RAPPORT CM12 MANIPULATION IV Détermination de la dureté de l eau PARTIE I Par ANDRE Delvine SEFFAR Mohamed Le 22 septembre 2010 Objectifs de la manipulation : - Détermination de la dureté totale de l eau - Détermination de la teneur en calcium des eaux - Détermination de la teneur en magnésium de l eau - Déminéralisation de l eau (échange des cations) - Dosage du gaz carbonique
INTRODUCTION : Dans ce TP, nous devions déterminer la dureté de deux eaux différentes : une eau A et une eau B. Cependant, l eau B ne réagissant pas correctement avec les solutions nous avons dû abandonner son étude. A un autre moment, il nous est demandé de filtrer l eau à travers les résines cationiques et anioniques. La résine anionique étant sèche, nous n avons pas été en mesure de l utiliser pour ce TP. A DETERMINATION DE LA DURETE DE L EAU Il s agit dans cette première partie de déterminer la dureté de l eau ainsi que la teneur en calcium des eaux à l aide de deux titrages différents. Les résultats n étant pas très précis à cause du virage du colorant difficile à repérer, les titrages ont étés réalisés chacun trois fois. La dureté (ou titre hydrométrique) d une eau est une grandeur reliée à la somme de concentrations en cations métalliques (à l exception des métaux alcalins Na + et K + ). En général, la dureté de l eau est due aux cations calcium Ca 2+ et magnésium Mg 2+. Détermination de la dureté totale de l eau : Mode opératoire : on souhaite déterminer la dureté de deux eaux A et B. Pour cela nous avons procédé à un dosage complexiométrique par l EDTA. On compose la solution à titrer de 50mL d eau à titrer (A ou B) avec 5mL de solution tampon ph = 10. On vérifie à l aide de papier ph. On ajoute ensuite une pincée d ériochrome noir T (un indicateur coloré). La solution prend une couleur rose violacée. On titre ensuite cette solution à l aide d une burette graduée replie d EDTA 0,05mol.L -1 et d un agitateur magnétique. Le volume équivalent est atteint quand la solution prend une teinte bleu gris. Solution titrante EDTA 0,05mol.L -1 Titrage de l eau A par de l EDTA 0,05 mol.l -1 Solution à titrer Eau (A ou B) + ph=10 - V = 55mL Agitateur magnétique
Résultats pour l eau A : - Dosage n 1 : V éq = 5mL - Dosage n 2 : V éq = 4,5mL - Dosage n 3 : V éq = 4,4mL Nous retiendrons pour la valeur de V éq la moyenne des trois valeurs précédemment indiquées. D où : V éq = 4,6mL A l équivalence, les réactifs sont en proportions stœchiométriques, on peut donc écrire : C EDTA x V éq = C x V eau A = > C = = = 4,6.10-3 mol.l -1 Donc : C = {[Ca 2+ ] + [Mg 2+ ]} = 4,6.10-3 mol.l -1 Résultats pour l eau B : Il nous à été impossible de titrer l eau B car malgré nos effort le ph de l eau restait bien inférieur à 10 (environ ph = 6), et le titrage ne pouvait donc pas marcher. On ne s occupera désormais que de l eau A jusqu'à la fin TP. Détermination de la dureté D de l eau en degré hydrométrique et milliéquivalents : On sait que : 1 degré hydrométrique français correspond 1/10000 ion g de Ca 2+ ou Mg 2+ par litre. Donc : 1 degré hydrométrique = 10-4 mol.l -1 de Ca 2+ ou Mg 2+. D où : D eau A = = 46 = > eau impropre au lavage (tableau p.40) On sait que : 1 degré hydrométrique français correspond à 0,2 milliéquivalent. Donc : 1 = 0,2mé D où : D eau A = 46 x 0,2 mé = 9,2 mé Précision des résultats : = => = C x jaugée 50mL). = 0 - = 0,1mL (incertitude burette) - = 0,05mL (incertitude pipette D où : = 4,6.10-3 x = 1,05.10-4 mol.l -1 Enfin : D eau A = 46 1 et D eau A = 9,2 0,2 mé
Détermination de la teneur en calcium des eaux : Mode opératoire : on souhaite à présent déterminer la teneur en calcium Ca 2+ dan l eau A et B. Pour cela, on effectue à nouveau une série de trois dosages à l EDTA 0,05mol.L -1. Cette fois la solution à titrer est composée de 40mL d eau (A ou B) à laquelle on ajoute 60mL d eau distillée et 5mL de solution tampon ph=12. On ajoute alors une pincé de murexide (un indicateur coloré qui forme un complexe avec les ions Ca 2+ à ph=12) et la solution prend alors une teinte rouge. Le volume équivalent est atteint quand la solution prend une teinte violette. Solution titrante EDTA 0,05mol.L -1 Titrage de l eau A par de l EDTA 0,05 mol.l -1 Solution à titrer Eau (A ou B) + eau distillée + ph=12 V = 105mL Agitateur magnétique Résultats pour l eau A : - Dosage n 1 : V éq = 8,8mL - Dosage n 2 : V éq = 9,2mL - Dosage n 3 : V éq = 8,7mL Nous retiendrons pour la valeur de V éq la moyenne des trois valeurs précédemment indiquées. D où : V éq = 8,9mL A l équivalence, les réactifs sont en proportions stœchiométriques, on peut donc écrire : C EDTA x V éq = C x V eau A = > C = = = 4,45.10-3 mol.l -1 Donc : C Ca2+ = 4,45.10-3 mol.l -1 On a : n = C x V = = 4,45.10-3 x 100.10-3 = 4,45.10-4 mol Et : m = n x M Ca = 4,45.10-4 x 40.08 = 0.0178 g D où : C m[ca2+] = = = 0,178 g.l -1 = 178 mg.l -1
Détermination de la teneur en magnésium de l eau : Nous allons maintenant déterminer par le calcul et uniquement à l aide des deux dosages précédents la concentration massique en magnésium. On sait que : C = {[Ca 2+ ] + [Mg 2+ ]} = 4,6.10-3 mol.l -1 Donc : [Mg 2+ ] = C [Ca 2+ ] = 4,6. 10-3 4,45. 10-3 = 1,5. 10-4 mol.l -1 D où : C m[mg2+] = = = = 0,0364 g.l -1 = 36,4 mg.l -1 B DEMINERALISATION DE L EAU PAR RESINES ECHANGEUSES D IONS Dans la deuxième partie de ce TP, devons déminéraliser de l eau à l aide de résines cationiques et anioniques. Le passage de l eau dans la résine cationique échange les ions Ca 2+ et Mg 2+ par des ions OH - tandis que le passage dans la résine anionique les remplace par des ions H +. Nous allons voir l effet de ce passage dans une résine sur l eau A. Echange des cations : Mode opératoire : nous disposons dans ce cas d une résine cationique échangeuse d ions. Nous versons tout d abord en plusieurs fois 50mL de solution d acide chlorhydrique à 5mol.L -1 afin de régénérer la résine. On rince ensuite la résine en versant de l eau déminéralisée jusqu'à en recueillir 100mL. On vérifie dans un tube à essais que la solution vire de l orange au rouge en contact de quelques gouttes d hélianthine. Sinon on continue le rinçage. Pendant ce temps on prépare un bécher témoin avec 20mL d eau A, 10mL de tampon ph=12, et une pincée de noir ériochrome T. La couleur obtenue est violet/rose foncé. Dans la colonne échangeuse de cations, on verse petit à petit 100mL d eau A. on jette les premiers ml et on garde le reste pour l étude. Résultats pour l eau A : - Test : contrôle de l absence de Ca 2+ et Mg 2+ On fait le test de l ériochrome T sur 10 à 20mL de l eau recueillie : on obtient un bécher avec une coloration quasi transparente rose très pâle => forte réduction des ions Ca 2+ et Mg 2+.
- Test de présence des chlorures On fait le test au nitrate d argent sur 2 à 3mL d eau recueillie ou la colonne : on obtient un précipité blanc ténu => présence de chlorures dans la solution. - Mesure du ph final On mesure le ph de l eau recueillie grâce au papier ph : on obtient une couleur rose orangée => ph = 2. L eau du robinet est à ph = 6/7. Cependant, nos résultats ne semblent pas satisfaisants malgré nos deux essais pour cette résine Echange des anions : Les manipulations sont du même ordre que pour la résine cationique. Cependant, la résine anionique étant sèche, nous n avons pas pu l utiliser Efficacité de l échange d ions : dosage de la dureté de l eau du robinet après passage sur résine : Nous n avons pas pu non plus réaliser cette partie du TP car elle faisait appel au passage dans la résine qui était hors service C DOSAGE DU GAZ CARBONIQUE LIBRE DANS L EAU Dans la dernière partie de ce TP, nous devons doser le CO 2 dissous dans l eau par un léger excès d une solution de soude. On le détermine ensuite à l aide d une solution d acide sulfurique titrée. Mode opératoire : on introduit 10mL de soude dans une fiole jaugée de 250mL et on complète jusqu au trait de jauge par l eau A. On ajoute ensuite 6 à 8 gouttes de phénophtaléine. On met un bouchon en caoutchouc et on homogénéise par agitation magnétique. La solution prend une teinte rose. On verse ensuite la solution dans un erlenmeyer de 500mL avec les eaux de lavage de la fiole. On titre cette solution avec de l acide sulfurique 0,05mol.L -1 jusqu'à décoloration totale. On pose : V = V éq d acide sulfurique 0,05mol.L -1 versé pour atteindre le virage. Dans le même temps, on fait la même manipulation que précédemment en utilisant la soude seule et en pratiquant la dilution avec de l eau distillée pure exempte de CO 2. On pose : V = V éq2 d acide sulfurique 0,05mol.L -1 versé pour atteindre le virage.
Solution titrante Acide sulfurique 0,05mol.L -1 Titrage de la solution d eau A ou distillée par de l acide sulfurique 0,05mol.L -1 Solution à titrer Solution d eau A ou distillée V = 250mL Agitateur magnétique Résultats pour l eau A : - Dosage n 1 : V éq = 10mL - Dosage n 2 : V éq = 9,4mL Nous retiendrons pour la valeur de V éq la moyenne des deux valeurs précédemment indiquées. D où : V = V éq = 9,7mL Résultats pour l eau distillée : - Dosage n 1 : V éq = 10,5mL - Dosage n 2 : V éq = 9,9mL Nous retiendrons pour la valeur de V éq la moyenne des deux valeurs précédemment indiquées. D où : V = V éq2 = 10,2mL Expression des résultats : - V V = 10,2 9,7 = 0,5 D où : A = V V = 0,5 ml D après la réaction décrite p.45, on a : AmL de la solution de HCO 3 - représente X moles de HCO 3 - fournis par le CO 2 initial. X moles de HCO 3 - formé est donc équivalent à X moles de CO 2 dissous. On a : [HCO 3 - ] = 0,05mol et A = 0,5mL - Alors : n [HCO3-] formé = n [CO2] dissous = X D où : X = [HCO 3 - ] A = 0,05 x 0,5.10-3 = 2,5.10-5 mol dissous dans 250mL, soit 10-4 mol de CO 2 dissout dans 1L. Donc : m CO2 disous = n CO2 disous M CO2 = 10-4 (12 + 2 16) = 4,4mg.L -1
Précision des résultats : On a : X = C A - D où : = est l incertitude due à la lecture sur la burette qui nous est donnée et vaut mesuré deux volumes équivalents, on estimera. = 0 (valeur du flacon). 0,1mL. Ayant Donc : = 1,0.10-5 D où : m CO2 disous = 4,4mg.L -1 1,76mg.L -1 CONCLUSION : dans ce TP, nous avons pu déterminer la dureté d une eau, l adoucir grâce aux résines, et enfin trouver une concentration de gaz carbonique dissous dans l eau. Nous avons cependant rencontré quelques petits problèmes, notamment avec l eau B qui n a finalement pu être titrée ainsi que la résine anionique qui était sèche. De plus, nos résultats trouvés pour la résine cationique ne semblent pas cohérents par rapport aux résultats que l on aurait pensé obtenir.