TENEUR EN CUIVRE DANS UNE PIÈCE DE 5 CENTIMES D EURO

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1 TENEUR EN CUIVRE DANS UNE PIÈCE DE 5 CENTIMES D EUR La pièce de 5 centimes d euro est composée d un centre en acier (constitué essentiellement de fer et de carbone) entouré de cuivre. Elle a un diamètre de 21,25 mm, une épaisseur de 1,67 mm et une masse de 3,93 g. n cherche par une méthode spectrophotométrique à déterminer la teneur en cuivre d une telle pièce. Le cuivre, de masse molaire 63,5 g.mol -1, est un métal qui peut être totalement oxydé en ions cuivre (II) par un oxydant puissant tel que l acide nitrique selon la réaction d équation : 3 Cu(s) + 8 H + (aq) + 2 N3 - (aq) 3 Cu 2+ (aq) + 4 H2(l) + 2 N(g) Les ions cuivre (II) formés se retrouvent intégralement dissous en solution ; le monoxyde d azote N est un gaz peu soluble. En pratique, on dépose une pièce de 5 centimes dans un erlenmeyer de 100 ml, on place cet erlenmeyer sous la hotte et on met en fonctionnement la ventilation. Équipé de gants et de lunettes de protection, on verse dans l erlenmeyer 20 ml d une solution d acide nitrique d une concentration environ égale à 7 mol.l -1. La pièce est alors assez vite oxydée et on obtient une solution notée S1. n transfère intégralement cette solution S1 dans une fiole jaugée de 100 ml et on complète cette dernière avec de l eau distillée jusqu au trait de jauge. n obtient une solution S2 qui contient également des ions fer (III) provenant de la réaction entre l acide nitrique et le fer contenu dans le centre d acier de la pièce. L absorbance de la solution S2 à 800 nm est mesurée, elle vaut 0, Étalonnage. a. Déterminer, en argumentant votre réponse, les couleurs attendues pour une solution d ions cuivre(ii) et pour une solution d ions fer (III). Pour quelle raison choisit-on de travailler à une longueur d onde de 800 nm? b. n fait subir à différents échantillons de métal cuivre pur le même traitement que celui décrit cidessus pour la pièce. n obtient alors des solutions d ions cuivre (II) dont on mesure l absorbance à 800 nm. Montrer, en utilisant le document 1 que la loi de Beer-Lambert est vérifiée pour ces solutions d ions cuivre (II). 2. Détermination de la teneur en cuivre dans la pièce. a. Déterminer la masse de cuivre contenue dans la pièce de 5 centimes d euro. b. En déduire la teneur (ou «pourcentage massique») en cuivre dans la pièce. Document 1 : Courbe d étalonnage Tableau donnant l absorbance A à 800 nm de solutions aqueuses contenant des ions cuivre (II), obtenues : Concentration (mol.l -1 ) 0 3, , , , , Absorbance 0 0,055 0,121 0,231 0,452 0,649

2 Document 2 : Spectres d absorption des ions cuivre (II) et fer (III) dans l eau. n donne ci-dessous les spectres d absorption d une solution d ions cuivre (II) et d une solution d ions fer (III), ainsi qu un tableau reliant longueur d onde d absorption et couleur complémentaire. Le «blanc» a été fait avec de l eau pure. Solution aqueuse d ions cuivre (II) Cu 2+ de concentration 7, mol.l -1 Solution aqueuse d ions fer (III) Fe 3+ de concentration 5, mol.l -1 couleur absorbée violet bleu vert jaune orange Rouge longueur d onde d absorption (nm) couleur complémentaire jaune-vert jaune pourpre bleu vert-bleu bleu-vert

3 Dosage spectrophotométrique de la vanilline contenue dans un extrait de vanille acheté dans le commerce La vanille est le fruit d'une orchidée grimpante, le vanillier, qui a besoin d'un climat tropical chaud et humide pour se développer. n la cultive à Madagascar, à Tahiti, à La Réunion, en Amérique du Sud... Elle est utilisée dans de nombreux domaines comme par exemple la parfumerie, l'industrie agroalimentaire, en tant qu'intermédiaire de synthèse dans l'industrie pharmaceutique. La composition de la gousse de vanille est très riche en arômes dont le principal est la vanilline. Du fait de son coût d'extraction élevé, on lui préfère souvent aujourd'hui la vanilline de synthèse ou encore l'éthylvanilline qui a un pouvoir aromatisant 2 à 4 fois plus grand. H H Molécule de vanilline Molécule d'éthylvanilline La vanilline contenue dans un échantillon du commerce (solution aqueuse sucrée) est extraite par du dichlorométhane. Un traitement basique à l'aide d'une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium (Na + (aq) + H (aq)) permet ensuite de faire repasser la vanilline en solution aqueuse sous forme d'ion phénolate selon la réaction suivante : H + H + H2 n réalise ensuite un dosage par étalonnage de cet ion par spectrophotométrie UV-visible afin de déterminer la concentration en vanilline de l'échantillon du commerce. Protocole du dosage Etape 1 : Extraction de la vanilline et passage en solution basique À 1,0 ml d'échantillon de vanille liquide, on ajoute 10 ml d'eau distillée. n procède à trois extractions successives en utilisant à chaque fois 20 ml de dichlorométhane. À partir de la phase organique, on extrait trois fois la vanilline avec 50 ml d'une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium. n rassemble les phases aqueuses.

4 Etape 2 : Préparation de la solution à doser et mesure de son absorbance n introduit les phases aqueuses précédentes dans une fiole jaugée de 250 ml et on complète jusqu'au trait de jauge avec la solution aqueuse d'hydroxyde de sodium. La mesure de l'absorbance de la solution à doser donne A = 0,88. Etape 3 : Préparation d'une gamme étalon de solutions de vanilline basique et mesure de leur absorbance À partir d'une solution mère de vanilline, on prépare par dilution dans une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium des solutions filles et on mesure leur absorbance. Les résultats sont rassemblés dans le tableau ci-dessous : Solution fille S1 S2 S3 S4 S5 Concentration en 5, , , , , vanilline (mol.l 1 ) Absorbance 1,36 1,08 0,81 0,54 0,27 Données : Dichlorométhane CH2CI2 : densité d = 1,33 ; non miscible à l'eau. Vanilline C8H83 : Solubilité : soluble dans la plupart des solvants organiques, très peu soluble dans l'eau. Masse molaire moléculaire : Mvanilline = 152 g.mol Lors de l'extraction par le dichlorométhane de la vanilline, indiquer sur le schéma donné le nom de l'instrument de verrerie utilisé. Compléter le schéma en dessinant les positions de la phase aqueuse et organique. ù se trouve la vanilline en fin d'extraction. Justifier à l aide des informations données. 2. Le spectre d'absorption UV-visible de l'ion phénolate est donné ci-dessous : Cet ion absorbe-t-il dans le domaine du visible? Justifier la réponse à l'aide du graphe ci-dessus. 3. Tracer la courbe d'étalonnage A = f(c). La loi de Beer-Lambert est vérifiée. À l'aide du graphique précédent, expliquer pourquoi elle s'énonce sous la forme A = k.c. 4. Déterminer en détaillant la méthode utilisée la concentration en vanilline dans la solution à doser. n précise que la concentration en vanilline est égale à celle de l'ion phénolate. 5. Compte tenu du protocole suivi déduire la concentration en g.l 1 de vanilline dans l'échantillon de vanille liquide du commerce.

5 CNTRÔLE D UN VIN Un vin blanc pétillant, en fin d élaboration, est étudié dans un laboratoire afin de subir des contrôles de qualité. n se propose dans cet exercice de contrôler la teneur en fer dans ce vin pour la prévention de la formation d un précipité rendant le vin trouble (casse ferrique). Données : Les ions Fe 2+ (aq) en solution aqueuse ont une couleur vert pâle. Les ions Fe 3+ (aq) en solution aqueuse ont une couleur orangée pâle. Les ions Fe 3+ (aq) peuvent réagir avec les ions thiocyanate SCN (aq) (incolore en solution aqueuse) selon une réaction rapide et totale conduisant à la formation d un complexe coloré de couleur rouge sang: Fe 3+ (aq) + SCN (aq) [Fe(SCN)] 2+ (aq) Masse molaire de l acide tartrique AH2 : M = 150 g.mol -1 Au-delà d une concentration massique de 10 mg.l -1 en élément fer, la casse ferrique est probable et rend le vin trouble et donc peu attrayant. Courbe d étalonnage : Afin de déterminer la concentration totale en ions Fe 2+ (aq) et Fe 3+ (aq) dans ce vin blanc, on oxyde les ions Fe 2+ (aq) en ions Fe 3+ (aq) à l aide d eau oxygénée H22, puis on dose la totalité des ions Fe 3+ (aq) par spectrophotométrie après les avoir fait réagir totalement avec une solution aqueuse de thiocyanate de potassium. La mesure de l absorbance de la solution obtenue pour une longueur d onde λ = 465 nm vaut A = 0, Quelle opération est-il nécessaire de réaliser avant de mesurer l absorbance de l échantillon? 2. Pourquoi est-il nécessaire de faire réagir les ions Fe 3+ (aq) avec les ions thiocyanate avant de réaliser le dosage spectrophotométrique? 3. En utilisant les données et les résultats de cette analyse, indiquer si le phénomène de casse ferrique peut se produire pour ce vin blanc. Expliciter votre démarche.

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