BTS CHIMISTE Session 2015 EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE. - Pratique expérimentale -

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1 BTS CHIMISTE Session 2015 EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE Durée : 6 heures Coef. : 7 Poste n : SUJET n 1 - Pratique expérimentale - DOSAGES D UNE EAU MINÉRALE D HÉPAR Fiche de choix (à rendre avec la copie) 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 1. Détermination de la dureté de l eau Indicateur coloré à utiliser Couleur avant l équivalence Couleur après l équivalence 2. Étalonnage de la solution d hydroxyde de sodium S 2 Citer deux étalons solides possibles pour cet étalonnage Proposer un indicateur coloré qui conviendrait pour ce dosage, en indiquant l étalon retenu. 3. Adoucissement de l eau et dosage de l ensemble des cations contenus dans l eau Donner la signification du pictogramme associé à une solution d acide chlorhydrique concentrée 1/11

2 4. Étalonnage de la solution d acide chlorhydrique S 4 Capteur à utiliser Nom de la méthode utilisée Proposer deux autres techniques permettant de réaliser ce dosage 5. Détermination du T.A. et du T.A.C. par ph-métrie. Appareil à utiliser Nature et rôle des électrodes 2/11

3 DOSAGES D UNE EAU MINÉRALE D HÉPAR La calculatrice fournie par le centre d examen est autorisée. On se propose de déterminer la dureté, le titre alcalimétrique, T.A. et le titre alcalimétrique complet, T.A.C. d une eau minérale. L étiquette de la bouteille d eau minérale utilisée donne les informations suivantes : Minéralisation caractéristique, en mg.l -1 : Hydrogénocarbonate HCO3 403 Magnésium Mg Sulfate 2 4 SO 1530 Nitrate NO3 4,3 Calcium Ca Sodium Na + 14,2 Pour les différents dosages, il sera notamment utilisé : une solution (S Y ) de sel disodique d EDTA : C Y = 4, mol.l -1, concentration exacte donnée par le centre d examen une solution (S 2 ) d hydroxyde de sodium : C 2 0,03 mol.l -1 une solution (S 4 ) d acide chlorhydrique : C 4 0,03 mol.l -1 une solution (E) étalon d acide chlorhydrique : C E = 5, mol.l -1, concentration exacte donnée par le centre d examen Données, à 25 C 1. Indicateurs colorés de complexométrie Indicateur Indicateur libre Indicateur complexé NET 2- (pour un ph voisin de 10) Bleu Rouge Indicateur de Patton et Reeder (ph >12) (noté IndPR 2- ) Bleu franc Rouge 2. Constantes de formation β de complexes Complexe CaY 2- MgY 2- MgNET MgIndPR CaNET CaIndPR lg β 10,7 8,6 7,0 instable 5,4 5,8 3. Zone de virage des indicateurs colorés Indicateur Zone de virage (en ph) Couleur de la forme acide Couleur de la forme basique Hélianthine 3,1-4,4 Rouge Jaune Vert de bromocrésol 4,0-5,6 Jaune Bleu Bleu de bromothymol 6,2-7,6 Jaune Bleu Phénolphtaléine 8,0-10,0 Incolore Rose 3/11

4 4. Constantes d acidité De l EDTA H 4 Y / H 3 Y : pk 1 = 2,1 H 3 Y / H 2 Y 2 : pk 2 = 2,7 H 2 Y 2 / HY 3 : pk 3 = 6,2 HY 3 / Y 4 : pk 4 = 10,3 De l ion hydrogénocarbonate CO 2, H 2 O / HCO : pk 1 = 6, HCO / CO : pk 2 = 10,3 5. Conductivités molaires limites à dilution infinie dans l eau Na + H 3 O + ½ Ca 2+ ½ Mg 2+ Cl - OH - ½ 2 SO λ 0 / ms.m 2.mol -1 5,1 35 6,0 5,3 7,6 20 8,0 6. Masses molaires H C O Na Mg Ca M / g.mol -1 1,00 12,0 16,0 23,0 24,3 40,1 7. Sécurité : 4 Solution Pictogrammes EDTA Document 1 : Dureté d une eau Les eaux naturelles contiennent de nombreux sels minéraux dissous, particulièrement des sels de calcium et de magnésium. La dureté totale d une eau, est aussi appelée titre hydrotimétrique (T.H). Elle est due à la présence des ions calcium Ca 2+ et magnésium Mg 2+. La dureté s exprime en France en degré français (symbole : f) 1 degré français correspond à 10-4 mol.l -1 d ions Ca 2+ et de Mg 2+. Plage de valeurs du titre hydrotimétrique TH ( f) 0 à 7 7 à à à 42 > 42 Eau très douce douce moyennement dure dure très dure Si la dureté d une eau est trop importante, elle est difficilement utilisable. En effet, lorsqu une eau est trop riche en sels de calcium et/ou magnésium, les légumes cuisent mal, les savons précipitent et l eau est impropre aux usages domestiques. Si l'eau est très douce, la pâte du pain devient collante et des phénomènes de corrosion se produisent sur des canalisations. 4/11

5 Document 2 : Titre alcalimétrique Pour déterminer la quantité d ions carbonate 2 CO 3 et/ou hydrogénocarbonate HCO3 contenus dans une eau minérale, on définit le titre alcalimétrique (T.A.) et le titre alcalimétrique complet (T.A.C.) par: Le titre alcalimétrique : T.A. d une eau est défini comme le volume en ml de monoacide fort, de concentration égale à 0,02 mol.l -1, nécessaire pour doser 100 ml de cette eau en présence de phénolphtaléine. Le titre alcalimétrique complet : T.A.C. d une eau est défini comme le volume en ml de monoacide fort, de concentration égale à 0,02 mol.l -1, nécessaire pour doser 100 ml de cette eau en présence de vert de bromocrésol. L unité du T.A. et du T.A.C. est aussi le degré français, noté f. 5/11

6 PLAN DE TRAVAIL : 1. Détermination de la dureté de l eau minérale (volumétrie). 2. Étalonnage de la solution d hydroxyde de sodium S 2 (volumétrie). 3. Dosage de l ensemble des cations contenus dans l eau minérale (résine échangeuse de cations et conductimétrie). 4. Étalonnage de la solution d acide chlorhydrique S 4 (conductimétrie). 5. Détermination du T.A.C et du T.A de l eau minérale (ph-métrie). MANIPULATIONS : Dans ce sujet, il a été fait le choix de ne pas donner les valeurs des volumes à prélever avec les chiffres significatifs appropriés. Il appartient au candidat d utiliser la verrerie adéquate pour tous les prélèvements à effectuer. 1. Détermination de la dureté totale de l eau minérale. (volumétrie) Le dosage est réalisé, à partir d une prise d essai E 1, par complexométrie, par la solution S Y d EDTA disodique en présence d un indicateur coloré. On réalisera deux essais concordants, soient V 1 et V 1 les volumes relevés aux équivalences. Q1- Écrire les équations des réactions mises en jeu dans ce dosage. Q2- Établir la relation permettant de calculer la concentration C 1 en ions magnésium et calcium dans l eau minérale. Représenter sur un schéma précis et soigneusement annoté (réactifs, dilution éventuelle, prise d essai E 1, verrerie, indicateur coloré, conditions de ph, volume à l équivalence attendu ) le dispositif permettant de doser par complexométrie les ions calcium et magnésium contenus dans l eau minérale. Appel n 1 : Appeler l examinateur pour lui présenter la proposition de protocole expérimental ou en cas de difficulté. Réaliser le dosage. Compléter la feuille de résultats. 2. Étalonnage de la solution d hydroxyde de sodium S 2. (volumétrie) L'étalonnage est effectué par pesées de l étalon fourni en présence d'un indicateur coloré. On réalisera deux essais concordants. V 2 et V 2 sont les volumes relevés aux équivalences. Q3- Écrire l équation de la réaction de dosage. Q4- Établir la formule littérale qui permet de calculer la concentration C 2 de la solution d'hydroxyde de sodium. Représenter sur un schéma le dispositif correspondant à cet étalonnage. Appel n 2 : Appeler l examinateur pour lui présenter la proposition de protocole expérimental ou en cas de difficulté. 6/11

7 Réaliser le dosage. Q5- Justifier qualitativement le choix de l'indicateur coloré. Compléter la feuille de résultats. 3. Dosage de l ensemble des cations contenus dans l eau. (résine échangeuse de cations et conductimétrie) Les cations contenus dans l eau minérale sont échangés lors du passage à travers une résine échangeuse de cations. Les ions H + libérés par la résine sont alors dosés, par conductimétrie, à l aide de la solution étalonnée d hydroxyde de sodium Préparation de la résine. On dispose d une résine échangeuse de cations, de type R SO, + 3 H, placée dans une burette. Le liquide surnageant est de l acide chlorhydrique à 2 mol.l -1 nécessaire pour la conservation de cette résine et sa régénération. Repérer le ph de l'eau distillée grâce à un papier ph. Faire s écouler le liquide surnageant sans assécher la résine. Rincer plusieurs fois la résine avec de l eau distillée. Vérifier le ph grâce à un papier ph. Q6- Indiquer le rôle des rinçages successifs à l eau distillée et expliquer pourquoi il faut les arrêter lorsque la valeur du ph est redevenue identique à celle de l eau distillée Échange d ions. Prélever E 3 = 10 ml d eau minérale et les faire passer à travers la résine échangeuse de cations avec un débit adapté. Recueillir l effluent dans un bécher de 500 ml sans assécher la résine. Laver deux fois la colonne avec chaque fois 25 ml d eau déminéralisée et recueillir les eaux de lavage dans le bécher, en respectant le même débit que précédemment. Vérifier sur les dernières gouttes d effluent de lavage que le ph est celui de l eau distillée, sinon procéder à un autre lavage. Laisser la résine immergée dans l eau. Elle sera ensuite régénérée par les techniciens. Q7- Indiquer le rôle des lavages successifs à l eau distillée et expliquer pourquoi il faut arrêter l élution lorsque la valeur du ph est redevenue identique à celle de l eau distillée. Q8- Écrire, pour chaque type de cations contenus dans l eau minérale (notés M + et M 2+ ), l équation traduisant les échanges qui ont lieu avec la résine notée + R SO3, H. Q9- En déduire la relation existant entre la quantité de matière n 3 des ions H + libérés par la résine et les quantités de matière de cations contenus dans la prise d essai E 3 d eau minérale. 7/11

8 3.3. Dosage conductimétrique de l effluent par la solution d hydroxyde de sodium S 2 étalonnée. Chauffer à ébullition douce l éluat pendant 5 min puis réaliser le dosage conductimétrique par la solution d hydroxyde de sodium S 2, en ajoutant le volume d eau nécessaire. Soit V 3 le volume relevé à l équivalence. Q10- Donner l équation de la réaction de dosage. Q11- Établir l expression liant les quantités de matière des cations contenus dans l eau minérale à la concentration C 2, de la solution d hydroxyde de sodium. En déduire la concentration C Na en ions sodium de l eau minérale. Appel n 3 : Appeler l examinateur pour lui présenter et commenter le résultat obtenu. Q12- Expliquer qualitativement l allure de la courbe de dosage obtenue. Compléter la feuille de résultats 4. Étalonnage de la solution d acide chlorhydrique S 4 On dispose d un conductimètre étalonné et d une solution étalon (E) d acide chlorhydrique dont la concentration exacte C E est donnée par le centre d examen. Réaliser une série de fioles de 50 ml : N de fiole i Volume de solution (E) / ml Volume de solution (S 4 ) /ml Eau distillée compléter à 50 ml Mesurer la conductivité σ i pour chaque solution (i = 1 à 5). Q13- Établir la relation permettant de calculer la concentration molaire C i en acide chlorhydrique provenant de la solution étalon (E) dans chaque fiole (i = 1 à 5). Q14- Montrer que σ i = a.c i + b. Expliciter a et b. Tracer le graphe σ i = f(c i ). Déterminer la concentration molaire C 4 de la solution S 4 d acide chlorhydrique en expliquant le raisonnement suivi. Appel n 4 : Appeler l examinateur pour expliquer le raisonnement suivi ou en cas de difficulté Compléter la feuille de résultats 8/11

9 5. Détermination du T.A.C et du T.A par ph-métrie. Le candidat pourra choisir pour ce dosage d utiliser un titrateur automatique équipé de S 4 Un logiciel de simulation peut être utilisé pour cette partie. Q15- Écrire l équation de la réaction mise en jeu dans ce dosage. Soit V 5 le volume relevé à l équivalence, E 5 le volume de la prise d essai et C 5 la concentration en ions hydrogénocarbonate dans l eau minérale. Q16- Établir la relation permettant de calculer la concentration C 5 en ions hydrogénocarbonate dans l eau minérale. Représenter sur un schéma (réactifs, dilution éventuelle, prise d essai E 5, verrerie, volume à l équivalence attendu) le dispositif permettant de doser par ph-métrie les ions hydrogénocarbonate dans l eau minérale. Appel n 5 : Appeler l examinateur pour lui présenter la proposition de protocole expérimental ou en cas de difficulté. Réaliser le dosage et tracer la courbe permettant de déterminer la valeur V 5 du volume relevé à l équivalence. Q17- En déduire le T.A.C et le T.A de l eau minérale. Compléter la feuille de résultats. Fin de l'énoncé 9/11

10 FEUILLE DE RÉSULTATS Poste n : 1. Détermination de la dureté totale de l eau minérale. (précision : 1 %) Essai (si nécessaire) E 1 /ml V 1 / ml C 1 / mol.l -1 Vérification de la concordance : Concentration retenue : C 1 = ( ± ) Dureté de l eau minérale : 2. Étalonnage de la solution d hydroxyde de sodium (S 2 ) (Précision : 0,5 %) Essai (si nécessaire) m / g V 2 / ml C 2 / mol.l -1 Vérification de la concordance : Concentration retenue : C 2 = ( ± ) 3. Dosage de l ensemble des cations contenus dans l eau. (précision : 4 %) Volume relevé à l équivalence V 3 = Quantité de matière : n 3 = ( ± ) 10/11

11 4. Étalonnage de la solution d acide chlorhydrique S 4. (précision : 3 %) Solution (i) C i / mmol.l -1 σ i / ms.cm -1 Concentration retenue : C 4 = ( ± ) 5. Détermination du T.A.C et du T.A par ph-métrie (Précision : 1,5 %) Valeur de la prise d essai E 5 = Volume relevé à l équivalence V 5 = Concentration retenue : C 5 = ( ± ) T.A. = T.A.C = 11/11