L’altération des roches Thème : L’eau Chap. 1 Eau et environnement

TP : Dosage des ions hydrogénocarbonates dans l’eau 1 C. Grange-Reynas

L’altération des roches - Correction

Mots-clefs : Erosion ; dissolution ; concrétion.

ACTIVITE EXPERIMENTALE

Dosage des ions hydrogénocarbonate dans une eau minérale

Objectifs

Savoir réaliser un dosage acide-base par plusieurs méthodes.

Déterminer par titrage acido-basique, la quantité d'ions hydrogénocarbonate contenus dans une eau

minérale.

Comparer à l'information portée sur l'étiquette

Problème

Dans les eaux d’alimentation, le caractère basique (alcalinité) est dû principalement à la présence d’ions carbonate

CO32- et d’ions hydrogénocarbonate HCO3

-.

On considère qu’une eau ayant un pH supérieur à 8,3 contient des carbonates.

Une eau dont le pH est inférieur à 8,3 ne contient pas de carbonates mais seulement des hydrogénocarbonates.

On veut déterminer par titrage acido-basique soit à l’aide d’un pH-mètre, soit en utilisant un indicateur coloré

approprié, la quantité d’ions hydrogénocarbonate contenus dans une eau de boisson ; comparer à l’information

portée sur l’étiquette.

Etude préliminaire

1. Etude du comportement de l’ion hydrogénocarbonate

« L’ion hydrogénocarbonate HCO3-est un ampholyte ou l'ion hydrogénocarbonate HCO3 - est amphotère. »

a) Que signifie ce qualificatif : amphotère ?

Une espèce amphotère (adjectif) est une espèce qui peut se comporter soit comme un acide, soit comme une base.

Cette espèce est appelée un ampholyte (nom).

b) Donner les deux couples acide-base auxquels il appartient.

Il apparaît dans les couples : CO2, H2O(aq) / HCO3- (aq) pKA1 = 6,4

HCO3- (aq) / CO3

2- (aq) pKA2 = 10,3

c) Ecrire les équations des deux réactions possibles de cet ion avec l'eau.

L’ion hydrogénocarbonate se comporte comme un acide : HCO3- (aq) CO3

2- (aq) + H+(aq)

L’ion hydrogénocarbonate se comporte comme une base : CO2, H2O(aq) HCO3- (aq) + H+(aq)

d) Dans les eaux d'alimentation, l'alcalinité est due principalement à la présence d'ions carbonate CO3

2- (aq) et

d'ions hydrogénocarbonate HCO3- (aq).

Montrer, à partir des constantes d’équilibre, que l'affirmation suivante est exacte : “ Une eau dont le pH est

supérieur à 8,2 contient des ions carbonate, une eau dont le pH est inférieur à 8,2 ne contient pratiquement pas

d'ions carbonate. ”

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2. Etude du diagramme de distribution des espèces

e) A partir du diagramme de distribution des espèces donner les valeurs des pKa des 2 couples. Justifier votre

réponse.

Par définition, pH = pKa + log 𝐵𝑎𝑠𝑒

𝐴𝑐𝑖𝑑𝑒 donc si [base] = [Acide] alors pH = pKa

A partir du diagramme, [CO2,H2O] = [HCO3-] pour pH = 6,4 et [HCO3

-] = [CO32-] pour pH = 6,4

f) Dans quel domaine de pH, l’espèce CO2, H2O(aq) représente-t-elle plus de 99% des espèces de ces couples ?

pH < 4,5

g) Même question pour les ions carbonates CO32- (aq). pH > 12

h) Etablir un diagramme de prédominance des espèces

3. On veut déterminer la procédure pour titrer une espèce ampholyte : Faut-il la considérer comme un acide

ou comme une base ?

En utilisant les diagrammes de distribution des espèces en solution pour choisir les conditions du titrage,

faut-il titrer les ions hydrogénocarbonates par une solution acide ou une solution basique ?

Les questions suivantes vont permettre de répondre à cette question

1er cas : Une solution d’ions hydrogénocarbonate est titrée par une solution de soude.

i) Ecrire l’équation de la réaction entre les ions hydrogénocarbonate et les ions hydroxyde apportés par la

solution de soude (Na+ + HO-).

HCO3-(aq) + HO-(aq) H2O + CO3

2-(aq)

j) Quel est l’ordre de grandeur du pH à l’équivalence du titrage ? Justifier la réponse.

L’équivalence est atteinte lorsque les ions hydrogénocarbonate ont totalement disparu c’est à dire pour un pH > 12.

2ème cas : Une solution d’ions hydrogénocarbonate est titrée par de l’acide chlorhydrique

k) Ecrire l’équation de la réaction entre les ions hydrogénocarbonate et les ions oxonium apportés par l’acide.

HCO3-(aq) + H3O+(aq) H2O + CO2, H2O(g)

Les ions chlorure sont des ions spectateurs.

l) Quel est l’ordre de grandeur du pH à l’équivalence de ce titrage ? Justifier la réponse.

L’équivalence est atteinte lorsque les ions hydrogénocarbonate ont totalement disparu c’est à dire pour un pH < 4,5.

Donc une eau de pH 8,2 contient environ 100 fois moins d’ions

carbonate CO32-(aq) que d’ions hydrogénocarbonate HCO3

-(aq).

Si pH < 8,2 on peut considérer qu’il n’y a pas d’ions carbonate dans

l’eau.

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m) Les indicateurs colorés usuels et les électrodes de pHmètre permettent-ils de doser plutôt avec un acide ou

avec une base ?

Limite du pH-mètre

Les pH-mètres du lycée ont des électrodes qui ne donnent pas des indications fiables pour pH>11.

Le pH-mètre peut être utilisé pour le dosage par l’acide chlorhydrique.

On donne le tableau des indicateurs colorés

On donne le tableau des indicateurs colorés

Parmi les indicateurs colorés suivants, lequel doit-on utiliser pour réaliser un dosage colorimétrique ? Justifier la

réponse. Pour lequel des 2 dosages de l’ion hydrogénocarbonate peuvent-ils servir?

Aucun indicateur ne peut mettre en évidence l’équivalence lors du dosage par la soude

(pH > 12)

n) A l’aide des résultats de l’approche théorique et des données du tableau des zones de virage de quelques

indicateurs colorés, justifier le choix du vert de bromocrésol rhodamine (BCR) comme indicateur coloré dans

ce titrage.

L’ordre de grandeur du pH à l’équivalence du titrage des ions hydrogénocarbonate par les ions oxonium (pH 4,5) se

situe dans la zone de virage du vert de bromocrésol rhodamine.

http://aluttrin.free.fr/Lycee/Contenu%20lycee/sp%E9cialit%E9/Corrections/Ch_3.4_eau_hydrogenocarbonate/Ch

_3.2_dosage_eau_prof.html

Réalisation du dosage par titrage des ions hydrogénocarbonates

Remarques

Rincer soigneusement votre burette graduée : La vider de son contenu, la rincer à l’eau distillée, puis la rincer

avec la solution que vous allez utiliser (solution d’acide chlorhydrique).

Une fois ce rinçage effectué, remplir la burette avec la solution d’acide chlorhydrique, ajuster le zéro.

Vous allez réaliser deux dosage : un dosage rapide, et un dosage ‘‘à la goutte’’ :

- Essai rapide : Tout en agitant, ajouter mL par mL le contenu de la burette. Repérer la zone correspondant à

l’équivalence : volume équivalent approximatif.

- Essai ‘‘à la goutte’’ : Avant la zone d’équivalence : ajouter le contenu de la burette mL par mL : Entre 1,5 mL avant

et 1,5 mL après le volume équivalent approximatif, ajouter le contenu de la burette 0,1 mL par 0,1 mL (goutte à

goutte). Repérer précisément le volume équivalent.

Indicateur Couleur

Zone de virage Largeur de la

zone de virage Forme acide Forme basique

Bleu de bromophénol Jaune Bleu 3,1 - 4,5 2,4

Hélianthine (ou méthyl-orange) Rouge Jaune 3,2 - 4,4 1,2

Vert de bromocrésol rhodamine Jaune-rosé Bleu 3,8 - 5,4 1,6

Bleu de bromothymol Jaune Bleu 6,0 - 7,6 1,6

Rouge de méthyle Jaune Rouge 4,8 - 6,0 1,2

Phénolphtaléine Incolore Rose 8,2 - 10,0 1,8

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Matériel :

Bécher de 100 mL

Burette graduée de 25 mL

Pipette jaugée de 50,0 mL

Barreau aimanté

Agitateur magnétique

Verre à pied

Indicateur coloré : vert de

bromocrésol + …

Eau minérale (Evian)

Solution d’acide chlorhydrique

(H+ + Cl-) C = 2,0 x 10-2 mol.L-1

pH-mètre + solutions étalons

Protocole :

Etalonner le pH-mètre

Remplir une burette graduée avec la solution d’acide chlorhydrique. Ajuster au zéro.

Prélever exactement 50,0 mL d’eau minérale avec la pipette jaugée et placer le prélèvement dans un bécher

de 100 mL

Ajouter 15 gouttes de vert de bromocrésol

Mettre en place un barreau aimanté et placer l’électrode de pH dans l’échantillon d’eau minérale.

Mesurer le pH de la solution

Sous agitation magnétique, introduire progressivement la solution d’acide chlorhydrique et relever les

valeurs du pH après chaque ajout.

Noter le volume pour lequel l’indicateur coloré change de couleur.

Tableau des résultats expérimentaux

VA en mL

0 1,0 2,0 3,0

pH

VA en mL

pH

Exploitation des résultats

Tracer le graphe pH = f(Vacide) à l’aide du logiciel REGRESSI.

A l’aide de la méthode des tangentes, repérer l’équivalence.

Comparer ce résultat à celui obteniu grâce à l’indicateur coloré

Tracer la courbe représentative de pH’ = f(Vacide), dérivée de la fonction pH = f(Vacide)

Comment expliquez-vous l’évolution de la conductivité de la solution lors de l ’addition de nitrate d’argent ?

Ecrire l’équation de la réaction qui se produit dans le bécher

Déterminer la concentration molaire des ions chlorure de l’eau de mer

Déterminer la concentration massique en ions chlorure de l’eau de mer.

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L’altération des roches 5

Données :

La mesure du titre alcalimétrique (TA) permet de déterminer la concentration en ion carbonate CO 32-

(aq). Le titre alcalimétrique

complet (TAC) est lié à la concentration totale en ions hydrogénocarbonate et carbonate. La concentration en ions

hydrogénocarbonate peut être obtenue par différence entre le TAC et le TA.

- Le TA est égal au volume d’acide chlorhydrique de concentration 2,0.10-2

mol.L-1

en H3O+

(aq) nécessaire pour doser

100 mL d’eau en présence de phénolphtaléine.

- Le TAC est égal au volume d’acide chlorhydrique de concentration 2,0.10-2

mol.L-1

en H3O+

(aq) nécessaire pour doser

100 mL d’eau en présence de ver t de bromocrésol.

a) Déterminer le TAC des eaux minérales dosées. b) Calculer les concentrations molaires et massiques en ions hydrogénoc arbonate pour l’eau minérale testée.

c) Comparer les résultats expérimentaux aux indications portées sur l’étiquette de la bouteille et déduire quelle est la méthode de titrage la plus précise. Pour chaque méthode de titrage, calculer l’écart relatif (en pourcentage) : |𝑣𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 −𝑣𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑒𝑥𝑝 é𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑒 |

𝑣𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 x 100

Compléments

a) Décrire la préparation de 100 mL de solution d’acide chlorhydrique à 2,0.10-2

mol.L-1

à partir d’une solution d’acide

chlorhydrique (H3O+ (aq) + Cl

- (aq)) à 1,0.10

-1 mol.L

-1.

- Préparer cette solution.

Vous allez doser la solution que vous venez de préparer, afin de vérifier sa concentration.

Pour réaliser ce dosage, la solution titrante sera une solution de soude (Na+ (aq) + OH

- (aq)), de concentration Csoude = 1,0.10

-2

mol.L-1

.

b) Ecrire l’équation de la réaction support du titrage.

Remarques :

Ici on réalise le dosage des ions hydrogénocarbonates avec deux méthodes :

Dosage acide/base avec détermination de l ’équivalence au virage de l’indicateur coloré

Dosage acide /base pH-métrique : détermination du volume équivalent à l’aide de la méthode des tangentes ou de la dérivée