Gabriel Scherer TS3 DÉTERMINATION PAR SPECTROPHOTOMÉTRIE DES DOMAINES DE PRÉDOMINANCE D'ESPÈCES ACIDES ET BASIQUES EN SOLUTION

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1 Gabriel Scherer TS3 DÉTERMINATION PAR SPECTROPHOTOMÉTRIE DES DOMAINES DE PRÉDOMINANCE D'ESPÈCES ACIDES ET BASIQUES EN SOLUTION

2 Nous allons, au cours de ce TP, tenter de : comprendre le mode de fonctionnement d un indicateur coloré, déterminer pas spectrophotométrie le diagramme de distribution des formes acide, notée HIn, et basique, notée In, du bleu de bromothymol en fonction du ph, déduire le domaine de prédominance de ces espèces en fonction du ph, déduire le pka et la constante d acidité Ka du couple acide/base associé à cet indicateur coloré. Caractéristiques du bleu de bromothymol. Le bleu de bromothymol est en fait un diacide H 2 In/In 2 : Mais pour simplifier nous considérerons le bleu de bromothymol comme un monoacide HIn/In. A partir de la représentation topologique du bleu de bromothymol présentée ci dessus, on peut déterminer sa formule brute et sa masse molaire moléculaire : Formule brute : C 27 H 28 Br 2 O 5 S Masse molaire moléculaire : M = 624,4g/mol TPC6.odt 2/14

3 Recherche des longueurs d onde correspondant au maximum d absorption pour chacune des formes. On prépare deux béchers A et B contenant : Bécher A : 10 ml de solution (Sa) d acide chlorhydrique de concentration molaire volumique Ca = 0,10 mol/l, volume que l on mesurera avec une éprouvette graduée sur pied, Bécher B : 10 ml de solution (Sb) d hydroxyde de sodium de concentration molaire volumique Cb = 0,10 mol/l, volume que l on mesurera avec une éprouvette graduée sur pied. On ajoute ensuite dans chaque bécher 1 ml de solution S de bleu de bromothymol de concentration molaire volumique Cs = 3, mol/l en utilisant une burette graduée de 10mL. On agite ensuite chaque mélange. La couleur de la solution dans le bécher A est orange, alors qu elle est bleue dans le bécher B. On en déduit donc que la teinte de l espèce chimique HIn est orange et que la teinte de l espèce chimique In est bleue, puisque l on sait que la forme acide est prépondérante en milieu acide et que la forme basique est prépondérante en milieu basique. On prépare 3 cuves contenant : Cuve 0 : de l eau distillée, Cuve A : de la solution du bécher A, Cuve B : de la solution du bécher B. On mesure l absorbance des différentes solutions en faisant varier la longueur d onde λ de 20 en 20 nm. On règle avant chaque nouvelle longueur d onde le zéro, de manière à retrancher l absorbance de l eau. Une fois ces mesures faites, on affine autour des maxima de manière à avoir des données plus précises. TPC6.odt 3/14

4 On reporte les mesures dans le tableau ci dessous : λ (nm) AA AB 380 0,071 0, ,092 0, ,11 0, ,114 0, ,115 0, ,113 0, ,112 0, ,096 0, ,069 0, ,045 0, ,025 0, ,013 0, ,008 0, ,006 0, ,005 0, ,005 1, ,005 1, ,004 1, ,004 1, ,004 1, ,004 1, ,004 0, ,004 0, ,004 0, ,004 0, ,004 0, ,003 0, ,003 0, ,003 0, ,003 0,005 On reporte ensuite sur un graphe les différentes courbes A(A) = f( λ ) et A(B) = g( λ) à l aide du logiciel Regressi. TPC6.odt 4/14

5 Courbes : On peut donc à l aide de ces courbes déterminer la longueur d onde du maximum d absorption λ max pour chacune de ces solutions : Solution A B λ max (nm) Si l on désire étudier l absorbance d une seule de ces deux solutions, on choisira évidemment la solution B car, son maximum d absorption étant plus haut, les mesures seront plus faciles et plus précises. Détermination de [HIn] et de [In ] en fonction du ph. Principe de la démarche Pour déterminer le domaine de prédominance des formes acide et basique du bleu de bromothymol, il faut disposer de solutions de cet indicateur dans lesquelles les quantités en forme acide et basique sont variables, à concentration molaire apportée c constante en indicateur. Une série de solution S i de ph croissant est préparé à l aide de solution de soude et d une quantité constante de solution (S BR ) de «Britton Robinson». Cette solution a une composition telle que son ph varie linéairement avec la quantité d ions hydroxyde HO apportés (pour préparer un litre de solution (S BR ) on verse, dans une fiole jaugé de 1000 ml, 125 ml d acide borique de concentration molaire volumique 0,1 mol/l, 12,5mL d acide acétique de TPC6.odt 5/14

6 concentration molaire volumique 1,00mol/L et 12,5mL d acide phosphorique de concentration molaire volumique 1,00mol/L.). TPC6.odt 6/14

7 On ajoute ensuite, à un volume V constant de chaque solution ainsi préparée, un volume constant d indicateur coloré. Enfin on mesure le ph de chaque solution S i obtenue, et l absorbance de la forme basique In. Préparation des solutions S i. On écrit sur onze béchers de 50mL le numéro i correspondant à la solution préparée. On remplit une première burette avec la solution de Britton Robinson. On remplit ensuite une seconde burette avec une solution d hydroxyde de sodium de concentration molaire volumique Cb = 1, mol/l. On prend le bécher numéroté i, on y verse un volume V = 20mL de solution de Britton Robinson, et l on ajoute ensuite à cette solution un volume V i d hydroxyde de sodium selon les indications du tableau ci après : Solution S'i Vi (ml) 1 4,00 2 4,50 3 5,00 4 5,50 5 6,00 6 6,50 7 7,00 8 7,50 9 8, , ,00 Préparation des solutions S i. On écrit sur onze béchers de 50mL le numéro de la solution S i préparée. A l aide d une pipette jaugée on prélève 20mL de la solution S i et on la verse dans le bécher numéroté i. Dans chaque bécher i on ajoute 2,00mL de solution de bleu de bromothymol prélevé à la pipette. TPC6.odt 7/14

8 Observation de la coloration et choix de la longueur d onde λ pour la mesure de l absorbance A. On remarque que les solutions ont pris des teintes bleutées de plus en plus fortes. On étudiera donc l absorbance de ces solutions en se plaçant au maximum d absorption λ max de la solution B précédemment étudiée, c'est àdire pour λ = 615. Schéma des onze béchers : Mesures. On étalonne le ph mètre avec les solutions tampons de ph = 7 et ph = 4 pour les solutions S i de ph 7, et avec les solutions tampons à ph = 7 et ph = 9 pour les solutions S i de ph > 7. On mesure le ph de chaque solution S i et on reporte les valeurs dans le tableau ci après. On règle le spectrophotomètre à la longueur d onde λ maxb et on fait le blanc avec la cuve 0 qui sera utilisée pour toutes les mesures. On remplit les cuves 1 à 11 avec les solutions de S 1 à S 11. TPC6.odt 8/14

9 On mesure l absorbance de chaque solution S i spectrophotomètre. On reporte les valeurs dans le tableau ci après : à l aide d un Solution S'i Vi (ml) ph A [I n] (mol/l) [Hin] (mol/l) 1 4,00 4,60 0,010 2,24E 07 2,70E ,50 5,03 0,012 2,69E 07 2,70E ,00 6,02 0,082 1,84E 06 2,54E ,50 6,84 0,421 9,45E 06 1,78E ,00 7,21 0,667 1,50E 05 1,23E ,50 7,45 0,850 1,91E 05 8,19E ,00 7,81 1,148 2,58E 05 1,50E ,50 8,05 1,197 2,69E 05 4,04E ,00 8,96 1,212 2,72E 05 6,73E ,50 9,47 1,214 2,73E 05 2,24E ,00 9,98 1,215 2,73E 05 0 Tracé de la courbe d évolution des concentrations de forme acide et basique du bleu de bromothymol. Etude préliminaire. En utilisant la loi de conservation de la quantité de matière, on peut écrire la relation entre la concentration molaire volumique apportée Cs en bleu de bromothymol et les concentrations molaires effectives des formes acide et basique. C S = [HIn] + [In ] C S ' = 2 22 C S = =2, mol. L 1 On rappelle l expression de la loi de Beer Lambert : A = ε λ LC Connaissant l absorbance maximale A max de la solution à la longueur d onde λ maxb, quand In prédomine, on peut exprimer [In ] pour les autres solutions en fonction de Cs, A et A max. TPC6.odt 9/14

10 A = k[in ] A max = k[in ] max = k C S D où: [ In ]= A A max C S On peut exprimer [HIn] en fonction de A, A max et Cs, en considérant que, à ph élevé, seule la forme basique In du bleu de bromothymol est présente : On peut calculer la valeur de Cs : On a : Or, on a : C'est à dire : [HIn] = C S [In ] = C S ( 1 Cs = mol.l 1 Cs = 2 22 Cs Cs = 2, mol.l A A max ) On calcule ensuite les valeurs de [In ] et de [HIn] correspondant aux différentes valeurs de A, et on les reporte dans le tableau ci avant. Tracé de la courbe d évolution des concentrations des formes acide et basique du bleu de bromothymol. On construit sur le même graphe les courbes représentatives de l évolution des valeurs des concentrations molaires effectives [In ] et [HIn] en fonction du ph : TPC6.odt 10/14

11 On en déduit donc les domaines de prédominance des formes acide et basique de l indicateur coloré : La forme acide est prédominante pour un ph inférieur à 6,9, et la forme basique est prédominante pour un ph supérieur à 6,9. On vérifie bien que pour une absorbance maximale, [HIn] est pratiquement nulle. On trace, en fonction du ph, les proportions de chaque forme : TPC6.odt 11/14

12 Détermination de la zone de virage de l indicateur. On peut déterminer la zone de virage de l indicateur, sachant qu elle est définie, pour un indicateur coloré, par l intervalle de ph dans lequel le rapport des concentrations molaires des formes acide et basique est compris entre 1/10 et 10. La zone de virage du bleu de bromothymol est comprise entre ph = 6 et ph = 7,5. Dans la zone de virage le bleu de bromothymol prend une couleur verte, car ni la forme acide, ni la forme basique ne prédominent, il y a codominance, la teinte est donc intermédiaire. Détermination graphique du pka et de la constante d acidité Ka du couple HIn/In. Le pka est égal au ph à l équilibre, c'est à dire quand [HIn] = [In ]. On peut donc déterminer graphiquement ce pka, et donc le Ka du couple : Le point d intersection des deux courbes est le point du ph à l équilibre, on peut donc lire le pka : On a : pka 6.9 TPC6.odt 12/14

13 Soit : Modélisation. Ka = 10 pka = 10 6,9 L expression du Ka du couple HIn/In est : Ka = [ In ][H 3 O ] [ HIn ] On peut donc déterminer en fonction de pka et du ph x et y, avec : x = [ HIn ] [HIn ] [ In ] [ H 3 O ] Ka = [ H 3 O ] Ka 1 et y = [ In ] [HIn ] [ In ] = Ka [ H 3 O ] Ka 1 ] [ H 3 O On trace x et y en fonction du ph avec les mêmes échelles que précédemment : Si on superpose les courbes obtenues précédemment et celles ci, on remarque qu elles sont équivalentes. TPC6.odt 13/14

14 Conclusion. Ce TP a permis d étudier le produit bien connu qu est le bleu de bromothymol, et par là même de comprendre de quelle manière fonctionne un indicateur coloré. Ainsi l'on a pu expérimenter les notions de zone de virage et de domaine de prédominance : les cours s'envolent, les TP restent... TPC6.odt 14/14