Terminale S AE 16_Constante d’acidité

M.Meyniel 1/7

I

DETERMINATION DE LA CONSTANTE D’ACIDITE D’UN

INDICATEUR COLORE

Objectifs : - Utiliser un spectrophotomètre et un tableur graphique.

- Déterminer le pKA d’un acide faible et les domaines de prédominance associés.

- Comprendre le principe d’un indicateur coloré.

Le vert de bromocrésol (VBC) est un indicateur coloré : sa couleur dépend du pH de la solution dans laquelle il se trouve. Cet indicateur coloré est un indicateur coloré acido-basique : ses formes acide et basique sont de couleurs différentes, elles forment un couple acide/base. Pour simplifier, on utilisera les écritures HInd pour la forme acide (jaune) et Ind- pour la forme basique (bleue).

On cherche ici à déterminer le pKA de cet indicateur coloré en traçant le diagramme de distribution des espèces.

Document 1 : Spectre d’absorption du VBC

(1) D’après les graphes de l’absorbance ci-contre des formes acide et basique de l’indicateur coloré, on peut choisir la longueur d’onde du spectrophotomètre qui permettra de déterminer la concentration de la forme basique Ind- :

Au-delà d’environ 580 nm, seule la forme basique Ind- absorbe. Le maximum d’absorption de la forme basique Ind- se situe vers 630 nm. On peut donc déterminer les concentrations de la forme basique grâce à l’absorbance des solutions. La concentration de la forme acide se déduit alors des résultats.

Document 2 : Quelques définitions

* On rappelle : pH = pKA + log

= pKA + log

* On dit qu’une espèce prédomine devant une autre si sa concentration lui est supérieure. On appelle alors domaine de prédominance d'une forme acide (ou basique) d'un couple, l'intervalle de pH

pour lequel cette entité possède une concentration supérieure à celle de sa forme conjuguée.

* Le diagramme de distribution des espèces d’un couple est le graphe représentant leurs concentrations en fonction du pH, ici cela concerne les concentrations [Ind-] et [HInd] en fonction du pH.

* La zone de virage d’un indicateur coloré correspond à l’intervalle de pH où les deux formes acide et base coexistent dans les mêmes proportions. La teinte de la solution est alors due à la couleur donnée par chaque forme acide et basique ; cette teinte est dite sensible. En dehors de cette zone, seule la couleur de la forme acide (ou basique) est perceptible et donne la teinte à la solution.

En pratique, la zone de virage correspond l’intervalle de pH pour lequel le rapport des concentrations molaires des

formes acide et basique est tel que :

.

On peut montrer aussi que le pH appartient à l’intervalle : [pKa-1 ; pKa +1] .

* On rappelle que la loi de Beer-Lambert indique que l’absorbance d’une solution est proportionnelle à la concentration de l’espèce colorée de la solution soit : A = k.C avec k le coefficient de proportionnalité : k = (ε.l)

Document 3 : Comment tracer un diagramme de distribution ?

* Pour tracer un diagramme de concentrations en fonction du pH, il faut fabriquer des solutions de pH différents qui contiendront le même volume de solution d’indicateur coloré (VBC) puis on mesure leur absorbance.

* On répète donc plusieurs fois la préparation des solutions pour avoir toutes les solutions de pH connu puis on mesure les absorbances.

* Lorsque toutes les mesures sont faites on passe à l’exploitation.

Effectuer le travail ci-contre.

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Réaliser le diagramme de distribution des espèces

* Manipulations : Réaliser des solutions de pH différents et déterminer l’absorbance de chaque solution préparée

suivant les protocoles donnés ci-dessous.

Préparation des solutions de pH connu.

(A) Pour préparer une solution de pH déterminé, on peut

utiliser une solution de Britton-Robinson (solution acide) :

Compléter la burette avec de la soude (ou ………………

………………………) de concentration C = 0,5 mol.L-1.

Placer un grand bécher de 250 ou 400 mL avec 100 mL

environ de solution de Britton-Robinson sous la burette.

Installer la sonde pH-métrique et verser la solution de soude jusqu’à obtenir le pH désiré.

(B) Pipeter Ve = 10 mL de solution de pH connu dans un tube à essais.

Ajouter un volume v = 2,0 mL précisément de solution de vert de bromocrésol (VBC) de concentration

molaire C1 = 3,0.10-4 mol.L-1 et bien homogénéiser. (Attention à bien repérer les différentes solutions …)

Chaque tube contient de la solution d’indicateur coloré (VBC) de même concentration en soluté apporté mais les proportions des formes acide et basique varient à cause du pH imposé en partie (A) !

Mesures d’absorbance.

Mesurer l’absorbance de chaque solution à l’aide d’un même spectrophotomètre réglé à la longueur d’onde

= 640 nm. On aura soin de bien rincer la cuve avec la solution avant la mesure.

Ecrire les valeurs mesurées de l’absorbance et du pH dans le tableau distribué par le professeur.

* Expressions des concentrations :

1. Lors de la préparation des différentes solutions de VBC, on a prélevé un volume v de solution de VBC à une

concentration C1. Puis, on a ajouté un volume Ve de solution de pH souhaité. La solution finale de VBC a une

concentration en VBC égale à C0. Calculer cette concentration C0 à partir de C1 , v et Ve.

2. En utilisant la conservation de la quantité de matière, écrire la relation entre la concentration molaire C0 apportée en

VBC (dans chaque tube) et les concentrations molaires effectives des formes acide et basique [Ind-] et [HInd].

3. A la longueur d’onde choisie, quelle est la relation entre l’absorbance A de cette solution et la concentration molaire

effective [Ind−] de la forme basique ? Justifier la condition « à la longueur d’onde choisie ».

4. En considérant qu’à pH élevé seule la forme basique du vert de bromocrésol Ind- est présente, que vaut la

concentration molaire effective [Hind] en forme acide ?

5. En déduire, à l’aide de la loi de Beer-Lambert, l’absorbance maximale mesurée Amax pour un pH élevé en fonction

de la concentration C0 en VBC.

6. En utilisant la loi de Beer-Lamert, exprimer alors [Ind-] puis [HInd] en fonction de A, C0 et Amax .

* Tracer des courbes :

Ouvrir le logiciel LatisPro® et rentrer vos valeurs de pH et celle de A.

Créer une nouvelle grandeur calculée HInd puis Ind- en entrant les relations trouvées précédemment.

Tracer alors [HInd] et [Ind-] sur le même graphe mais sur deux axes différents, en fonction du pH.

Ce graphique est appelé diagramme de distribution des espèces. (A reproduire sur la copie.)

Exploitation

a. Déterminer les domaines de prédominance des formes acide HInd et basique Ind- de ce couple acide-base.

b. Montrer qu’un point particulier de ce graphe permet de déterminer le pKA du couple acide-base HInd/Ind- et donc

sa constante d’acidité KA. Repérer ce point sur votre courbe et donner la valeur du pKA.

c. Déterminer graphiquement la zone de virage de l’indicateur coloré.

d. Indiquer alors sur échelle de pH : la valeur d’un pH neutre, la valeur du pKA, les espèces qui prédominent et la

zone de virage du VBC.

solution d’hydroxyde de sodium

C = 0,50 mol.L-1

solution de Britton-Robinson

V = 100 mL

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FICHE TECHNIQUE Logiciel Quantum

SPECTRES D’ABSORBANCE ET TITRAGE SPECTROPHOTOMETRIQUE

Réglages préliminaires

1 – Brancher le spectrophotomètre Red Tide muni du module chimie à l’ordinateur.

2 – Ouvrir le logiciel Quantum : A partir du raccourci sur le bureau

OU Démarrer/tous les programmes/Quantum-64bits/quantum

Si besoin : mettre en français (Tools/language/french)

3 – Si aucune fenêtre ne s’ouvre, cliquer sur nouveau graphe .

4 – Cliquer sur (absorbance) pour que le spectrophotomètre mesure l’absorbance en fonction de la longueur

d’onde λ.

5 – Réglage du temps d’intégration : Choisir un temps d’intégration faible (18 ms) puis cliquer sur suite. Cela évite la

saturation de l’appareil !

6 – Faire « le noir » : Cacher la lumière en ajoutant une cuve contenant un morceau de papier noir et cliquer sur

l’ampoule ; puis cliquer sur suite.

7 – Faire « le blanc » : Introduire une cuve contenant le solvant de la solution à étudier et cliquer sur ; puis

cliquer sur finir.

1er cas : Obtenir la courbe d’absorbance d’une solution : A = f(λ)

8a – Placer la cuve contenant la solution à analyser et observer la courbe donnant A = f(λ).

Pour faire apparaitre les couleurs sous la courbe cliquer sur .

9a – λmax se détermine en cliquant directement dans la zone de graphique, sur le point de la courbe correspondant.

2nd cas : Déterminer l’absorbance de plusieurs solutions (pour une λ fixée)

8b – Placer les solutions colorées dans les cuves de spectrophotométrie.

9b – Cliquer sur l’icône concentration .

10b – Choisir : Loi de Beer Lambert.

Créer une courbe d’étalonnage. Puis suite

11b – Choisir la longueur d’onde de travail : ……… nm

12b – Placer la première solution colorée (la plus diluée) et appuyer sur lancer le scan.

13b – Sous le tableau, noter la concentration de cette solution dans la case « concentration » et appuyer sur ajouter

échantillon. Placer ensuite une nouvelle solution.

14b – Recommencer à nouveau avec les autres solutions et réaliser en parallèle le spectre A = f(λ) à l’aide du logiciel

LatisPro®.

15b – La courbe d’étalonnage est affichée en bas de l’écran. Choisir forcer l’origine et relever la valeur du

coefficient directeur.

16b – Mesurer l’absorbance de la solution de concentration inconnue (ne pas ajouter l’échantillon)

17b – Attention : Ne pas cliquer sur finir !!! sous peine de tout perdre …

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GUIDES : UTILISATION D’UN SPECTROPHOTOMETRE

Spectrophotomètre 1

Régler le spectrophotomètre sur la longueur d’onde λ désirée et le sélecteur

de filtre (à l’intérieur du capot) sur la position correspondant à λ.

Régler le spectrophotomètre en absorbance (Abs) avec le bouton 1.

Les cuves présentent deux faces lisses et deux faces dépolies. Le faisceau de

lumière doit entrer par la face lisse repérée par la flèche sur le haut de la cuve.

Réglage du blanc: remplir une cuve avec le solvant. Placer la face lisse de la

cuve avec la flèche à l'intérieur du capot: la flèche de la cuve doit être en face

de la flèche symbolisant le faisceau lumineux.

Appuyer sur le bouton 2 pour régler le zéro de l’absorbance: le spectrophotomètre indique alors 0,000.

Retirer la cuve avec le solvant.

Remplir une autre cuve avec la solution, la placer dans le spectrophotomètre (attention au sens !) et mesurer

son absorbance.

Spectrophotomètre 2

Régler la longueur d’onde de travail en suivant les instructions portées sur le spectrophotomètre.

Placer dans l’appareil une cuve de mesure (dite cuve de référence) ne contenant que le solvant, appuyer sur la

touche 1 pour faire le blanc.

Retirer la cuve de référence et placer la cuve contenant la substance absorbante. Relever la mesure de

l’absorbance.

Spectrophotomètres Red TIDE avec le logiciel Overture

1 – Brancher le spectrophotomètre Red Tide muni du module chimie à l’ordinateur.

2 – Ouvrir le logiciel Overture (Raccourci sur le bureau OU Démarrer/tous les programmes/Ocean

Optics/Overture)

3 – Si aucune fenêtre ne s’ouvre, cliquer sur nouveau graphe .

4 – Cliquer sur (absorbance) pour que le spectrophotomètre mesure l’absorbance en fonction de la longueur

d’onde λ.

5 – Réglage du temps d’intégration : (pour éviter la saturation de l’appareil) choisir un temps d’intégration faible

(18ms) puis cliquer sur suite.

6 – Faire « le noir » : cacher la lumière en ajoutant une cuve contenant un morceau de papier noir et cliquer sur

l’ampoule ; puis cliquer sur suite.

7 – Faire « le blanc » : introduire une cuve contenant le solvant de la solution à étudier et cliquer sur ; puis cliquer

sur finir.

8 – Placer les solutions colorées dans les cuves de spectrophotométrie.

9 – Cliquer sur l’icône concentration .

10 – Choisir : Loi de Beer Lambert.

Créer une courbe d’étalonnage. Puis suite

11 – Choisir la longueur d’onde de travail : ………. nm

12 – Placer la première solution colorée et appuyer sur lancer le scan. Relever la valeur de l’absorbance.

13 – Placer la seconde solution colorée et appuyer sur lancer le scan. etc... Relever à chaque fois la valeur de

l’absorbance et réaliser en parallèle le spectre A = f(λ) à l’aide du logiciel LatisPro®.

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CORRECTION : Réaliser le diagramme de distribution des espèces

* Résultats expérimentaux :

pH 2,28 3,41 4,55 5,01 7,12 9,65

A 0 0,114 0,922 1,68 1,727 1,793

* Expressions des concentrations :

1. Lors de la préparation des solutions de VBC, la quantité de VBC introduite initialement ne varie pas lors de l’ajout

de la solution de pH souhaité, on peut donc écrire :

nVBC(EI) = nVBC(EF) Or nVBC(EI) = C1.v

nVBC(EF) = C0.(Ve + v) => C0 =

=

= 5,0.10

-5 mol.L

-1

2. La quantité de matière de VBC est donc conservée et ce qu’il soit sous sa forme acide HInd ou sa forme basique

conjuguée Ind- dans la solution préparée. On peut donc écrire

nVBC(EF) = nHInd(EF) + nInd-(EF) Or nVBC(EF) = C0.(Ve + v)

nHInd(EF) = [Hind].(Ve + v) => C0.(Ve + v) = [Hind].(Ve + v) + [Ind-](Ve + v)

nInd-(EF) = [Ind-].(Ve + v) soit C0 = [Hind] + [Ind

-]

3. D’après le document 1, à λ = 640 nm, seule la forme basique du VBC absorbe. On en déduit donc que l’absorption

de la solution A n’est due qu’à cette seule forme basique : A = k.[Ind-] (avec la loi de Beer-Lambert, doc. 2)

Rq : La loi de Beer-Lambert s’écrit plus précisément : A = ε.l.[B-] avec l la longueur de la cuve en cm

ε le coefficient d’extinction molaire en L.mol-1

.cm-1

4. En considérant qu’à pH élevé seule la forme basique du vert de bromocrésol Ind- est présente, alors :

[Ind-]max = C0 ,et par consequent, d’après la réponse à la question 2.: [HInd] = 0

5. Pour un pH élevé, seule la forme basique est présente et sous une concentration C0. Donc, en reprenant l’expression

de la réponse 3. pour la longueur d’onde choisie, on peut écrire : Amax = k.[Ind-]max = k. C0

6. D’après la réponse précédente : k =

=> On en déduit d’après la question 3. que : [Ind-] =

=

=> Pour la forme acide : C0 = [Hind] + [Ind-] => [Hind] = C0 – [Ind

-] = C0 –

= C0.(1 –

)

* Tracer des courbes :

Tableau obtenu avec LatisPro®

:

pH A [Ind-] = A 5E-5/1,793 [HInd] = 5E-5 (1–A/1,793)

2.28 0 0 5E-5

3.41 0.114 3.184358E-6 4.681564E-5

4.55 0.922 2.575419E-5 2.424581E-5

5.01 1.468 4.100559E-5 8.994413E-6

6.15 1.706 4.765363E-5 2.346369E-6

7.12 1.727 4.824022E-5 1.759777E-6

9.65 1.793 5.00838E-5 -8.379888E-8

Diagramme de distribution des espèces :

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M.Meyniel 6/7

Exploitation

a. D’après le document 2, une espèce prédomine dès que sa concentration est supérieure à l’autre présente. Donc, en

utilisant le diagramme de distribution, on note que Hind prédomine pour un pH inférieur à 4,5 et Ind- pour un pH

supérieur à 4,5.

b. D’après le document 2., pH = pKA + log

.

Donc, si [Hind] = [Ind-], alors log

= log 1 = 0 et pH = pKA.

Donc le pKA correspond au pH pour lequel les concentrations des deux formes acide et basique sont égales soit

4,5 d’après le diagramme de distribution : pKA = 4,5 => KA = 10-pKa

= 10-4,5

c. Toujours d’après le document 2., la zone de virage de l’indicateur coloré est défini par [pKa-1 ; pKa +1] soit un

intervalle de pH de [3,5 ; 5,5] dans le cas du VBC.

d.

4,5

pH

5,5 3,5

[HInd] >>[Ind-]

jaune vert = teinte sensible

bleu

[HInd] ≈ [Ind-] [HInd] << [Ind

-]

0 14

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LISTE MATERIEL

Au fond de la salle :

- Solution de Britton-Robinson (3L) + bécher de service

- Soude à 0,5 mol/L (1L) + grand bécher de service

- Vert de Bromocrésol à 3,00 × 10-4

mol/L (1L)

- Cannes à pèche

- Bac de nettoyage des cuves de spectro

Paillasse élève

quantité Matériel fait

1 pH-mètre

1 Burette

1 Agitateur magnétique + Barreau aimanté

10 Tubes à essais + bouchons + support

1 Pipette jaugée de 10 mL + Propipette

1 Pipette jaugée de 2 mL (gros bout)

1 Bécher de 200 mL

1 Petit bécher

1 Bécher poubelle

10 Cuves de spectros + support

1 Eprouvette graduée de 100mL

- 1 module red tide sur les postes infos qui marchent (x4) + guide LatisPro + guide Spectro

pH

A

[Hind] (mol.L

-1)

[Ind-]

(mol.L-1

)

Voir annexe pour imprimer le tableau