Titrage de l eau oxygénée par dosage colorimétrique

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1 Objecti Titrage de l eau xygénée par dsage clrimétrique On peut lire sur l étiquette d une eau xygénée cmmerciale : «eau xygénée à 10 vl». L bjecti de ce TP est de vériier cette indicatin, sur un lacn uvert, à l aide d un dsage redx clrimétrique. L eau xygénée est une espèce amphtère redx, appartenant aux cuples H O /H O et O /H O. Le titre d une eau xygénée, exprimé en vlumes (vl), crrespnd au vlume de dixygène gazeux O (g) qu un litre de slutin est susceptible de libérer par dismutatin seln la réactin d équatin H O (aq) = H O(l) + O (g) Remarque : en qui cnsiste un «dsage»? Un titrage est une pératin cnsistant à déterminer la quantité de matière u la cncentratin d une espèce en slutin ; le titrage peut se aire par dsage, auquel cas une réactin de dsage sert de supprt : la stechimétrie de cette réactin dnne une relatin d équivalence ù l incnnue apparaît. Ici, le dsage utilisé est de type clrimétrique : un changement de culeur permet de repérer l équivalence. 1 Principe du dsage La slutin cmmerciale peut être dsée à l aide d une slutin titrante de permanganate de ptassium, (K + (aq) + MnO 4 (aq)). Les ins permanganate MnO 4 (aq), vilets, nt pur réducteur cnjugué les ins manganèse, Mn + (aq), inclres. Dans la précipitatin, des élèves nt cmmencé le dsage. Malheureusement pur eux, ils n btiennent pas de résultats : impssible de repérer l équivalence. 1. Ecrire les demi-équatins électrniques et l équatin de la réactin chimique du dsage. Identiier l xydant, le réducteur, l xydatin et la réductin. Ici, les espèces en présence appartiennent aux cuples MnO 4 (aq)/mn+(aq), H O (aq)/h O(l) et O (g)/h O (aq). il est clair que les ins permanganate MnO 4 (aq) snt ici réactis, et xydants (de par leur 1 ère place dans le cuple), il aut leur truver un réducteur : c est le cas de H O (aq) dans le cuple O (g)/h O (aq). Le perxyde d hydrgène H O (aq) est une espèce amphtère u amphlyte redx, dnt il aut chisir la rme réactinnelle (réductrice ici). MnO 4 (aq) + 8 H + (aq) + 5 e = Mn + (aq) + 4 H O(l) (x ) - réductin H O (aq) = O (g) + H + (aq) + e (x 5) - xydatin MnO 4 (aq) + 6 H + (aq) + 5 H O (aq) Mn + (aq) + 8 H O(l) + 5 O (g). Rappeler la déinitin de l équivalence du dsage. Cmment va-t-n la visualiser? Expliquer ce qu il dit s y passer. A l équivalence, les réactis snt intrduits dans les prprtins stechimétriques dictées par l équatin supprt du dsage. Ainsi, à l équivalence, les ins permanganate snt intrduits dans l exacte prprtin permettant la cnsmmatin ttale et exacte de tut le perxyde d hydrgène ; avant l équivalence, tus les ins permanganate vilets étaient immédiatement cnsmmés par la réactin, et leur clratin vilette disparaissait immédiatement dans l erlenmeyer ; après l équivalence, ces ins vilets ne snt plus cnsmmés, et une clratin vilette devient persistante. C est à l apparitin de cette clratin que l n repère l équivalence. 3. En bservant l équatin de réactin, dnner une première raisn expliquant l inrtune des élèves pressés. Vus prpserez une slutin cllégiale. Les élèves, pressés, en nt ublié que la réactin supprt du titrage nécessite la présence d ins xnium H + (aq) pur avir lieu : elle se prduit en milieu acide, et c est purqui n ajute quelques guttes d acide sulurique. Ce premier ubli réglé, un nuvel essai n est guère cncluant : il aut utiliser plusieurs descentes de burettes pur atteindre l équivalence.

2 4. Prpser une slutin cllégiale à ce prblème. La slutin cmmerciale est prbablement trp cncentrée pur la slutin de permanganate dispnible : il aut la diluer, et n peut aire un test (cncluant cette is) en diluant la slutin cmmerciale dix is. Réalisatin du dsage Détaillez vtre prtcle expérimental à partir de la slutin cmmerciale. En particulier, vus erez le schéma du mntage de dsage. La slutin de permanganate utilisée est à la cncentratin C x =,00.10 ml.l 1. Réaliser le titrage (en deux étapes, la première rapide et la secnde précise) de 10,0 ml de slutin cmmerciale diluée ain de déterminer le vlume équivalent de réacti titrant intrduit : V E..1 Dilutin de la slutin cmmerciale Nus dserns 10,0 ml de slutin diluée : en préparer 50,0 ml est dnc amplement suisant. Le calcul de dilutin dnne ici n = n C.V = C.V Cnservatin de la quantité de matière de sluté Déinitin de la cncentratin mlaire V C. V C V F C F C : acteur de dilutin Ici, nus diluerns 10 is : F = 10 et ainsi V = 5,0 ml. Nus plaçns la slutin mère dans un becher préalablement rincé avec elle. A l aide d une pipette jaugée de 5,0 ml préalablement rincée à la slutin mère et de sa prpipette, n place 5,0 ml de slutin mère dans une ile jaugée de 50,0 ml préalablement rincée à l eau distillée ; n cmplète à l eau distillée aux ¾, n agite sans bucher. On ajuste ensuite à l eau distillée jusqu au trait de jauge (ménisque assis sur le trait), éventuellement à la pipette plastique (avec un becher d eau distillée rincé préalablement). On buche et n agite.. Dsage prprement dit Dans la burette, la slutin titrante de permanganate de ptassium (K + (aq) + MnO 4 - (aq)), de cncentratin c x =, ml.l -1. On nte V x le vlume versé. Dans l erlenmeyer, la slutin titrée de perxyde d hydrgène H O (aq), de cncentratin c incnnue. On nte V le vlume de cette slutin : V = 10,0 ml. On y a ajuté envirn 3 gttes d acide sulurique. Agitateur magnétique et sn barreau aimanté. Une euille de papier blanc entre l agitateur et l erlenmeyer peut permettre de mieux distinguer la culeur du mélange réactinnel. Remarques : La slutin titrée est placée dans un becher préalablement rincé avec elle ; une pipette jaugée de 10,0 ml, rincée avec elle, permet de prélever la slutin et de la placer dans l erlenmeyer préalablement rincé à l eau distillée. La burette graduée, elle, est rincée à la slutin de permanganate (à l aide d un verre à pied) ; attentin à la bulle en bas de burette ; pur aire le zér, n place la slutin au-dessus et n laisser culer à l aide du rbinet (il est interdit d utiliser une pipette plastique).

3 3 Explitatin 1. Dresser le tableau d avancement de ce dsage. équatin de la réactin MnO H H O Mn H O + 5 O état du avancement n(mno système 4 ) n(h + ) n(h O ) n(mn + ) n(h O) n(o ) état initial x = 0 n(mno 4 ) i n(h O ) i 0 0 état intermédiaire x n(mno 4 ) i x excès n(h O ) i 5x x slvant 5 x état inal x = x max n(mno 4 ) i x max n(h O ) i 5x max x max 5 x max. D après la déinitin de l équivalence, dnner la relatin entre la quantité d ins permanganate n MnO, et la quantité de perxyde d hydrgène dans la prise intrduits à l équivalence, 4 d essai nh O. i A l équivalence, les réactis snt dans les prprtins stechimétriques, sit nh O n MnO4 E i (relatin à l équivalence) 5 Elle peut également s btenir par le tableau précédent en écrivant que, dans la dernière ligne, n(mno 4 ) E x max = n(h O ) i 5x max = 0 E 3. Dnner l expressin littérale de la cncentratin C en nctin de C x, V, et V E. La calculer. La relatin précédente s écrit aussi Cx. VE C. V 5 Cx. VE sit C 5 V 3 5, ,.10 1 A.N. : C 8, ml. L. 3 10, Dnner la cncentratin C de la slutin mère. Justiier. Le dsage se aisant sur la slutin diluée 10 is, il vient C = 10.C = 8, ml.l Quelle est la quantité de perxyde d hydrgène n dans un litre de? Par déinitin de la cncentratin mlaire précédente, n = 8, ml = 0,860 ml 6. A partir de l équatin de la réactin de décmpsitin de l eau xygénée (u dismutatin), déterminer la quantité de dixygène libérée par un litre de (à partir du tableau ci-dessus). Equatin de la réactin H O (aq) H O (l) + O (g) Etat du système chimique Avancement n(h O ) (ml) n(h O) (ml) n(o ) (ml) Etat initial x = 0 n(h O ) 0 Etat en curs de transrmatin x n(h O ) x slvant x Etat inal x = x max n(h O ) x max x max

4 A l état inal, tut le perxyde d hydrgène a disparu : n(h O ) x max = 0. On en déduit puis n O xmax 0, 430 ml. n H O xmax 0, 430 ml 7. Calculer le titre en «vl» de la slutin. 1 L de slutin est capable de libérer 0,430 ml de dixygène, sit, à température ambiante (vlume mlaire V m = 4,0 L.ml 1 ), V O n O V m 0, 430 4,0 10,3 L Ceci dnne le titre de ntre eau xygénée : 10,3 vl. 8. Cmparer à la valeur indiquée par le abriquant et déterminer le purcentage d erreur. Cmmenter ce purcentage. Le titre btenu par titrage est supérieur au titre annncé sur la buteille cmmerciale ; nus relevns l erreur suivante, 10,310 % erreur 100 3,0% 10 Ce purcentage d erreur reste tut à ait cnvenable, mais nécessite que nus nus penchins sur les diérentes causes induisant sn existence. La dismutatin de H O (aq) devrait expliquer l btentin d un titre inérieur à celui annncé, puisque la slutin purrait alrs être mins cncentrée en H O (aq). La valeur btenue étant supérieure, ce critère ne peut pas être retenu cmme majeur ici. Le vlume mlaire des gaz est de V m = 4,0 L.ml 1 à 0 C, et la température de la salle était bien supérieure Visine de 7 C, sus une pressin atmsphérique P atm = hpa, le vlume mlaire y était de RT 8, Vm 4,5 L. ml P Cette valeur réelle de V m, supérieure à celle utilisée dans ns calculs, aurait dû impliquer une valeur du titre supérieure à celle indiquée par le abricant (près de 0,448 x 4,5 = 11 vl). Ceci n étant pas le cas, cette surce d erreur n est, elle nn plus, pas majeure. Reste enin l erreur expérimentale inhérente à tute manipulatin. Par exemple, il est évident que n étant pas les premiers à réaliser ce TP avec le matériel, et ayant nus aussi prbablement cmmis quelques erreurs systématiques, la valeur du titre btenue peut s écarter de la valeur indiquée par le abricant.

5 Pur vériier ses acquis : un exercice type L eau de Javel est un désinectant et un déclrant laissant des taches sur les vêtements teints. Elle dit sn nm au quartier de Paris ù se truvait le premier atelier de abricatin (il reste aujurd hui le Quai de Javel et une statin de métr). L eau de Javel est un mélange équimléculaire («cntenant les mêmes quantités de matière»), en milieu basique, de slutins de chlrure de sdium et d hypchlrite de sdium : sa rmule s écrit Na + (aq) + Cl (aq) + Na + (aq) + ClO (aq) En milieu acide, les ins hypchlrite ClO (aq) xydent les ins chlrure Cl (aq) pur dnner un dégagement dangereux 1 de gaz dichlre seln la réactin Cl (aq) + ClO (aq) + H + (aq) Cl (g) + H O(l) Cette réactin sert à caractériser une eau de Javel par le purcentage de chlre acti. Il est déini par la masse de dichlre libérée par 100 g d eau de Javel par la réactin ci-dessus. ur un berlingt d eau de Javel, n peut lire «Densité : 1,1» et «Purcentage de chlre acti (u titre chlrmétrique) : 9,6». On se prpse de vériier ce purcentage grâce à un dsage par titrage indirect. i Dilutin de la slutin cmmerciale Détailler le prtcle expérimental permettant de diluer dix is la slutin cmmerciale ain d btenir 50,0 ml de slutin ille. vir ci-dessus ii Réductin de la ttalité des ins hypchlrite On prélève V = 10,0 ml de slutin que l n place en excès d ins idure en lui incrprant 0,0 ml d idure de ptassium à la cncentratin en sluté apprté C KI = 0, ml.l 1 et 0 ml d acide acétique à 3 ml.l 1. a. Ecrire les demi-équatins électrniques relatives aux cuples cncernés ici, à savir ClO (aq)/cl (aq) et I (aq)/i (aq), puis l équatin de la réactin de réductin des ins hypchlrite ClO (aq). I (aq) = I (aq) + e ClO (aq) + H + (aq) + e = Cl (aq) + H O(l) ClO (aq) + H + (aq) + I (aq) = Cl (aq) + H O(l) + I (aq) b. Purqui a-t-n ajuté de l acide acétique? Purqui ne pas utiliser l acide sulurique? L acide acétique permet l intrductin d ins xnium H+(aq) nécessaires à la transrmatin, sans la perturber. En revanche, l acide acétique (présent dans le vinaigre) est mins rt que l acide sulurique, et permet de limiter les émanatins de dichlre par xydatin des ins Cl (aq) par les ins ClO (aq). c. Calculer la quantité de matière d ins idure I (aq) incrprés. n I C V 0, 0, ml 3 3 KI KI iii Dsage du diide rmé après réductin On titre le mélange réactinnel précédent à l aide d une slutin de thisulate de sdium (Na + (aq) + O 3 (aq)) de cncentratin C = 0,0 ml.l 1, en présence d empis d amidn. On nte V éq = 15,0 ml. a. Ecrire les demi-équatins électrniques relatives aux cuples cncernés ici, à savir I (aq)/i (aq) et 4 O 6 (aq)/ O 3 (aq), puis l équatin de la réactin dsage du diide I (aq) présent. I (aq) + e = I (aq) O 3 (aq) = 4 O 6 (aq) + e I (aq) + O 3 (aq) = I (aq) + 4 O 6 (aq) b. Faire le schéma annté du dsage. A qui sert l empis d amidn? Vir ci-dessus c. En déduire la quantité de matière n(i ) de diide présent dans le mélange réactinnel précédent. A l équivalence, nus avns la relatin n I n O c est-à-dire 3 1 Cette réactin justiie la précautin dmestique seln laquelle n ne mélange jamais deux détergents : si l un cntient de l eau de Javel et l autre de l acide, n peut prvquer le dégagement du gaz txique!

6 L applicatin numérique dnne n I n I C V éq 0, 015, , ml Dans la burette, la slutin titrante de thisulate de sdium ( Na + (aq) + O 3 (aq)), de cncentratin C = 0,0 ml.l -1. Dans l erlenmeyer, la slutin titrée cntenant le diide I (aq) dnt la présence est rendue plus visible (bleu) grâce à l empis d amidn. Agitateur magnétique et sn barreau aimanté. Une euille de papier blanc entre l agitateur et l erlenmeyer peut permettre de mieux distinguer la culeur du mélange réactinnel. iv Cnclusin La quantité de diide déterminée précédemment est issue de la réductin des ins hypchlrite ClO (aq) de l étape 5., mle à mle. On peut dnc en déduire que la quantité d ins ClO (aq) dans 10,0 ml de slutin est n ClO 1,5.10 ml 3 La cncentratin de s écrit dnc 1 1 ClO 100 n ClO 1,5.10 ml. L La slutin étant dix is plus diluée que la slutin cmmerciale, il vient 1 ClO 10 ClO 1,5 ml. L Ainsi, 1,0 L d eau de Javel cmmerciale renerme 1,5 ml d ins hypchlrite. Cmpte tenu de la densité de cette slutin, la masse de 1,0 L d eau de Javel cmmerciale est de 1,1 kg. La libératin de dichlre se aisant mle à mle à partir des ins hypchlrite, n peut btenir 1,5 ml de dichlre, c est-à-dire une masse mi ni M I 1,5 35,5 105 g Ainsi, 1,1 kg de slutin libère 105 g de dichlre ; pur 100 g de slutin, n btient une libératin de ,4 g 3 1,1.10 Le titre de l eau de Javel est dnc 9,4 ; il est légèrement inérieur (d envirn %) au titre annncé, ce qui peut tenir à l instabilité dans le temps (cnservatin) de la slutin d eau de Javel.