Sciences physiques et chimiques

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1 bac pro Philippe Adloff Hervé Gabillot Eyrolles Éducation / Gep Éditions, 2014 ISBN : Sciences physiques et chimiques Seconde professionnelle 100 % Exercices expérimentaux

2 science et moto Préparer une boisson énergétique Activité découverte 1 Un pilote de moto transpire beaucoup durant une course, ce qui peut entraîner une déshydratation partielle. Heureusement, il existe des équipements dorsaux permettant de s hydrater sans avoir besoin de lâcher le guidon. Avant une course, un pilote se prépare une boisson adaptée à l effort, appelée boisson énergétique. Sa concentration massique en sucre doit être égale à 30 grammes par litre et sa concentration massique en sel à environ 1,2 gramme par litre. La boisson ne doit pas être acide (ph < 7), mais plutôt neutre (ph = 7) ou légèrement basique (ph > 7). Le pilote décide de se préparer 250 ml de boisson énergétique à partir d eau, de sirop (menthe ou citron) et de sel. Le sirop aromatisé apporte le sucre nécessaire tout en donnant meilleur goût à la boisson. Problématique La boisson préparée répond-elle au critère d acidité d une boisson énergétique? I. Compréhension et connaissances Trouver dans l énoncé les concentrations massiques en sucre et en sel d une boisson énergétique. c sucre = ; c sel = II. Première étape : dissolution du sel dans l eau Nous allons préparer un volume V = 0,5 L d eau salée à la concentration c sel donnée ci-dessus. 1 La concentration massique c d une espèce chimique dissoute est le rapport de la masse m de cette espèce par le volume V de la solution : m c = V m, masse de l espèce chimique dissoute en grammes (g) V, volume de la solution en litres (L) c, en grammes par litre (g/l) Vérifier qu en dissolvant 0,6 gramme de sel dans 0,5 litre d eau on obtient une solution à la concentration en sel c sel. Écrire le calcul. Appel 1 Faire vérifier les réponses. 11

3 2 Suivre les étapes schématisées ci-dessous : Sel Mesurer 0,6 gramme de sel avec précision en le versant dans un récipient propre et sec. Vérifier qu il n y a pas de sel tombé sur le plateau de la balance. Appel 2 Faire vérifier la masse de sel sur la balance et choisir la fiole jaugée de volume adapté. Verser le sel, avec un entonnoir, dans la fiole jaugée. et Pissette Rincer le récipient et l entonnoir avec l eau contenue dans la pissette, en récupérant l eau de rinçage dans la fiole jaugée. Ajouter de l eau jusqu à environ la moitié du volume de la fiole en utilisant l eau du bécher mis à disposition. Boucher et agiter en tenant le bouchon pour dissoudre le sel. 500 ml Fiole jaugée Ajuster le niveau d eau au trait de jauge (voir schéma de l étape 6) sans jamais le dépasser, d abord avec le bécher puis avec le comptegouttes. 500 ml Appel 3 Faire vérifier le volume de la solution. Compte-gouttes Boucher et agiter en tenant le bouchon pour homogénéiser. 3 Remplir un bécher propre avec environ 250 ml de la solution d eau salée préparée. 500 ml Trait de jauge 12

4 III. Deuxième étape : dilution du sirop avec l eau salée La concentration en sucre du sirop mis à disposition est de 750 g/l ; nous allons le diluer à l aide de l eau salée pour préparer la boisson énergétique dans une fiole jaugée de 250 ml. à l aide de la fiche Utilisation d une pipette, terminer la préparation de la boisson énergétique en respectant les appels et les consignes ci-dessous. Appel 4 Faire l étape devant le professeur. Prélever 10 ml de sirop à l aide de la pipette jaugée adaptée. Verser la solution prélevée avec la pipette dans la fiole jaugée de volume adapté. Ajouter de l eau salée jusqu à la moitié du volume de la fiole. Boucher et agiter en tenant le bouchon. Ajouter de l eau salée jusqu au trait de jauge. Compte-gouttes Trait de jauge 250 ml 250 ml Boucher et agiter en tenant le bouchon pour homogénéiser. IV. Exploitation 1 Verser un peu de la boisson ainsi préparée dans un bécher puis, à l aide d un agitateur (tige) en verre, déposer une goutte de boisson sur un bout de papier ph. Utiliser l échelle de teintes située sur le boîtier pour conclure : ph donc la boisson est 2 Répondre à la problématique : la boisson préparée répond-elle au critère d acidité d une boisson énergétique? Justifier la réponse 3 Ranger le matériel après avoir vidé et rincé consciencieusement la verrerie. Nettoyer le plan de travail. 13

5 L'essentiel à retenir L étiquette d une bouteille de boisson pour sportif porte principalement deux informations : la concentration massique des différentes espèces chimiques contenues dans cette boisson ; le ph de cette boisson. La concentration massique d une espèce chimique dans une solution est la masse de cette espèce chimique contenue dans un litre de la solution. Composition Sucre : 64 g/l Vitamines et minéraux (mg/l) Sodium 408 Fer 0,5 Magnésium 10 Zinc 0,2 Phosphore 92 Riboflavine 0,02 Potassium 112 Thiamine 0,06 Cuivre 0,2 ph = 7,8 Si l on connait la masse m d une espèce chimique dans une solution de volume V, on peut calculer sa concentration massique c avec la relation : c = m V c en grammes par litre (g/l), m en grammes (g) et V en litres (L) ou c en milligrammes par litre (mg/l), m en milligrammes (mg) et V en litres (L) On peut diminuer la concentration d une espèce chimique en réalisant une dilution de la solution. On peut séparer les différentes espèces chimiques contenues dans une solution homogène en réalisant une chromatographie. Le ph est une grandeur qui mesure l acidité d une solution. Si le ph d une solution est inférieur à 7, on dit que la solution est acide. Si le ph d une solution est supérieur à 7, on dit que la solution est basique. Si le ph d une solution est égal à 7, on dit que la solution est neutre Solutions acides Solutions basiques Solutions neutres Le ph d une solution peut être estimé avec du papier ph : après avoir déposé une goutte de la solution à tester sur un bout de papier ph, on compare la teinte prise par le papier ph avec l échelle de teintes donnée sur la boîte. Enfin, pour mesurer un ph avec précision, on utilise un phmètre : plongé dans la solution, il affiche automatiquement la valeur du ph. L étiquette d une substance chimique prévient de ses dangers grâce à des pictogrammes (voir fiche Pictogrammes de danger/ d obligation), des phrases de risque et des phrases de sécurité qu il faut respecter lors d une manipulation. 15

6 Les points à maîtriser Capacités Identifier et appliquer les règles et dispositifs de sécurité à mettre en œuvre. Connaissances Savoir que les pictogrammes et la lecture de l étiquette d un produit chimique renseignent sur les risques encourus et sur les moyens de les prévenir, sous forme de phrases de risques et de phrases de sécurité. Utiliser l appareil de mesure d une masse. Réaliser une dilution. Savoir utiliser la verrerie de précision. Préparer une solution de concentration donnée. Connaître le nom de l appareil de mesure d une masse. Reconnaître et nommer le matériel et la verrerie de laboratoire employés lors des manipulations. Utiliser la relation c = m pour déterminer V une concentration massique. Reconnaître expérimentalement le caractère acide, basique ou neutre d une solution. Connaître les noms et les domaines de ph. Réaliser une chromatographie. 16

7 Exercices expérimentaux Exercice 1 La solution de Dakin est un antiseptique utilisé pour le lavage des plaies et des muqueuses. Sa couleur rose est due à la présence de permanganate de potassium. Problématique Quelle est la concentration massique en permanganate de potassium de la solution de Dakin? I. Compréhension et connaissances 1 Nommer la verrerie ci-dessous : 2 À partir de l étiquette ci-contre, calculer la concentration massique en hypochlorite de sodium de la solution de Dakin. On rappelle que c = m. Ne pas oublier l unité. V COMPOSITION Solution concentrée d hypochlorite de sodium quantité correspondant à chlore actif 0,5 g pour 100 ml. Permanganate de potassium, dihydrogénophosphate de sodium dihydraté, eau purifiée. 3 Quels sont les dispositifs de sécurité à mettre en œuvre au cours de la manipulation d une solution de permanganate de potassium? Justifier oralement lors de l appel. Appel 1 Faire vérifier les réponses aux questions 1 à 3. Solution de permanganate de potassium 0,16 g/l H411 : Toxique pour les organismes aquatiques, entraîne des effets néfastes à long terme. P102 : Tenir hors de portée des enfants. P280 : Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/ du visage. P273 : Éviter le rejet dans l environnement. 17

8 II. Manipulations et exploitation des résultats 1 Un des béchers à disposition contient une solution de permanganate de potassium à la concentration massique de 0,16 g/l. a) Utiliser la pipette pour prélever 10 ml de la solution et les verser dans la fiole jaugée de 100 ml. b) Remplir la fiole en utilisant le bécher d eau, puis le compte-gouttes. Appel 2 Faire vérifier le remplissage de la fiole. La solution initiale a été diluée dix fois : la concentration massique en permanganate de potassium de la nouvelle solution est c = 0,016 g/l. 2 Suivre le protocole ci-dessous : a) Transvaser la solution de la fiole dans un bécher propre. b) Verser 10 ml de la solution du bécher dans l éprouvette graduée (on s aidera du compte-gouttes pour ajuster le niveau), puis transvaser ces 10 ml dans le tube à essai n 1 (voir schéma ci-contre) c) Toujours à l aide de l éprouvette graduée, verser 8 ml de la solution du bécher dans le tube n 2, 6 ml dans le tube n 3, 4 ml dans le tube n 4 et enfin 2 ml dans le tube n 5. d) Utiliser la pissette et le compte-gouttes (après l avoir rincé) pour compléter les tubes n 2, 3, 4 et 5 exactement au même niveau que le tube n 1. Appel 3 Faire vérifier les tubes à essai. 3 Le tableau ci-dessous donne les concentrations massiques en permanganate de potassium dans chacun des tubes. Tube à essai n Concentration massique en permanganate de potassium (g/l) 0,016 0,0128 0,0096 0,0064 0,0032 a) Verser dans le tube n 6 environ 10 ml de solution de Dakin. b) Répondre à la problématique : quelle est la concentration massique en permanganate de potassium de la solution de Dakin? Justifier la réponse 4 Utiliser le bécher poubelle pour vider et rincer à l eau déminéralisée l éprouvette, les béchers, les tubes à essai et la fiole jaugée. Vider le bécher poubelle dans le bidon de récupération puis le rincer. Nettoyer le plan de travail. 18