Séquence n 8 Des ondes pour mesurer en chimie Fiches de synthèse liées à cette séquence : Partie C : ondes progressives périodiques Partie F : ondes et changements de milieu ACTIVITÉ 1 : dosage d un des colorants du sirop de menthe Les colorants alimentaires sont des espèces chimiques controversées. Ils sont soupçonnés de favoriser l hyperactivité, l asthme, l urticaire, les troubles du sommeil et souvent accusés d être cancérigènes. Les sirops de menthe peuvent contenir, entre autres, du jaune tartrazine (E102) et du bleu patenté (E131). La dose journalière admissible (DJA) du jaune tartrazine est de 7,5 mg par kilogramme de masse corporelle. Problème à résoudre : un élève de 60 kg, buvant 20 ml de sirop par jour, dépasserait la DJA en jaune tartrazine? Partie 1 : choix de la longueur d onde Pour plus de précision, il faut choisir une longueur d onde correspondant à un maximum d absorbance de l espèce chimique. Ici, le sirop contient plusieurs espèces absorbantes. Or, on ne souhaite doser que le jaune tartrazine. Pour cela, le choix de la radiation utilisée doit être tel que seul ce colorant absorbe. DOCUMENT 1 : cercle chromatique 700 nm 400 nm violet rouge orange 620 nm bleu 480 nm vert jaune 590 nm 530 nm DOCUMENT 2 : spectres d absorption 1. En utilisant le cercle chromatique et leurs spectres d absorption, justifier les couleurs respectives des 2 colorants. 2. Quelle est la longueur d onde la plus adaptée pour le titrage du jaune tartrazine seul? Faire valider par le professeur puis régler le spectrophotomètre en conséquence. Page 1
Partie 2 : réalisation de la courbe d étalonnage On dispose d une solution aqueuse de jaune tartrazine. La concentration massique de cette solution mère est c m0 = 25 mg L 1. Par dilution de cette solution mère, vous devez préparer une échelle de teinte comportant des solutions de jaune tartrazine de concentration différentes. À partir de la solution mère, on souhaite préparer un volume V f = 50 ml d une solution de jaune tartrazine de concentration massique C m. Le volume de solution mère à prélever a pour expression : V prélèvement = c m V f c m 0 3. Compléter numériquement la 3 ème ligne du tableau de la question 4. 4. Après avoir détaillé le protocole expérimental permettant de réaliser la solution n 1, préparer chacune de ces solutions. Verser de chacune d elle dans un tube à essai pour pouvoir rendre le matériel disponible pour la dilution suivante. Solution n 1 2 3 4 5 Concentration massique c m (mg L -1 ) 5 7,5 10 12,5 25 V prélèvement (ml) Absorbance 5. En suivant la notice du spectrophotomètre, faire le réglage du zéro avec de l eau distillée (le solvant). 6. Mesurer l absorbance de chaque solution fille en commençant par la solution la moins concentrée. Compléter la dernière ligne du tableau précédent puis construire le graphique A = f(c m ). Partie 3 : dosage du sirop Une solution de sirop de menthe dilué 10 fois est disponible sur la paillasse du professeur. 7. Mesurer son absorbance. 8. Déterminer alors la concentration du jaune tartrazine dans la solution de sirop dilué. 9. En déduire la concentration de ce colorant dans la solution de sirop commercial. 10. L élève aura-t-il dépassé la DJA pour le jaune tartrazine? Page 2
ACTIVITÉ 2 : dosage des ions permanganate dans l eau de Dakin Cette activité a pour objectif de déterminer la concentration en ions permanganate de l eau de Dakin en utilisant son absorbance. Partie 1 : travail préparatoire 1. Le document 1 donne le spectre d absorption des ions permanganate. Lorsqu une solution contenant des ions permanganate est traversée par de la lumière blanche, quelles sont les couleurs associées aux différentes ondes transmises? En déduire la couleur de la solution. 2. Pour étudier l absorbance de solutions de permanganate de potassium, nous allons utiliser un colorimètre : son principe est expliqué dans le document 3. Le faisceau de lumière utilisé peut avoir trois longueurs d onde possibles : 470nm, 525nm ou 650nm. Laquelle devons-nous utiliser pour étudier une solution de permanganate de potassium? Partie 2 : élaboration et réalisation d une méthode de mesure en chimie À l aide des documents et de vos connaissances, déterminer la concentration massique en permanganate de potassium de l eau de dakin et la comparer avec la valeur donnée par le fabriquant. Pour cela, il vous faudra dans un premier temps déterminer la concentration molaire en permanganate de potassium de l eau de dakin avec son incertitude puis enfin répondre à la question posée. La démarche suivie sera évaluée et nécessite d être clairement présentée au professeur avant la réalisation expérimentale. Les calculs seront menés avec rigueur et un regard critique sur votre résultat est attendu. DOCUMENT 1 : Spectre d absorption des ions permanganate en solution DOCUMENT 2 : préparation des solutions étalons Solutions étalon : Ce sont des solutions de concentrations connues précisément. Courbe d étalonnage : Elle représente l évolution d une grandeur physique en fonction de la concentration des solutions étalon. Protocole : À l aide de deux burettes, l une remplie d eau et l autre d une solution de permanganate de potassium de concentration molaire c = 10 10 5 mol. L 1, préparer dans 5 tubes à essai les solutions comme indiqué dans le tableau ci-dessous : sol n vol. de S 0 (ml) vol. d eau (ml) concentration (mol L 1 ) 1 2,0 8,0 2,0 10 5 2 4,0 6,0 4,0 10 5 3 6,0 4,0 6,0 10 5 4 8,0 2,0 8,0 10 5 5 10 0 10,0 10 5 absorbance Page 3
DOCUMENT 3 : mesurer une absorbance Principes du colorimètre et du spectrophotomètre Une absorbance se mesure à l aide d un spectrophotomètre ou un colorimètre. Le spectrophotomètre permet d effectuer un balayage de toutes les longueurs d onde du spectre visible, contrairement au colorimètre qui ne dispose que de quelques valeurs de longueur d onde. Cependant ces deux appareils reposent sur le même principe : un faisceau de lumière de longueur d onde réglable et d intensité connue est émis par l appareil et traverse la solution. L appareil mesure l intensité du faisceau transmis et affiche la valeur de l absorbance. I 0 I Protocole de la mesure d une absorbance Sélectionner la longueur d onde de mesure et valider. Réglage du zéro Remplir une cuve avec de l eau distillée, essuyer ses parois, la placer dans l appareil et la recouvrir du cache noir. Veillez à ne pas remplir la cuve à ras bords. Fixer A λ = 0 en tournant le bouton de réglage. L eau distillée est le solvant, on doit donc soustraire son absorption de celle des solutions étudiées. Pour obtenir le zéro avec le bouton de réglage, il faut partir d une valeur non nulle et s arrêter dès que la valeur la plus proche de 0,000 est obtenue. Le dernier chiffre indiqué n est pas significatif. Mesure de l absorbance Remplacer la cuve d eau par une cuve contenant la solution à tester. Ajouter le cache noir et mesurer son absorbance. Si plusieurs solutions doivent être testées, il est inutile de refaire le zéro. Par contre, on commencera toujours par la solution la moins concentrée. DOCUMENT 4 : l eau de Dakin L eau de Dakin est un antiseptique local, constitué d une solution d eau de Javel diluée à laquelle ont été ajoutée différentes espèces chimiques dont du permanganate de potassium. Le rôle de ce dernier est de stabiliser la solution vis-à-vis de la lumière. La préparation de l eau de Dakin fait intervenir une faible masse de permanganate de potassium (de l ordre de 0,01g/L) qu il n est pas possible de peser avec précision. DOCUMENT 5 : incertitude et LatisPro Lors de la modélisation, le logiciel LatisPro permet d obtenir l incertitude sur la valeur du coefficient directeur d une droite. Il faut pour cela estimer l incertitude sur la grandeur représentée en abscisse puis en ordonnée. Page 4
ACTIVITÉ 3 : danger potentiel du «bleu brillant» Powerade ION4 est une boisson énergétique de l effort qui existe avec quatre goûts différents, la plus plébiscitée est Powerade Ice storm (boisson officielle des J.O. de Londres 2012). Cette boisson a une couleur bleue, due à la présence d un colorant : le colorant Bleu brillant (E133). Les colorants sont des additifs alimentaires faisant font l objet d une réglementation stricte (soumis à autorisation des instances nationales et internationales, étiquetage obligatoire et teneur limite autorisée ) Question ouverte: Un marathonien de 70 kg boit 2,0 litres de Powerade ION4 pendant sa course. Prend-il un risque pour sa santé? Pour répondre, rédiger une argumentation, exploitant les documents ci-après en détaillant soigneusement les étapes du raisonnement suivi. DOCUMENT 1 : Fiche technique du colorant alimentaire E133 bleu brillant Fiche produit pur: CAS:3844-45-9 H373: Risque présumé d'effets graves en cas d'expositions répétées ou prolongées Masse molaire : M= 792,8 g.mol -1 Doses journalières admissibles (DJA) : 12,6 µmol par kg de masse corporelle Maximum d absorbance pour λ = 630 nm DOCUMENT 2 : Absorbance de diverses solutions de bleu brillant pour λ = 630 nm Solution E 0 E 1 E 2 E 3 E 4 E 5 Concentration massique (en mg/l) 0 12,50 5,00 2,50 1,25 0,50 Absorbance A 0 2,027 0,856 0,398 0,205 0,078 DOCUMENT 3 : Mesures de l absorbance de la boisson Powerade ION4 à λ = 630 nm. Les 3 mesures réalisées au laboratoire de la boisson Powerade ION4 à λ = 630 nm ont donné les résultats suivants : A 1 = 0,932 ; A 2 = 0,934 ; A 3 = 0,931 Page 5