Détartrant de cafetière

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1 TS M.Boulant Détartrant de cafetière Objectifs : Mettre en oeuvre la démarche expérimentale. Apprendre a s'organiser pour le travail en groupe Calculer des quantités de matière, efectuer des calculs de dilution. Mettre en oeuvre convenablement des techniques ph-métriques et conductimétriques. Matériel et produits sur un plateau : Produits : Soude en pastilles Verre de montre avec 0,50g de détartrant (x nombre de groupes) Matériel : ( x nombre de groupes) Agitateurs magnétique Burette Fioles de 0, 200, 250mL + bouchons Entonnoirs Verres de montre Béchers 50 et 75mL Pipettes de et 20mL Verres a pied Spatulles Ph-metres Conductimètres Paillasse prof : Balance à 0,1g Papier filtre Solution étalon ph 4 et 7 + béchers Solution étalon conductimétrie BBT Tournevis Merci!

2 Nom : Prénom: n groupe: TP : Détartrant de cafetière Consignes de sécurité de base: Porter une blouse en coton, pas de nu-pieds Porter des lunettes, des gants (en fonction des espèces chimiques manipulées) Pas de lentilles de contact S attacher les cheveux En cas de doute sur la manière de procéder en manipulant une espèce chimique, demander au professeur ou se reporter au ''Classeur du laboratoire''. Commentaires : Compétence expérimentale: Compte rendu: Bilan: But de la manipulation : Les détartrants pour cafetière vendus dans le commerce contiennent principalement de l'acide sulfamique de formule NH 2SO 3H noté par la suite HA. On suppose que l'acide sulfamique est un acide fort et que sa réaction avec l'eau est totale : NH 2SO 3H (aq)+h 2 O= NH 2SO 3 - (aq) + H 3O + (aq) Déterminer le pourcentage en masse d'acide sulfamique d'un détartrant pour cafetière. Vous disposez sur votre paillasse d'une masse de 0,50g de détartrant. 1)Détermination du poucentage massique par une méthode conductimetrique 1.1)Calcul préliminaires Excel calcul de Ve 1.1.1)Calcul de la quantité d'acide sulfamique présente dans le cas d'un pourcentage massique de 0% m n max = = 0,50 M NH 2 SO 3 H 97,0 =5,15.-3 mol 1.1.2)Calcul de la concentration en acide sulfamique si on introduisait cette quantité de matière dans une fiolle de V=0mL. [NH 2SO 3H] max = n max = 5,15. 3 =5, mol.l -1 V 0, )Il faut maintenant préprer la solution titrante d'hydroxyde de sodium qui va permettre le dosage de l'acide. La réaction de l'acide avec l'eau peut s'écrire : NH 2SO 3H (aq)+h 2 O= NH 2SO - 3 (aq) + H 3O + (aq) HA+H 2 O= A - +H 3O + L'uation de réaction de titrage est : H 3O + +HO - =2H 2O On considère un prélèvement d'acide sulfamique de volume V p =20mL Soit C b la concentration de la solution titrante. A l'uivalence du titrage acido-basique on peut écrire la relation suivante : C b x V E = C A xv P Si l'on veut obtenir une uivalence vers ml, il faut choisir judicieusement la concentration en soude... C b = C xv A P = 5,15. 2 x =0,1mol.L -1 V E. 3

3 Exercice Le but de cet exercice est de comprendre pourquoi le ph d une eau distillée laissée à l air libre diminue. 1)pH de l eau pure à 25 C 1.1)Dans toute solution aqueuse se produit la réaction d autoprotolyse de l eau. Écrire l uation de cette réaction. autoprotolyse de l eau : 2H 2 O ( l ) = H 3 O + + HO (aq) 1.2)Exprimer la constante d uilibre K e associée à l uation précédente. Quel nom donne-t-on à cette constante K e? K e = [H 3 O + ]. [HO (aq)]. Cette constante d uilibre est appelée produit ionique de l eau. 1.3)À 25 C, des mesures de conductivité électrique montrent que pour de l eau pure : [H 3 O + ], = [HO ] = 1,0 7 mol.l )Calculer la valeur de K e à 25 C. K e = 1,0 7 1,0 7 = 1, )Calculer la valeur du ph de l eau pure à 25 C. ph = log[h 3 O + ] = log (1,0 7 ) = 7,0 2)Eau distillée laissée à l air libre De l eau fraîchement distillée et laissée quelque temps à l air libre dans un bécher, à 25 C, voit son ph diminuer progressivement puis se stabiliser à la valeur de 5,7. La dissolution lente et progressive dans l eau distillée du dioxyde de carbone présent dans l air permet d expliquer cette diminution du ph. Un uilibre s établit entre le dioxyde de carbone présent dans l air et celui qui est dissous dans l eau distillée noté CO 2, H 2 O. Dans la suite de l exercice on ne tiendra pas compte de la réaction entre les ions hydrogénocarbonate HCO 3 (aq) et l eau. Le couple dioxyde de carbone dissous / ion hydrogénocarbonate est CO 2, H 2 O / HCO 3 (aq). 2.1)L uation de la réaction entre le dioxyde de carbone dissous et l eau s écrit : CO 2, H 2 O + H 2 O(l) = HCO 3 (aq) + H 3 O +. Ecrire les couples acido-basiques mis en jeu dans cette uation. Les couples acido-basiques mis en jeu sont : Couple 1 : CO 2,H 2 O / HCO 3 (aq) et Couple 2 : H 3 O + / H 2 O ( l ) 2.2)Exprimer la constante d acidité K A associée à l uation précédente. K A = H O )Montrer qu à partir de l expression de K A on peut écrire : ph = pk A + log ( [HCO 3 ] / [CO 2, H 2 O] ) relation (1 ) + H3O. pk A = logk A = log log(a.b) = log a + log b pk A = log [H 3 O + ] log pk A = ph log ph = pk A + log relation (1) 2.4)Sachant que K A = 6,4 et en utilisant la relation (1), calculer la valeur du quotient [HCO 3 ] / [CO 2, H 2 O] pour de l eau distillée de ph = 5,7. Parmi les espèces CO 2, H 2 O et HCO 3 (aq) quelle est celle qui prédomine dans de l eau distillée de ph = 5,7? Justifier. = ph pk A D après la relation 1, log

4 = phpka = (5,7 6,4) = 0,7 = 0,20 < 1, donc [HCO 3 (aq) ] < [CO 2,H 2 O], ainsi l espèce CO 2,H 2 O prédomine sur HCO )Tracer le diagramme de prédominance des espèces CO 2, H 2 O et HCO 3 (aq). Diagramme de prédominance : 6,4 ph CO 2,H 2 O pk A HCO 3 2.6)Tableau d avancement 2.6.1)Compléter littéralement le tableau d avancement molaire en fonction de V (volume considéré d eau distillée) et de c (concentration molaire apportée en dioxyde de carbone de l eau distillée). Équation de la réaction État du système chimique État initial État intermédiaire État final (à l uilibre) Avancement CO 2, H 2 O + H 2 O (l) = HCO 3 (aq) + H 3 O + 0 solvant 0 0 x x solvant solvant Équation de la réaction État du système chimique État initial État intermédiaire État final (à l uilibre) Avancement CO 2,H 2 O + H 2 O ( l ) = HCO 3 (aq) + H 3 O + 0 c.v solvant 0 0 x c.v x solvant x x x c.v x solvant x x 2.6.2)Quelle est la relation entre [HCO 3 ] et [H 3 O + ]? En déduire la valeur de [HCO 3 ]. D après l uation chimique [HCO 3 (aq) ] = [H 3 O + ] Or [H 3 O + ] = ph ainsi [HCO 3 (aq) ] = 5,7 = 2,0 6 mol.l )Déterminer la valeur de [CO 2, H 2 O] en utilisant l expression de la constante d acidité établie à la question H3O. D après 2.2. K A = 2pH avec [HCO 3 (aq) ] = [H 3 O + ] = ph, il vient K A = donc [CO 2,H 2 O] = K 2pH A.

5 2pH Enfin K A = pka ( pka 2pH), soit [CO 2,H 2 O] = = pk A [CO 2,H 2 O] = (6,4 2 5,7) = 5,0 = 1,0 5 mol.l )En déduire la valeur de c. c. V x [CO 2,H 2 O] = = c [H 3 O + ] = c ph V c = [CO 2,H 2 O] + ph = 1, ,7 = 1,2 5 mol.l 1 3)Influence de la composition atmosphérique 3.1)Dans un mélange gazeux, comme l air, chacun des gaz qui le constitue contribue à la pression du mélange proportionnellement à sa quantité de matière. C est la pression partielle du gaz considéré. Exemple : si l air contient en quantité 20% de dioxygène alors la pression partielle du dioxygène, notée po 2, vaut 20 % de la pression de l air. L atmosphère terrestre possède actuellement un pourcentage moyen en quantité de CO 2 de 0,038 %. Pour une pression atmosphérique de 1,013 5 Pa, à quelle pression partielle pco 2 de CO 2 ce pourcentage moyen correspond-il? 0, 038 p CO 2 = 0 1,013 5 = 38,494 = 38 Pa avec deux chiffres significatifs. 3.2)La concentration d un gaz dissous dans l eau est proportionnelle à sa pression partielle quand l uilibre du système chimique est atteint. Dans le cas du dioxyde de carbone on a : [CO 2, H 2 O] = k p CO2 avec k = 3,4 7 mol.l -1.Pa 1. Pour un pourcentage moyen en quantité de CO 2 de 0,038% et pour une pression atmosphérique de 1,013 5 Pa, calculer la valeur de la concentration [CO 2, H 2 O] dans une solution aqueuse quand l uilibre entre le dioxyde de carbone atmosphérique et le dioxyde de carbone dissous est atteint. [CO 2,H 2 O] = k. p CO 2 [CO 2,H 2 O] = 3,4 7 38,494 = 1,3 5 mol.l 1 3.3)En comparant la valeur précédente à celle obtenue à la question , indiquer sans calcul si l air du laboratoire où a eu lieu la préparation de l eau distillée possède un pourcentage en dioxyde de carbone plus petit ou plus grand que 0,038 %. En , on a trouvé au laboratoire [CO 2,H 2 O] = 1,0 5 mol.l 1 donc une concentration plus faible en dioxyde de carbone que celle obtenue avec de l air à 0,038 % de CO 2. [CO 2,H 2 O] est proportionnelle au pourcentage en dioxyde de carbone. Ainsi l air du laboratoire possède un pourcentage en dioxyde de carbone plus petit que 0,038 %