ph d'une solution aqueuse TP C I.1 Préparation de solutions Mesure de ph Réaction d'un acide avec l'eau Préliminaires théoriques

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1 ph d'une solution aqueuse TP C I.1 L'objectif de ce TP est de préparer diérentes solutions d'acide, d'en mesurer le ph an d'étudier l'inuence de la concentration et de la nature de l'acide sur sa réaction avec l'eau. Préliminaires théoriques Déf. : On dénit le ph d'une solution en fonction de la concentration en ions oxonium H 3 O + (aq) présents dans la solution : ph = log[h 3 O + (aq)], ce qui est équivalent à [H 3 O + (aq)] = 10 ph. Déf. : Un acide de Brønsted est une espèce chimique capable de céder un proton H +. Déf. : Une base de Brønsted est une espèce chimique capable de capter un proton H +. Déf. : L'acide AH et la base A sont conjugués si ils sont liés par la demi-équation acido-basique AH = A + H +. Ils forment alors le couple acide/base AH/A. Déf : Une réaction acido-basique est un transfert de protons entre un acide et une base de deux couples diérents. I Préparation de solutions On dispose d'une solution d'acide éthanoïque (de formule CH 3 COOH) et d'une solution de chlorure d'hydrogène, ou acide chlorhydrique. Ces deux solutions sont de même concentration en soluté apporté c 1 = 0, 10 mol.l 1. a. Proposer un mode opératoire chiré et justié pour obtenir V = 100, 0 ml de solutions de concentration égale à c 2 = 1, mol.l 1. b. Donner sans justication les modications à apporter à ce protocole pour préparer des solutions de concentration c 3 = 5, mol.l 1, c 4 = 2, mol.l 1 et c 5 = 1, mol.l 1. II Le travail est réparti sur l'ensemble du groupe pour préparer toutes ces solutions. Mesure de ph 1 Étalonnage du phmètre 1 Régler la température du ph-mètre. 2 Calibrer le phmètre en utilisant la solution tampon à ph = 7, puis celle à ph = 4. 2 Mesures III Mesurer le ph de chacune des solutions préparées. Réaction d'un acide avec l'eau 1 Équation de réaction a. L'eau est une base de Brønsted. Écrire la demi-équation correspondante, ainsi que le couple acide/base auquel elle participe en tant que base. b. Écrire l'équation de la réaction de l'acide AH avec l'eau. 2 Hypothèse de réaction totale a. Avec un tableau d'avancement, déterminer la concentration nale théorique en ions oxonium notée [H 3 O + ] max lors de la réaction d'un acide AH de concentration c avec l'eau. b. Quelle relation y aurait-il entre ph et concentration en soluté apporté c de la solution? c. Calculer le ph théorique de chacune des solutions. 3 Valeurs expérimentales a. Le ph mesuré des solutions est-il le ph prédit? b. Un acide fort est un acide dont la réaction avec l'eau est totale. L'acide éthanoïque et le chlorure d'hydrogène sont-ils des acides forts?

2 Constante d'acidité d'un couple acide-base TP CI.2 Chaque couple acide faible/base faible est caractérisé par une constante d'acidité notée Ka. On associe à cette valeur un pka tel que pka = log Ka. On dispose d'une solution d'acide éthanoïque, notée A et d'une solution d'éthanoate de sodium notée B, toutes deux de concentration 1, mol.l 1. 1 Préparer les mélanges du tableau suivant en homogénéisant. 2 Mesurer le ph de chaque mélange. Volume V A de solution A (ml) 5, Volume V B de solution B (ml) ,0 ph log [CH 3COO ] a. Écrire le couple acide-base, ainsi que la demi-équation à laquelle participent les solutés des solutions A et B. b. En supposant que les quantités de matière d'acide éthanoïque et d'ion éthanoate ne changent pas lors du mélange, montrer que [CH 3COO ] = V B. V A c. Tracer le ph en fonction de log [CH 3COO ]. d. Montrer que le graphe est en accord avec la relation ph = pka + log [CH 3COO ] et déterminer le pka du couple acide éthanoïque/ion éthanoate. e. Calculer la valeur de la constante d'acidité Ka du couple. T S Constante d'acidité d'un couple acide-base TP CI.2 Chaque couple acide faible/base faible est caractérisé par une constante d'acidité notée Ka. On associe à cette valeur un pka tel que pka = log Ka. On dispose d'une solution d'acide éthanoïque, notée A et d'une solution d'éthanoate de sodium notée B, toutes deux de concentration 1, mol.l 1. 1 Préparer les mélanges du tableau suivant en homogénéisant. 2 Mesurer le ph de chaque mélange. Volume V A de solution A (ml) 5, Volume V B de solution B (ml) ,0 ph log [CH 3COO ] a. Écrire le couple acide-base, ainsi que la demi-équation à laquelle participent les solutés des solutions A et B. b. En supposant que les quantités de matière d'acide éthanoïque et d'ion éthanoate ne changent pas lors du mélange, montrer que [CH 3COO ] = V B. V A c. Tracer le ph en fonction de log [CH 3COO ]. d. Montrer que le graphe est en accord avec la relation ph = pka + log [CH 3COO ] et déterminer le pka du couple acide éthanoïque/ion éthanoate. e. Calculer la valeur de la constante d'acidité Ka du couple. matériel au bureau acon sol acide éthanoïque 0,01 M qsp 400 ml par binôme acon sol éthanoate de sodium 0,01 M qsp 300 ml par binôme par binôme acon acide chlorhydrique 0,01 M qsp 60 ml par binôme 2EG10 2EG50 2B250 (ou 2vàp) 2B150 4B50 2FJ100 2PJ10 2 barreaux aimantés 1 agitateur magn phmètre+sonde+sol étalon eau dist poubelle

3 Un indicateur coloré : le bleu de bromothymol Le bleu de bromothymol (ou BBT) est une molécule organique dont la formule topologique est donnée ci-après. TP CI.3 Il est l'acide d'un couple acide/base que nous noterons par la suite IndH/Ind. Les formes IndH et Ind ont des couleurs en solution aqueuse diérentes. I Préparation de solutions On dispose d'une solution de BBT de concentration c 0 = 1, mol.l 1. Selon les binômes, préparer les solutions suivantes : Binômes près des fenêtres : 1 Dans une ole jaugée de 250 ml, introduire 10, 0 ml mesurés à la pipette jaugée de la solution de BBT. 2 Ajouter 25, 0 ml d'une solution d'acide phosphorique de concentration c A = 0, 010 mol.l 1. 3 Compléter avec de l'eau distillée. La solution obtenue est notée A. Binômes près du couloir : 1 Dans une ole jaugée de 250 ml, introduire 10, 0 ml mesurés à la pipette jaugée de la solution de BBT. 2 Ajouter 25, 0 ml d'une solution d'hydroxyde de sodium de concentration c B = 0, 010 mol.l 1. 3 Compléter avec de l'eau distillée. La solution obtenue est notée B. 1. Quelle est la teinte de A? Quelle est la forme prédominante du couple IndH/Ind dans cette solution? 2. Mêmes questions pour B. 3. Déterminer les concentrations en soluté apporté c de BBT dans les solutions A et B. À partir de A et de B, selon les binômes, préparer les solutions ci-dessous : Binômes près des fenêtres : 4 Remplir la burette avec de la solution B du binôme qui se trouve au même rang que vous. 5 Placer environ 25 ml de la solution A mesurés à l'éprouvette dans un bécher. Le mettre sous agitation magnétique. 6 Faire couler lentement de la solution B contenue dans la burette jusqu'à atteindre le ph indiqué par le professeur. Binômes près du couloir : 4 Remplir la burette avec de la solution A du binôme qui se trouve au même rang que vous. 5 Placer environ 25 ml de la solution B mesurés à l'éprouvette dans un bécher. Le mettre sous agitation magnétique. 6 Faire couler lentement de la solution A contenue dans la burette jusqu'à atteindre le ph indiqué par le professeur. 4. Montrer qu'au cours du mélange d'un volume V B de solution B et d'un volume V A de solution A, la concentration en soluté apporté c n'est pas modiée. 5. Écrire la relation entre c, [IndH] et [Ind ]. II Étude spectrophotométrique On souhaite pouvoir mesurer la concentration de IndH et/ou de Ind dans chaque solution préparée. Pour cela, on choisit d'utiliser la spectrophotométrie. On trace expérimentalement les spectres d'absorption de A et B. 1. Recopier l'allure des deux spectres sur un même graphe. 2. À quelle longueur d'onde doit-on se placer pour que l'absorbance des solutions soit exclusivement due à IndH ou à Ind? Quelle est l'espèce alors responsable de l'absorption? 3. Rappeler la loi de Beer-Lambert, en l'appliquant au cas présent.

4 4. En négligeant [IndH] dans la solution B par rapport à [Ind ], trouver une relation entre l'absorbance A B de la solution B et c. 5. Pour un ph quelconque, écrire la relation entre l'absorbance A et [Ind ]. III Diagramme de distribution du BBT On note p B le pourcentage molaire de la forme basique de l'indicateur coloré et p A celui de la forme acide : p B = [Ind ] c et p A = [IndH] c 1. En utilisant les résultats précédents, déterminer p B pour chaque solution. En déduire p A. 2. Tracer les courbes représentant p B et p A en fonction du ph sur un même graphe. 3. On appelle zone de virage la zone de changement de teinte de l'indicateur coloré. On considère qu'une forme est dicile à distinguer dans un mélange lorsque son pourcentage molaire est inférieur à 10%. Déterminer la zone de virage du BBT. 4. Quelle est la valeur du ph lorsque p A = p B? Que représente-t-elle pour le couple IndH/Ind.

5 Chimie I.2 Principe du titrage Préparation TP CI.5 On se propose de vérier expérimentalement l'indication portée sur une étiquette d'un déboucheur de canalisation : hydroxyde de sodium : 19% en masse. Cette expérience se nomme dosage. I Principe du titrage 1. D'après l'étiquette, a. sachant que la masse volumique du déboucheur est de ρ = 1, 2 kg.l 1, calculer la masse d'hydroxyde de sodium NaOH dissoute dans un litre de solution (déboucheur). b. en déduire la concentration molaire c B de la solution. On prélève V 1 = 10, 0 ml de cette solution, qu'on introduit dans un erlenmeyer. 2. Quelle est la quantité de matière d'ions hydroxyde contenue dans ce prélèvement? Le titrage consiste à faire réagir les ions hydroxyde avec des ions oxonium contenus dans une solution d'acide chlorhydrique. 3. Écrire l'équation de la réaction susceptible de se produire entre ces deux ions. La solution de chlorure d'hydrogène a une concentration de c A = 5, 0 mol.l 1. Grâce à une burette, on l'ajoute millilitre par millilitre dans l'erlenmeyer contenant le déboucheur. 4. Compléter numériquement et littéralement le tableau d'avancement ci-dessous après l'ajout de V A = 1, 0 ml d'acide chlorhydrique. V A = 1, 0 ml 5. Compléter numériquement les autres tableaux d'avancement ci-dessous. Quel est le réactif limitant? V A = 2, 0 ml V A = 5, 0 ml V A = 10, 0 ml 6. Tracer la courbe donnant la quantité de matière n HO f des ions hydroxyde à l'état nal en fonction de V A grâce aux points obtenus ci-dessus. 7. Poursuivre cette courbe jusqu'au point où n HO f prend une valeur particulière. Le volume d'acide versé est alors appelé volume équivalent, et noté V éq. Que vaut-il?

6 8. Compléter littéralement le tableau d'avancement de la réaction pour V A = V éq. Qu'y a-t-il de particulier à l'état nal? V A = V éq 9. Quelles seront à l'état nal les quantités de matière des ions oxonium et des ions hydroxyde si on ajoute V éq + 1, 0 ml d'acide chlorhydrique? V éq + 5, 0 ml? Quel est alors le réactif limitant de la réaction écrite au 3.? 10. Ajouter sur la courbe obtenue au 6. la représentation de la quantité de matière n H3O + f à l'état nal en fonction de V A. 11. Finalement, quelle formule relie la concentration de la solution d'hydroxyde de sodium au volume équivalent V éq? II Dosage phmétrique On peut réaliser un suivi du titrage par phmétrie. 1. Si V A < V éq, quelles sont les espèces chimiques présentes dans le système? Que peut-on en déduire concernant son ph? 2. Mêmes questions si V A > V éq. III Dosage conductimétrique On peut aussi utiliser un suivi conductimétrique. Pour faciliter cette opération, on ajoute V 2 = 100 ml d'eau dans l'erlenmeyer. Le volume d'acide chlorhydrique versé devient ainsi négligeable devant le volume de la solution, et on peut considérer que le volume de la solution reste constant, d'une valeur V = V 1 + V 2 = 110 ml. 1. Si V A < V éq a. Faire la liste des ions présents dans la solution à l'état nal quand V A < V éq. b. Exprimer leurs concentrations en fonction de V A. c. Donner l'expression de la conductivité σ de la solution en fonction de V A. La tracer pour les mêmes valeurs de V A que dans la première partie. 2. Si V A > V éq a. Faire la liste des ions présents dans la solution à l'état nal quand V A > V éq. b. Exprimer leurs concentrations en fonction de V A. c. Donner l'expression de la conductivité σ de la solution en fonction de V A. La tracer pour les mêmes valeurs de V A que dans la première partie.