Fiche pédagogique enseignant CHIMIE

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1 Pays Cadre Niveaux Discipline Programme Thème du programme Sujet Roumanie Lycées à section bilingue francophone Classes de XIIe Chimie Curriculum spécifique aux sections bilingues L état d équilibre d un système chimique Approche méthodologique Pré-requis Mettre en place une démarche d investigation (ou une démarche expérimentale) Les réactions acido-basiques ; Réactif limitant ; Les mesures de ph et le calcul de l ordre de grandeur de la concentration en ions oxonium [H 3 O + ] ; Étude des équilibres chimiques : Qr, K. Disciplinaires OBJECTIFS Exprimer la constante d acidité Ka d un couple acide-base et son pka Classer les couples acide-base avec valeur de leur pka Déterminer les domaines de prédominance d une espèce et appliquer au virage des indicateurs colorés

2 Linguistiques Maîtriser le lexique spécifique aux solutions acide et basique Exprimer la condition et émettre une hypothèse Maîtriser le raisonnement par implication Identifier et utiliser les connecteurs logiques Comparer Quantifier Définir les caractéristiques d un dosage Donner des titres, associer des légendes Démontrer DOCUMENTS Document 1 Fiche professeur pour l activité 1 expérimentale «ph et proportions des espèces dans une solution d acide ou», tiré du TP 12 : l Document 2 Fiche professeur et fiche élève pour l activité 2 expérimentale «Suivi phmètrique d un titrage acido-basique», tiré du CD Rom ChimSol 2.1 de chez inovasys Lexique utile OUTILS LINGUISTIQUES Domaines de prédominance Suivi phmètrique Titrage acido-basique Formes syntaxiques / discursives utiles Les comparatifs L expression de la quantité La condition et l hypothèse : - Si + indicatif - Si + présent ou passé composé - Si + présent dans la principale - Quand - Lorsque - Dès que La condition nécessaire : l implication («On dit qu une force travaille si

3 son point d application se déplace») - A implique B - B dépend de A - Si A alors B - Pour que A il faut que B - On dit que si Le pronom indéfini : «on» Les connecteurs de cause, de conséquence Les valeurs du présent de l indicatif (la règle, la loi : tours impersonnels, présent de vérité générale, verbes d état) La nominalisation Le futur simple Durée de la séquence : 2h de TP cours SÉQUENCE PEDAGOGIQUE Problème scientifique: Pourquoi l échelle de ph va-t-elle de 0 à 14? Quelle grandeur associée à un couple acide-base permet de classer les acides selon leur force? La 1 ère séance permet de définir les constantes d équilibre liées aux réactions acido-basiques (Ka, Ke, K). Comment suivre un titrage par colorimétrie? La 2 e séance analyse ce qu est un titrage acido-basique et permet de choisir un indicateur coloré selon le titrage à effectuer. Activité 1 expérimentale : «ph et proportions des espèces chimiques» Situation déclenchante : on mesure le ph de plusieurs mélanges connus de solution d acide éthanoïque et de solution d éthanoate de sodium. Séance 1 : Démarche Consigne Problème : pourquoi l échelle de ph va-t-elle de 0 à 14? Quelle grandeur associée à un couple acide-base permet de classer les acides selon leur force? Résolution : le tracé des valeurs des proportions d acide et introduits en fonction du ph conduit à la valeur du pka du couple acide-base qui est la constante d équilibre du système. Conclusion : A - L eau : solvant des réactions acido-basique La réaction d autoprotolyse de l eau

4 H 2 O + H 2 O = H 3 O + + OH - est un équilibre chimique dont la constante d équilibre associée est appelée produit ionique de l eau et notée Ke. La loi des équilibres chimiques permet d écrire : Ke = [ H 3 O + ]. [OH - ] Ke = 1,0 x à 25 C pour toute solution aqueuse. On peut définir la constante pke à partir de la relation de neutralité qui implique [ H 3 O + ] = [OH - ] donc : Ke = [ H 3 O + ]² donc [ H 3 O + ] = Ke = (Ke) 1/2 ph = - log [ H 3 O + ] = - ½ log Ke = ½ ( - log Ke) = ½ pke avec pke = - log Ke = 14 à 25 C. B- Comportement des acides et des bases en solution 1- Constante d acidité Ka et pka. Réaction entre un couple aci et l eau : Acide (aq) + H 2 O(l) = base(aq) + H 3 O + (l) Constante d équilibre associée à cette réaction : Ka = [base] x [H 3 O + ] / [acide] avec pka = - log Ka Remarque : Dans le cas d un acide fort totalement dissocié dans l eau (HCl par exemple), on ne peut pas calculer le Ka. 2- Domaines de prédominance. Si ph < pka, la forme acide du couple est prédominante. Si ph > pka, la forme basique du couple est prédominante. Si ph = pka, les concentrations des 2 formes conjuguées sont égales. 3- Comportement en solution. Pour des solutions d acide de même concentration, plus le pka du couple est petit, plus l acide est fort, donc plus le ph de la solution est petit. Pour des solutions de même concentration, plus le pka du couple est grand plus la base est forte, donc plus le ph de la solution est grand. 4- Indicateurs colorés. Un indicateur coloré est un couple acide-base dont les formes acide et basique ont des teintes différentes.

5 Teinte de la forme acide teinte sensible teinte de la forme basique pka -1 pka pka+1 axe des ph 5- Constante d équilibre des réactions acido-basique. On considère la réaction entre l acide A 1 du couples A 1 /B 1 et la base B 2 couple et A 2 /B 2 qui s écrit : A 1 + B 2 = B 1 + A 2 La loi d équilibre permet d exprimer la constante de cet équilibre : K = Ka 1 / Ka 2. du Modalités de travail Durée Travail individuel : observation et réponse aux questions Mise en commun des résultats 1h Objectifs Évaluation / Correction Calculer et utiliser la valeur du pka d un couple acide-base ; Déterminer les domaines de prédominance d une espèce et appliquer au virage des indicateurs colorés. Exercices de réinvestissement Activité 2 expérimentale : Suivi phmètrique d un titrage acido-basique Situation de départ (voir fiche 2) : le professeur (ou les élèves en TP) réalise le titrage de la solution d acide éthanoïque par une solution de soude. Séance 2 : Démarche et consignes Problème : comment évolue le ph de la solution? Le tracé de cette évolution permet-il de calculer la concentration Ca (au départ inconnue) de la solution d acide? Résolution : la méthode des tangentes permet de déterminer le point équivalent dont l abscisse permet de calculer aisément Ca. Ceci est vérifié pour un acide faible et un acide fort. Conclusion A- Titrage acido-basique Un titrage est la détermination de la concentration molaire d une espèce chimique en solution. L espèce A sera dosée par réaction avec un réactif titrant B de concentration

6 molaire connue. Une réaction de titrage doit être unique, totale et rapide. Exemples: H 3 O + + OH - totale 2 H 2 O CH3COOH OH CH3COO H2O totale Lors d un titrage l échantillon est détruit. 1- Équivalence acido-basique. Il y a équivalence lorsque les réactifs ont été mélangés dans les proportions stoechiométriques : n A = n B donc C A.V A = C B.V Beq d où : C A = C B.V Beq / V A Remarque : A l équivalence il y a changement du réactif limitant : - Avant l équivalence, le réactif limitant est le réactif titrant placé dans la burette. - Après l équivalence, le réactif limitant est le réactif titré. 2- Courbe de titrage ph = f(v B ) (Suivi ph-métrique de la réaction de titrage d un acide) Lors d un dosage d un acide par une base, le ph augmente : la courbe est montante. La courbe présente un point d inflexion (inversion de la concavité) qui correspond à l équivalence. Inversement, lorsqu on verse un acide fort (HCl) sur une base, le ph diminue : la courbe est descendante. Méthode pour déterminer le point d équivalence sur la courbe de titrage Méthode des tangentes : Tracer 2 tangentes à la courbe, parallèles et situées de part et d autre du point d inflexion. Tracer la parallèle P à ces 2 droites, située à mi-distance. L intersection entre la parallèle P et la courbe de ph donne le point d équivalence. B Titrage d un acide faible par une base forte 1- Étude expérimentale A l équivalence : phe = 8,6. 2- Caractéristiques de la courbe

7 L équivalence : V B = V Beq La brusque variation de ph présente un point d inflexion : le point d équivalence. Lorsque toutes les molécules d acide ont réagi, l addition d ions OH- provoque l augmentation du ph. La solution est basique à l équivalence. Le nombre d ions OH- introduits dans la solution n B est égal à la moitié du nombre de molécules de CH3COOH introduites initialement. n B = = n (CH3COO-) = n (CH3COOH) = n 0(CH3 COOH) / 2 La demi-équivalence : V B = V Beq / 2 La courbe est presque horizontale avec un 1er point d inflexion : le point de demiéquivalence. La moitié des molécules d acide ont réagi pour donner des ions acétate : ils ont la même concentration. [CH3COO-] = [CH3COOH] Alors : ph = pka parce que log [CH3 COO-][CH3 COOH] = log 1 = 0 Au point de ½ équivalence ph = pka du couple acide /base. Utilisation des indicateurs colorés acido-basique L équivalence est repérée par le changement de couleur d un indicateur coloré dont la zone de virage (pka) est proche du ph du point d inflexion. Lors d un titrage entre un acide fort et une base forte, à l équivalence les ions hydroxyde et oxonium sont en quantités égales : [OH-] = [H3O+] la solution est neutre : phe = 7 On prend le bleu de bromothymol dont le pka 7. Lors d un titrage entre un acide faible et une base forte, à l équivalence les ions hydroxyde sont majoritaires : [OH-] > [H3O+] la solution est basique : phe > 7. On prend la phénolphtaléine dont le pka 9 (virage au rose). Lors d un titrage entre une base faible et un acide fort, à l équivalence les ions oxonium sont majoritaires : [H3O+] > [OH-] la solution est acide : ph < 7. On utilise l hélianthine pka 4.

8 Solutions tampons : ph = pka C est le mélange d un acide faible et d une base forte dont les quantités respectives placent la solution au point de ½ équivalence (le mélange d une base faible et d un acide fort est également possible). En conséquence : - son ph est égal au pka du couple acide faible/base faible, - ce ph varie très peu en cas d addition d une base ou d un acide ou d une dilution. Ces solutions sont utilisées pour étalonner le phmètre. Modalités de travail Durée Objectifs Évaluation / Correction Travail par groupe : observation et réponses aux questions. Mise en commun des résultats. 1h Écrire la réaction d un titrage d un acide par une base forte ou inversement ; Utiliser la relation des titrages pour calculer la concentration d une solution inconnue ; Réaliser expérimentalement ; Tracer une courbe de titrage ; Choisir l indicateur coloré qui convient le mieux pour déterminer le point d équivalence d un titrage. Exercices de réinvestissement

9 CONSEILS POUR LES ENSEIGNANTS Le mot titrage sera préféré au mot dosage. Dans le cas d absence de matériel fiable, il est possible d utiliser des logiciels qui permettent de tracer des courbes ph = f(v) pour différentes solutions acides et différentes solutions basiques (par exemple ChimSol 2.1 de chez inovasys) ou encore le logiciel de simulation DosA (Logiciel libre d utilisation réalisé par Nathalie Bonnin, disponible en téléchargement à l adresse suivante :

10 Activité 1 ph et proportions des espèces dans une solution d acide ou Matériel - solution d acide éthanoïque de concentration C = 1, mol.l 1 - solution d éthanoate de sodium de concentration C = 1, mol.l 1 - ph mètre étalonné ; - bécher de 50 ml ; - 2 burettes. Expérience On remplit l une des burettes avec la solution d acide éthanoïque et l autre avec la solution d éthanoate de sodium. On réalise dans le bécher les mélanges suivants ou V1 est le volume de la solution d acide éthanoïque et V2 celui de la solution d éthanoate de sodium. On mesure le ph pour chaque mélange en rinçant bien l électrode et le bécher entre chaque mesure. On note les mesures dans le tableau : Mélange M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 V1 (ml) V2 (ml) ph Exploitation a) Tracer sur un même graphique les proportions d acide et introduits en fonction du ph. b) Quelle est la valeur du ph (notée pha) au point d intersection des 2 courbes? Quelle est la particularité de ce point? c) Pour ph > pha, comparer la quantité d acide et la quantité. Même chose pour ph<pha.

11 Activité 2 Suivi phmètrique de 2 titrages acido-basique Fiche professeur But de cette expérience Mettre en évidence les caractéristiques d un dosage, en particulier le point d équivalence. Matériel et produits - ph mètre étalonné ; - bécher de 50 ml ; - 1 burette ; - solution d hydroxyde de sodium de concentration C = 1, mol.l 1 - solution d acide éthanoïque de concentration C = 1, mol.l 1 - solution d acide chlorhydrique de concentration C = 1, mol.l 1 - eau distillée. Protocole On réalise le titrage de la solution d acide éthanoïque. La solution à titrer (acide) est placée dans un bécher placé sur un agitateur. La solution titrante (soude) est versée dans la burette qui est mise à zéro. 1. Équation de réaction et équivalence La réaction de dosage s écrit : CH3COOH OH CH3COO H2O totale C est une réaction totale, exothermique (moins exothermique toutefois que la réaction entre l acide chlorhydrique et l hydroxyde de sodium.

12 D après la stœchiométrie de la réaction, à l équivalence le nombre de moles d acide éthanoïque introduits est égal au nombre de moles d ions hydroxyde apportés. Soit en notant C A la concentration de l acide à doser, C B la concentration de la base, V A le volume d acide à doser et V B,éq le volume versé à l équivalence : nch 3 COOH n C OH AVA CBVB,éq. La réaction de dosage étant totale, à l équivalence, il reste en solution comme espèces majoritaires uniquement CH 3 COO - (et Na +, bien sûr!). On a donc à l équivalence un milieu basique : ph > Evolution du ph lors de la réaction Évolution du ph lors de la réaction en fonction du volume V b (ml) de solution de soude versée : Ce dosage est suivi au ph-mètre (après un étalonnage préalable). On obtient le tableau de résultats suivant (les valeurs fournies sont des valeurs calculées). V b (ml) ph 3,4 3,9 4,2 4,45 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,8 V b (ml) 9,5 9, ,2 10, ph 6,1 6,5 8,4 10,25 10,65 10,95 11,25 11,4 11,55 11,6 Le graphe de cette évolution ph = f(v B ) est tracé sur papier millimétré : Le point équivalent est aisément obtenu à l aide de la méthode des tangentes. V B,éq 10 ml, et ph éq de l ordre de 8-9. A l équivalence du dosage). C A V A C B V B,éq C A 01, , mol. L 1 (ce qui traduit bien l aspect quantitatif

13 3. Comparaisons avec le graphe acide fort base forte On recommence le dosage avec l acide chlorhydrique avec les mêmes concentrations initiales et on trace la courbe de titrage. On a représenté en rouge le dosage de l acide faible (acide éthanoïque) et en bleu celui de l acide fort (acide chlorhydrique).

14 Fiche élève But de cette expérience Mettre en évidence les caractéristiques d un dosage, en particulier le point d équivalence. Matériel et produits - ph mètre étalonné ; - bécher de 50 ml ; - 1 burette ; - solution d hydroxyde de sodium de concentration C B = 1, mol.l 1 - solution d acide éthanoïque de concentration C A = 1, mol.l 1 - solution d acide chlorhydrique de concentration C A = 1, mol.l 1 - eau distillée. Protocole Faire le schéma légendé de l expérience. Noter les valeurs : - de la concentration C A de la solution acide à titrer, - de la concentration de C B la solution basique titrante, - du volume V A de solution acide à titrer versé dans le bécher. On rajoute de l eau dans le bécher. - Quel est le rôle de cette eau? - Ce volume d eau versé modifie-t-il le titrage? Équation de réaction et équivalence Ecrire la réaction de dosage. Cette réaction est-elle totale? Expliquer. L équivalence correspond au moment où la réaction de dosage est stoechiométrique. Etablir la relation entre C A la concentration de l acide à doser, C B la concentration de la base, V A le volume d acide à doser et V B,éq le volume versé à l équivalence. Évolution du ph lors de la réaction en fonction du volume V b (ml) de solution de soude versée : Ce dosage est suivi au ph-mètre (après un étalonnage préalable). On notera les valeurs du ph pour chacune des valeurs du volume V B versé.

15 V b (ml) ph V b (ml) 9,5 9, ,2 10, ph Tracer sur papier millimétré, en choisissant bien les échelles des axes la courbe de titrage ph = f(v B ). Déterminer la position du point équivalent à l aide de la méthode des tangentes et noter les valeurs de phe et de V B,éq Vérifier que C A = 1, mol.l 1 Expliquer la valeur du phe > 7. Comparaisons avec le graphe du titrage d une solution d acide fort par une solution forte : On recommence le dosage avec l acide chlorhydrique avec les mêmes concentrations initiales et on trace la courbe de titrage sur le même graphe. On répondra aux mêmes questions et on comparera les 2 titrages.

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