Activité expérimentale TP Dilution, facteur de dilution, échelle de teintes Objectifs : Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d une espèce colorée par la «méthode de l échelle de teintes». Mettre en œuvre un protocole de dilution Connaître et exploiter l expression du facteur de dilution Problème : Votre mission est de vérifier l indication de l étiquette concernant la composition de l eau de Dakin en permanganate de potassium (vérifier la concentration en permanganate de potassium indiquée sur la notice d une eau de Dakin). Comment pourrait-on procéder? Pour résoudre cette problématique, vous allez vous aider des documents ci-après Consignes : Pour s approprier ce TP et résoudre le problème, vous lirez attentivement les documents 1, 2, 3 et 4 concernant une solution utilisée à l hôpital comme désinfectant : l eau de Dakin. Ainsi vous pourrez en extraire des informations essentielles pour le bon déroulement des opérations. Un nouvel outil est utilisé dans ce TP, il s agit du facteur de dilution qu il faudra bien comprendre. Lors de la partie pratique il vous faudra réaliser plusieurs dilutions dans les règles de l art de manière à construire une échelle de teintes. Pour valider votre travail, vous devrez calculer la concentration massique de chaque solution fille préparée afin de déterminer un encadrement de la concentration en permanganate de potassium de l eau de Dakin. Vous allez vous initier à l usage de la pipette jaugée ou graduée, faites vos prélèvements avec une grande précision pour réaliser un travail de qualité. Document 1 : Une solution pour désinfecter les plaies La liqueur de Dakin (ou eau de Dakin) est un liquide antiseptique (bactéricide, fongicide, virucide) utilisé pour le lavage des plaies et des muqueuses, de couleur rose et à l'odeur d'eau de Javel. C est au cours de la première guerre mondiale que le chimiste américain Henry Dakin a mis au point avec le chirurgien français Alexis Carrel cet antiseptique pour les plaies ouvertes ou infectées, dans le cadre des travaux de ce dernier sur le traitement des plaies de guerre. Il est à base d'hypochlorite de sodium (eau de Javel diluée) additionnée de permanganate de potassium pour le stabiliser vis-à-vis de la lumière. C est le permanganate de potassium qui donne à l eau de Dakin sa coloration rosée. La solution doit être conservée à l'abri de la lumière pour ralentir sa décomposition, qui est rapide (quelques jours). Document 2 : Etiquette TP Dilution, facteur de dilution, échelle de teinte 1
Document 3 : Préparation d une solution par dilution (Mon compagnon Outil 12) Vidéo : mms://stream.pedagogie.ac-aix-marseille.fr/spc/dilution.wmv Attention : Quelques erreurs dans la vidéo : On rince la pipette avec la solution à prélever. Pour prélever avec la pipette on la tient entre deux doigts (geste à revoir en TP). Une dilution est une technique de préparation de solution (dite Fille) par ajout de solvant dans une première solution (dite Mère) afin d'en diminuer la concentration en soluté. La solution concentrée est appelée «solution mère» et la solution diluée «solution fille». Ici, le solvant est l'eau. Attention : ne pas confondre avec la dissolution. Conséquence : la concentration de la solution fille sera nécessairement inférieure à celle de la solution mère. Calcul préalable : détermination du volume de solution mère à prélever Soit V M le volume à prélever de solution mère à la concentration C M. Soit V F le volume de solution fille à préparer à la concentration C F. Avant dilution, la quantité de matière de soluté dans la solution mère est : n M = C M.V M Après dilution, la quantité de matière de soluté contenue dans la solution fille à préparer est : n F = C F.V F Or, la quantité de matière de soluté se conserve au cours de la dilution : donc n M = n F soit C M.V M = C F.V F Le volume de solution mère à prélever est donc : V M = C F.V F / C M Attention : il faut surveiller les unités dans l application numérique. Réalisation expérimentale Matériel : bécher, fiole jaugée de volume V F e, pipette jaugée ou graduée permettant de prélever le volume V M précédemment calculé, propipette, pissette d eau distillée. M è r e C 1>C 2 F i l l Protocole : - verser dans un bécher la solution mère (un volume voisin et supérieur à V M ), - adapter la propipette sur la pipette (en ayant les 2 mains le plus près possible), - rincer la pipette avec la solution mère, - prélever V M de solution mère à l'aide de la pipette, - verser la solution ainsi prélevée dans la fiole jaugée, - remplir au 2/3 la fiole jaugée avec de l'eau distillée, - boucher la fiole jaugée et homogénéiser sans retourner, - compléter par ajout d'eau distillée jusqu'au trait de jauge, - reboucher et agiter par retournement pour homogénéiser. pipette Facteur de dilution Le facteur de dilution indique le nombre de fois qu'a été diluée la solution mère pour obtenir la solution fille. Par définition : F = Vf = Cm Vm Cf TP Dilution, facteur de dilution, échelle de teinte 2
Document 4 : Echelle des teintes Une échelle des teintes est un ensemble de solutions de concentrations décroissantes obtenues par dilution d une solution mère de concentration connue. Les différentes solutions dites solutions filles sont repérées grâce à leurs couleurs, qui n est pas la même pour chaque solution diluée. Ces solutions sont ensuite versées dans des tubes à essai et classées par concentrations croissantes. La solution dont on veut connaître la concentration est alors comparée à l échelle de teinte qui permet alors de donner un encadrement de la concentration de la solution. Expérience Calculs préliminaires En utilisant les indications sur l étiquette du flacon, déterminer la concentration Cm théorique en permanganate de potassium (KMnO 4 ) dans l eau de Dakin. Nous allons utiliser une méthode de comparaison appelée «échelle de teintes». Cette méthode consiste à préparer des solutions de plus en plus diluées (de moins en moins concentrées en espèce colorée) et de comparer la teinte de la solution inconnue à l échelle de teintes afin de déterminer un encadrement de sa concentration À partir d'une solution mère de permanganate de potassium, de concentration massique en permanganate égale à Cm = 1,5.10-1 g/l, on désire préparer 50,0 ml de solutions filles en diluant des volumes de solution mère donnés dans le tableau ci-dessous. Solution 1 2 3 4 5 6 7 V M : volume de solution mère à prélever (ml) 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 7,5 10,0 V F : volume de solution fille obtenue (ml) 50 50 50 50 50 50 50 Facteur de dilution : F = Vf Vp Concentration massique (g.l -1 ) Le protocole : Pour réaliser plusieurs dilutions successives, on utilise la burette graduée. Cette méthode est plus rapide mais moins précise. Préparer les solutions filles 1 à 6 en utilisant la burette graduée. Préparer la solution 7 en suivant les recommandations données dans la fiche méthode : Outil 12. Verser des volumes identiques de chacune des solutions filles dans des tubes à essais de même diamètre numérotés de 1 à 8. Placer les tubes dans cet ordre sur un porte-tubes afin de bien voir l'échelle de teintes ainsi constituée. Verser alors la solution commerciale de Dakin dans un 9ème tube à essais. Comparer la teinte de la solution commerciale de Dakin avec l'échelle de teintes. TP Dilution, facteur de dilution, échelle de teinte 3
En déduire un encadrement de la concentration massique de la solution commerciale de Dakin Vos mesures sont-elles en accord avec les informations fournies sur l étiquette? Discuter de la précision de la technique de l échelle de teintes. A quelle(s) condition(s) la méthode utilisée permet-elle d évaluer la concentration d une espèce chimique en solution? Si les conditions d application de la méthode sont réunies, quels en sont les inconvénients? Application : Décrire le protocole qui permet de réaliser 100 ml d une solution fille de chlorure de sodium à la concentration massique C F = 2,0 g/l à partir d une solution mère de concentration C M = 40g/L Présenter aussi les calculs préliminaires. TP Dilution, facteur de dilution, échelle de teinte 4
Expérience CORRECTION Calculs préliminaires En utilisant les indications sur l étiquette du flacon, déterminer la concentration Cm théorique en permanganate de potassium (KMnO 4 ) dans l eau de Dakin. Cm = m / V = 0,0010 / 0,100 = 0,010 Cm = m / V = 1,0.10-3 / 1,00.10-1 = 1,0.10-2 g/l (2 CS) Nous allons utiliser une méthode de comparaison appelée «échelle de teintes». Cette méthode consiste à préparer des solutions de plus en plus diluées (de moins en moins concentrées en espèce colorée) et de comparer la teinte de la solution inconnue à l échelle de teintes afin de déterminer un encadrement de sa concentration À partir d'une solution mère de permanganate de potassium, de concentration massique en permanganate égale à Cm = 1,5.10-1 g/l, on désire préparer 50,0 ml de solutions filles en diluant des volumes de solution mère donnés dans le tableau ci-dessous. Solution 1 2 3 4 5 6 7 Vp : volume de solution mère à prélever (ml) 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 7,5 10,0 Vf : volume de solution fille obtenue (ml) 50 50 50 50 50 50 50 Facteur de dilution : F = Vf Vp 50 25 16,7 12,5 10 6,7 5 Concentration massique (g.l -1 ) 3,0.10-3 6,0.10-3 9,0.10-3 1,2.10-2 1,5.10-2 2,2.10-2 3,0.10-2 Pour calculer le facteur de dilution F : Pour la solution 1 : F = V F / V M = 50 / 1,0 = 50 Pour la solution 2 : F = V F / V M = 50 / 2,0 = 25 Etc Pour calculer la concentration Avant de réaliser la dilution, il faut connaître la concentration de la solution de départ C M (solution mère) et la concentration de la solution diluée C F (solution fille) ou les volumes de la pipette jaugée et de la fiole jaugée à utiliser. Le calcul de ces volumes peut se faire rapidement à l'aide du facteur de dilution : F = V F / V M = C M / C F. Le facteur de dilution indique "de combien" il faut diluer la solution Mère pour obtenir la solution voulue (Solution Fille). Ainsi pour préparer une solution diluée de concentration C F = 5,0 g.l -1 à partir d'une solution concentrée de concentration C M = 50 g.l -1, nous constatons qu il faut diviser la concentration de départ par 10 (C M / C F =10) ; autrement dit il faut diluer la solution mère 10 fois. Le facteur de dilution est 10. On note fd=10. Cela signifie que le volume de la pipette jaugée devra être 10 fois plus petit que celui de la fiole jaugée. On peut par exemple utiliser une pipette jaugée de 10 ml et une fiole jaugée de 100 ml. Ici, pour la solution 1 : le facteur de dilution est 50 donc la concentration de la solution Fille sera 50 fois plus faible que la solution mère donc Cm = 1,5.10-1 / 50 = 3,0.10-3 g.l -1 TP Dilution, facteur de dilution, échelle de teinte 5
Le protocole : Pour réaliser plusieurs dilutions successives, on utilise la burette graduée. Cette méthode est plus rapide mais moins précise. Préparer les solutions filles 1 à 6 en utilisant la burette graduée. Préparer la solution 7 en suivant les recommandations données dans la fiche méthode : Outil 12. Verser des volumes identiques de chacune des solutions filles dans des tubes à essais de même diamètre numérotés de 1 à 8. Placer les tubes dans cet ordre sur un porte-tubes afin de bien voir l'échelle de teintes ainsi constituée. Verser alors la solution commerciale de Dakin dans un 8ème tube à essais. Comparer la teinte de la solution commerciale de Dakin avec l'échelle de teintes. Par comparaison, on constate que la solution commerciale de Dakin a une couleur proche du tube 3 ou 4. En déduire un encadrement de la concentration massique de la solution commerciale de Dakin On peut en déduire la concentration massique approximative en KMnO 4 de l eau de Dakin : Le tube 3 a une concentration de 9,0.10-3 g.l -1 et le tube 4 a une concentration de 1,2.10-2 g.l -1. Donc 9,0.10-3 g.l -1 < Cm (KMnO 4 ) < 1,2.10-2 g.l -1 Vos mesures sont-elles en accord avec les informations fournies sur l étiquette? Les informations sur l étiquette permettent de calculer la concentration massique : Cm = 1,0.10-2 g/l or nos expériences nous donnent : 9,0.10-3 g.l -1 < Cm (KMnO 4 ) < 1,2.10-2 g.l -1 donc nos mesures sont en accord avec les informations fournies. Discuter de la précision de la technique de l échelle de teintes. A quelle(s) condition(s) la méthode utilisée permet-elle d évaluer la concentration d une espèce chimique en solution? Si les conditions d application de la méthode sont réunies, quels en sont les inconvénients? La méthode permet d évaluer la concentration d une espèce chimique à condition que cette espèce chimique soit colorée. L inconvénient est que cette méthode permet uniquement de donner un encadrement de la concentration de l espèce chimique. Application : Décrire le protocole qui permet de réaliser 100 ml d une solution fille de chlorure de sodium à la concentration massique C F = 2,0 g/l à partir d une solution mère de concentration C M = 40g/L Présenter aussi les calculs préliminaires. Calculer le facteur de dilution F : F =C M / C F = V F / V M = 40 / 2,0 = 20 La solution sera diluée 20 fois donc le volume de solution Mère à prélever est 20 fois plus petit que le volume Fille donc il sera de 100 / 20 = 5 ml. TP Dilution, facteur de dilution, échelle de teinte 6