Epr TP 2011 - Olympiades de chimie

XXVIIemes OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE
EPREUVES REGIONALES DE L’ACADEMIE DE GRENOBLE
Epreuve pratique
Durée : 2h00
Mercredi 16 février 2011
Au cours de cette épreuve, vous serez jugé(e) sur :
- votre aisance pendant les manipulations,
- la qualité de vos résultats,
- la qualité de vos réponses écrites aux questions.
La verrerie à utiliser pour la mesure des volumes n’est pas indiquée dans le
mode opératoire.
C’est à vous de choisir l’ustensile adéquat en fonction de l’opération à réaliser.
Les questions sont écrites en italique et précédées du symbole Les réponses
aux questions se feront aux emplacements réservés sur la feuille de compterendu.
Les résultats expérimentaux figureront, eux aussi, sur la feuille de compterendu.
Il est recommandé de donner la priorité à la manipulation et de répondre aux
questions pendant les temps d’attente.
DÉTERMINATION DE LA DURETÉ D'UNE EAU
1. Introduction :
La dureté ou titre hydrotimétrique d’une eau est une grandeur reliée à la somme
des concentrations en cations métalliques, à l’exception de ceux des métaux
alcalins.
Citer deux exemples de métaux alcalins.
Dans la plupart des cas la dureté et essentiellement due aux ions calcium et
magnésium.
Elle s’exprime usuellement en degré hydrotimétrique (°TH) ou degré français
(°f) :
1°TH = 1°f = 0,1 mmol.L-1 d’ions calcium ou magnésium.
On distingue les eaux douces (moins de 15°TH), dures (de 15 à 35°TH) et très
dures (plus de 35°TH). Dans l’eau du robinet, la dureté doit obligatoirement être
inférieure à 30°TH, mais il est souhaitable qu’elle soit de 12 à 15°TH.
La dureté calcique est liée à la concentration en ions calcium. La dureté
magnésienne est liée à la concentration en ions magnésium
On se propose de déterminer la dureté totale et la dureté magnésienne
d’une eau minérale et d’en déduire sa dureté calcique.
TP1
Les solutions d’EDTA ne seront pas rejetées à l’évier. Un
bidon de récupération est à votre disposition.
A l’issue de l’épreuve, la verrerie doit avoir été lavée et la
paillasse doit avoir été nettoyée et rangée.
2. Principe du Dosage de la dureté totale :
Les ions Ca2+et Mg2+ seront dosés par
complexométrie par une solution d’EDTA.
L’EDTA ou acide éthylène diamine tétracétique
dont la formule est donnée ci-contre sera noté
pour plus de commodité H4Y.
L’EDTA est un tétracide. Sa forme la plus
basique est l’ion Y4-.
Les ions Y4- forment des complexes avec les ions
Ca2+ et Mg2+ selon les réactions ci-dessous :
Ca2+ + Y4- = [CaY]2-
et
O
O
OH
C
C
H2C
H2C
CH2
N
HO
N
CH2
CH2
CH2
C
OH
C
O
OH
O
Mg2+ + Y4- = [MgY]2-
L’indicateur coloré utilisé est le NET (Noir Eriochrome T). L’utilisation de cet
indicateur est optimale lorsque le pH est entre 9 et 10. Il peut, lui aussi, donner
des complexes avec les ions Ca2+ et Mg2+ selon les réactions ci-dessous :
Ca2+ + NET = [CaNET]2+
et
Mg2+ + NET = [MgNET]2+
[CaNET]2+ est moins stable que [MgNET]2+ , lui-même moins stable que
[MgY]2- qui est moins stable que [CaY]2Dans l’eau contenant les ions Ca2+ et Mg2+, on ajoute un peu de chlorure
d’ammonium et un peu d’ammoniaque.
Quel est le rôle de cet ajout ?
On y introduit ensuite un peu de NET (en quantité beaucoup plus faible que les
ions calcium et magnésium).
Quelle réaction se produit lors de l’ajout du NET ?
On dose ensuite avec une solution d’EDTA.
Quelles réactions se produisent lors de l’ajout de la solution d’EDTA ? On écrira l’EDTA
sous la forme Y4- .On écrira les réactions dans l’ordre ou elles se produisent.
TP2
Expliquer pourquoi le changement de couleur de la solution coïncidera avec le dosage de
la totalité des ions Ca2+ et Mg2+.
3. Principe du Dosage de la dureté magnésienne :
En présence de l’ion oxalate (voire formule ci contre), les ions
Ca2+ donnent un précipité d’oxalate de calcium.
-O
OC
O
C
O
Ecrire la réaction de précipitation entre les ions oxalate et calcium.
A l’état solide, l’oxalate d’ammonium est sous forme monohydratée, sa masse molaire est
de 142,12 g.mol-1. Quelle est sa formule chimique ?
La solution d'oxalate d'ammonium est à 2%, c'est-à-dire que 100 g de solution
contiennent 2 g d’oxalate d’ammonium monohydraté. On considérera que la masse
volumique de cette solution est de 1 kg.L-1. Quelle est sa concentration molaire volumique ?
Quelle quantité de matière d’ions calcium peut être précipitée par l’ajout de 5 mL de
cette solution à 50 mL d’eau ?
Cette réaction pouvant être considérée comme totale, après filtration du
précipité, l’eau est débarrassée des ions calcium et ne contient plus que les ions
magnésium qu’on dosera par l’EDTA comme précédemment.
4. Mode opératoire
Placer dans un bécher une prise d'essai de volume E2 = 50,0 mL d'eau minérale
et environ 5 mL de solution d'oxalate d'ammonium à 2%. Agiter manuellement.
Renouveler l’opération dans un deuxième becher. Laisser reposer environ 1h.
Pendant ce temps, on s’occupera du dosage de la dureté totale.
Dans un erlenmeyer, placer une prise d’essai de volume E1 = 25,0 mL d’eau
minérale et compléter à environ 150 mL avec de l’eau distillée (pour compléter
à l’eau distillée, on se fiera aux graduations de l’erlenmeyer).
Dissoudre une spatule de chlorure d’ammonium, ajouter 1 jet de pissette
d’ammoniaque quelques grains de NET (la solution doit être colorée mais pas
trop foncée).
Préparer un erlenmeyer témoin de 25 mL destiné à visualiser la couleur attendue
en fin de dosage.
Doser la prise d’essai par la solution d’EDTA à 0,0100 mol.L-1 jusqu’au virage
de la solution. La solution sera homogénéisée en continu à l’aide d’un agitateur
magnétique et d’un barreau aimanté. Le volume équivalent attendu est supérieur
à 30 mL.
Renouveler l’opération pour obtenir deux essais concordants à 1% près.
TP3
On notera V1 et V’1 les volumes équivalents obtenus.
Après environ 1h de repos traiter le contenu de chaque becher de la manière
suivante :
Filtrer sur un erlenmeyer (bien égoutter mais ne pas rincer).
Compléter l’erlenmeyer à environ 150 mL avec de l’eau distillée.
Dissoudre une spatule de chlorure d’ammonium, ajouter 1 jet de pissette
d’ammoniaque et une pointe de spatule de NET.
Doser par la solution d’EDTA à 0,0100 mol.L-1 jusqu’au virage de la solution.
On notera V2 et V’2 les volumes équivalents obtenus
Matériel et produits se trouvant sur la paillasse :
- 1 flacon contenant environ 250 mL de solution d’EDTA à 0,0100 mol.L-1
- 1 pipette jaugée de 25 mL
- 1 pipette jaugée de 50 mL
- 1 éprouvette graduée de 50 ou de 100 mL
- 1 éprouvette graduée de 10 mL
- 4 erlenmeyers de 250 mL
- 1 erlenmeyer de 25 mL
- 4 béchers
- 1 burette de 50 mL sur son support
- 1 entonnoir
- 1 support à entonnoir
- 2 papiers filtres plissés
- 1 pissette d’eau distillée
- 1 paire de lunettes
- 1 agitateur magnétique
- 1 barreau aimanté
Matériel et produits commun avec le ou les postes voisins :
- 2 propipettes de modèles différents (pour 2)
- 1 marqueur (1 pour 4)
- 1 spatule (1 pour 2)
- 1 bouteille d’eau minérale (1 pour 4)
- 1 flacon de NET (1 pour 4)
- 1 pissette d’ammoniaque (1 pour 4)
- 1 flacon de chlorure d’ammonium (1 pour 4)
- 1 flacon de solution d’oxalate d’ammonium à 2% (1 pour 4)
- 1 bidon de récupération pour les solutions aqueuses d’EDTA (1 pour 4)
TP4
XXVIIemes OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE
EPREUVES REGIONALES DE L’ACADEMIE DE GRENOBLE
Epreuve pratique
Durée : 2h00
Mercredi 16 février 2011
COMPTE-RENDU
Numéro d’anonymat :
Dans tout le début du compte-rendu, seules des expressions littérales sont
demandées.
1. Données :
Couleurs des espèces rencontrées à pH entre 9 et 10
2+
Mg2+
Ca2+
[CaNET] 2+ NET
[MgY]2− [CaY]2− [MgNET]
couleur incolore incolore incolore incolore rose foncé rose foncé bleu
Masses molaires (g.mol-1)
H
C
N
1,01
12,01
14,00
O
16,00
Mg
24,31
Constantes d’acidité
NH4+/NH3 H4Y/H3Y- H3Y-/H2Y2pKa
9,2
2,0
2,7
Ca
40,08
H2Y2-/HY3- HY3-/Y46,2
10,3
1- Citer deux exemples de métaux alcalins.
2. Dosage de la dureté totale :
2-1 Quel est le rôle de l’ajout de chlorure d’ammonium et d’ammoniaque dans
le milieu réactionnel ?
CR1
2-2 Quelle réaction se produit lors de l’ajout du NET ?
2-3- Quelles réactions se produisent lors de l’ajout de la solution d’EDTA ? On
les écrira dans l’ordre ou elles se produisent.
2-4- Expliquer pourquoi le changement de couleur de la solution coïncidera
avec le dosage de la totalité des ions Ca2+ et Mg2+
2-5- Indiquer les volumes équivalents obtenus lors de chacun des deux essais.
V1 =
mL
V’1 =
mL
2-6- Donner l’expression littérale de la concentration totale en ions magnésium
et calcium (Ctotale) en fonction du volume équivalent (Véq1).
CR2
3. Dosage de la dureté magnésienne :
3-1- Ecrire la réaction de précipitation entre les ions oxalate et calcium.
3-2- A l’état solide, l’oxalate d’ammonium est sous forme monohydratée, sa
masse molaire est de 142,12 g.mol-1. Quelle est sa formule chimique ?
3-3- La solution d'oxalate d'ammonium est à 2%, c'est-à-dire que 100 g de
solution contiennent 2 g d’oxalate d’ammonium monohydraté. On considérera
que la masse volumique de cette solution est de 1 kg.L-1. Quelle est sa
concentration molaire volumique ?
3-4- Quelle quantité de matière d’ions calcium peut être précipitée par l’ajout
de 5 mL de cette solution à 50 mL d’eau minérale ?
3-3- Indiquer les volumes équivalents obtenus lors de chacun des deux essais.
V2 =
mL
V’2 =
mL
CR3
3-4- Donner l’expression littérale de la concentration en ions magnésium (CMg)
en fonction du volume équivalent (Véq2).
4. Applications numériques :
4-1- Calculer la concentration totale en ions magnésium et calcium (Ctotale) On
la présentera dans toutes les unités proposées.
Ctotale =
mol.L-1
Ctotale =
°TH
4-2- Calculer la concentration en ions magnésium (CMg) On la présentera dans
toutes les unités proposées.
CMg =
mol.L-1
CMg =
mg.L-1
4-3- Calculer la concentration en ions calcium (CCa) On la présentera dans
toutes les unités proposées.
CCa =
mol.L-1
CCa =
mg.L-1
4-5- Que penser de la dureté de cette eau minérale ?
4-6- La quantité de solution d’oxalate d’ammonium ajoutée au 3 était-elle
suffisante pour faire précipiter la totalité des ions calcium ?
CR4
XXVIIemes OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE
EPREUVES REGIONALES DE L’ACADEMIE DE GRENOBLE
Epreuve pratique
Durée : 2h00
Mercredi 16 février 2011
COMPTE-RENDU
Dans tout le début du compte-rendu, seules des expressions littérales sont
demandées.
1. Données :
Couleurs des espèces rencontrées à pH entre 9 et 10
2+
Mg2+
Ca2+
[CaNET] 2+ NET
[MgY]2− [CaY]2− [MgNET]
couleur incolore incolore incolore incolore rose foncé rose foncé bleu
Masses molaires (g.mol-1)
H
C
N
1,01
12,01
14,00
O
16,00
Mg
24,31
Constantes d’acidité
NH4+/NH3 H4Y/H3Y- H3Y-/H2Y2pKa
9,2
2,0
2,7
Ca
40,08
H2Y2-/HY3- HY3-/Y46,2
10,3
1- Citer deux exemples de métaux alcalins.
2 pts
Na, K, Li
2. Dosage de la dureté totale :
2-1 Quel est le rôle de l’ajout de chlorure d’ammonium et d’ammoniaque dans
le milieu réactionnel ?
2 pts
Tamponner la solution à pH proche de 9,2
en faisant un mélange d’ammoniac et
d’ion ammonium
corrigé1
2-2 Quelle réaction se produit lors de l’ajout du NET ?
2 pts
On forme en priorité le complexe le
plus stable :
2+
Mg + NET = [MgNET]2+
2-3- Quelles réactions se produisent lors de l’ajout de la solution d’EDTA ? On
les écrira dans l’ordre ou elles se produisent.
2 pts
Ca2+ + Y4- = [CaY]2puis
2+
Mg + Y4- = [MgY]22-4- Expliquer pourquoi le changement de couleur de la solution coïncidera
avec le dosage de la totalité des ions Ca2+ et Mg2+
3 pts
Lorsqu’on a dosé tous les ions Ca2+ et Mg2+ libres
dans la solution, on observe la dissociation du
complexe [MgNET]2+
selon : [MgNET]2+
=
2+
2+
Mg
+ NET pour que les Mg ainsi libérés
puissent être complexé par Y4- car [MgNET]2+
moins stable que [MgY]22-5- Indiquer les volumes équivalents obtenus lors de chacun des deux essais.
10 pts (2 pour la concordance et 8 pour la valeur –barême dégressif à votre choix)
V1 = 37,2
mL
V’1 = 37,2
mL
2-6- Donner l’expression littérale de la concentration totale en ions magnésium
et calcium (Ctotale) en fonction du volume équivalent (Véq1).
2 pts
Ctotale = (Véq1 x 0,0100) / E1
Corrigé2
3. Dosage de la dureté magnésienne :
3-1- Ecrire la réaction de précipitation entre les ions oxalate et calcium.
2 pts
Ca2+ + 2 C2O42- = CaC2O4
3-2- A l’état solide, l’oxalate d’ammonium est sous forme monohydratée, sa
masse molaire est de 142,12 g.mol-1. Quelle est sa formule chimique ?
2 pts
C2O4(NH4)2,H2O
3-3- La solution d'oxalate d'ammonium est à 2%, c'est-à-dire que 100 g de
solution contiennent 2 g d’oxalate d’ammonium monohydraté. On considérera
que la masse volumique de cette solution est de 1 kg.L-1. Quelle est sa
concentration molaire volumique ?
3 pts
2 g d'oxalate d'ammonium monohydraté = 2/142,12 mol
d'oxalate d'ammonium
100 g de solution = 0,1 L de solution
C = (2/142,12) /0,1 = 20/142,12 = 0,14 mol/L
3-4- Quelle quantité de matière d’ions calcium peut être précipitée par l’ajout
de 5 mL de cette solution à 50 mL d’eau minérale ?
2 pts
5 mL de cette solution correspond à 5 x 0,14 = 0,7 mmol
d’ion oxalate
On pourra donc précipiter 0,7 mmol d’ions calcium
3-3- Indiquer les volumes équivalents obtenus lors de chacun des deux essais.
4 pts ?(2 pour chaque valeur mais risque de grosse dispersion car filtration
imparfaite)
V2 = 15,4
mL
V’2 =
mL
Corrigé3
3-4- Donner l’expression littérale de la concentration en ions magnésium (CMg)
en fonction du volume équivalent (Véq2).
2 pts
CMg = (Véq2 x 0,0100) / E2
4. Calculs :
4-1- Calculer la concentration totale en ions magnésium et calcium (Ctotale) On
la présentera dans toutes les unités proposées.
1 pt
Ctotale = 0,0149 mol.L-1
2 pts
Ctotale = 149
°TH
4-2- Calculer la concentration en ions magnésium (CMg) On la présentera dans
toutes les unités proposées.
1 pt
CMg = 0,00308
mol.L-1
2 pts
CMg = 74,9
mg.L-1
4-3- Calculer la concentration en ions calcium (CCa) On la présentera dans
toutes les unités proposées.
2 pts
CCa = 0,0118
mol.L-1
2 pts
CCa = 474
mg.L-1
4-5- Que penser de la dureté de cette eau minérale ?
1 pt
Elle est beaucoup plus dure que l’eau du robinet
4-6- La quantité de solution d’oxalate d’ammonium ajoutée au 3 était-elle
suffisante pour faire précipiter la totalité des ions calcium ?
2 pts
Dans 50 mL d’eau, il y avait 50 x 0,0118 = 0,59 mol d’ions
calcium donc 0,7 mmol d’ions oxalate était une quantité
suffisante
Corrigé4