Dureté d’une eau

ÉNONCÉ DESTINÉ AU CANDIDAT

Ce sujet comporte 4 feuilles individuelles sur lesquelles le candidat doit consigner ses réponses.Le candidat doit restituer ce document avant de sortir de la salle d'examen.

Le candidat doit agir en autonomie et faire preuve d’initiative tout au long de l’épreuve.En cas de difficulté, le candidat peut solliciter l’examinateur afin de pouvoir continuer la tâche. L’examinateur peut intervenir à tout moment sur le montage, s’il le juge utile.L’usage de la calculatrice est autorisé.

Le port d’une blouse correctement attachée est obligatoire au laboratoire de chimie.

CONTEXTE DU SUJET

Une eau dure présente certains inconvénients pour un usage domestique. D'une part, elle favorise la formation de dépôts de carbonate de calcium (tartre) qui endommagent les appareils électroménagers et diminue leurs performances. D'autre part, l'efficacité des savons et des détergents, qui contiennent des sels de sodium, est considérablement réduite dans les eaux riches en ions calcium et en ions magnésium.

Des produits, qui contiennent des tensioactifs, doivent donc être présents en plus grandes quantités pour un résultat équivalent. Leur utilisation est de ce fait plus coûteuse et entraîne une pollution des eaux plus importante.Il est possible de diminuer la dureté d'une eau à l'aide d'un adoucisseur d’eau. Cet appareil [Fig. 1], comme les cartouches de carafes filtrantes, fonctionne sur le principe des échanges d'ions : l'eau dure traverse une bouteille remplie de petites billes poreuses en résine où sont adsorbés des ions sodium Na+. Au contact de la résine, l'eau échange des ions calcium contre des ions sodium. Les ions calcium sont adsorbés par les résines.

Pour être conforme à la réglementation, le TH d'une eau de consommation doit être supérieur ou égal à 15°f et la concentration en ions sodium doit être inférieure à 150 mg.L–1.

Le but de l’épreuve est de déterminer la dureté d’une eau.

DOCUMENTS MIS A DISPOSITION DU CANDIDAT :

DOC. 1DOC. 1 :: Dureté d’une eauLa dureté d’une eau – ou titre hydrotimétrique (TH) – correspond à la concentration totale en ions calcium et magnésium. Elle s’exprime en degré hydrotimétrique français (symbole : °f).

1 °f est équivalent à une concentration molaire en ions Ca2+ et/ou Mg2+ égale à 10–4 mol.L–1 ou à 4 mg de calcium et/ou à 2,4 mg de magnésium par litre d’eau.

TH (°f) 0 à 7 7 à 15 15 à 25 25 à 42 > 42Type d’eau Très douce Douce Moyennement dure Dure Très dure

Le degré hydrotimétrique n’est pas un critère de potabilité d’une eau. Cependant, idéalement, on estime que le TH d’une eau potable doit se situer entre 20 et 30 °f.

Fig. 1 : Principe de l'adoucisseur d'eau

DOC. 2DOC. 2 :: EDTAL’E.D.T.A. (ou acide Éthylène Diamine TétraAcétique) est une espèce chimique qui peut se lier aux ions calcium et magnésium, notés M2+. L’édifice formé est appelé ion complexe, présenté dans l’équation de réaction ci-dessous :

M2+(aq) +

Cette équation de réaction peut s’écrire de manière simplifiée :

Ca2+(aq) + Y4–

(aq) [CaY]2–(aq)

ou

Mg2+(aq) + Y4–

(aq) [MgY]2–(aq)

Les ions complexes [CaY]2– et [MgY]2– formés lors de la réaction sont incolores, tout comme les ions calcium Ca2+ et magnésium Mg2+.

DOC. 3DOC. 3 :: Le N.E.T.Le noir d’ériochrome T (N.E.T.) est un indicateur coloré qui forme avec les ions calcium et magnésium un complexe de couleur rose (photo ⓐ ci-contre) et qui, dans une solution tampon de pH = 10, lorsqu’il se trouve sous forme libre, donne une solution de couleur bleue (photo ⓑ ci-contre).

MATÉRIEL MIS À DISPOSITION DU CANDIDAT :

1 burette graduée de 25 mL Un agitateur magnétique + barreau aimanté 3 béchers de 100 mL Un verre à pied (poubelle) Une pipette jaugée de 10 mL + système d'aspiration Une éprouvette graduée de 50 mL Pissette d’eau distillée Lunettes Une feuille de papier millimétré 100 mL d’une solution d’EDTA (cEDTA = 1,00 10–2 mol.L–1) 100 mL d’une solution tampon ammoniacal (pH = 10) 100 mL d’une eau inconnue Noir d’ériochrome (N.E.T.) en poudre

TRAVAIL A EFFECTUER :

1. Analyse du problème et formulation d’un protocole expérimental (20 min maximum)

Quel(s) est(sont) le(s) groupe(s) caractéristique(s) présent(s) dans la molécule d’EDTA ?

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Donner la formule brute de l’EDTA :

À partir des documents fournis et de la liste de matériel, on souhaite réaliser une expérience permettant de répondre à la problématique : quelle est la dureté de l’eau proposée ?Quel critère de potabilité de l'eau peut-on utiliser ici ?Donner de façon détaillée le protocole à mettre en œuvre pour répondre à la problématique.

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APPEL N°1Appeler le professeur pour lui présenter votre protocole

ou en cas de difficulté

2. Mise en œuvre du protocole (25 min conseillées)

APPEL N°2Appeler le professeur avant de démarrer l’expérience

ou en cas de difficulté

Après validation par le professeur, réaliser votre protocole.

3. Exploitation (15 min conseillées)

Déterminer le volume versé à l’équivalence.

VE =

À partir du volume équivalent, effectuer les calculs nécessaires pour répondre à la problématique. Conclure.

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APPEL N°3Appeler le professeur pour lui présenter les conclusions ou en cas de difficulté

Nettoyer le matériel utilisé et le ranger avant de rendre votre copie et de quitter la salle.

GRILLE D'ÉVALUATION

Nom(s) : Classe : N° du poste :Prénom(s) :

CRITERES EVALUES BARÊME Points obtenusMontage

Paillasse dégagée 1 pt

SécuritéLunettes et blouse 1 pt

Mise en œuvre du protocole proposéPrélèvement de la solution mère à partir d’un bécher (pas dans le flacon d’origine) 1 pt

Utilisation correcte de la pipette 1 pt

Utilisation correcte de la burette 1 pt

Zéro fait dans la burette avant son utilisation 1 pt

Agitation adaptée 1 pt

Autonomie au cours de la séanceAutonomie (pas d’aide supplémentaire) / Attitude au cours de la séance 2 pts

Rangement du matériel (Appel n°3)Matériel rangé à la fin de l’épreuve 1 pt

Compte-rendu de l’expérienceQuestions :

- Groupes fonctionnels de la molécule d’EDTA 1 pt- Formule brute de l’EDTA 1 pt- Critère de potabilité 1 pt

Protocole expérimental :- Rinçage de la verrerie 0,5 pt- Solution titrante – Solution titrée 0,5 pt- Toutes les étapes, claires et détaillées avec liste du matériel incluse 2 pts

Volume équivalent 1 pt

Exploitation :- Calcul de la concentration en ions calcium et magnésium 1 pt- Calcul du titre hydrotimétrique (TH) en degré français 1 pt- Conclusion 1 pt

Note obtenue 20 pts /20

GRILLE D'ÉVALUATION DURANT LA SÉANCE (DESTINÉE AU PROFESSEUR) Classe :

N° poste 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Montage 1 point

Paillasse dégagée

Sécurité 1 point

Lunettes et blouse

Mise en œuvre du protocole proposé 5 pointsPrélèvement de la solution mère à partir d’un bécher (pas dans le flacon d’origine)

Utilisation de la pipette(rinçage)

Utilisation correcte de la burette (rinçage)

Zéro fait avant utilisation

Agitation adaptée

Autonomie au cours de la séance 2 points

Autonomie / Attitude

Rangement du matériel 1 point

Rangement du matériel

Chaque ( ) compte 0,5 point

CORRECTIONCORRECTIONGroupes caractéristiques présents dans la molécule d’EDTA :

Formule brute de l’EDTA :

C10H16N2O8

Le « critère » de potabilité que l’on va utiliser ici est le titre hydrotimétrique (TH). (1 pt)Protocole expérimental :

L’eau minérale Contrex est riche en ions calcium et en ions magnésium.

Prélever 10,0 mL d’eau minérale Contrex à l’aide d’une pipette jaugée de 10,0 mL, préalablement rincée avec l’eau minérale, et les verser dans un bécher de 100 mL ; Ajouter une pointe de spatule d’un indicateur coloré appelé « noir ériochrome » (ou NET). La solution doit devenir violette (clair) ; Ajouter environ 50 mL de solution tampon (pH = 10). La solution doit rester violette ; Mettre un barreau aimanté dans le bécher que l’on place sur un agitateur magnétique ; Remplir la burette graduée, préalablement rincée avec la solution titrante, avec la solution d’EDTA et faire le « zéro » ; Placer le bécher (sur l’agitateur) sous la burette graduée ; Titrer l’eau minérale à l’aide d’une solution d’EDTA (c = 1,00 10–2 mol.L–1) jusqu’au virage de la solution (violet bleu).

Volume équivalent :

Véq = 15,4 mL (exemple)

Réaction support du titrage complexométrique :

Équivalence du titrage :

Les réactifs ont été introduits dans des proportions stœchiométriques :

n(M2+)0 = n(Y4–)Eq

[M2+] × V0 = cEDTA × Véq

A.N. : = 0,0154 mol/L

Groupe carboxyle

Groupe amide (2 × 0,5 pt)

(1 pt)

(0,5 pt + 0,5 pt + 1 pt)

Titre hydrotimétrique :

D’après la définition, on peut écrire : TH = = 10 × Véq

A.N. : TH = 157 °f

Les résultats (pour différentes eaux minérales) attendus sont les suivants :

Eau Ca2+ (mg/L) Mg2+ (mg/L) Ca2+ (mol/L) Mg2+ (mol/L) Total (mol/L) TH (°f) Volume d’eauchoisi (cm3)

Contrex 467 84 11,67.10-3 3,5.10-3 15,17.10-3 151,7 10Hépar 555 110 13,88.10-3 4,58.10-3 18,46.10-3 184,6 10Vittel 202 36 5,05.10-3 1,5.10-3 6,55.10-3 65,5 20Évian 78 24 1,95.10-3 1.10-3 2,95.10-3 29,5 40Valvert 67,6 2 1,69.10-3 0,08.10-3 1,77.10-3 17,7 80

Conclusion :

L’eau minérale CONTREX est donc une eau minérale très dure (TH > 42 °f). Elle ne satisfait donc pas au critère de potabilité choisit. Mais cette eau n’en n’est pas pour autant impropre à la consommation. Car « le degré hydrotimétrique » n’est pas un critère de potabilité d’une eau.

Remarque : milieu tampon

La solution tampon permet de pourvoir mieux repérer l’équivalence (violet bleu). En milieu acide, le virage aurait été de rose vers rouge ou rose vers orange, changement plus difficile à repérer.

FICHE TP ECE N°2 «FICHE TP ECE N°2 « DURETÉ D’UNE EAUDURETÉ D’UNE EAU »»Type d’activité : Activité expérimentale (TP 1 h)

Conditions de mise en œuvre : manipulation en binômes.

Pré- requis :

DOMAINE D’ÉTUDE MOTS-CLÉS

Eau et ressources Production d’eau potable ; traitement des eaux

Compétences transversales :

- Rechercher, extraire, organiser des informations utiles ;- Raisonner, argumenter, démontrer ;- Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l’aide d’un langage adapté.

Matériel (par table) :

- 3 tubes à essais avec porte-tubes ;- 1 pipette jaugée de 10 mL + poire à pipeter ;- 1 bécher de 100 mL et 1 bécher de 50 mL ;- Burette graduée de 25,0 mL sur support ;- 1 agitateur magnétique avec turbulent ;- 100 mL de solution tampon (pH = 10) ;- Solution d’EDTA (c = 1,00 10–2 mol.L–1) ;- Indicateur noir ériochrome (NET) en poudre ;- 1 éprouvette graduée de 10 mL ;- 1 spatule ;- 1 pipette pasteur en plastique ;- Solution de sulfate de magnésium (c = 1,00 10–2 mol.L–1).

Bureau professeur :

- 2 L d’eau minérale Contrex® et eau du robinet ;

Préparation de la solution tampon pH = 10 :

250 mL d’ammoniaque (solution d’ammoniac) à 1 mol.L–1 + 250 mL d’une solution de chlorure d’ammonium à 1 mol.L–1.

OU

- 570 cm3 d’ammoniaque du commerce de masse volumique 900 kg/m3 de concentration molaire 15 mol/L ( ou 725 cm3 si 920 kg/m3 et 11,8 mol/L ) ;

- 70 g de chlorure d’ammonium NH4Cl solide ;- Eau distillée pour compléter à 1L.

Préparation d’une solution de NET (s’il y a lieu) :

On peut dissoudre 0,5 g de ce solide dans 100 cm3 d’alcool à brûler, en conservant la solution à l’abri de la lumière.

Déroulement de la séance :

On peut réaliser un contrôle qualité d’une eau de consommation afin de déterminer si elle est potable en effectuant un dosage par titrage complexométrique des ions calcium et magnésium dans cette eau.

Sources de l’activitéSources de l’activitéActivité n°1 p28-29 (NATHAN Term S Spécialité – Collection SIRIUS)Activité n°4 p16-17 (BORDAS Tle S Spécialité – Collection E.S.P.A.C.E Lycée)Activité n°4 p16-17 (BORDAS Tle S Spécialité – Collection E.S.P.A.C.E Lycée)