Niveau : Terminale S. Thème : Agir, défis du XXI siècle Type de ressources : activité expérimentale. Notions et contenus : Vérifier la concentration massique en chlorure de sodium d une dosette de sérum physiologique du commerce par la méthode du dosage par étalonnage. ompétences travaillées ou évaluées : - S approprier. - Analyser. - Valider. - ommuniquer à l aide d un langage adapté - Utilisation de l outil informatique. Nature de l activité : Activité expérimentale d une durée de 2h utilisant le logiciel Latispro comme tableur, calculs d incertitudes élargies, le tracé d une droite d étalonnage, la réalisation de dilutions, des mesures de conductivité. Rédaction d un compte-rendu. Résumé : Dans un premier temps les élèves dilueront le sérum physiologique du commerce. Ensuite ils prépareront des solutions filles à partir d une solution mère de chlorure de sodium dans le but de tracer la droite d étalonnage. ette droite sera ensuite utilisée pour déterminer la concentration massique du sérum physiologique dilué puis commercial. On demandera aussi aux élèves de calculer l incertitude élargie sur la concentration massique expérimentale du sérum physiologique commercial afin de la comparer avec la donnée du fabricant. Mots clefs : dosage par étalonnage, dilution, incertitude type et incertitude élargie. Académie où a été produite la ressource : Académie de Strasbourg. 1
Sciences physiques Programme de terminale S, Agir, Défis duxxi siècle omment déterminer la concentration massique en chlorure de sodium du sérum physiologique? S approprier Analyser Réaliser Valider ommuniquer Être autonome 2 2 2 I) ontexte de la situation Vous travaillez dans le service «contrôle de la qualité» d une usine qui fabrique des dosettes de sérum physiologique. Votre travail consiste à vérifier si le pourcentage massique en chlorure de sodium indiqué sur l étiquette est correct. La technique d analyse que vous utiliserez sera celle du dosage par étalonnage. Document 1 : Etiquette du sérum physiologique commercial. est une solution nasale, ophtalmique de chlorure de sodium (Na + (aq)+l - (aq)) à 0,9 %. Elle ne contient ni colorants, ni conservateurs conformément à la législation en vigueur et est présentée sous forme d'unidoses de 5 ml. La densité du sérum est d = 1,0 et la masse volumique de l eau ρ eau = 1000 g.l -1 II) S approprier Document 2 : le matériel (version 1 si les dilutions sont faites à la burette) Deux burettes graduées (V ±0,09) ml. 6 tubes à essais identiques mis dans un porte- tubes à essais (à remplir au maximum avec un volume de 10,0 ml) et un bouchon. Une solution étalon pour étalonner le conductimètre à σ=1413 μs/cm. Un conductimètre de tolérance (voir notice) : 1% de la valeur lue + 2 unité de résolution (ou digit). Un tableur, sur le logiciel Latispro. Une solution mère de chlorure de sodium (Na + (aq)+l - (aq)) m =(1,000 ± 0,004)g/L (à diluer de 1 à 5 fois) Deux dosettes de sérum physiologique pour bébé (le sérum commercial devra être dilué 20 fois avant de faire les mesures). Une fiole jaugée V = (100,00 ± 0,09) ml Une pipette jaugée V= (5,00 ± 0,02) ml. Document 2 (bis) : le matériel (version 2 si les dilutions sont faites à la fiole jaugée et pipettes, au choix du professeur) Une solution étalon pour étalonner le conductimètre à σ=1413 μs/cm. Un conductimètre de tolérance (voir notice) : 1% de la valeur lue + 2 unité de résolution (ou digit). Un tableur, sur le logiciel Latispro. Une solution mère de chlorure de sodium (Na + (aq)+l - (aq)) m =(1,000 ± 0,004)g/L (à diluer de 1 à 5 fois) Deux dosettes de sérum physiologique pour bébé (le sérum commercial devra être dilué 20 fois avant de faire les mesures). 2
Une fiole jaugée V = (100,00 ± 0,09) ml Une fiole jaugée de V= (50,00 ± 0,06) ml Des pipettes jaugées V= (5,00 ± 0,02) ml ; V= (10,00 ± 0,04) ml V= (20,00 ± 0,05) ml, V= (25,00 ± 0,06) ml Remarque (pour le professeur) dans les documents 2 ci-dessus, les incertitudes élargies ont été calculées au préalable par le professeur (à 20 c et dans un intervalle de confiance de 95 %). Voir les fichiers Excel : incertitudes fioles jaugées, incertitudes pipettes jaugées et incertitudes balance. Le travail de l élève : En utilisant les documents ci-dessus, justifiez le choix du dosage par étalonnage par conductimétrie ou par spectrophotométrie pour déterminer la concentration massique en chlorure de sodium du sérum physiologique du commerce. Vous décrirez le mode opératoire dans les grandes lignes. APPEL N 1 Appeler le professeur pour lui présenter votre mode opératoire ou en cas de difficulté III) Réaliser Aides : si l élève est bloqué Déterminer la concentration massique théorique du sérum physiologique : théo. Tracer la droite d étalonnage σ = f( filles ) sur le logiciel Latispro. Tracer les incertitudes élargies à un intervalle de 95 % sur le graphique donc U (σ) et U ( filles ). Déterminer la concentration massique du sérum physiologique dilué 20 fois : ± U ( ) En déduire la concentration massique du sérum physiologique commercial : ± U ( ) Entre chaque mesure de conductivité, rincer et sécher délicatement la sonde conductimétrique. Pour déterminer l incertitude type élargie U ( ) pour le sérum dilué 20 fois, utiliser le réticule lié à la courbe modélisée et chercher un encadrement de la mesure. La différence entre la valeur maximale et la minimale vous donnera une tolérance puis utiliser 2*tolérance/ 3. APPEL N 2 Appeler le professeur pour lui présenter votre première mesure IV) Valider Déterminer la concentration massique expérimentale du sérum physiologique avec son incertitude élargie à un intervalle de confiance de 95 %. Remarque : alculer l écart relatif. ommenter. Pour évaluer la précision il est utile de calculer l écart relatif : théorique théorique - théorique expérimentale APPEL N 3 Appeler le professeur pour lui présenter votre conclusion par rapport à votre contrôle qualité sur le sérum physiologique 3
Eléments de correction TP (dilutions faites à la burette) alculons théorique : théorique = m (Nal) /V (solution) = ( 0,9%*m (solution)) / V (solution) = (0,9%*d (solution) *ρ (eau) *V (solution)) / V (solution) = 0,9%*d solution *ρ eau = 0,9%*1,0*1000 = 9,0 g.l -1 On va diluer le sérum physiologique 20 fois. Prélever 5,0 ml du sérum (à partir de 2 dosettes) à l aide d une pipette jaugée de 5,0 ml et les verser dans une fiole jaugée de 100 ml. oncentration massique de la solution mère de chlorure de sodium : m = (1,000 ± 0,004) g.l -1 Facteur de dilution 1 2 3 4 5 Volume de solution mère (burette) (V ±0,09) ml. Volume d eau distillée (burette) (V ±0,09) ml. 10,00 ml 5,00 ml 3,33 ml 2,50 ml 2,00 ml 0,00mL 5,00 ml 6,70 ml 7,50 ml 8,00 ml Volume de solution fille V fille =V mère +V eau U (V fille ) = (U (V mère )) 2 +(U(V eau )) 2 10,0 ml 10,0 ml 10,0 ml 10,0 ml 10,0 ml On prendra (V fille ± 0,2) ml. oncentration massique de la solution fille 1,000 0,50 0,33 0,25 =0,20 en g.l -1 Incertitude élargie sur fille -1 en g.l ± 0,004 ± 0,02 ± 0,02 ± 0,02 ± 0,02 Lors d une dilution la masse en soluté prélevée de la solution mère se retrouve dans la solution fille : m(mère) = m(fille) m (mère)*v(mère) = m (fille)*v(fille) F est le facteur de dilution F= m (mère)/ m (fille) = V(fille)/V(mère) omment calculer l incertitude élargie sur la concentration massique des solutions filles? m(fille) = (m( mère) *V mère ) /V fille U(f)/f = (U(m)/m) 2 +(U(Vm)/Vm) 2 +(U(Vf)/Vf) 2 Prendre l incertitude élargie la plus grande possible à saisir sur Latispro et comme modèle la fonction affine en raison d erreurs systématiques. 4
σ 5
Mesure de la conductivité du sérum physiologique dilué 20 fois : σ = 837 μs.cm -1 Lecture de la concentration massique sur la courbe d étalonnage : =439 mg.l -1 Déterminons son incertitude élargie : En déplaçant le réticule lié à la courbe, déterminons deux mesures qui encadrent : 446 mg.l -1 et 449 mg.l -1 U ( ) = 2*(449-446)/ 3 = 4 mg.l -1 D où =(439 ± 4) mg.l -1 Déterminons la concentration massique du sérum physiologique commercial : Déterminons son incertitude élargie : = 20* = 20* 439 = 8,78.10 3 mg.l -1 La solution commerciale a été diluée 20 fois, Un volume V prélevé à la pipette jaugée V= (5,00 ± 0,02) ml Une fiole jaugée de V = (100,0 ± 0,6) ml = V /V U( ) =* (U ( )/ ) 2 +(U (V )/V ) 2 +(U (V )/V) 2 U ( ) = 0,2.10 3 mg.l -1 onclusion : = (8,8 ± 0,2).10 3 mg.l -1 = (8,8 ± 0,2) g.l -1 alcul de l écart relatif : 100* = 3 % Eléments de correction TP (dilutions faites à la fiole jaugée) Facteur de dilution 1 2 2,5 4 5 Volume de solution mère V m 25,00± 0,06 20,00± 0,05 25,00± 0,02 10,00± 0,04 (Pipette jaugée) En ml Volume de solution fille V f 50,00± 0,06 50,00± 0,06 100,00± 0,09 50,00± 0,06 (Fiole jaugée) En ml oncentration massique de la solution fille en g.l -1 1,000 0,50 0,40 0,25 0,20 Incertitude élargie sur mfille -1 en g.l ± 0,004 ± 0,02 ± 0,02 ± 0,02 ± 0,02 alcul de l incertitude élargie sur la concentration massique des solutions filles : U ( f )/ f = (U ( m )/ m ) 2 +(U (V m )/V m ) 2 +(U (V f )/V f ) 2 6