Différentes techniques en chimie dosage et suivi cinétique par spectrophotométrie. Ecrire l équation de la réaction : H 3 O + + HO - -> 2H 2 O

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1 Lycée Joliot Curie à 7 CHIMIE Classe de Terminale Différentes techniques en chimie dosage et suivi cinétique par spectrophotométrie Date 13/05/2014 Première partie : un classique Dosage/titrage d une solution S 0 d acide chlorhydrique ( H 3 O + + Cl - ) par une solution d hydroxyde de sodium (Na + + HO - ) de concentration C b =1, mol/l Na + + HO - C b =1, mol/l Ecrire l équation de la réaction : H 3 O + + HO - -> 2H 2 O ( Na+ et Cl- sont des ions spectateurs) Quelle est la relation entre les concentrations des 2 réactifs (Produit ionique de l eau Ke)? Ke = [H 3 O + ]. [HO - ] toujours vrai en solution aqueuse H 3 O + + Cl - Ca inconnue Compléter le schéma ci-contre avec les 2 solutions pour effectuer le dosage. La solution dosée est 10 fois trop concentrée, c est-à-dire la solution d acide chlorhydrique On veut préparer Vs= 100,0 ml de la solution à titrée. Quel matériel faut-il utiliser pour réaliser cette dilution en justifiant par un calcul le volume à prélever Vp? Calcul de Vp :n prélevée = n introduite donc C a.vp = C a. V S d où Vp= avec Ca = 10.C a alors Vp= = = 10 ml Choix du matériel : Il faut donc une fiole jaugée de 100 ml, une pipette de 10 ml avec sa propipette et des béchers - Réalisez cette dilution. - Préparez le dispositif expérimental avec la solution titrante dans la burette et V S = 20 ml de la solution S diluée à titrée de concentration Cs dans le bécher. Trois techniques sont possibles Formules autour de ces techniques Colorimétrie phmétrie conductimétrie Un indicateur coloré est un couple acido-basique IndH/Ind- avec ph = pka + log [H 3 O + ] =10 -ph ou ph= -log[h 3 O + ] σ = Σ λ i.[x i ] σ = λ H3O+.[H 3 O + ] + λ HO-.[HO-] + λ Na+.[Na + ] + λ Cl-.[Cl - ] Questions classiques Domaine de prédominance le ph à l équivalence est autour de 7 : Choisir le bon indicateur coloré. Indicateur coloré Hélianthine (orange de méthyle) Bleu de bromothymol Zone virage 3,1 4,4 6,0 7,6 Phénolphtaléine 8,2 10,5 Ici : Bleu de bromothymol Couleurs Rouge - orange Jaune - bleu Incolore - rouge Pour immerger totalement la sonde, il est possible d ajouter de l eau distillée. Pourquoi l ajout d eau ne change pas le résultat du dosage? les concentrations sont modifiées mais pas les quantités à doser Définir l équivalence : A l équivalence les réactifs sont introduits dans les proportions stoechiométriques. TPs " dosages et suivi cinétique" Page 1/3

2 Pour des raisons de rapidité, nous allons réaliser les 3 techniques en même temps! Introduire dans le bécher l indicateur coloré adéquate, la sonde phmétrique et conductimétrique. Ajouter de l eau distillée pour que les sondes soient entièrement immergées. Reporter vous dans le fichier Excel Résultats Colorimétrie phmétrie conductimétrie V éq = 15 ml V éq =15,5 ml par la méthode des tangentes ou V éq =15,2 ml par la méthode extremum des dérivées dph/dv V éq = 15,2 ml par lecture graphique Remarque : Commenter la courbe σ = f(t) avant et après l équivalence. La conductivité σ traduit la capacité d une solution à laisser passer le courant électrique. Elle est liée aux concentrations des ions présents dans la solution. Ici H 3 O +, Cl -, Na+ et HO -, les concentrations des ions Cl - et Na+ ne varient pas lors du dosage seul les concentrations des ions H 3 O + et HO - varient. Comment? Avant l équivalence, la réaction de dosage H 3 O + + HO - -> 2H 2 O nous indique que les ions HO - versés réagissent avec les ions pour formés de l eau. La [H 3 O + ] diminue donc la conductivité σ diminue. [HO - ] 0 mol/l A l équivalence, tous les ions H 3 O + et les ions versés sont consommés. La conductivité est minimale. Après l équivalence, il n y a plus d ions H 3 O + et on continue à verser des ions HO - donc la conductivité augmente. Calculez la concentration de la solution à titrée : On prendra Veq =15,2 ml A l équivalence, = donc C a x V S =C b x V eq d où C a = = = 7, mol/l La solution ayant été diluée 10 fois avant le dosage, la solution d acide chlorhydrique a pour concentration Ca = 10 x C a = 7, mol/l Deuxième partie : Suivi d une réaction par spectrophotométrie Questions : 1 - a- Que peut-on dire de cette réaction d un point de vue cinétique? La réaction est lente car des changements sont observables à l œil nu. b- Ecrire son équation. Couples d oxydo-réduction mis en jeu : H 2 O 2 (aq) / H 2 O (l) et I 2 (aq) / I - (aq) H 2 O 2 + 2H + + 2e - = 2H 2 O 2I - = I 2 + 2e - H 2 O 2 + 2H + + 2I - = 2H 2 O + I 2 c- Les ions hydrogènes H + (aq) sont-ils des catalyseurs de cette réaction? Oui la réaction est accéléer en sa précence. 2 -a- Quelle espèce chimique est responsable de la couleur de la solution? Le diiode I2 qui donne une couleur jaune à faible concentration puis une couleur brune. b- Cette réaction peut-elle être suivie par spectrophotométrie? Pourquoi? Oui car l évolution de la couleur de la solution traduit l évolution de la réaction. 3 a- Analyser l allure de la courbe. Elle augmente rapidement au début car les concentrations des réactifs sont importantes ( c est un facteur cinétique) puis augmente doucement car les concentrations diminuent. b- Déterminer graphiquement la valeur de l absorbance finale A f lorsque le système n évolue plus. A f = 0,58 c- Quelle est la valeur correspondante du temps, notée t f? t f = 480 s 4 - La couleur est jaune au départ donc la solution absorbe principalement sur des longueur d onde (couleur complémentaire du jaune) pour λ = 400 nm. d où le choix de 470 nm pour le colorimètre. 5 - A = k x [ I 2 ] 6 -a- Déterminer les quantités de matière initiales d eau oxygénée et d ions iodure TPs " dosages et suivi cinétique" Page 2/3

3 b- A l aide d un tableau d avancement, déterminer le réactif limitant et établir la relation : [I 2 ] = c- Montrer que [I 2 ] max = où n 0 est la quantité initiale de réactif limitant. 7 - Etablir la relation = où A(t) et A f sont les absorbances de la solution respectivement aux instants t et t f. 8 - a- Déterminer graphiquement la valeur t 1/2 telle que x(t 1/2 ) =. c- Comparer t f à t 1/2. Conclure. TPs " dosages et suivi cinétique" Page 3/3

4 Matériel usuel en chimie Pissette d eau distillée Bécher Les béchers sont gradués pour indiquer de manière approximative le volume de liquide qu ils contiennent. Ils ne doivent en aucun cas être utilisés pour mesurer un volume. bouchon pour fiole fiole jaugée La fiole jaugée permet de mesurer un volume avec une bonne précision. Elle sert à dissoudre un solide dans un volume donné ou à diluer une solution. spatule Poire à pipeter Tube à essai entonnoir à solide coupelle Éprouvette Pipette jaugée Pipette Erlenmeyer Burette C est un cylindre utilisé pour mesurer des volumes de liquides mais sa précision n est pas très grande. On utilise une éprouvette pour une mesure ne nécessitant pas une grande précision ( à 0,5 ou 1 ml près selon la capacité de l éprouvette ). une pipette jaugée est un contenant temporaire qui sert à transférer une solution d un contenant dans un autre. La pipette jaugée, dont la contenance est fixe, permet de transférer très précisément un volume donné (par exemple 20 ml) Une pipette permet de mesurer le volume d une solution à prélever. La pipette est moins précise que la pipette jaugée. C est le récipient idéal pour éviter toute projection de liquide. Il ne permet pas de prélèvement avec une pipette ou de faire passer une sonde de ph-mètre. Comme pour le bécher, les graduations ne sont pas précises. La burette permet de mesurer des volumes cumulés. Elle est principalement utilisée pour les dosages Attention au ménisque et à la parallaxe lors de la lecture (voir informations). verre de montre Ampoule à décanter L ampoule à décanter est un instrument en verre utilisé pour séparer deux liquides non miscibles. balance Verre à pied Le verre à pied est en général utilisé comme poubelle. TPs " dosages et suivi cinétique" Page 4/3

5 Matériel TPs Solutions bureau - soude inconnue Na + + HO - c=10-2 mol/l V= 1L - solution d'acide chlorhydrique ca = 1, mol/l : 1L -iodure de potassium, K + (aq) +I - (aq), à 1, mol.l -1.(pipette) - acide sulfurique, 2H + (aq) + SO 4 2- (aq), à 2,0 mol.l -1 (éprouvette) - une solution peroxyde d hydrogène, H 2 O 2 (aq) à 5, mol.l -1 (pipette) Paillasse élèves : - phmètre + papier - conductimètre - colorimètre + 2 cuves - burette - Indicateurs colorés : BBT phénol - agitateur - 5 béchers 100mL + bécher poubelle - Fiole jaugée 100 ml - Pipette jaugée 5, 10 et 20 ml - Propipette rouge et verte - éprouvette 10 ml TPs " dosages et suivi cinétique" Page 5/3

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