La dureté d'une eau. 0 à 7 7 à à à 42 >42. Moyennement dure

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1 Mots clés : érosion, dilution et concrétion Les eaux se chargent en sels minéraux lorsqu elles traversent les sols, notamment en ions calcium Ca 2+ (aq) et magnésium Mg 2+ (aq). Une eau dure est riche en ions Ca 2+ (aq) et/ou Mg 2+ (aq). Document 1 : les roches et les eaux acides La légère acidité de l eau de pluie due à la dissolution du dioxyde de carbone dans l atmosphère entraîne la lente érosion de certaines roches carbonatées. La calcite CaCO 3 et la dolomite CaMg(CO 3 ) 2, par exemple, se dissolvent dans l eau en participant aux réactions acido-basiques suivantes : CaCO 3 (s) + H 2 O (l) + CO 2 (aq) Ca 2+ (aq) + 2 HCO 3 (aq) CaMg(CO 3 )2 (s) + 2 H 2 O (l) + 2 CO 2 (aq) Ca 2+ (aq) + Mg 2+ (aq) + 4 HCO 3 (aq) Lorsque les eaux souterraines chargées en cations Ca 2+ (aq) et Mg 2+ (aq) ruissellent dans une grotte, elles s évaporent, augmentant ainsi la concentration en minéraux. Les ions Ca 2+ (aq) et Mg 2+ (aq) forment avec les ions hydrogénocarbonate HCO 3 (aq) des précipités selon les réactions inverses des précédentes. On observe alors des concrétions spectaculaires : stalactites, stalagmites, draperies... Document 2: Définition du titre hydrotimétrique Le titre hydrotimétrique (TH) ou dureté d une eau est une grandeur reliée à la concentration en ions alcalino-terreux notés M 2+ (principalement en ions calcium Ca 2+ et ions magnésium Mg 2+ ). En France, il se mesure en «degré français» ( f). Un degré français ( f) correspond à une concentration totale en ions alcalino-terreux égale à 10-4 mol.l -1. Document 3: Plages de titre hydrotimétrique 0 à 7 7 à à à 42 >42 Eau Très douce Douce Moyennement dure 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. Dure Très dure Document 4 : Les couleurs du N.E.T. - En l absence de magnésium et de calcium, le N.E.T.(sous sa forme libre) prend une couleur qui dépend du ph : - Si on ajoute des ions magnésium ou calcium, le N.E.T. prend une coloration rose. (Complexation des ions calcium et magnésium avec le N.E.T.) - Si on rajoute une quantité suffisante d EDTA, tous les ions magnésium et calcium ont réagi avec l E.D.T.A et le N.E.T. se retrouve alors sous sa forme libre. TS spécialité T1S1C 1/5

2 Document 5 : Titrage de l eau minérale (méthode industrielle «ERPAC») Pour déterminer la concentration en ions magnésium et calcium, on prélève un échantillon d un volume V = 10,0 ml, puis on dose cet échantillon par une solution d E.D.T.A. (ion éthylènediaminetétraacétate) de concentration C 0 =1, mol.l -1 en milieu tamponné à ph= 10,0. L équivalence sera alors déterminée par un indicateur de fin de réaction, le noir d ériochrome (N.E.T.)( quelques gouttes suffiront) Pour simplifier les écritures, l E.D.T.A sera noté Y 4-.Il réagit avec les ions alcalino-terreux en formant un complexe [MY 2- ]. L équation de la réaction est : M 2+ (aq)+y 4- (aq) [MY 2- ](aq) Les ions complexes [MY 2- ] formés sont incolores, tout comme les ions Ca 2+ et Mg 2+. Questions : Partie 1 : étude de l'edta (20 min max) L EDTA est en fait un tétra-acide noté H 4 Y dont les pka successifs ont pour valeurs respectives : 2,0 ; 2,7 ;6,4 et 10,3. a- Justifier la dénomination de tétra-acide pour l EDTA (la formule de l EDTA donnée dans le document 5) b- Tracer le diagramme de prédominance de l EDTA. c- Pourquoi travailler en milieu tamponné? Partie 2 : mesure de la dureté d une eau minérale (1h10) a- Faire un schéma légendé du montage du titrage de cette eau. b- Décrire le changement de couleur de la solution à l équivalence. Justifier à partir des documents. MONTRER AU PROFESSEUR. c- Déterminer alors la dureté de l eau minérale (vous devez justifier l'ensemble de vos calculs). APPELER LE PROFESSEUR quand le montage est prêt. d- Les données portées sur l étiquette de la bouteille sont-elles en accord avec votre résultat expérimental? e- Cette eau est-elle dure? Partie 3 : conclusion (20 min) a- Quelles sont les ions impliqués dans la formation des concrétions présentes dans les roches? b- Quel lien peut on faire entre la dureté d'une eau et sa capacité à former des concrétions? c- A l aide des équations du document 1, quel rôle joue le dioxyde de carbone, celui d acide ou de base? Ecrire le couple correspondant. d- Ecrire l équation de la réaction du dioxyde de carbone sur l eau. Expliquer pourquoi les eaux deviennent acide en présence de dioxyde de carbone. e- Pourquoi l'augmentation de la quantité de CO 2 dans l'atmosphère est il problème pour la biodiversité marine? TS spécialité T1S1C 2/5

3 Matériel Au bureau : A- Paillasse prof - eau de Contrex + bécher - eau Hépar + bécher - Noir d'ériochrome T (NET) en flacon compte goutte. - 3 L de solution d'edta (à 1, mol.l -1 ) tamponnée à ph = Pipettes jaugées de 10 ml - Carré papier filtre B- Préparation de la solution tampon ph = 10 Pour 1 L de solution tampon, dissoudre 24,8 g de chlorure d'ammonium (NH 4 Cl) dans 400 ml de soude à 1mol.L -1 puis compléter à 1000 ml avec de l'eau distillée. C- Préparation de la solution d'edta à 1, mol.l -1. Dissoudre 2,92 g d'acide EDTA dans 1 L de tampon à ph = 10. D- Préparation du noir d'ériocrome T (NET) Dissoudre 0,8g de NET dans 100 ml d'éthanol à 95 et compléter avec du tampon à ph = 10 jusqu'à ce qu'il soit bleu. (Remarque : le NET prend une coloration rose en présence d'ions Mg 2+ et il doit rester bleu dans de l'eau déminéralisée) Par binôme - Burette de 25 ml avec support, - Agitateur magnétique et barreau aimanté - 3 petits béchers+ 1 pot de yaourt - 2 petits erlenmeyers - propipette Mots clés : érosion, dilution et concrétion TS spécialité T1S1C 3/5

4 Correction Partie 1 : étude de l'edta a- H 4 Y (aq) H 3 Y - (aq)+h + (aq) H 3 Y - (aq) H 2 Y 2- (aq)+h + (aq) H 2 Y 2- H Y 3- (aq)+ H + (aq) H Y 3- (aq) Y 4- (aq)+h + (aq) On en déduit que l EDTA est un tétra-acide car il peut libérer 4 protons. L'acide EDTA s'écrira H 4 Y car cela met bien en évidence le fait que cet acide peut libérer 4 protons et Y 4- est la base conjuguée correspondante de ce tétra-acide b- c- Les formes prédominantes de l EDTA à ph a 10,0 sont HY3- (aq) et Y4- (aq). On travaille en milieu tamponné car on ajoute un acide (l EDTA), le ph doit rester autour de 10 Partie 2 : mesure de la dureté d une eau minérale a- b- Avant l équivalence, le NET est complexé avec les ions Mg 2+ (aq), la solution est donc rougerosé (Doc 4). À l équivalence, les derniers ions Mg 2+ (aq) réagissent avec l EDTA ajouté, le NET devient donc libre et donne une couleur bleue à la solution car le ph de la solution est fixé à 10 à l'aide de la solution tampon (Doc 4 et doc 5). c- Hépar : V éq = 18,5 ml. À l équivalence, la quantité de matière d EDTA introduite est égale aux quantités de matière de calcium et de magnésium initiales, donc C 1 V 1 = C 2 V éq. Donc C 1 = C V 2 éq = 1, , =1, mol. L 1 V 1 10,10 3 D'après le document 2, on a : TH=C =1, =185 TH. c- Contrex : V éq = 15,5 ml. À l équivalence, la quantité de matière d EDTA introduite est égale aux quantités de matière de calcium et de magnésium initiales, donc C 1 V 1 = C 2 V éq. TS spécialité T1S1C 4/5

5 Donc C 1 = C V 2 éq = 1, , =1, mol. L 1 V 1 10,10 3 D'après le document 2, on a : TH=C =1, =155 TH. d- Hépar C 1étiquette = [Ca 2+ ] + [Mg 2+ ]. D'où C 1 étiquette = C (Ca) m M (Mg) À partir de l étiquette de l eau d'hépar on a : TH=10 4 ( C (Ca) m M( Mg) )=104 ( C (Ca) m 40,1 + C (Mg) m 24,3 )=104 ( 0,555 40,1 +0,110 24,3 )=184 TH Les valeur du TH expérimental et du TH théorique sont très proches. d- Contrex C 1étiquette = [Ca 2+ ] + [Mg 2+ ]. D'où C 1 étiquette = C (Ca) m M (Mg) À partir de l étiquette de l eau de Contrex on a : TH=10 4 ( C (Ca) m M( Mg) )=104 ( C (Ca) m 40,1 + C (Mg) m 24,3 )=104 ( 0,486 40,1 + 0,084 24,3 )=156 TH Les valeur du TH expérimental et du TH théorique sont très proches. e- Cette eau minérale dosée est donc très dure car son TH > 42 TH. Partie 3 : conclusion a- Les cations impliqués dans la formation des concrétions présentes dans les grottes sont les ions calcium (II) Ca 2+ et magnésium (II) Mg 2+. b- Plus une eau est dure, plus elle contient des ions calcium (II) Ca 2+ et magnésium (II) Mg 2+, et plus cette eau pourra former des concrétions. Déterminer la dureté d une eau permet donc d évaluer la capacité d une eau à former des concrétions. c- Le dioxyde de carbone joue le rôle d acide. Le couple acido-basique correspondant est : CO 2 (aq) / HCO - 3 (aq) d- CO 2 (aq)+2h 2 O HCO - 3 +H 3 O +. Lorsque le CO 2 se dissout dans l'eau on a formation d'ions oxoniums H 3 O + : cela entraîne une diminution du ph et donc une acidification de l'eau. e- Si la quantité de CO 2 dans l'atmosphère augmente, de plus en plus de CO 2 va se dissoudre dans les mers et océans et cela va entraîner leur acidification ce qui est un problème pour de nombreuses espèces marines (ex : corail,...) TS spécialité T1S1C 5/5