303 SYNTHESE ET ANALYSE Dosage du manganèse dans l acier C o n c e p t i o n : A. - M. F o u r n i e r ( C O P A D ), A. C h a n a l, M. C a s a n o v a & H. J e n n y C o l l è g e d e C a n d o l l e 2 0 0 1 BUT Déterminer le pourcentage de manganèse contenu dans l acier par spectrocolorimétrie. METHODES a) Mise en solution de l acier par oxydation avec de l acide nitrique concentré b) Oxydation du fer Fe + en Fe + par le persulfate de potassium c) Oxydation du manganèse Mn + en Mn V+ par le périodate de potassium. B) Préparation de solutions étalons pour l étalonnage Préparation de solutions de permanganate de potassium de différentes molarités connues par dilution d une solution mère de molarité connue. C) Mesures spectrocolorimétriques Etablir une droite d étalonnage par mesures colorimétriques des différentes solutions de molarités connues préparée au point B). Déterminer ensuite la molarité de la solution inconnu (préparée au point A) par une mesure colorimétrique reportée sur la droite d étalonnage. PRNCPE DE SPECTROCOLORMETRE l s agit d une méthode basée sur le principe qu une lumière monochromatique traversant une solution colorée est absorbée. Selon la loi de LAMBERT-BEER, l extinction (E) est égale à E 0 = log = e. l. c E o e l c : extinction : intensité de la lumière incidente, monochromatique : intensité de la lumière transmise : coefficient d extinction (de proportionnalité) en fonction de la longueur d onde de la lumière utilisée : épaisseur (largueur) de la couche de la solution traversée : molarité (concentration molaire) de la solution Extinction: elle permet d'établir une droite d'étalonnage à partir des valeurs mesurées de différentes solutions de concentrations connues. 1) Source de la lumière visible (ou U.V.) avec un spectre continu ( o ) 2) Monochromateur (filtre, prisme ou réseau) permettant d'obtenir une lumière monochromatique 3) Cuve en quartz remplie de la solution à doser 4) Amplificateur du signale () reçu après absorbtion 5) Détecteur: cellule photoélectrique qui transforme le signal optique en signal électrique 6) Cadran / affichage 3. cuve 6. cadran o 1. source 2. monochromateur 4. amplificateur 5. détecteur 303 dosage Mn dans acier sept2007.doc - 1/4 - Mise à jour 05/10/07
MATEREL 1 bec Bunsen, 1 ballon jaugé de 250 ml1 bécher de 150 ml, 1 bécher de 250 ml, 3 cuillères, 4 cylindres gradués 5 ml (1), 10 ml (2), 50 ml (1), 1 burette de 25 ml, 1 nacelle à peser, 1 spatule de nickel, 1 verre de montre 4 ballons jaugés de 100 ml, 1 burette de 50 ml, C) Mesures spectrocolorimétrique 1 cuve en verre, 1 spectrocolorimètre REACTFS acier, acide nitrique concentré (~65%), acide phosphorique (~85%), hydrogénosulfite de sodium, périodate de potassium, persulfate de potassium. solution mère : solution aqueuse de permanganate de potassium 2.10-3 M (contenant 0,11 mg Mn V+ / ml). C) Mesures spectrocolorimétrique eau distillée RECOMMANDATONS Manipuler avec précaution. Ne pas ingérer ou mettre en contact avec la peau ou les yeux. Attention aux solvants inflammables lorsque vous allumer une bec Bunsen! MANPULATONS a) Oxydation de l acier par l acide nitrique 1. Peser (nacelle à peser) : 100 mg d acier sur la balance de précision. Noter la masse d acier pesé : [g] (noter les 5 décimales) Sous chapelle : 2. ntroduire dans un bécher de 150 ml : - l acier pesé - 7 ml d eau distillée (cylindre grad. 10 ml) - 3 ml d acide nitrique concentré (~65%) (cylindre gradué de 5 ml) 3. Recouvrir avec un verre de montre le bécher contenant l acier avant de chauffer (bec Bunsen) à feu doux, cette solution jusqu à la dissolution totale de l acier. Si nécessaire rajouter de l eau distillée! Compléter le tableau ci-dessous à l aide la liste des potentiels ci-jointe Couples Réaction ayant lieu ox/red (oxydation ou réduction) C V+ / C 0 Potentiel E red Fe + / Fe 0 Mn + / Mn 0 HNO 3 / NO Quel est l oxydant? Quel est l élément qui s oxyde le plus : facilement? /difficilement? Donner les ions en solutions : 303 dosage Mn dans acier sept2007.doc - 2/4 - Mise à jour 05/10/07
MANPULATONS (suite) Sous chapelle : b) Oxydation du fer Fe + en Fe + 1. Enlever la flamme, rajouter ~10 ml d eau distillée avant d ajouter par petites portions 2 cuillères de persulfate de potassium. 2. Recouvrir le bécher d un verre de montre. Chauffer 10 minutes. Rajouter de l eau distillée si nécessaire! 3. Ajouter : - 20 ml d eau distillée (cylindre gradué de 50 ml) - 1 cuillère (pleine) d hydrogénosulfite de sodium Chauffer à ébullition (~2minutes)! 4. Ajouter : - 50 ml d eau distillée (cylindre gradué de 50 ml) - 10 ml d acide phosphorique concentré (85%) (cyl. gradué 10 ml) Chercher les E 0 red des couples : Fe + /Fe + : S 2 O 8 /SO 4 Donner l équation équilibrée : réaction du persulfate de potassium avec le fer Fe + : Le fer donne une coloration jaune. L acide phosphorique décolore la solution en formant un ion complexe incolore : Fe(PO 4 ) 2. Une coloration serait-elle gênante? Justifier! c) Oxydation du manganèse Mn + en Mn V+ 1. Ajouter 1 cuillère (pleine) de périodate de potassium. Chauffer à ébullition jusqu à l apparition d une coloration violette! Equilibrer l équation de la réaction entre le manganèse Mn + et le périodate de potassium : Mn + + KO 4 + H 2 O KMnO 4 + KO 3 + HO 3 + H + 2. Refroidir la solution en plaçant le bécher dans un «bain-marie» d eau froide jusqu à ce que la solution atteigne la température ambiante. Placer le bécher dans un bécher de 250 ml rempli d eau froide. Changer l eau ou établir dans un évier un circuit d eau de refroidissement. 3. Transvaser directement dans le ballon jauger de 250 ml. Rincer le bécher avec un peu distillée jusqu à ce l eau de rinçage ne soit plus colorée! 4. Compléter le volume du ballon jusqu au trait de jauge avec de l eau distillée. 303 dosage Mn dans acier sept2007.doc - 3/4 - Mise à jour 05/10/07
MANPULATONS (suite) 1. Remplir une burette de 50 ml d une solution mère de permanganate de potassium 2.10 3 M. NE JAMAS REMETTRE de la solution mère dans le flacon! 2. Prélever à partir de la burette, les volumes indiqués dans le tableau ci-dessous pour les quatre ballons jaugés de 100 ml. Compléter le tableau suivant (masse de Mn V+ pour les 4 ballons de 100 ml) Ballons Volume [ml] de KMnO 4 à prélever Volume [ml] total 1 2 100 2 8 100 3 12 100 4 16 100 nconnue Préparée A) 250 mg de Mn V+ / 100 ml (la solution mère de KMnO 4 contient 0,11mg Mn V+ /ml ) E (extinction) 3. Compléter précisément (à l aide d une pipette jetable), avec de l eau distillée, le volume de chaque ballon jusqu au trait de jauge! Refermer et bien agiter. C) Mesures spectrocolorimétriques 1. Réglage de l appareil (à effectuer dès que le ballon de l inconnu est prêt) : si nécessaire, régler la longueur d onde sur 530 nm ; puis ajuster le zéro avec un «blanc», c est-à-dire remplir une cellule de mesure avec le solvant utilisé (l eau distillée dans ce cas) et régler de façon que l extinction affichée soit zéro. Pour chaque mesure (y compris le blanc) : - rincer plusieurs fois la cuve avec la solution à tester. - essuyer la cuve avec un mouchoir en papier (pas de trace de doigts!) - remettre le couvercle au-dessus de la cuve avant la mesure. 2. Mesurer l extinction des solutions étalons (commencer par la solution la moins colorée), puis terminer par l inconnue. Noter ces valeurs dans le tableau. Etablir une droite d étalonnage (à partir des 4 valeurs d extinction «étalons») sur le papier millimétré ci-joint. Feuille en position «paysage» avec en ordonnée «E 0» et en abscisse «mg de Mn V+ / 100 ml». Reporter la valeur d extinction de l inconnue sur cette droite d étalonnage afin de déterminer la masse de Mn V+ contenue dans l acier. (Attention au volume total!) Calculer le pourcentage de manganèse dans l acier (rapport de la masse calculée de Mn V+ sur la masse d acier pesée au point 1. A). Chercher dans le Handbook les pourcentages approximatifs des 4-5 principaux constituants de l acier (steel) : RECUPERATON ET NETTOYAGE Vider le contenu des fioles dans le récipient métaux lourds et rincer la verrerie à l eau du robinet. 303 dosage Mn dans acier sept2007.doc - 4/4 - Mise à jour 05/10/07
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