BTS CHIMISTE Session 2013 EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE. - Pratique expérimentale -

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1 BTS CHIMISTE Session 2013 Durée : 6 heures Coef. : 7 EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE SUJET n 2 - Pratique expérimentale - DOSAGE DE L AZOTE MINÉRAL DANS UNE EAU POLLUÉE Interrogation préliminaire (à rendre) Après avoir lu le texte du sujet, répondre aux questions suivantes (durée maximale 30 min). La calculatrice est interdite pour cette partie. Le matériel convenable ne sera délivré qu après remise de cette feuille de choix Nom, prénom : Poste n : 1. Étalonnage de la solution de sulfate de cérium(iv) par potentiométrie à intensité non nulle. Préciser la nature de la grandeur mesurée :.. Indiquer le rôle et la nature des électrodes utilisées : Électrode n nature rôle 1 2 Le dosage pourrait être réalisé en présence de ferroïne : quelle serait alors la couleur de la solution? Avant l équivalence Couleur de la solution Après l équivalence 1/11

2 2. Dosage des ions nitrite NO 2 de la solution (S) par potentiométrie à intensité nulle. Préciser la nature de la grandeur mesurée :.. Indiquer le rôle et la nature des électrodes utilisées : Électrode n nature rôle 1 2 Le dosage pourrait être réalisé en présence de ferroïne : quelle serait alors la couleur de la solution? Avant l équivalence Couleur de la solution Après l équivalence 3. Dosage des ions nitrate NO 3 de la solution (S) par spectrophotométrie d absorption moléculaire. Indiquer la composition de la solution qui permet de régler le zéro du spectrophotomètre :. Préciser le nom de la méthode employée (ajouts dosés ou gamme d étalonnage).. 4. Étalonnage de la solution d hydroxyde de sodium (C OH 0,1 mol.l -1 ). Choix de l indicateur coloré :. Indiquer quel(s) autre(s) solide(s) aurai(en)t pu être utilisé(s) pour cet étalonnage. On demande d entourer la/les réponse(s) correcte(s) : Chlorure de sodium Hydrogénodiiodate de potassium Hydrogénocarbonate de sodium Hydrogénophtalate de potassium Sel de Mohr 5. Dosage des ions ammonium présents dans la solution (S) par conductimétrie. Indiquer le matériel nécessaire pour effectuer ce dosage Préciser la nature de la grandeur mesurée :.. 2/11

3 DOSAGE DE L AZOTE MINÉRAL DANS UNE EAU POLLUÉE Une eau polluée peut contenir des ions nitrate, nitrite et ammonium : Les ions ammonium sont lentement oxydés en ions nitrite et nitrate et ces derniers sont notamment responsables de la prolifération des algues vertes sur le littoral. On se propose ici de doser ces trois espèces dans une solution (S) contenant des ions nitrate (environ mol.l -1 ), nitrite (environ mol.l -1 ) et ammonium (environ mol.l -1 ). Plan de travail : Dosage en retour des ions nitrite, en présence d un excès d ions cérium(iv) à l aide d une solution de sel de Mohr. La solution d ions cérium(iv) est étalonnée préalablement par potentiométrie à intensité non nulle. Dosage des ions nitrate, réduits sur colonne réductrice en ions nitrite, par spectrophotométrie d absorption moléculaire. Dosage des ions ammonium par conductimétrie à l aide d une solution d hydroxyde de sodium préalablement étalonnée. Dans ce sujet, il a été pris le parti de ne jamais donner les valeurs des volumes à prélever avec les chiffres significatifs correspondant à la précision souhaitée pour réaliser les dosages dans des conditions optimales. Il appartient au candidat, après réflexion, d utiliser la verrerie adéquate pour tous les prélèvements à effectuer. L utilisation de toute verrerie à mauvais escient sera sanctionnée. Données (à 25 C) : Masses molaires : Sel de Mohr FeSO 4, (NH 4 ) 2 SO 4, 6 H 2 O M 1 = 392,14 g.mol -1 Nitrate - NO 3 M 2 = 62,01 g.mol -1 Azote N M 3 = 14,01 g.mol -1 Acide oxalique H 2 C 2 O 4,2H 2 O M 4 = 126,07 g.mol -1 pka de quelques acides : pka 1 pka 2 pka 3 Acide iodique HIO 3 0,8 (*) Acide benzoïque C 6 H 5 CO 2 H 4,2 Acide carbonique CO 2 6,4 10,3 Acide chromique H 2 CrO 4 0,7 6,5 Acide oxalique H 2 C 2 O 4 1,2 4,2 Acide phtalique HOOCC 6 H 4 COOH 2,9 5,5 Acide borique H 3 BO 3 9,1 + Ion ammonium NH 4 9,2 (*) : on pourra considérer HIO 3 comme un acide fort. 3/11

4 Zones de virage d indicateurs colorés acido-basiques Indicateur Couleurs zone de virage (en ph) forme acide forme basique Hélianthine rouge jaune 3,1 4,4 Bleu de bromothymol jaune bleu 6,0 7,6 Phénolphtaléine incolore rose vif 8,0 9,9 Rouge de méthyle rouge jaune 4,2 6,2 Potentiels standard Cd 2+ (aq) /Cd(s) : E 1 = 0,40 V Fe 3+ (aq) / Fe 2+ (aq) : 2 Ce 4+ (aq) / Ce 3+ (aq) : 3 E = 0,68 V (en milieu sulfurique) E = 1,44 V NO 3 (aq) / NO 2 (aq) : E 4 = 0,84 V Ferroïne (orthophénanthroline ferreuse), forme oxydée (bleue) / forme réduite (rouge) : Données relatives à la sécurité : 5 E = 1,06 V Acide sulfurique dilué au 1/2 Solution de sulfate de cérium(iv) à environ 0,05 mol.l -1 Acide oxalique Solution d hydroxyde de sodium à environ 0,1 mol.l -1 Réactif de diazotation utilisé en spectrophotométrie : Sulfanilamide, N-naphtyl-1-éthylènediamine dichlorhydrate, acide phosphorique. 4/11

5 MANIPULATIONS 1. Étalonnage de la solution de sulfate de cérium(iv) (C Ce 0,05 mol.l -1 ) par potentiométrie à intensité non nulle. L'étalonnage est effectué par pesée de sel de Mohr : peser précisément une masse m 1 nécessaire de solide et dissoudre cette masse dans un bécher ; ajouter 10 ml d acide sulfurique dilué au demi. L intensité du courant imposé est donnée par le centre d examen. Doser par la solution d ions cérium(iv). i = 5 µa Tracer la courbe permettant de déterminer l équivalence ; soit V 1 le volume obtenu à l équivalence. Q1 - Écrire l équation de la réaction de dosage. Q2 - Calculer l ordre de grandeur de la masse m 1 à peser pour obtenir un volume à l équivalence d environ 10 ml. Q3 - Établir l expression de la concentration molaire C Ce en ions cérium(iv) de la solution en fonction des données de l énoncé. Q4 - À l aide du faisceau de courbes intensité-potentiel donné en annexe, page 8/10, justifier l'allure de la courbe de dosage après avoir complété les cases vides. Joindre cette annexe à la copie. Remplir la feuille de résultats. 2. Dosage des ions nitrite NO 2 de la solution (S) par potentiométrie à courant nul. Dans un bécher introduire dans cet ordre : une prise d essai E 2 = 20 ml de solution d ions cérium(iv) ; 10 ml de solution d acide sulfurique dilué au demi ; une prise d essai E S = 20 ml de la solution (S) ; attendre 5 minutes. Doser par la solution de sel de Mohr de concentration molaire exacte C FE indiquée par le centre d examen : soit V 2 le volume à l équivalence. Le candidat pourra choisir pour ce dosage d utiliser un titrateur automatique. Q5 - Ecrire les équations des réactions mises en jeu. Q6 - Établir l expression de la concentration molaire en ions nitrite, C NO2, dans la solution (S), en fonction des grandeurs utiles. Remplir la feuille de résultats. 5/11

6 3. Dosage des ions nitrate NO 3 de la solution (S) par spectrophotométrie d absorption moléculaire. Principe : On a préparé une solution (S ) en introduisant 1,0 ml de solution (S) dans une fiole de 250 ml et en complétant à l aide d une solution de chlorure d ammonium tamponnée à ph 8,5. Par passage dans une colonne réductrice contenant du cadmium, les ions nitrate de la solution (S ) sont réduits en ions nitrite : l éluat (E) obtenu est fourni par le centre d examen. Les ions nitrite forment avec le réactif (R) un composé coloré qui permet le dosage par spectrophotométrie d absorption moléculaire. Réalisation de la gamme : On dispose d une solution étalon en ions nitrite : C Et = 1, mol.l -1. Préparer la gamme étalon suivante, en fioles de volume V f = 50,0 ml : Numéro de la fiole Volume de solution étalon V Et / ml Volume de réactif R / ml Compléter chaque fiole avec de l eau déminéralisée et attendre 10 min. Réaliser ensuite deux essais : Introduire, dans deux fioles (F 1 ) et (F 2 ) de 50,0 ml, des volumes V 1 = 5 ml et V 2 = 10 ml de l éluat (E) fourni. Ajouter 2 ml du réactif R et compléter avec de l eau distillée. La mesure de E E l absorbance sera réalisée après avoir laissé reposer les fioles pendant 10 min. Soient C 1 et C 2 les concentrations en ions nitrite dans l éluat (E) déduites des mesures réalisées sur les fioles (F 1 ) et (F 2 ). Mesures : Mesurer les absorbances des solutions à la longueur d onde de 545 nm. Q7 - Écrire l équation de réduction des ions nitrate par passage au travers de la colonne. Q8 - Indiquer, en justifiant la réponse, si la loi de Beer-Lambert est ici vérifiée. Q9 - Justifier le choix de la longueur d onde de travail. Q10 - Détailler le calcul de la concentration molaire en ions nitrite introduits dans l une des fioles de la gamme. Q11 - Déterminer la concentration molaire C NO3 en ions nitrate dans la solution (S). Remplir la feuille de résultats. 6/11

7 4. Étalonnage de la solution d hydroxyde de sodium (C OH 0,1 mol.l -1 ). Cet étalonnage est effectué par pesées d acide oxalique. Dans un erlenmeyer, placer : une masse m 4 d acide oxalique, pesée avec précision, d environ m 0,1 g ; de l eau déminéralisée pour dissoudre le solide ; l indicateur coloré convenable. Doser par la solution d hydroxyde de sodium jusqu au virage de l indicateur. Soit V 4 le volume obtenu à l équivalence. Réaliser deux essais concordants, en considérant la précision du dosage égale à 0,5 %. Q12 Écrire l équation de la réaction du dosage. Q13 Justifier le choix de l indicateur coloré. Q14 Exprimer C OH, concentration molaire en ions hydroxyde en fonction des grandeurs utiles. Q15 Justifier la concordance de vos résultats. Remplir la feuille de résultats. 5. Dosage des ions ammonium présents dans la solution (S) par conductimétrie. Introduire dans un grand bécher une prise d'essai E 5 = 20 ml de la solution (S) ainsi qu un volume d eau de 300 ml. Doser par la solution étalonnée d hydroxyde de sodium de concentration C OH. Tracer la courbe permettant de déterminer l équivalence : soit V 5 le volume relevé à l équivalence. Q16 Écrire l équation de la réaction de dosage. Q17 Aurait-il été possible de doser avec précision les ions ammonium par ph-métrie? Justifier soigneusement. Q18 Donner l expression de C NH4, concentration molaire en ions ammonium en fonction des grandeurs utiles. 6. Conclusion. Q19 De l étude, déduire la concentration massique c m (N) en élément azote dans cette eau polluée. 7/11

8 ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE Faisceau des courbes intensité-potentiel obtenues lors du dosage d une solution acidifiée d ions fer(ii) par une solution d ions cérium(iv) I / µa H 2 O O 2 H 2 H 2 O avec X = V/V éq 8/11

9 Spectre d absorption obtenu pour l une des solutions de la gamme de la partie 3- Absorbance Longueur d onde λ 9/11

10 FEUILLE DE RESULTATS 1. Étalonnage de la solution de sulfate de cérium(iv) par potentiométrie à intensité non nulle à 1 % : Masse pesée de sel de Mohr : m 1 = Volume relevé à l équivalence : V 1 = C Ce = ( ± ) - 2. Dosage des ions nitrite NO 2 1,5 % : de la solution (S) par potentiométrie à intensité nulle à Volume relevé à l équivalence : V 2 = C NO2 = ( ± ) 3. Dosage des ions nitrate NO 3 - de la solution (S) par spectrophotométrie d absorption moléculaire à 3 % : Numéro de la fiole Concentration molaire en ions nitrite introduits par la solution étalon dans la n ième fiole C n / mol.l -1 Absorbance Absorbance relevée pour la fiole (F i ), A i (i = 1 ou 2) NO2 i Concentration C en ions nitrite dans la fiole (F i ) / mol.l -1 E Concentration C i en ions nitrite dans l éluat / mol.l -1 Essai 1 Essai 2 Concentration en ions nitrite dans l éluat, à 2 % : E CNO 2 = ( ± ) Concentration en ions nitrate dans (S), à 3 % : C NO3 = ( ± ) 10/11

11 4. Étalonnage de la solution d hydroxyde de sodium à 0,5 % : Essai n Masse pesée m 4 / g Volume relevé à l équivalence V 4 / ml Concentration molaire calculée C OH 1 2 C OH = ( ± ) 5. Dosage des ions ammonium présents dans la solution (S) par conductimétrie à 1,5 %. Volume relevé à l équivalence : V 5 = C NH4 = ( ± ) 6. Conclusion : indiquer la concentration massique à 3 % : C m (N) = ( ± ) 11/11