BTS CHIMISTE Session EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE Pratique expérimentale - Durée : 6 heures Coef. : 7

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1 BTS CHIMISTE Session 2012 EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE Pratique expérimentale - Durée : 6 heures Coef. : 7 SUJET n 3 FICHE DE CHOIX (à rendre) LISTE DE MATERIEL ET DE PRODUITS NECESSAIRES A LA MISE EN ŒUVRE DU DOSAGE DE LA SOLUTION ACIDE DE SEL DE MOHR 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. Etalonnage de la solution (P) de permanganate de potassium par pesées d oxalate de sodium Espèce chimique (nom et formule) responsable de la couleur rose de la solution 2. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par la solution (P) de permanganate de potassium étalonnée (potentiométrie à intensité imposée non nulle) Choix des électrodes avec leur rôle respectif Grandeur mesurée et son unité 3. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par la solution (D) de dichromate de potassium par potentiométrie à intensité nulle Choix des électrodes avec leur rôle respectif Grandeur mesurée et son unité Entourer le (ou les) indicateur(s) qu on aurait pu utiliser pour réaliser ce dosage Phénolphtaléine Chromate de potassium Ferroïne Rouge de méthyle Diphénylaminosulfonate de baryum Noir ériochrome T 1/9

2 4. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par spectrophotométrie d'absorption moléculaire Matériel nécessaire pour diluer 50 fois la solution à doser Quel réactif donne une espèce colorée en présence de Fe 2+? Cocher la verrerie à choisir pour les différentes solutions à introduire dans les fioles Solution (S ) Solution (E) Chlorure d hydroxylammonium Solution tampon Solution d orthophénanthroline Pipette jaugée Fiole jaugée Éprouvette Burette Pipette graduée 5. Dosage des ions sulfate de la solution (S) par la solution de nitrate de baryum (conductimétrie) Il faut attendre la stabilisation de la mesure après chaque ajout. Pourquoi la stabilisation de la mesure est-elle lente? 2/9

3 DOSAGE D UNE SOLUTION ACIDE DE SEL DE MOHR On se propose de doser une solution (S) de sel de Mohr et d acide sulfurique. Dans cette solution le sel de Mohr de formule : FeSO 4, (NH 4 ) 2 SO 4, 6 H 2 O a une concentration molaire C S voisine de 0,06 mol.l -1. Pour les différents dosages, il sera notamment utilisé : une solution (P) de permanganate de potassium : C P 0,02 mol.l -1 une solution (D) de dichromate de potassium : C D = 0,0300 mol.l -1 une solution (B) de nitrate de baryum : C B = 0,110 mol.l -1 une solution (E) étalon de sel de Mohr : C E = 3, mol.l -1 PLAN DE TRAVAIL 1. Étalonnage de la solution (P) de permanganate de potassium par pesées d oxalate de sodium (détection visuelle). 2. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par la solution (P) de permanganate de potassium (potentiométrie à intensité imposée non nulle). 3. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par la solution (D) de dichromate de potassium (potentiométrie à intensité nulle). 4. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) (spectrophotométrie d absorption moléculaire). 5. Dosage des ions sulfate de la solution (S) par la solution (B) de nitrate de baryum (conductimétrie). DONNEES (à 25 C) Oxalate de sodium : Na 2 C 2 O 4 masse molaire : M = 134,00 g.mol -1 Acide oxalique : H 2 C 2 O 4 diacide faible : pka 1 = 1,2 ; pka 2 = 4,3 Acide sulfurique : H 2 SO 4 considéré comme un diacide fort Sulfate de baryum : BaSO 4 très peu soluble dans l eau (pks = 10) La précipitation de ce sel est très lente [Fe(o-phen) 3 ] 2+ composé rouge log(β 3 ) = 21,3 Potentiels standard par rapport à l'esh Couple MnO 4 / Mn 2+ Fe 3+ / Fe 2+ CO 2 / H 2 C 2 O 4 Cr 2 O 2 7 / Cr 3+ (milieu H 2 SO 4 ) E 0 / V 1,51 0,67 0,47 1,33 3/9

4 Données relatives à la sécurité Produits Oxalate de sodium Pictogrammes Mentions d avertissement ATTENTION Solution de permanganate de potassium de concentration molaire voisine de 0,02 mol.l -1 - Solution de sel de Mohr de concentration molaire voisine de 0,06 mol.l -1. DANGER - Solution d orthophénanthroline Solution de dichromate de potassium de concentration molaire égale à 0,03 mol.l -1 DANGER Mentions de danger Nocif en cas d ingestion et par contact cutané. Nocif pour les organismes aquatiques. Provoque des irritations cutanées et des irritations sévères des yeux. - Nocif par inhalation. - Provoque des irritations cutanées et des irritations sévères des yeux. - Toxique pour les organismes aquatiques. - Peut nuire à la fertilité. - Peut induire des anomalies génétiques et provoquer le cancer. Acide sulfurique de concentration molaire voisine de 3,5 mol.l -1 DANGER Solution de chlorure d hydroxylammonium - Solution tampon de ph = 5,5 - Solution de nitrate de baryum de concentration molaire voisine de 0,1 mol.l -1 - Solution d EDTA de concentration molaire voisine de 0,05 mol.l -1. ATTENTION Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves. - Nocif par ingestion. - Provoque une sévère irritation des yeux. 4/9

5 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. 1. Étalonnage de la solution (P) de permanganate de potassium par pesées d oxalate de sodium Introduire dans un erlenmeyer une masse m d oxalate de sodium voisine de la valeur proposée à la question Q4. Ajouter environ 50 ml d eau distillée et 10 ml d acide sulfurique de concentration molaire voisine de 3,5 mol.l -1. Commencer le dosage en versant 2 ou 3 ml de la solution (P) et chauffer la solution jusqu à décoloration. Continuer alors le dosage sans chauffer jusqu à persistance de la coloration rose. Faire deux essais concordants. On appelle V 1 le volume à l équivalence. Q1- Écrire l équation de la réaction qui a lieu avant dosage entre l ion oxalate et l acide sulfurique. Q2- Ecrire l'équation de la réaction de dosage. Q3- Expliquer pourquoi il est nécessaire de chauffer au début. Pourquoi n est-il pas nécessaire de chauffer ensuite? Q4- Montrer que la masse théorique d oxalate de sodium à peser pour avoir un volume à l équivalence voisin de 20 ml est proche de 0,13 g. Q5- Exprimer la concentration molaire C P de la solution de permanganate de potassium. (Précision : 0,5 %) 2. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par la solution (P) de permanganate de potassium étalonnée (potentiométrie à intensité imposée non nulle i = µa donnée par le centre d examen) À une prise d essai E 2 = 20 ml de solution (S), ajouter environ 10 ml d acide sulfurique de concentration molaire voisine de 3,5 mol.l -1 et environ 100 ml d eau distillée. Plonger les électrodes adéquates reliées au montage permettant de réaliser la potentiométrie à intensité imposée non nulle. Faire les réglages nécessaires et doser par la solution (P) de permanganate de potassium. Tracer la courbe correspondante et déterminer le volume V 2 à l équivalence. Q6- Écrire l équation de la réaction de dosage. Q7- Justifier que la concentration molaire C S en sel de Mohr de la solution (S) est égale à la concentration molaire en ions fer(ii). Q8- Montrer que le volume E 2 de la prise d essai à effectuer correspond à un volume à l équivalence voisin de 12 ml. 5/9

6 Q9- Exprimer la concentration molaire C 2 en sel de Mohr de la solution (S). (Précision : 1 %) Q10- À l aide du faisceau de courbes intensité-potentiel donné en annexe, page 8/9, justifier l'allure de la courbe de dosage après avoir complété les cases vides. Joindre cette annexe à la copie. 3. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par la solution (D) de dichromate de potassium par potentiométrie à intensité nulle Le candidat pourra choisir, pour ce dosage, d utiliser un titrateur automatique. À une prise d essai E 3 = 25 ml de la solution (S), ajouter 10 ml d acide sulfurique de concentration molaire voisine de 3,5 mol.l -1 et suffisamment d eau distillée pour faire plonger les électrodes. Doser par la solution (D) de dichromate de potassium de concentration molaire connue. Tracer la courbe de dosage et déterminer le volume à l équivalence noté V 3. Q11- Écrire l équation de la réaction de dosage. Q12- Préciser le rôle de l acide sulfurique. Q13- Exprimer la concentration molaire en fer(ii) C 3 de la solution (S). (Précision : 1 %) 4. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par spectrophotométrie d'absorption moléculaire On dispose d une solution étalon (E) de sel de Mohr de concentration molaire égale à 3, mol.l -1. Diluer cinquante fois la solution à doser (S). On obtient la solution (S'). Préparer la série suivante de fioles de 100 ml en introduisant les réactifs dans l ordre indiqué : N de fiole Volume de solution (S ) / ml Volume de solution (E) / ml Solution de chlorure d hydroxylammonium / ml Solution tampon ph = 5,5 / ml Solution d orthophénanthroline / ml Eau distillée compléter à 100 ml Attendre une quinzaine de minutes. Régler la longueur d'onde du spectrophotomètre à 510 nm. Faire le zéro avec de l eau distillée. Mesurer la valeur de l'absorbance pour chaque fiole et tracer la courbe représentant l'absorbance en fonction de la concentration C Ei pour chacune des fioles. C Ei est la concentration molaire en ions fer(ii) provenant de la solution étalon (E). 6/9

7 Q14- Indiquer le nom de la méthode utilisée pour ce dosage spectrométrique. Q15- Calculer les concentrations C Ei en ions fer(ii) provenant de la solution (E) dans chaque fiole de la gamme. Q16- Énoncer (à l aide d une phrase) la loi de Beer-Lambert puis donner son expression. Préciser les conditions de validité de cette loi. Q17- Expliquer pourquoi on choisit généralement la longueur d onde de travail au maximum du spectre d absorption. Q18- Déterminer la concentration molaire en ions fer(ii) de la solution (S), notée C 4, en détaillant la méthode retenue. (Précision : 3 %) 5. Dosage des ions sulfate de la solution (S) par la solution de nitrate de baryum (conductimétrie) À une prise d essai E 5 = 5 ml de la solution (S), ajouter 100 ml d eau distillée et 50 ml d une solution d EDTA de concentration molaire égale à 0,05 mol.l -1 (mesurés à l éprouvette). Doser par la solution de nitrate de baryum de concentration C B donnée. Bien attendre la stabilisation de la mesure après chaque ajout. On appelle V le volume de solution de nitrate de baryum versé. Tracer la courbe représentant la conductivité corrigée : σ cor = σ ( E V ) en fonction de V E (en ml). Soit V 5 la valeur du volume versé à l équivalence. Note : la solution d EDTA n intervient pas dans l équation de la réaction de dosage ni dans les calculs. Le candidat n a pas à s interroger sur le rôle de cette solution. Q19- Ecrire l'équation de la réaction de dosage. Q20- Exprimer la concentration molaire C sulfate en ions sulfate de la solution (S). (Précision : 2 %) 6. Conclusion Q21- Choisir parmi les résultats des parties 2, 3 et 4 les deux résultats les plus concordants et calculer l écart relatif entre ces deux résultats. Commenter cet écart. Q22- Donner la relation entre C S, C A et C sulfate, C A étant la concentration molaire en acide sulfurique de la solution (S) à doser. Q23- Proposer une valeur pour la concentration C A en acide sulfurique de la solution (S). 7/9

8 Numéro du poste : ANNEXE A rendre avec la copie Courbes intensité-potentiel au cours du dosage d une solution acidifiée d ions fer(ii) par une solution de permanganate de potassium i (en µa) 1 : V = 0 ml 2 : V < Veq 3 : V = Veq 4 : V > Veq H2 H + Fe 2+ Fe 3+ H2O O2 E/E.C.S (en V) 8/9

9 Numéro du poste : FEUILLE DE RESULTATS 1. Étalonnage de la solution (P) de permanganate de potassium par pesées d oxalate de sodium Essai m / g V / ml C / mol.l -1 C retenue (précision : 0,5 %) 1 2 C P = ( ± ) 3 (éventuel) Vérifier la concordance : 2. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par la solution (P) de permanganate de potassium étalonnée (potentiométrie à intensité imposée non nulle) (Précision : 1 %) V 2 = C 2 = ( ± ) 3. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par la solution (D) de dichromate de potassium par potentiométrie à intensité nulle (Précision : 1 %) V 3 = C 3 = ( ± ) 4. Dosage des ions fer(ii) de la solution (S) par spectrophotométrie d'absorption moléculaire (Précision : 3 %) N de fiole C Ei / mol.l -1 Absorbance C 4 = ( ± ) 5. Dosage des ions sulfate de la solution (S) par la solution de nitrate de baryum (conductimétrie) (Précision : 2 %) V 5 = C sulfate = ( ± ) 6. Conclusion sur les résultats des trois méthodes de dosage des ions fer(ii) Premier résultat retenu Écart relatif entre les deux résultats retenus Deuxième résultat retenu Concentration en acide sulfurique : C A = 9/9