Dosage d une solution de sulfate de manganèse

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1 XXIIIème LYMPIADES NATINALES DE LA CHIMIE EPREUVES REGINALES DE L ACADEMIE DE GRENBLE EPREUVE PRATIQUE mercredi 07 mars 2007 Durée : 2h00 Au cours de cette épreuve, vous serez jugé(e) sur : - votre aisance pendant les manipulations, - la qualité de vos résultats, - la qualité de vos réponses écrites aux questions. Il est recommandé de donner la priorité à la manipulation et de répondre aux questions pendant les temps d attente. Le sujet comporte : - une feuille double jaune sur laquelle figurent le mode opératoire, les données et la liste du matériel et des produits disponibles. - une feuille double blanche sur laquelle figurent les questions. Cette feuille est à rendre une fois remplie. Dosage d une solution de sulfate de manganèse Le plomb a longtemps été utilisé dans les carburants du fait de ses propriétés antidétonantes et lubrifiantes qui permettent d améliorer le rendement d un moteur. Il a été supprimé des essences dans les années 80 à cause de sa grande toxicité au profit d autres additifs antidétonants. Au Canada, on utilise presque exclusivement le MMT (méthylcyclopentadiènylmanganèse tricarbonyle), ce qui a donné naissance à une controverse : il semblerait que les composés du manganèse, dans l'air ou dans l'eau du robinet, favorisent des maladies neurologiques semblables à la maladie de Parkinson, touchant plus particulièrement les personnes âgées, les femmes enceintes et les personnes souffrant d'une maladie du foie. Dans ce TP, on se propose de doser les ions manganèse (II) dans une solution aqueuse par complexométrie. Les données nécessaires au dépouillement des résultats et aux réponses aux questions sont regroupées en page 3. n dispose d une solution S de sulfate de manganèse (II) qu on dosera par une solution d EDTA préalablement étalonnée en présence d un indicateur coloré : le noir ériochrome T (NET). TP 1

2 Mode opératoire I- Préparation d une solution étalon. Dans une coupelle de pesée, peser avec précision une masse m d environ 0,33 à 0,37 g de chlorure de calcium dihydraté solide pur. L introduire dans une fiole jaugée de volume V = 100,0 ml. Rincer la coupelle avec un peu d eau déminéralisée qu on versera dans la fiole jaugée. Compléter au trait de jauge avec de l eau déminéralisée. Boucher la fiole. Agiter. II- Étalonnage de la solution d EDTA. Remplir la burette avec la solution d EDTA à étalonner. Dans un erlenmeyer de 250 ml, introduire : - une prise d essai de volume E 1 = 10,0 ml de solution étalon, - environ 50 ml d eau déminéralisée mesurés à l éprouvette, - une spatule de chlorure d ammonium, - une pointe de spatule de NET. Ajouter goutte à goutte une solution aqueuse d ammoniac jusqu à l apparition d une coloration rose. Doser avec la solution d EDTA jusqu au virage au bleu franc sans trace de violet (n comparera avec le contenu de l erlenmeyer témoin présent sur la paillasse). Effectuer deux essais concordants. n notera V 1 et V 1 les volumes équivalents obtenus. III- Dosage des ions Mn 2+ dans la solution S Remplir la burette avec la solution d EDTA préalablement étalonnée. Dans un erlenmeyer de 250 ml, introduire : - une prise d essai de volume E 2 = 10,0 ml de solution S, - environ 40 ml d eau déminéralisée mesurés à l éprouvette, - environ 7 ml d une solution aqueuse de chlorhydrate d hydroxylamine à 0,5 mol.l -1 (pour éviter l oxydation des ions Mn 2+ ), - environ 10 ml de solution aqueuse de triéthanolamine (afin d éviter la précipitation de l hydroxyde de manganèse); - une spatule de chlorure d ammonium, - une pointe de spatule de NET. La solution doit être rose. Sinon, ajouter quelques gouttes de solution aqueuse d ammoniaque jusqu à l apparition de la coloration rose. Doser avec la solution d EDTA jusqu au virage bleu franc sans trace de violet (n comparera avec le contenu de l erlenmeyer témoin présent sur la paillasse). Effectuer deux essais concordants. n notera V 2 et V 2 les volumes équivalents obtenus. TP 2

3 Données Masses molaires : H : 1,0 g.mol -1 : 16,0 g.mol -1 Cl : 35,5 g.mol -1 S : 32,0 g.mol -1 Mn : 54,9 g.mol -1 Ca : 40,1 g.mol -1 Le chlorure de calcium solide utilisé pour préparer la solution étalon est dihydraté, sa masse molaire vaut M = 147,1 g.mol -1. Il est irritant pour les yeux. L EDTA est un tétracide. Sa formule sera notée H 4 Y. Les pk a de l EDTA sont : pk a1 = 2,0 ; pk a2 = 2,7 ; pk a3 = 6,2 ; pk a4 = 10,3. La forme la plus basique, Y 4-, de l EDTA est représentée ci-dessous : C C CH 2 CH 2 N CH 2 CH 2 N CH 2 CH 2 L EDTA est nocif en cas d ingestion. C C Le chlorure d ammonium NH 4 Cl est nocif en cas d ingestion et irritant pour les yeux. L ammoniac NH 3 provoque des brûlures, il est très toxique pour les organismes aquatiques. Le sulfate de manganèse MnS 4 est nocif en cas d ingestion ou d inhalation. Il est toxique pour les organismes aquatiques. Le chlorhydrate d hydroxylamine NH 4 Cl est corrosif et nocif par inhalation ou ingestion. La triéthanolamine C 6 H 15 N 3 est irritante pour les yeux et la peau. Le noir ériochrome T (NET) est un indicateur coloré utilisé pour les dosages complexométriques. Selon la forme sous laquelle il se trouve à l état libre en solution ou sous forme de complexe, sa couleur est différente. TP3

4 LISTE DU MATERIEL ET DES PRDUITS Matériel et produits se trouvant sur la paillasse : - 1 paire de lunettes - 1 propipette - 1 entonnoir - 1 éprouvette graduée de 10 ml - 1 fiole jaugée de 100 ml et son bouchon - 1 pissette d eau distillée - 2 erlenmeyers de 250 ml - 3 béchers - 1 éprouvette graduée de 50 ou de 100 ml - 1 pipette jaugée de 10 ml - 1 burette de 50 ml sur son support - 1 flacon contenant 180 ml de solution aqueuse d EDTA de concentration C Y (attention, ne pas la gaspiller lors des rinçages : toute demande de supplément sera sanctionnée). Matériel et produits communs avec le ou les postes voisins : En commun avec le poste voisin (1 pour 2) : - 1 flacon de solution aqueuse de sulfate de manganèse de concentration C S (solution S, étiquette verte). - 1 flacon de solution de chlorhydrate d hydroxylamine à 0,5 mol.l -1 (étiquette blanche) - 1 flacon de solution de triéthanolamine (étiquette jaune) - 1 flacon de chlorure d ammonium (étiquette bleue) - 1 flacon de noir ériochrome T (NET) - 1 erlenmeyer «témoin» permettant d évaluer la couleur de la solution à l équivalence du dosage - 1 spatule En commun avec les postes voisins (1 pour 4) : - 1 feutre - 1 flacon compte-gouttes d ammoniaque A coté des balances : - 1 coupelle de pesée par personne - 1 spatule par balance - 1 flacon de chlorure de calcium dihydraté par balance TP4

5 XXIIIème LYMPIADES NATINALES DE LA CHIMIE EPREUVES REGINALES DE L ACADEMIE DE GRENBLE EPREUVE PRATIQUE mercredi 07 mars 2007 Durée : 2h00 Numéro de candidat : CMPTE-RENDU ATTENTIN : Les réponses à certaines questions de la partie 0- ne sont pas indispensables pour effectuer les calculs permettant de dépouiller les résultats du dosage. n pourra éventuellement ne les traiter qu à la fin. Aux questions 7), 8), 11) et 15) on ne donnera que des expressions littérales. Les applications numériques correspondantes seront traitées aux questions 9), 13) et 17). 0- Généralités sur le dosage d un ion métallique par l EDTA en présence de NET 1) Le fait d introduire dans le milieu une spatule de chlorure d ammonium et quelques gouttes d ammoniac permet de préparer une solution tampon à ph = 9,2. Qu est-ce qu une solution tampon? 2) Sur un axe gradué de ph placer les différentes formes de l EDTA selon le ph. (ces formes seront notées H 4 Y, H 3 Y -, H 2 Y 2-, HY 3- et Y 4- ). ph 3) En déduire la forme majoritaire de l EDTA à ph = 9,2. CR 1

6 4) Lors du dosage d un cation métallique Me 2+, la solution contenant ce cation est introduite dans l erlenmeyer et la solution contenant l EDTA est introduite à la burette. n forme donc le complexe au fur et à mesure de l'avancement de la réaction. L'équivalence est repérée grâce à un indicateur coloré de complexométrie, le NET qui forme avec le cation dosé un complexe : Me(NET) 2+, moins stable que le complexe formé par le dosage. Le NET peut-être de 2 couleurs différentes selon qu'il est complexé ou qu'il est libre en solution Ecrire la réaction se produisant lorsqu on ajoute le NET dans la solution contenant le cation Me 2+ avant l ajout d EDTA Ecrire la réaction se produisant entre l ion Me 2+ et l EDTA lors du dosage, sachant que le complexe formé est de la forme MeY 2-. n tiendra compte de la valeur du ph de la solution Pourquoi la couleur de la solution change-t-elle à l équivalence? D après vos observations lors du TP, quelle est la couleur du NET : - à l état libre en solution? - lorsqu il complexe les ions du calcium ou du manganèse? I- Préparation d une solution étalon. 5) Noter la valeur exacte de la masse m de chlorure de calcium pesée m = 6) Quelle est la formule chimique du chlorure de calcium dihydraté? CR 2

7 7) Exprimer en fonction de m le nombre de mole n de chlorure de calcium contenu dans la masse pesée. n = 8) Donner l expression de la concentration C X de la solution de chlorure de calcium en fonction de m. C X = 9) Application numérique : donner la valeur de C X avec trois chiffres significatifs C X = II- Étalonnage de la solution d EDTA. 10) Dans cette partie, le rôle de Me 2+ est joué par l ion Ca 2+. Ecrire l équation bilan de la réaction de dosage compte tenu du ph de la solution. 11) Exprimer la concentration C Y de la solution d EDTA en fonction de C X, du volume de la prise d essai E 1 et du volume à l équivalence V 1. C Y = 12) Indiquer les valeurs des volumes équivalents obtenus lors des deux dosages successifs. V 1 = V 1 = 13) Application numérique : Donner la valeur de la concentration C Y de la solution d EDTA avec trois chiffres significatifs. C Y = CR 3

8 III- Dosage des ions Mn 2+ dans la solution S 14) Dans cette partie, le rôle de Me 2+ est joué par l ion Mn 2+. Ecrire l équation bilan de la réaction de dosage compte tenu du ph de la solution. 15) Exprimer la concentration molaire C S en ions manganèse dans la solution S en fonction de C Y, du volume de la prise d essai E 2 et du volume à l équivalence V 2. C S = 16) Indiquer les valeurs des volumes équivalents obtenus lors des deux dosages successifs. V 2 = V 2 = 17) Application numérique : Donner la valeur de la concentration C S en ions manganèse dans la solution S avec trois chiffres significatifs. C S = 18) Sachant que le sulfate de manganèse est monohydraté, donner sa formule chimique. 19) Calculer la concentration de la solution S en g/l C S = CR 4