ETUDE D�UNE EAU MINERALE by L91Lstwl

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									                             ETUDE D’UNE EAU MINERALE ( 5 points )

Pour cet exercice, l’utilisation de la calculatrice est interdite.

Les étiquettes portées par les bouteilles d’eaux minérales indiquent la nature des ions présents, leur
concentration massique et le pH de l’eau. L’étiquette correspondant à l’eau minérale étudiée est
donnée ci-dessous :

                                    Minéralisation caractéristique en mg/L :
                                       Eau sulfatée calcique et magnésienne
                            calcium : 467 magnésium : 84 sodium : 7 potassium : 3
                             sulfate : 1192 hydrogénocarbonate : 377      chlorure : 7
                                    pH : 7,3 - Résidu sec à 180° : 2032 mg/L
                                                  Source Pavillon

On veut vérifier au cours des expériences
                 la présence des ions calcium et des ions sulfate
                 l’indication de l’étiquette concernant la concentration massique en ions
                   hydrogénocarbonate HCO3- (appelés parfois ions bicarbonate et connus pour
                   faciliter la digestion).
Pour cela on réalise un dosage de l’eau minérale par une solution d’acide chlorhydrique S de
concentration C égale à 0,10 mol.L-1.

Données : Les ions hydrogénocarbonate interviennent dans les couples acide-base suivants :
      H2O, CO2 / HCO3-
       HCO3- / CO32-

Matériel à disposition :
 Pipettes jaugées de 10 mL, 20 mL et 50 mL
 Propipette
 Burette graduée de 25 mL
 Fioles jaugées de 50 mL, 100 mL et 250 mL
 Béchers de 50 mL, 100 mL et 250 mL
 Eprouvette graduée de 25 mL et 100 mL
 Tubes à essais dans un porte-tubes
 pH-mètre
 Solutions tampons de pH = 4,0 , pH = 7, pH = 9,0
 Agitateur magnétique et barreau aimanté
 Bouchons

Solutions à disposition :
                                                                      indicateur         teinte   zone de      teinte
   Eau minérale à analyser                                                                        virage
   Solution d’acide chlorhydrique à 0,50 mol.L-1                     hélianthine    rouge        3,1 - 4,4    jaune
   Solution de nitrate d’argent 0,10 mol.L-1                          rouge de
   Solution de chlorure de baryum 0,10 mol.L-1                         méthyle
                                                                                     rouge        4,2 - 6,2    jaune
   Solution d’oxalate d’ammonium 0,10 mol.L-1                          bleu de
   Solution de sulfate de cuivre 0,10 mol.L-1                                           jaune    6,0 - 7,6    bleu
                                                                     bromothymol
   Les indicateurs colorés suivants :                                 rouge de
                                                                                         jaune    7,2 - 8,8    rouge
                                                                         crésol
On rappelle qu’un cm3 est égal à un mL.                                 phénol-
                                                                                    incolore      8,2 - 10,0   rose
Masses molaires (g.mol-1) : H : 1 C : 12 O : 16                        phtaléine
                               ETUDE D’UNE EAU MINERALE

I. Identification des ions

1. Décrire un test permettant de mettre en évidence la présence des ions calcium et un test
permettant de mettre en évidence la présence des ions sulfate.
2. Ecrire l’équation-bilan correspondant à chacun des tests.


II. Préparation de la solution d’acide chlorhydrique S

Décrire avec précision la préparation de 100 cm3 de solution S en indiquant la nature de la verrerie
utilisée.


III. Evolution du pH d’une solution de carbonate de sodium en fonction du volume d’acide
chlorhydrique versé

Afin de déterminer l’indicateur le plus approprié au dosage de l’eau minérale, on réalise, grâce à
un logiciel de simulation appelé SIMULTIT, la courbe de variation du pH d’une solution titrée de
carbonate de sodium ( Na2CO3 ) en fonction du volume d’acide chlorhydrique versé.(fig.1)

1. Ecrire les équations bilans des différents équilibres acido-basiques présents dans une solution de
carbonate de calcium.
2. Retrouver graphiquement la valeur des constantes d’acidité des deux couples faisant intervenir
l’ion hydrogénocarbonate.
3. Sur un axe gradué en pH, placer les domaines de prédominance des espèces acide et basique de
ces deux couples.
   Quelle est l’espèce majoritaire contenue dans l’eau minérale étudiée ? Justifier.
4. Quel est l’indicateur coloré le plus approprié au dosage d’une solution d’ions
hydrogénocarbonate par une solution d’acide chlorhydrique ? Justifier.

IV. Détermination de la concentration des ions hydrogénocarbonate dans l’eau minérale

On a prélevé un volume V = 100 cm3 d’eau minérale que l’on a versée dans un erlenmeyer. On a
ajouté quelques gouttes de l’indicateur coloré approprié. A l’aide de la burette graduée, on a versé
lentement la solution d’acide chlorhydrique S.
Le virage de l’indicateur coloré a lieu lorsqu’on a versé un volume Véq = 6,1 cm3 de la solution S.

1. Faire un schéma légendé du dosage.
2. Ecrire l’équation-bilan de la réaction du dosage.
3. Déterminer la concentration en ions hydrogénocarbonate dans l’eau minérale.
4. Comparer la valeur trouvée avec celle donnée sur l’étiquette.
                              ETUDE D’UNE EAU MINERALE
                          Questions                    Référence aux compétences
                                                            inscrites au BO
I. Identification des ions

1. Décrire un test permettant de mettre en évidence la
   présence des ions calcium et un test permettant de mettre Savoir identifier les ions suivants : Cl-,
   en évidence la présence des ions sulfate.                 SO42-, HCO3-, Ca2+

2. Ecrire les équations-bilans correspondantes.


II. Préparation de la solution d’acide chlorhydrique S

Décrire soigneusement la préparation de 100 cm3 de solution Savoir utiliser le matériel figurant au
S en indiquant la verrerie utilisée.                        programme.


III. Evolution du pH d’une solution de carbonate de
sodium en fonction du volume d’acide chlorhydrique
versé
                                                            Ecrire l’équation-bilan de la réaction d’une
1. Ecrire les équations bilans correspondant aux différents base avec l’eau et y associer la constante
   couples mis en jeu.                                      d’équilibre Ke/Ka.

2. Retrouver graphiquement les constantes d’acidité de ces Savoir déterminer à partir de la courbe de
   différents couples.                                     dosage pHmétrique le ou les pKa

3. Sur un axe gradué en pH, placer les domaines de
prédominance des espèces acide et basique de ces deux
couples.                                              Connaissant le pH et le pKa, déterminer le
  Quelle est l’espèce majoritaire contenue dans l’eau forme prédominante
minérale étudiée ? Justifier.

4. Quel est l’indicateur coloré le plus approprié au dosage Utiliser une table de données (table de
des ions hydrogénocarbonate ? Justifier.                    pKa, zone de virage d’indicateurs colorés)
                                                            Choisir l’indicateur coloré pour un dosage
                                                            donné
IV. Détermination de la concentration des ions
   hydrogénocarbonate dans l’eau minérale

1. Faire un schéma légendé du dosage.                        Savoir utiliser le matériel figurant au
                                                             programme

2. Ecrire l’équation-bilan de la réaction du dosage.         Ecrire l’équation-bilan de la réaction de
                                                             dosage

3. Déterminer la concentration en ions hydrogénocarbonate Savoir utiliser les modèles et les lois pour
dans l’eau minérale.                                      établir grâce à une démonstration les
                                                          propriétés relatives à une situation donnée
4. Comparer la valeur trouvée avec celle donnée sur Savoir évaluer la pertinence d’un résultat
l’étiquette.
                                   ETUDE D’UNE EAU MINERALE

                         Réponse attendue                               Barème      Commentaires
I. Identification des ions

1. 2.                                                                             Description de
         Chlorure de
          baryum          Précipité blanc de sulfate de baryum BaSO4    0,25     l’expérience et
                                                                                 observation

      Eau                Ba2+ + SO42-  BaSO4s                          0,25         Equation
     minérale

         Oxalate d’                                                              Description de
         ammonium
                        Précipité blanc d’oxalate de calcium CaC2O4     0,25     l’expérience et
                                                                                 observation
 Eau                      Ca2+ + C2O42-  CaC2O4s
minérale                                                                0,25         Equation
II. Préparation de la solution d’acide chlorhydrique S

La solution est 5 fois plus diluée donc on prélève 20 cm3 de la                   0,25 pour le calcul
solution d’acide chlorhydrique disponible à l’aide d’une pipette
jaugée de 20 cm3.
On les place dans une fiole jaugée de 100 cm3 contenant déjà de         0,75      0,25 pour le matériel
l’eau distillée. On agite.
On complète jusqu’au trait de jauge avec l’eau distillée et on
termine en agitant de nouveau.                                                    0,25 pour le
                                                                                    protocole

III. Evolution du pH d’une solution de carbonate de sodium en
   fonction du volume d’acide chlorhydrique versé
                                                                                  0,25 pour chaque
1. 2. HCO3- + H2O              CO32- + H3O+ pKa = 10,3                           équation
                                                                        0,75     Si pas     ne pas
         CO2 + 2 H20          HCO3- + H3O+ pKa = 6,4
                                                                                 mettre les points
Le pKa est le pH à la demi-équivalence.                                  0,25      0,25 les pKa

3.
        H20,CO2            HCO3-            CO32-
                                                                         0,25
                                                             pH
                  6,4                10,3

D’après l’étiquette, le pH de l’eau minérale est de 7,3. Or ce pH est
compris dans l’intervalle défini par les deux pKa d’où l’espèce          0,25
prédominante est HCO3-.

4. La zone de virage de l’indicateur coloré doit contenir le pH à
l’équivalence.
   Lors de la deuxième équivalence, correspondant au dosage des          0,25     Il faut l’explication
ions HCO3-, le pH est d’environ 4. C’est donc l’hélianthine qui est              et le choix
l’indicateur le plus approprié.
                                  ETUDE D’UNE EAU MINERALE

IV. Détermination de la concentration des ions
   hydrogénocarbonate dans l’eau minérale

1.




                                         burette graduée contenant la
                                         solution d’Hcl à 0,1 mol.L-1

                                                                        0,5
                                                                               0,25 pour le schéma



                                                                               0,25 pour la légendé
                                         sonde de pHmètre


                                 100 cm3 d’eau minérale

                                         agitateur magnétique




2. HCO3- + H3O+                 CO2 + 2 H2O                            0,25

3. A l’équivalence, la quantité d’ions H30+ versée est égale à la       0,25
quantité d’ions HCO3- présents

                             n(H30+) = n(HCO3-)

                      d’où  HCO3-  = C x Véq / V

                                      = 0,10 x 6,1 / 100

                                      = 6,1 x 10-3 mol.L-1              0,25

4. La concentration massique est :
 6,1 x 10-3 x ( 1+12+3*16 ) = 370 mg.L-1
                                                                        0,25
     Ce qui est voisin de l’indication portée sur l’étiquette
        377 mg.L-1.
                           ETUDE D’UNE EAU MINERALE




                                        (fig 1)


20 mL de solution de carbonate de sodium à 0,050 mol.L-1 dosée par une solution d’acide
chlorhydrique à 0,10 mol.L-1

								
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