Travaux pratiques - Olympiades de chimie

XXVIIes Olympiades Nationales de la chimie
Épreuve du CONCOURS REGIONAL 2010-2011 - Académie de Caen
Thème "Chimie et eau"
Durée 2h
Mercredi 16 Mars 2011
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NOM :
PRENOM :
ETABLISSEMENT :
Vous avez dit « soluble » ?
Les données relatives à ce TP sont présentes à la page 3
L’eau est un composé très utilisé en chimie et dans la vie quotidienne, en particulier comme solvant.
Cette séance de travaux pratiques a pour objectif d’étudier et de comparer la solubilité de quelques
solutés dans l’eau et de déterminer à température donnée la valeur d’un produit de solubilité.
Introduction : quelques rappels et définitions
La solubilité s d’un composé ionique ou moléculaire appelé soluté, est la concentration maximale
exprimée en moles par litre de ce composé que l’on peut dissoudre ou dissocier à température donnée
dans un solvant. La solution ainsi préparée est dite saturée.
Soit un composé ionique de formule CxAy .
Dans une solution saturée de ce composé coexistent en équilibre les ions C p + et A q - et le soluté CxAy
selon l’équation :
CxAy (solide) = x C p +aq + y A q -aq
Cet équilibre est caractérisé par une constante appelée produit de solubilité et notée KS, grandeur sans
dimension, qui ne dépend que de la température et qui s’écrit :
KS = [C p +] x. [A q -] y.
Exemple : pour une solution aqueuse saturée de chlorure d’argent AgCl : AgCl (solide) = Ag +aq + Cl -aq,
le produit de solubilité KS est défini par : KS = [Ag +].[Cl -] = s2, en appelant s la solubilité du chlorure
d’argent dans l’eau à température donnée.
Partie expérimentale
1) Expériences préliminaires
a) Solution S1 de carbonate de calcium
-peser la masse m de carbonate de calcium CaCO3 nécessaire à la préparation de 100 cm3 d’une
solution S1 de concentration en ions Ca2+ égale à 0,01 mol.L- 1 : m = ………… g.
-entraîner à l'eau permutée dans un jaugé de 100 cm3. Agiter.
Observation 1 :
1
-ajouter goutte à goutte HCI au 1/2 (gants et lunettes de protection) dans la solution précédente tout
en agitant.
Observation 2 :
Conclure quant à la solubilité du carbonate de calcium (aucun calcul n’est demandé) :
b) Solution S2 de chlorure de calcium
-peser la masse m’ de chlorure de calcium CaCl2 nécessaire à la préparation de 100 cm3 d’une
solution S2 de concentration en ions Ca2+ égale à 0,1 mol.L- 1 : m’ = ………… g.
-entraîner à l'eau permutée dans un jaugé de 100 cm3. Agiter.
Observation 3 :
Conclusion : comparer les solubilités du carbonate de calcium et du chlorure de calcium à la
température ambiante :
2) Détermination du produit de solubilité de l’hydroxyde de calcium
-relever la température θ de la solution S2 : θ = …………… °C.
-ajouter avec précaution (gants et lunettes), goutte à goutte, dans la solution S2 de chlorure de
calcium une solution d’hydroxyde de sodium (Na + + HO -) à 5 mol.L- 1 jusqu’à observer un trouble
de cette solution. Ce trouble est dû à la précipitation de l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 selon
l’équation :
Ca2+aq + 2 HO -aq = Ca(OH)2 (solide).
-filtrer pour éliminer le trouble et recueillir dans un erlenmeyer la solution saturée d’hydroxyde
de calcium notée S3.
-titrer par conductimétrie un volume V = 20 mL de cette solution S3 par une solution d’acide
chlorhydrique de concentration CA = 0,1 mol.L- 1.On notera VA le volume d’acide introduit et σ la
conductivité du mélange.
Vous disposez pour étalonner le conductimètre d’une solution de chlorure de potassium à
1.10 - 2 mol.L- 1 ainsi que de la conductivité de cette solution en fonction de sa température.
Résultats obtenus :
VA
(mL)
σ
(…..)
-tracer sur papier millimétré le graphe : σ = f(VA).
Interprétation :
 équation de la réaction de titrage :
2

coordonnées du point d’équivalence :

en déduire la concentration C de la solution S3 en hydroxyde de calcium :

déterminer la solubilité s de l’hydroxyde de calcium dans l’eau. Exprimer le produit de
solubilité de l’hydroxyde de calcium dans l’eau et déterminer sa valeur, à la température
expérimentale θ, à l’aide du résultat précédent :

calculer le pH de la solution S3 :
Conclusion : KS = …………………………. à θ = ……………………….
3) La solution S3 : une solution bien connue
Pour identifier cette solution, procéder au test suivant :
-introduire quelques mL de cette solution dans un bécher et 2 ou 3 mL d’une boisson gazeuse.
Observation 4 :
En s’aidant de la première partie et des données de ce TP, proposer une explication à cette observation
et en déduire le nom de la solution S3.
Que se passe-t-il si on introduit davantage de boisson gazeuse dans le bécher ?
En s’aidant de la première partie et des données de ce TP, proposer une explication simple à cette
dernière constatation.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Données : Masses molaires atomiques en g.mol - 1 : H : 1 ; C : 12 ; O : 16 ; Cl : 35,5 ; Ca : 40.
Couples (acide/base) et pKA : (H3O+/H2O) : 0 ;
(H2O/HO -) : 14 ;
(CO2aq/HCO3-) : 6,35 ;
(HCO3-/CO32-) : 10,3.
Produit ionique de l’eau à 25 °C : Ke = 1.10 - 14.
3
Indications de correction et barème : partie théorique et exploitation 20 points
1) Expériences préliminaires
a) Solution S1 de carbonate de calcium (4 points)
MCaCO3 = 100 g.mol - 1.
m = masse m de carbonate de calcium CaCO3 nécessaire = MCaCO3 . C.V = 100.0,01.0,100 = 0,10g.
Valeur de m correcte : 1 point
Observation 1 : le solide ne se dissout pas totalement, la solution S1 est trouble.
1 point
Observation 2 : en ajoutant quelques gouttes d’acide, la solution devient limpide.
1 point
Conclusion : le carbonate de sodium est très peu soluble dans l’eau, moins d’un gramme par litre. Sa
solubilité s augmente en milieu acide (par réaction entre H3O+ et CO32-, déplacement de l’équilibre de
précipitation CaCO3 solide = Ca 2 + + CO32-).
1 point
b) Solution S2 de chlorure de calcium (3 points)
MCaCl2 = 111 g.mol - 1.
m’ = masse m’ de chlorure de calcium CaCl2 nécessaire = MCaCl2 .C.V = 111.0,1.0,1 = 1,1 g  10.m.
Valeur de m’ correcte : 1 point
Observation 3 : la solution S2 est limpide.
1 point
Conclusion : la solubilité du chlorure de calcium dans l’eau est très supérieure à celle du carbonate de
calcium à la même température, plus de 10 fois supérieure.
1 point
2) Détermination du produit de solubilité de l’hydroxyde de calcium (8 points)
Résultats obtenus : à θ = 21 °C.
VA
(mL)
σ
(ms.cm- 1)
0
1
2
3
4
5
5.6
6.1
7
8
9
10
18.8
17.8
16.8
15.9
15.0
14.6
15.0
15.45
16.1
16.8
17.45
18.05
Graphe : σ = f(VA) :
σ = f(VA)
19
18,5
18
17,5
17
16,5
16
15,5
15
14,5
14
conductivité
0
1
2
3
4
5
5,6
6,1
7
Interprétation :
 équation de la réaction de titrage : H3O + + HO - = 2 H2O
8
9
10
1 point
4

coordonnées du point d’équivalence : VA éq = 4,6 mL ; σéq = 14.35 ms.cm- 1.

à l’équivalence :
[HO-] .V = CA . VA éq , d’où [HO )- = (CA .VA éq) /V = (0,1 . 4,6) / 20 = 2,3.10 - 2 mol.L- 1. 1 point

1 point
Comme [HO -] = 2.C, C = 1.15 .10 - 2 mol.L - 1.
1 point
-2
-1
solubilité s de l’hydroxyde de calcium à θ = 21 °C : s = C = 1.15 .10 mol.L .
1 point
2+
- 2
2
3
produit de solubilité de l’hydroxyde de calcium : KS = [Ca ].[HO ] = s.(2s) = 4.s . 1 point
KS = 4. (1.15 .10 - 2) 3 = 6.1 .10 -6.
1 point
Pour information, le Handbook donne à 25 °C un produit de solubilité pour l’hydroxyde de
calcium égal à 5,02.10 - 6. Par ailleurs la solubilité s diminue avec la température.
pH de la solution S3 : [H3O +] = Ke / [HO -] = 1.10 - 14 / 2.3.10 - 2 = 4.34.10 - 13 mol.L - 1.
pH = - log([H3O +]) = - log (4,34.10 - 13) = 12.4.
1 point
Conclusion : KS = 6.1 .10 -6 à θ = 21 °C.
3) La solution S3 : une solution bien connue (5 points)
Observation 4 : la solution S3 se trouble en présence d’une boisson gazeuse.
1 point
Explication : la boisson gazeuse contient du CO2 dissout qui, introduit en milieu basique (pH de la
solution S3 = 12,1), donne majoritairement des ions carbonates CO32-, lesquels associés aux ions
calcium Ca 2 + présents dans la solution S3 sont à l’origine du trouble observé, trouble constitué de
carbonate de calcium très peu soluble dans l’eau d’après l’observation 1.
1 point
La solution S3 est connue sous le nom d’eau de chaux.
2 points
Si on introduit davantage de boisson gazeuse dans le bécher, le trouble disparaît. La boisson gazeuse
étant acide, il se produit un déplacement d’équilibre analogue à l’observation 2 : en acidifiant le
milieu, le trouble disparaît.
1 point
5