Activité expérimentale : Evolution des propriétés chimiques dans la classification périodique

Transcription

1 Activité expérimentale : Evolution des propriétés chimiques dans la classification périodique Objectifs : - Adapter le mode d élimination d une espèce chimique ou d un mélange en fonction des informations recueillies sur la toxicité ou les risques. - Sélectionner, parmi plusieurs modes opératoires, celui qui minimise les impacts environnementaux. - (40) Proposer à partir d une banque de données et mettre en œuvre un test de reconnaissance pour identifier une espèce chimique présente (ou susceptible de l être) dans un système. - (155) Mettre en œuvre des expériences illustrant le caractère oxydant ou réducteur de certains corps simples. - (156) Élaborer ou mettre en œuvre un protocole permettant de montrer qualitativement l évolution du caractère oxydant dans une colonne. - (165) Justifier ou proposer le choix d un solvant adapté à la dissolution d une espèce donnée, à la réalisation d une extraction et aux principes de la Chimie Verte. Liste du matériel élève : - Pipettes pasteur - Gants - 1 spatule - Eprouvette graduée (50 ml) - 10 tubes à essai et porte tube - Lunettes de protection - Eau d iode (5 ml) - Cyclohexane - Solution de KBr (0,1 mol/l) Liste du matériel professeur : - Handbook - Cristallisoir + grille métallique - Phénolphtaléine - Solution de KI (0,1 mol/l) - Solution de AgNO 3 (0,1 mol/l) - Solution de KCl (0,1 mol/l) - Solution aqueuse d ammoniaque à 1 mol. L 1 - Solution aqueuse de thiosulfate de sodium Na 2 S 2 O 3 à 0,1 mol. L 1 - Diiode en paillettes (2 g) - Sodium, papier filtre, couteau, pince - Verre à pied contenant éthanol absolu Vidéo sur le sujet : Le port de la blouse et des lunettes de protection est obligatoire tant que vous êtes dans la salle. En fin de manipulation ne pas jeter les solvants organiques et les solutions aqueuses contenant des sels métalliques à l évier mais utiliser les bidons de récupération prévu à cet effet. Vous allez réaliser certaines manipulations qui demandent beaucoup de soin et le respect scrupuleux des consignes de sécurité. Le port des lunettes de protection, en particulier, est obligatoire. La plupart des combustions se dérouleront sous hotte en fonctionnement. Il est inutile et surtout dangereux d opérer avec de grandes quantités de réactifs. 1 ou 2 cm au fond d un tube à essais suffisent par exemple largement pour des expériences sur des solutions.

2 1. Les halogènes La famille des halogènes comprend les éléments de la colonne 17 de la classification périodique : F, Cl, Br, I, At (radioactif). On peut retenir : Notation générale : X. Corps simples : dihalogène X 2 (F 2, Cl 2, Br 2 et I 2 ). Les halogènes acceptent facilement un électron pour donner un anion X, ils acquièrent ainsi la structure électronique d un gaz noble. Ces sont des oxydants puissants à l état de corps simples. Le caractère oxydant varie comme l électronégativité : il décroît quand Z augmente. Attention! Tous les dihalogènes sont toxiques. Il est ensuite intéressant de noter l évolution de l état physique des dihalogènes, corps purs composés de deux atomes identiques : Le dichlore Cl 2 est un gaz verdâtre. Le dibrome Br 2 est un liquide rouge. Le diiode I 2 est un solide gris brillant. a. Solubilité des halogènes Les solutions aqueuses contenant du dichlore, du dibrome et du diiode sont appelées eau de chlore, eau de brome et eau d iode. Remarque : l eau de Javel correspond à un mélange (Na +,Cl ) + (Na +,ClO ). Elle est obtenue par dissolution du dichlore en milieu basique. Préparation de l eau d iode ou eau iodée Sous hotte : Dans un tube à essais verser 1 à 2 ml d eau distillée. Ajouter quelques grains (très peu!) de diiode. Agiter et observer. A votre paillasse : Ajouter ensuite 1 ml de solution aqueuse de iodure de potassium (KI). Agiter et observer. Sous quelle forme se trouve le diiode en solution aqueuse? Pourquoi? Solubilité des dihalogènes dans le cyclohexane Préparer un tube à essai contenant de l eau d iode. Ajouter environ 1 ml de cyclohexane dans chaque tube. Boucher le tube à essais à l aide d un bouchon, agiter et observer. quant à la solubilité des dihalogènes dans l eau et le cyclohexane. Pourquoi? b. Propriété de précipitation des ions halogènures Pour caractériser les ions halogénures, on va utiliser des réactions de précipitation. Action des ions argent sur les halogénures Dans trois tubes à essai contenant respectivement du chlorure, du bromure et de l iodure de potassium, verser un peu de nitrate d argent dilué (Ag + (aq) + NO 3 (aq)). Dessiner les trois tubes à essai sur un schéma en décrivant le phénomène observé ainsi qu en donnant le nom, la couleur et la formule chimique des précipités observés.

3 Comparaison des ions halogénures : chlorure, bromure, iodure Les halogénures d argent AgX peuvent précipiter, l ion Ag + peut former un complexe avec l ammoniac : [Ag(NH 3 )] + et avec le thiosulfate : [Ag(S 2 O 3 ) 2 ] 3. On notera les changements de couleur et d aspect à chaque étape de la manipulation. Introduire dans un bécher 5 ml d une solution de nitrate d argent AgNO 3 à 0,1 mol. L 1. Ajouter successivement les volumes suivants mesurés à l éprouvette : - 5 ml d une solution aqueuse de chlorure de potassium KCl à 0,1 mol. L 1-15 ml d une solution aqueuse d ammoniaque à 1 mol. L 1-2 ml d une solution aqueuse de bromure de potassium KBr à 0,1 mol. L 1-18 ml d une solution aqueuse de thiosulfate de sodium Na 2 S 2 O 3 à 0,1 mol. L 1-5 ml d une solution aqueuse d iodure de potassium KI à 0,1 mol. L 1 Ecrire les équation bilan de chaque réaction ; faire la distinction entre ion complexe et précipité. Classer les halogénures d argent AgX par ordre croissant de solubilité et vérifier votre classement en cherchant les valeurs des différentes solubilités des sels d argent dans le "Handbook". c. Propriétés oxydantes des dihalogènes On propose deux protocoles pour comparer les propriétés oxydantes des dihalogènes. Sélectionner, parmi ces deux modes opératoires, celui qui minimise les impacts environnementaux. Expérience 1 : (sous hotte avec gants) On peut classer le pouvoir oxydant en comparant les trois couples Cl 2 /Cl, Br 2 /Br et I 2 /I. On se met sous hotte à cause des vapeurs de Cl 2 dégagées par l'eau de chlore. On travaillera avec des faibles volumes (1 à 2 ml) (1) Mélanger de l eau de chlore dans KBr (bromure de potassium) (2) Mélanger de l eau de brome dans KCl (chlorure de sodium) (3) Mélanger de l eau de brome dans KI (iodure de potassium) (4) Mélanger de l eau iodée dans KBr (bromure de potassium) Remarque : On pourra caractériser la présence de I 2 avec l empois d amidon. Expérience 2 : (sous hotte avec gants) On peut classer le pouvoir oxydant en comparant les trois couples Cl 2 /Cl, Br 2 /Br et I 2 /I. On se met sous hotte à cause des vapeurs de Cl 2 dégagées par l'eau de chlore. (1) On met en présence 2 ml des 6 solutions disponibles avec 1 ml de cyclohexane Observer. (2) Dans un tube à essais on met en présence 1 ml de cyclohexane, 2 ml d un halogène neutre (Cl 2, Br 2 ou I 2 ) et 2 ml d halogène anionique. On agite vigoureusement. Observer la couleur du cyclohexane

4 On a mis en œuvre ce protocole et on observe les résultats suivants : A partir de ses résultats, classer les halogènes suivant leurs pouvoirs oxydants. On donne les couples oxydant/réducteur : Cl 2 /Cl, Br 2 /Br et I 2 /I. 2. Les alcalins La famille des alcalins correspond aux éléments de la première colonne du tableau périodique à l exception de l hydrogène : le lithium Li, le sodium Na, le potassium K, le rubidium Rb, le césium Cs et le francium Fr. Ils présentent de nombreuses propriétés communes : leur configuration électronique se termine en : ns 1, il s agit de métaux mous, très réactifs à l air et dans l eau, ils perdent facilement un électron pour donner un cation, ce sont des réducteurs puissants, ce caractère réducteur augmente du lithium au francium (l électronégativité décroît), Propriétés réductrices des alcalins : Action du sodium sur l eau Nous allons mettre en évidence leur caractère réducteur en étudiant l action du sodium sur l eau. En raison de l extrême réactivité du sodium, cette manipulation est à nouveau réalisée par le professeur. Il suit le mode opératoire suivant : Mettre les gants et les lunettes de protection. Prélever un morceau de sodium de très petite taille à l aide d une pince métallique et le décaper. Le laisser tomber dans un cristallisoir contenant de l eau dans lequel on a ajouté de la phénolphtaléine. Recouvrir immédiatement le cristallisoir d une toile métallique afin de se protéger des projections tout en permettant les échanges gazeux (une plaque pleine risquerait d être projetée).

5 On détruit tous les restes de sodium (sur la pince, le couteau ) dans l éthanol absolu de façon à ce que le sodium ne soit pas mis en contact involontairement avec de l eau. Pourquoi ajoute-on de la phénolphtaléine à l eau? Quelle conclusion peut-on tirer de sa couleur finale? Le gaz formé au cours de la réaction détonne en présence de dioxygène. Quel est-il? Ecrire l équation de la réaction entre l eau et le sodium. On pourra écrire les deux demiéquations sous la forme Ox + ne = Red. Le sodium est-il un oxydant ou un réducteur? Remarque : la masse volumique du sodium est de 964 kg. m 3 ce qui explique qu il "flotte" à surface de l eau.