BTS CHIMISTE Session 2013 EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE. - Pratique expérimentale -

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1 BTS CHIMISTE Session 2013 EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE Durée : 6 heures Coef. : 7 SUJET n 4 - Pratique expérimentale - DÉTERMINATION D INDICES D HYDRATATION Interrogation préliminaire (à rendre) Après avoir lu le texte du sujet, répondre aux questions suivantes (durée maximale 30 min). La calculatrice est interdite pour cette partie. Le matériel convenable ne sera délivré qu après remise de cette feuille de choix 1. Étalonnage de la solution d'acide chlorhydrique (S 1 ) Indicateur coloré choisi 2. Dosage de la solution de carbonate de sodium hydraté (S 2 ) Appareil de mesure choisi Électrodes choisies (nature et rôle) 1/10

2 3. Dosage de la solution de thiocyanate de potassium (S 3 ) Matériel de mesure nécessaire pour réaliser une mesure de conductance ou de conductivité Indiquer comment étalonner un conductimètre Préciser s il est nécessaire de réaliser un tel étalonnage pour ce dosage. (Toute réponse doit être justifiée) 4. Étalonnage de la solution de nitrate d'argent (S 4 ) Parmi les propositions suivantes, indiquer en cochant celle(s) qui peu(ven)t correspondre à la composition de l'indicateur de fin de réaction Ind 4 : Proposition ( ) Chromate de potassium (K 2 CrO 4 ) / Solution tampon ph = 7 Thiocyanate de fer(iii) (Fe(SCN) 3 ) / Eau distillée Chromate d argent (Ag 2 CrO 4 ) / Eau distillée Chlorure de fer(iii) (FeCl 3 ) / Eau distillée Sulfate de fer(ii) (FeSO 4 ) / Eau distillée Dichromate de potassium (K 2 Cr 2 O 7 ) / Acide sulfurique Nitrate de fer(iii) (Fe(NO 3 ) 3 ) / Acide chlorhydrique Chromate de potassium (K 2 CrO 4 ) / Acide chlorhydrique Nitrate de fer (Fe(NO 3 ) 3 ) / Acide nitrique 5. Dosage de la solution de chlorure de magnésium hydraté (S 5 ) Appareil de mesure choisi Électrodes choisies (nature et rôle) 2/10

3 DÉTERMINATION D'INDICES D'HYDRATATION On se propose de déterminer : l'indice d'hydratation x 2 du carbonate de sodium hydraté solide : Na 2 CO 3, x 2 H 2 O (s) ; l'indice d'hydratation x 5 du chlorure de magnésium hydraté solide : MgCl 2, x 5 H 2 O (s). Plan de travail : Étalonnage d'une solution S 1 d'acide chlorhydrique (C 1 0,1 mol.l -1 ) Dosage d'une solution S 2 de carbonate de sodium hydraté par ph-métrie Dosage d'une solution S 3 de thiocyanate de potassium par conductimétrie (C 3 0,1 mol.l -1 ) Étalonnage d'une solution S 4 de nitrate d'argent (C 4 0,1 mol.l -1 ) Dosage d'une solution S 5 de chlorure de magnésium hydraté par potentiométrie à courant nul Données à 25 C : Masses molaires : Na 2 B 4 O 7, 10 H 2 O : M 1 = 381,37 g.mol -1 Éléments H C O Na Mg Cl M / g.mol -1 1,01 12,01 16,00 22,99 24,31 35,45 Constantes d'acidités : Couple pka CO 2, H 2 O / HCO 3 H 3 BO 3 / H 2 BO 3 * 6,3 9,2 HCO 3 / CO ,3 * La base conjuguée de H 3 BO 3 est ici notée H 2 BO 3 - écriture simplifiée de B(OH) 4. 3/10

4 Indicateurs colorés acidobasiques : Indicateur coloré Zone de virage (ph) Teinte acide Teinte basique Hélianthine 3,1 4,4 rouge orange Rouge de méthyle 4,4 6,2 rouge jaune Bleu de bromothymol 6,0 7,6 jaune bleu Phénolphtaléine 8,0 9,8 incolore pourpre Produits de solubilité : Solide pks AgCl(s) 9,8 Ag 2 CrO 4 (s) 11,3 Ag 2 Cr 2 O 7 (s) 6,7 AgOH(s) 7,7 AgSCN(s) 11,9 Fe(OH) 3 (s) 38,0 Constante de formation : lg β(fescn 2+ ) = 2,3 [FeSCN] 2+ est de couleur rouge-orangé en solution 4/10

5 Sécurité : Solution Pictogrammes Acide chlorhydrique Carbonate de sodium Thiocyanate de potassium Nitrate d'argent Ind 4 Solide Pictogrammes Na 2 B 4 O 7, 10 H 2 O 5/10

6 MANIPULATIONS : Dans ce sujet, il a été pris le parti de ne jamais donner les valeurs des volumes à prélever avec les chiffres significatifs correspondant à la précision souhaitée pour réaliser les dosages dans des conditions optimales. Il appartient au candidat, après réflexion, d utiliser la verrerie adéquate pour tous les prélèvements à effectuer. L utilisation de toute verrerie à mauvais escient sera sanctionnée. 1. Étalonnage de la solution d'acide chlorhydrique (S 1 ) Cet étalonnage est effectué par pesée de tétraborate de sodium décahydraté Na 2 B 4 O 7, 10 H 2 O. Peser environ précisément une masse m 11 de solide étalon voisine de la masse calculée à la question Q2. Dissoudre cette masse dans un erlenmeyer. Doser par la solution d'acide chlorhydrique (S 1 ) en utilisant l'indicateur de fin de réaction convenable. Soit V 11 le volume obtenu à l'équivalence. Réaliser deux essais concordants. On note m 12 et V 12 la masse de solide étalon pesée et le volume à l équivalence obtenu pour le second essai. Q1. Écrire les équations des réactions intervenant lors du dosage. Q2. Calculer l ordre de grandeur de la masse m 11 à peser pour obtenir un volume à l équivalence d environ 15 ml. Q3. Établir l'expression permettant de calculer la concentration molaire de la solution d'acide chlorhydrique C 1. Compléter la feuille de résultats 2. Dosage de la solution de carbonate de sodium hydraté (S 2 ) par ph-métrie Le candidat pourra choisir pour ce dosage d utiliser une burette automatique. La solution (S 2 ) a été obtenue par dissolution de la masse m 2 (masse exacte à indiquer par le centre d'examen) voisine de 42,8 g de carbonate de sodium hydraté dans une fiole jaugée de volume V f2 = 2,0 L. Doser une prise d'essai E 2 = 10 ml de la solution (S 2 ) par la solution d'acide chlorhydrique précédemment étalonnée, par ph-métrie. Sur le graphe présentant les variations du ph en fonction du volume d'acide versé, repérer deux équivalences aux volumes notés V 2 et V 2 ' avec V 2 ' > V 2. Q4. Écrire les équations de réaction intervenant lors du dosage. Q5. Exprimer C 2 en utilisant uniquement les valeurs de C 1, V 2 ' et E 2. Justifier le choix de V 2 par rapport à V 2. Q6. Établir la relation permettant de calculer l indice d hydratation du carbonate de sodium x 2 à partir de C 2. Compléter la feuille de résultats 6/10

7 3. Dosage de la solution de thiocyanate de potassium (S 3 ) Pour réaliser ce dosage on dispose d'une solution étalon de thiocyanate de potassium (S thio ) de concentration molaire connue précisément C thio = 0,200 mol.l -1. À l'aide de cette solution (S thio ) préparer la gamme suivante dans des fioles de 100 ml : Numéro de la solution (i) Volume (V" i ) de solution S thio (ml) Eau déminéralisée QSP 100 ml Préparer une solution (S X ) en diluant E X = 10 ml de la solution de thiocyanate de potassium S 3 dans un volume V 3 = 100 ml. Soit C X la concentration molaire de cette solution en thiocyanate de potassium. Préparer une solution (S Y ) en diluant E Y = 15 ml de la solution de thiocyanate de potassium S 3 dans un volume V 3 = 100 ml. Soit C Y la concentration molaire de cette solution en thiocyanate de potassium. Mesurer la conductivité de l eau déminéralisée. On note σ 0 la valeur mesurée. Mesurer après agitation la conductivité σi pour chaque solution (i = 1 à 5). Mesurer après agitation les conductivités σ X et σ Y des solutions (S X ) et (S Y ). Q7. Établir la relation permettant de calculer la concentration molaire C'' i pour chaque solution de la gamme (i = 1 à 5). Q8. Justifier la valeur non nulle de σ 0. Q9. Tracer le graphe σ i -σ 0 = f(c'' i ). Justifier l allure de la courbe obtenue. Q10. Déterminer la concentration molaire C 3 en expliquant le raisonnement suivi. Compléter la feuille de résultats 4. Étalonnage de la solution de nitrate d'argent (S 4 ) Cet étalonnage sera réalisé à l'aide de la solution de thiocyanate de potassium (S 3 ) précédemment dosée. Prélever une prise d'essai E 41 = 15 ml de la solution de nitrate d'argent (S 4 ). Introduire cette prise d'essai dans un erlenmeyer. Ajouter quelques gouttes de l'indicateur de fin de réaction Ind 4. Doser par la solution de thiocyanate de potassium (S 3 ). On note V 41 le volume repéré à l équivalence. Réaliser un deuxième dosage avec une prise d'essai E 42 = 20 ml. On note V 42 le volume repéré à l équivalence. Vérifier la concordance des deux essais. Si nécessaire, réaliser un troisième dosage avec une prise d'essai E 43 = 10 ml. On note V 43 le volume repéré à l équivalence. Q11. Donner les équations des réactions se produisant durant ce dosage. Expliquer le fonctionnement de l'indicateur de fin de réaction. 7/10

8 Q12. Justifier la composition de l'indicateur Ind 4. Q13. Établir la relation permettant de calculer C 4 à partir des prises d'essai et des volumes équivalents correspondants aux deux essais retenus. Compléter la feuille de résultats 5. Dosage de la solution de chlorure de magnésium hydraté (S 5 ) par potentiométrie à courant nul La solution S 5 a été obtenue par dissolution de la masse m 5 (masse exacte à indiquer par le centre d'examen) voisine de 20,4 g de chlorure de magnésium hydraté dans une fiole jaugée de volume V f5 = 2,0 L. Ce dosage sera réalisé à l'aide de la solution de nitrate d'argent (S 4 ) précédemment étalonnée. Prélever une prise d'essai E 5 = 10 ml de la solution de chlorure de magnésium hydraté (S 5 ). Introduire cette prise d'essai dans un bécher. Doser cette solution par la solution de nitrate d'argent (S 4 ) par potentiométrie à courant nul. Soit E la différence de potentiel mesurée. Tracer le graphe représentant les variations de E en fonction du volume de réactif titrant versé. Le volume à l équivalence, pour ce dosage, est noté V 5. Q14. Donner l'équation de la réaction de dosage. Q15. Quelle précaution doit on prendre lors de l utilisation de l'électrode de référence. Q16. Établir la relation permettant de calculer la concentration molaire en chlorure de magnésium, C 5. Q17. Établir la relation permettant de calculer l indice d hydratation du chlorure de magnésium x 5 à partir de C 5. Compléter la feuille de résultats 8/10

9 FEUILLE DE RÉSULTATS 1. Étalonnage de la solution d'acide chlorhydrique (S 1 ) (Précision : 0,8 %) Essai (i) (si nécessaire) m 1i / g V 1i / ml C 1i / mol.l -1 Vérification de la concordance : Concentration molaire retenue : C 1 = ( ± ) 2. Dosage de la solution de carbonate de sodium hydraté (S 2 ) par ph-métrie V 2 / ml V 2 ' / ml C 2 / mol.l -1 (3 chiffres significatifs) x 2 (1 décimale) x 2 (valeur entière) 9/10

10 3. Dosage de la solution de thiocyanate de potassium (S 3 ) (Précision : 2,5 %) Solution (i) C" i / mmol.l -1 σ i / ms.cm -1 Eau déminéralisée Solution S X S Y σ / ms.cm -1 C 3 / mol.l -1 Vérification de la concordance : Concentration molaire retenue : C 3 = ( ± ) 4. Étalonnage de la solution de nitrate d'argent (S 4 ) (Précision : 0,8 %) Essai (i) (si nécessaire) E 4i / ml V 4i / ml C 4i / mol.l -1 Vérification de la concordance : Concentration molaire retenue : C 4 = ( ± ) 5. Dosage de la solution de chlorure de magnésium hydraté (S 5 ) par potentiométrie V 5 / ml C 5 / mol.l -1 (3 chiffres significatifs) x 5 (1 décimale) x 5 (valeur entière) 10/10