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1 XXVII es Olympiades Nationales de la chimie Épreuve du CONCOURS REGIONAL Académie de Caen Thème "Chimie et eau" Durée 2h Mercredi 16 Mars NOM : PRENOM : ETABLISSEMENT : Vous avez dit «soluble»? Les données relatives à ce TP sont présentes à la page 3 L eau est un composé très utilisé en chimie et dans la vie quotidienne, en particulier comme solvant. Cette séance de travaux pratiques a pour objectif d étudier et de comparer la solubilité de quelques solutés dans l eau et de déterminer à température donnée la valeur d un produit de solubilité. Introduction : quelques rappels et définitions La solubilité s d un composé ionique ou moléculaire appelé soluté, est la concentration maximale exprimée en moles par litre de ce composé que l on peut dissoudre ou dissocier à température donnée dans un solvant. La solution ainsi préparée est dite saturée. Soit un composé ionique de formule C x A y. Dans une solution saturée de ce composé coexistent en équilibre les ions C p + et A q - et le soluté C x A y selon l équation : C x A y (solide) = x C p + aq + y A q - aq Cet équilibre est caractérisé par une constante appelée produit de solubilité et notée K S, grandeur sans dimension, qui ne dépend que de la température et qui s écrit : K S = [C p + ] x. [A q - ] y. Exemple : pour une solution aqueuse saturée de chlorure d argent AgCl : AgCl (solide) = Ag + aq + Cl - aq, le produit de solubilité K S est défini par : K S = [Ag + ].[Cl - ] = s 2, en appelant s la solubilité du chlorure d argent dans l eau à température donnée. Partie expérimentale 1) Expériences préliminaires a) Solution S 1 de carbonate de calcium -peser la masse m de carbonate de calcium CaCO 3 nécessaire à la préparation de 100 cm 3 d une solution S 1 de concentration en ions Ca 2+ égale à 0,01 mol.l - 1 : m = g. -entraîner à l'eau permutée dans un jaugé de 100 cm 3. Agiter. Observation 1 : 1

2 -ajouter goutte à goutte HCI au 1/2 (gants et lunettes de protection) dans la solution précédente tout en agitant. Observation 2 : Conclure quant à la solubilité du carbonate de calcium (aucun calcul n est demandé) : b) Solution S 2 de chlorure de calcium -peser la masse m de chlorure de calcium CaCl 2 nécessaire à la préparation de 100 cm 3 d une solution S 2 de concentration en ions Ca 2+ égale à 0,1 mol.l - 1 : m = g. -entraîner à l'eau permutée dans un jaugé de 100 cm 3. Agiter. Observation 3 : Conclusion : comparer les solubilités du carbonate de calcium et du chlorure de calcium à la température ambiante : 2) Détermination du produit de solubilité de l hydroxyde de calcium -relever la température θ de la solution S 2 : θ = C. -ajouter avec précaution (gants et lunettes), goutte à goutte, dans la solution S 2 de chlorure de calcium une solution d hydroxyde de sodium (Na + + HO - ) à 5 mol.l - 1 jusqu à observer un trouble de cette solution. Ce trouble est dû à la précipitation de l hydroxyde de calcium Ca(OH) 2 selon l équation : Ca 2+ aq + 2 HO - aq = Ca(OH) 2 (solide). -filtrer pour éliminer le trouble et recueillir dans un erlenmeyer la solution saturée d hydroxyde de calcium notée S 3. -titrer par conductimétrie un volume V = 20 ml de cette solution S 3 par une solution d acide chlorhydrique de concentration C A = 0,1 mol.l - 1.On notera V A le volume d acide introduit et σ la conductivité du mélange. Vous disposez pour étalonner le conductimètre d une solution de chlorure de potassium à mol.l - 1 ainsi que de la conductivité de cette solution en fonction de sa température. Résultats obtenus : V A (ml) σ (..) -tracer sur papier millimétré le graphe : σ = f(v A ). Interprétation : équation de la réaction de titrage : 2

3 coordonnées du point d équivalence : en déduire la concentration C de la solution S 3 en hydroxyde de calcium : déterminer la solubilité s de l hydroxyde de calcium dans l eau. Exprimer le produit de solubilité de l hydroxyde de calcium dans l eau et déterminer sa valeur, à la température expérimentale θ, à l aide du résultat précédent : calculer le ph de la solution S 3 : Conclusion : K S =. à θ =. 3) La solution S 3 : une solution bien connue Pour identifier cette solution, procéder au test suivant : -introduire quelques ml de cette solution dans un bécher et 2 ou 3 ml d une boisson gazeuse. Observation 4 : En s aidant de la première partie et des données de ce TP, proposer une explication à cette observation et en déduire le nom de la solution S 3. Que se passe-t-il si on introduit davantage de boisson gazeuse dans le bécher? En s aidant de la première partie et des données de ce TP, proposer une explication simple à cette dernière constatation Données : Masses molaires atomiques en g.mol - 1 : H : 1 ; C : 12 ; O : 16 ; Cl : 35,5 ; Ca : 40. Couples (acide/base) et pk A : (H 3 O + /H 2 O) : 0 ; (H 2 O/HO - ) : 14 ; (CO 2aq /HCO 3 - ) : 6,35 ; (HCO 3 - /CO 3 2- ) : 10,3. Produit ionique de l eau à 25 C : K e =

4 Indications de correction et barème : partie théorique et exploitation 20 points 1) Expériences préliminaires a) Solution S 1 de carbonate de calcium (4 points) M CaCO3 = 100 g.mol - 1. m = masse m de carbonate de calcium CaCO 3 nécessaire = M CaCO3. C.V = 100.0,01.0,100 = 0,10g. Valeur de m correcte : Observation 1 : le solide ne se dissout pas totalement, la solution S 1 est trouble. Observation 2 : en ajoutant quelques gouttes d acide, la solution devient limpide. Conclusion : le carbonate de sodium est très peu soluble dans l eau, moins d un gramme par litre. Sa solubilité s augmente en milieu acide (par réaction entre H 3 O + et CO 2-3, déplacement de l équilibre de précipitation CaCO 3 solide = Ca CO 2-3 ). b) Solution S 2 de chlorure de calcium (3 points) M CaCl2 = 111 g.mol - 1. m = masse m de chlorure de calcium CaCl 2 nécessaire = M CaCl2.C.V = 111.0,1.0,1 = 1,1 g 10.m. Valeur de m correcte : Observation 3 : la solution S 2 est limpide. Conclusion : la solubilité du chlorure de calcium dans l eau est très supérieure à celle du carbonate de calcium à la même température, plus de 10 fois supérieure. 2) Détermination du produit de solubilité de l hydroxyde de calcium (8 points) Résultats obtenus : à θ = 21 C. V A (ml) σ (ms.cm - 1 ) Graphe : σ = f(v A ) : 19 18, , , , ,5 14 σ = f(v A ) ,6 6, conductivité Interprétation : équation de la réaction de titrage : H 3 O + + HO - = 2 H 2 O 4

5 coordonnées du point d équivalence : V A éq = 4,6 ml ; σ éq = ms.cm - 1. à l équivalence : [HO - ].V = C A. V A éq, d où [HO )- = (C A.V A éq ) /V = (0,1. 4,6) / 20 = 2, mol.l - 1. Comme [HO - ] = 2.C, C = mol.l - 1. solubilité s de l hydroxyde de calcium à θ = 21 C : s = C = mol.l - 1. produit de solubilité de l hydroxyde de calcium : K S = [Ca 2+ ].[HO - ] 2 = s.(2s) 2 = 4.s 3. K S = 4. ( ) 3 = Pour information, le Handbook donne à 25 C un produit de solubilité pour l hydroxyde de calcium égal à 5, Par ailleurs la solubilité s diminue avec la température. ph de la solution S 3 : [H 3 O + ] = K e / [HO - ] = / = mol.l - 1. ph = - log([h 3 O + ]) = - log (4, ) = Conclusion : K S = à θ = 21 C. 3) La solution S 3 : une solution bien connue (5 points) Observation 4 : la solution S 3 se trouble en présence d une boisson gazeuse. Explication : la boisson gazeuse contient du CO 2 dissout qui, introduit en milieu basique (ph de la solution S 3 = 12,1), donne majoritairement des ions carbonates CO 2-3, lesquels associés aux ions calcium Ca 2 + présents dans la solution S 3 sont à l origine du trouble observé, trouble constitué de carbonate de calcium très peu soluble dans l eau d après l observation 1. La solution S 3 est connue sous le nom d eau de chaux. 2 points Si on introduit davantage de boisson gazeuse dans le bécher, le trouble disparaît. La boisson gazeuse étant acide, il se produit un déplacement d équilibre analogue à l observation 2 : en acidifiant le milieu, le trouble disparaît. 5

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