Mettre au point un protocole Respecter les règles de sécurité Analyser un résultat expérimental

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1 Compétences travaillées : Réaliser un montage expérimental Mettre au point un protocole Respecter les règles de sécurité Analyser un résultat expérimental Alors qu il travaille au laboratoire Carlsberg, fondé par la brasserie du même nom, le chimiste danois Sorensen ( ) étudie l effet de la concentration des acides sur des réactions enzymatiques. Pour manipuler des valeurs plus commodes, il a l idée, en 1909, de relier cette concentration à une échelle de ph allant de 0 à 14. Le ph est défini par la relation suivante: ph = - log [H 3 O + ] où [H 3 O + ] est la concentration molaire en ion oxonium (ions responsables de l acidité) exprimée en mol.l -1. La mesure du ph permet de calculer la concentration en ion oxonium avec la relation [H 3 O + ] = 10 -ph. Q1. Comment varie la concentration [H 3 O + ] d une solution aqueuse lorsque son ph diminue? Principe La valeur du ph peut être évaluée à l aide d un papier indicateur de ph ou mesurée à l aide d un ph-mètre. Pour utiliser un ph-mètre, il faut : - le brancher correctement : le ph-mètre est relié à une électrode en verre, celle-ci est fixée sur un support. L électrode est rincée avec de l eau distillée et essuyée délicatement et sommairement. - l étalonner à l aide de solutions étalons (solutions dites «tampon»), suivre la notice fournie. - mesurer : immerger l électrode de verre dans la solution à étudier. Le ph s affiche. Retirer et rincer l électrode de verre comme précédemment. L introduire dans une solution de conservation. Mise en œuvre au laboratoire : mesures de ph Pour mesurer le ph des solutions suivantes, on placera environ 25 ml de solution dans un bécher de 50 ml. E2. Mesurer le ph - de l eau (du robinet). - d une solution S 1 d acide chlorhydrique (H 3 O + (aq) + Cl - (aq)) de concentration en soluté apporté C 1 =1, mol.l d une solution S 2 d acide éthanoïque CH 3 COOH (aq) de concentration en soluté apporté C 2 =1, mol.l -1. Q3. Calculer la concentration en ions oxonium [H 3 O + ] dans l eau puis dans les solutions d acide chlorhydrique et d acide éthanoïque. Q4. Que peut-on dire de la concentration en ions oxonium dans l eau? Q5. Comparer la précision du papier indicateur utilisé avec celle d un ph-mètre.

2 a/ Force d un acide (ou d une base) en solution Principe Les acides (ou bases) ne réagissent pas tous de la même manière avec l eau. Afin de comparer leur comportement dans l eau, étudions les résultats des mesures de ph des solutions des deux acides utilisées précédemment : l acide éthanoïque (ou acétique) et l acide chlorhydrique. Equation de la réaction d un acide avec l eau La solution S 1 d acide chlorhydrique résulte de la mise en solution dans l eau du chlorure d hydrogène (soluté) selon la réaction d équation (1) : HCl (g) + H 2 O (l) Cl - (aq) + H 3 O + (aq) La solution S 2 résulte de la réaction instantanée entre l acide éthanoïque (soluté) et l eau, d équation (2) : CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq) Q6. Compléter le tableau d avancement ci-dessous associé à un volume V 1 de solution S 1 de concentration C 1 en soluté (chlorure d hydrogène) apporté. E.initial x=0 HCl (g) + H 2 O (l) Cl - (aq) + H 3 O + (aq) En cours x E. final x f Q7. On considère que V 1 = 25 ml et C 1 = 1, mol.l -1, déterminer l avancement maximal x max théorique. Q8. En utilisant les résultats du 1/ déterminer la valeur de l avancement final, noté x f. Q9. Comparer x f et x max. Que peut-on en déduire? Q10. Compléter le tableau d avancement ci-dessous associé à un volume V 2 de solution S 2 de concentration C 2 en soluté (acide éthanoïque) apporté. CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq) E.initial x=0 En cours x E. final x f Q11. On considère que V 2 = 25 ml et C 2 = 1, mol.l -1, déterminer l avancement maximal x max théorique. Q12. En utilisant les résultats du 1/, déterminer la valeur de l avancement final, noté x f. Q13. Comparer x f et x max. La différence mesurée peut-elle être due aux incertitudes de mesure? Que peut-on en déduire? Conclusion Q14. L acide éthanoïque est considéré comme un acide faible et l acide chlorhydrique comme un acide fort. D après vous, qu est-ce qui permet de justifier la dénomination de ces acides?

3 Lors d une réaction totale, le réactif limitant est totalement consommé : x f = x max et l équation de la réaction s écrit avec une simple flèche. Si la réaction n est pas totale, le système chimique atteint un état d équilibre. Dans l état final les réactifs et les produits coexistent : x f < x max et l équation de la réaction s écrit avec une double flèche Q15. Ecrire à nouveau les équations de réaction de chacun des acides avec l eau en utilisant le symbolisme adéquat. E16. Dans deux béchers identiques, verser 25 ml de la solution S 2. Mesurer le ph initial, noté ph i. - Dans le bécher 1, ajouter, une pointe de spatule d éthanoate de sodium CH 3 CO 2 Na (s). - Dans le bécher 2, verser, avec précaution, trois gouttes d acide éthanoïque pur. - Agiter, puis mesurer les ph des solutions obtenues, notés respectivement ph 1 et ph 2. On suppose que les volumes des solutions n ont pas varié lors des expériences. Q16. Comment évolue le ph dans le bécher 1? Comment varient alors la concentration [H 3 O + ] et la quantité n(h 3 O + )? Q17. Dans quel sens le système chimique a-t-il évolué : sens direct ou sens inverse de l équation de la réaction? Q18. Répondre aux mêmes questions pour l expérience réalisée dans le bécher 2. Q19. Conclusion : dans quel sens évolue un système chimique lorsqu on ajoute une des espèces intervenant dans l équation de la réaction? b/ Calcul du pk A de l acide éthanoïque La constante d acidité d un acide est une grandeur sans unité, de symbole K A, qui permet de comparer les acides faibles entre eux. Chaque acide est caractérisé par sa propre constante d acidité. Sa valeur dépend des concentrations des diverses espèces chimiques présentes à l équilibre du système lors de la réaction de l acide avec l eau. Pour l acide éthanoïque par exemple : CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq) K A = [CH 3COO ] éq. [H 3 O + ] éq [CH 3 COOH] éq Q20. Utiliser le tableau d avancement de la réaction (2) pour exprimer les concentrations en CH 3 COO et CH 3 COOH à l équilibre (état final) du système en fonction de la concentration en soluté apporté C 2 et de [H 3 O + ] éq. Q21. En déduire une expression de la constante d acidité K A en fonction de [H 3 O + ] éq et C 2. Q22. Calculer la constante d acidité K A de l acide éthanoïque. Q23. Calculer le pk A de cet acide défini par : pk A = - log K A. Q24. Comparer à la valeur théorique : pk A = 4,75 à 25 C en calculant l écart relatif. Q25. Evoquer 2 sources d'erreurs possibles. Q26. Lorsque le ph est inférieur au pk A du couple, quelle forme du couple a la concentration la plus élevée? Tracer un diagramme de prédominance dans le cas de l acide éthanoïque.

4 Notice d étalonnage du ph-mètre (type 1) Un ph-mètre, relié à une sonde ph-métrique, est un appareil qui permet de mesurer le ph d une solution aqueuse. Avant d être utilisé, un ph-mètre doit être étalonné, généralement avec deux solutions étalon de ph connu. La sonde du ph-mètre est un objet fragile à manipuler soigneusement. ETALONNAGE DU PH-METRE 1) - Le bouton 1 est sur la position «Arrêt». - Régler le bouton 2 sur la température des solutions. - Régler les boutons 3 et 4 à mi-course. - Placer la sonde au-dessus d'un verre à pied: rincer la sonde à l'eau distillée. 2) - Verser dans un godet un peu de solution étalon ph = 7,0. - Plonger entièrement l'extrémité de la sonde dans cette solution. - Régler le bouton 1 sur «ph», agiter doucement le godet autour de l'extrémité de la sonde. - Avec le bouton 3, régler l'affichage du ph-mètre sur la valeur 7,0. Ne plus toucher le bouton 3. - Remettre le bouton 1 sur «Arrêt». Retirer la sonde du godet et remettre la solution dans le flacon. - Rincer la sonde à l'eau distillée. 3) - Verser dans un godet un peu de solution étalon ph = 4,0. - Plonger entièrement l'extrémité de la sonde dans cette solution. - Régler le bouton 1 sur «ph», agiter doucement le godet autour de l'extrémité de la sonde. - Avec le bouton 4, régler l'affichage du ph-mètre sur la valeur 4,0. Ne plus toucher le bouton 4. - Remettre le bouton 1 sur «Arrêt». Retirer la sonde du godet et remettre la solution dans le flacon. - Rincer la sonde à l'eau distillée et la sécher. 4) - Le ph-mètre est prêt pour faire des mesures de ph. Ne plus toucher aux boutons 3 et 4 pendant toute la durée des mesures. MESURES DE ph - Verser la solution à étudier dans un bécher. - Plonger la sonde, agiter la solution puis attendre la stabilité de l'affichage. - Noter la valeur de la mesure. - Rincer la sonde à l'eau distillée. - Ne jamais laisser le ph-mètre allumé quand la sonde ne plonge pas dans une solution!! - Pour refaire une mesure, reprendre la suite des opérations. RANGEMENT DU ph-metre - Rincer la sonde à l'eau distillée - Remettre l'obturateur sur la sonde ou la plonger dans une solution prévue à cet effet.

5 Notice d étalonnage du ph-mètre (type 2)