactifs est important car comme on le voit bien si l acide (acétique) est ajouté après le silicate de sodium, il y a protonation et la formation du gel n est pas possible. Il se formera plutôt PbSi 3 (s) (Pb 2+ + Si 2 3 ). 2. A quoi sert le gel Le gel sert à la formation de grandes cristaux grâce à une diffusion lente. 3. Décrivez l évolution des trois systèmes (1.3.2 : iodure de plomb ; : iodure de mercure(iii) ; : tartrate de calcium) pendant toute la période des travaux pratiques. Description des gels eux-mêmes. bservation immédiatement après l addition du dernier réactif, observations des cristaux (tailles, couleurs, effet de température, etc.) après un jour, 2 jours, 1 semaine, 3 semaines.

11 Tubes Jour 0 Jour 1 Jour 13 Jour g KI solution cristaux jaunes critaux travers + Pb incolore dans le gel le gel 40 C 1.0 g KI + Pb 40 C 0.1 g KI + Hg 25 C 0.1 g KI + Hg 40 C 0.2 g KI + Hg 25 C 0.2 g KI + Hg 40 C tartrate + CaCl 2 25 C tartrate + CaCl 2 40 C solution incolore poudre rouge poudre rouge poudre rouge poudre rouge pâte grise pâte grise cristaux jaunes plus gros dans le gel 2 halo : un rouge et en dessous un jaune dans le gel 2 halo idem mais halo plus foncé (concentré) 2 halo et dispersion gros cristaux gris idem diffusion plus rapide plus de halo jaune ; halo rouge milieu du tube ; dispersion halo rouge dans 70% du tube migration halo et dispersion du halo migration halo et dispersion migration du halo et dispersion diffusion lente ( 2% du tube) diffusion plus rapide ( 5% tube) cristaux sont au bout du tube cristaux sont au bout de tube ; plus concentré que 0.5 g KI légère migration du halo et dispersion dans tout le tube idem au tube à 25 C idem au tube 0.1 g KI mais cristaux plus nombreux dispersion plus importante que à T.A. dans tout le tube 5% du tube 8% du tube Tab. 1.1: Évolution au cours du temps des cristaux PbI 2, HgI 2 et de tartrate de calcium dans les gels. Les cristaux de PbI 2 avec une concentration de 1.0 g de Ki sont plus gros et plus concentré au fond du tube que ceux avec 0.5 g. Les anneaux de Liesegang (HgI 2 ) sont rouges et les cristaux du halo sont

12 CNCLUSIN en forme d aiguilles. Peu de différence entre les deux concentration, ceux à 0.2 g sont un peu plus visible (foncé) dans le gel. Les cristaux de tartrate de calcium sont de gros cristaux, probablement trop pour bien migrer dans gel. Dans le bain-marie, il migre un peu plus vite mais pour le voir il faut mettre les deux tubes l un à côté de l autre. 1.5 Conclusion La vitesse de migration des cristaux n augmente par beaucoup dans le bain-marie (40 C). Le fait que le bain-marie était vide d eau et peut-être même éteint pendant les vacances (jour 3 à 13) peut expliquer ceci. 1.6 Annexe Fiche de toxicité réactif CAS MM (g/mol) dangers cancérigène Alcool polyvinylique oui Borax nocif non Silicate de sodium corrosif non C 4 H 6 4 Pb 3H toxique oui KI non HgCl toxique oui Acide tartrique nocif non CaCl 2 2H nocif non