BTS CHIMISTE Session 2009 NOM du candidat : Prénom : N d'inscription : EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE - Pratique expérimentale - Durée : 6 heures Coef. : 7 SUJET N 2 FICHE DE CHOIX (à rendre) LISTE DE MATERIEL ET DE PRODUITS NECESSAIRES A LA MISE EN ŒUVRE DU DOSAGE DE L'HYDROQUINONE 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 Étalonnage de la solution d'hydroxyde de sodium (S). Choix de l indicateur coloré : L'addition d'eau est-elle possible pendant l'étalonnage? Rayer la réponse fausse. OUI NON Etalonnage ph-métrique de la solution de dichromate de potassium (K). Choix des électrodes avec leurs rôles respectifs L'addition d'eau est-elle possible pendant l'étalonnage? Rayer la réponse fausse. OUI NON 1/10
Dosage de la solution d'hydroquinone (A) par potentiométrie à courant nul. Nom de l'appareil de mesure Choix des électrodes Nom et unité de la grandeur mesurée Dosage de la solution d'hydroquinone (A) par potentiométrie à courant imposé. Choix des électrodes Nom et unité de la grandeur mesurée Le volume de solution (F) de chlorure de fer (III) doit-il être précis? Rayer la réponse fausse. OUI NON 2/10
DOSAGE D UNE SOLUTION D'HYDROQUINONE On se propose de doser une solution d'hydroquinone notée H 2 Q. Pour l analyse de la solution d hydroquinone (A), de concentration C A de l ordre de 0,025 mol.l - 1, il sera notamment utilisé : une solution d'hydroxyde de sodium (S) : C S 0,027 mol.l -1 une solution de dichromate de potassium (K) : C K 0,007 mol.l -1 une solution de chlorure de fer (III) (F) : C F 0,04 mol.l -1 une solution de sulfate de cérium (IV) (C) : C C 0,03 mol.l -1 une solution étalon de sulfate de cérium (IV) (E) : C E = 5,00 10-3 mol.l -1 PLAN DE TRAVAIL 1. Etalonnage de la solution d'hydroxyde de sodium par une solution d acide oxalique (volumétrie). 2. Étalonnage de la solution de dichromate de potassium par la solution d'hydroxyde de sodium (ph-métrie). 3. Étalonnage de la solution de sulfate de cérium(iv) (spectrophotométrie d absorption moléculaire). 4. Dosage de la solution d'hydroquinone par la solution de dichromate de potassium (potentiométrie à courant nul). 5. Dosage de la solution d'hydroquinone en présence de chlorure de fer(iii) par la solution de sulfate de cérium (IV) (potentiométrie à courant imposé). MANIPULATIONS Le candidat pourra choisir, pour au moins un des dosages choisis par le centre d examen, d utiliser un titrateur automatique. 1. ETALONNAGE DE LA SOLUTION D'HYDROXYDE DE SODIUM (S) PAR UNE SOLUTION D ACIDE OXALIQUE L étalonnage est effectué avec l'acide oxalique dihydraté de formule H 2 C 2 O 4, 2 H 2 O. Dissoudre une masse d acide oxalique dihydraté m 1, pesée avec précision, dans une fiole de volume V F = 100 ml. Ajuster avec de l eau distillée puis prélever E 1 = 20 ml à introduire dans un erlenmeyer. Ajouter quelques gouttes de l indicateur convenable et titrer par la solution d'hydroxyde de sodium. Recommencer l'opération en préparant une seconde fiole avec une masse m 2 d acide oxalique dihydraté. V 11 et V 12 sont les volumes relevés à l équivalence. Q1 - Ecrire l'équation de la réaction de dosage. Compléter la feuille de résultats. 3/10
Q2 - Justifier le calcul des masses pesées. Q3 - Justifier le choix de l'indicateur coloré par une évaluation rapide du ph à l'équivalence. Q4 - Etablir l'expression littérale de C s, concentration de la solution d'hydroxyde de sodium (S). 2. ETALONNAGE DE LA SOLUTION DE DICHROMATE DE POTASSIUM (K) AVEC LA SOLUTION D'HYDROXYDE DE SODIUM (S) PAR ph-metrie Les ions dichromate Cr 2 O 2 7 suivant : en solution aqueuse sont mis en jeu dans l équilibre chimique 2 Cr 2O 7 + H 2 O = 2 HCrO 4 Prélever E 2 = 25 ml de solution de dichromate de potassium (K) et l introduire dans un bécher. Plonger les électrodes convenables dans la solution et titrer par la solution d'hydroxyde de sodium. Tracer la courbe de dosage puis déterminer le volume à l équivalence V 2. Q5 - Ecrire l'équation de la réaction de dosage. Q6 - Etablir l'expression littérale de C K. Compléter la feuille de résultats. 3. ETALONNAGE DE LA SOLUTION (C) DE SULFATE DE CERIUM (IV) PAR SPECTROPHOTOMETRIE D'ABSORPTION MOLECULAIRE On dispose d une solution étalon (E) de sulfate de cérium (IV) à la concentration exacte de 5,00 10-3 mol.l -1. Diluer dix fois la solution de sulfate de cérium (C) dans une solution d'acide sulfurique à 1 mol.l -1. On obtient une solution (C'). Réaliser la série de fioles suivantes : N de fiole 0 1 2 3 4 5 Volume de solution (E) / ml 0 3 6 9 12 15 Volume de solution (C') /ml 10 10 10 10 10 10 Solution d acide sulfurique à 1 mol.l -1 compléter à 100 ml Régler la longueur d'onde du spectrophotomètre à 400 nm. Faire le zéro avec la solution d'acide sulfurique à 1 mol.l -1. Mesurer la valeur de l'absorbance pour chaque fiole. Tracer la courbe de l'absorbance en fonction de la concentration C Ei pour chacune des fioles. C Ei est la concentration en ions cérium (IV) provenant de la solution étalon (E). Compléter la feuille de résultats. 4/10
Q7 - Enoncer la loi de Beer-Lambert en précisant le nom et l'unité de chaque grandeur. Préciser les conditions de validité de cette loi. Q8 Comment opère-t-on pour choisir la longueur d'onde de travail? Comment est-elle déterminée expérimentalement? Q9 - Indiquer le nom de la méthode de dosage utilisée. Q10 - Calculer les concentrations C Ei en ions cérium (IV) provenant de la solution (E) dans chaque fiole de la gamme. Q11 - Détailler la méthode de votre choix permettant de déterminer la concentration C C de la solution (C). Q12 - Indiquer une autre méthode pour doser les solutions de sulfate de cérium (IV) ; on précisera le(s) réactif(s) utilisés(s). 4. DOSAGE DE LA SOLUTION D'HYDROQUINONE (A) AVEC LA SOLUTION DE DICHROMATE DE POTASSIUM (K) PAR POTENTIOMETRIE A COURANT NUL Prélever E 3 = 10 ml de solution d'hydroquinone (A) de concentration C A et l introduire dans un bécher. Ajouter 20 ml d acide sulfurique à 50 %. Plonger les électrodes convenables dans la solution. Titrer par la solution de dichromate de potassium (K). Tracer la courbe de dosage puis déterminer le volume à l équivalence V 3. Compléter la feuille de résultats. Q13 - Ecrire l'équation de la réaction de dosage Q14 - Etablir l'expression littérale de C A, concentration de la solution d hydroquinone. Q15 - Justifier l'allure de la courbe de dosage. Q16 - Justifier l'addition d'acide pour ce dosage. 5/10
5. DOSAGE DE LA SOLUTION D HYDROQUINONE (A) EN PRESENCE D'UN EXCES D'UNE SOLUTION (F) DE CHLORURE DE FER (III) PAR LA SOLUTION (C) DE SULFATE DE CERIUM (IV) PAR POTENTIOMETRIE A COURANT IMPOSE Introduire dans un bécher un volume E 4 = 10 ml de solution d'hydroquinone (A) de concentration C A. Ajouter 20 ml de solution (F) de chlorure de fer (III) puis 10 ml d acide sulfurique à 50 %. Plonger les électrodes convenables dans la solution. Effectuer les réglages pour fixer l'intensité du courant à 1 µa puis titrer par la solution (C) de sulfate de cérium (IV). Tracer la courbe de dosage puis déterminer le volume à l équivalence V 4. Compléter la feuille de résultats. Q17 - Indiquer le rôle de la solution de chlorure de fer (III) en écrivant les équations des réactions successives. Q18 - Etablir l'expression littérale de la concentration C A de la solution d hydroquinone. Q19 - Calculer pour l expérience réalisée le volume minimal de solution de chlorure de fer(iii) à utiliser pour effectuer le dosage. Justifier alors le volume retenu de 20 ml pour la solution (F). Q20 Compléter avec le nom des espèces le faisceau de courbes intensité-potentiel donné en annexe 1, page 8/10. Justifier ensuite l'allure de la courbe de dosage. 6/10
DONNEES (à 25 C) Couple oxydant réducteur : Q / H 2 Q 1,4-benzoquinone (Q) hydroquinone (H 2 Q) O OH O OH Potentiels standard par rapport à l'esh Masses molaires Couples redox E (V) Ce 4+ / Ce 3+ 1,72 2 Cr / Cr 3+ 1,33 2O 7 Fe 3+ / Fe 2+ 0,77 Q / H 2 Q 0,70 Acide oxalique dihydraté (H 2 C 2 O 4, 2 H 2 O) : M aox = 126,08 g.mol -1 Constantes d'acidité Acide oxalique : H 2C2O4 / HC O : pk 2 4 A1 = 1,3 HC O / 2 2 4 C 2O 4 : pk A2 = 4,3 Ion hydrogénochromate : HCrO 4 / 2 CrO 4 : pk A = 7,2 Indicateurs colorés acido-basiques et zones de virage indicateur teintes zone de virage (en ph) hélianthine rouge - jaune 3,1 4,4 rouge de méthyle rouge - jaune 4,2 6,2 bleu de bromothymol jaune - bleu 6,0 7,6 phénolphtaléine incolore rose vif 8,0 9,9 7/10
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FEUILLE DE RESULTATS 1. Etalonnage de la solution (S) d'hydroxyde de sodium (précision 0,8 %) Masse pesée d acide oxalique m 1 = m 2 = (si nécessaire) m 3 = Volume à l'équivalence V 11 = V 12 = V 13 = Concentration calculée C S1 = C S2 = C S3 = Concentration retenue : C S = ± 2. Etalonnage de la solution de dichromate de potassium (K) par ph-métrie (précision 3 %). V 2 = C K = ± 3. Etalonnage de la solution (C) de sulfate de cérium (IV) par spectrophotométrie d'absorption moléculaire (précision 2 %) N de fiole 0 1 2 3 4 5 Concentration C Ei (mol.l -1 ) Absorbance C C' = C C = ± 9/10
4. Dosage de la solution d'hydroquinone (A) par potentiométrie à courant nul (précision 1 %) V 3 = C A = ± 5. Dosage de la solution d'hydroquinone (A) par potentiométrie à courant imposé (précision 1 %) V 4 = C A = ± 6. Conclusion sur les résultats des deux méthodes de dosage de la solution d'hydroquinone (A) par calcul de l écart relatif C A Ecart relatif en % (potentiométrie à courant nul) C A (potentiométrie à courant imposé) 10/10