Comment contrôler la qualité d`une eau minérale

Physique-Chimie
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Comment contrôler la qualité
d’une eau minérale ?
Objectifs
•U
tiliser un diagramme de distribution acido-basique afin de proposer un protocole expérimental
répondant à un problème posé
• Utiliser un pH-mètre et en connaître les limites
• Exploiter une courbe de titrage
• Effectuer un contrôle qualité
Ressources
• acide chlorhydrique de concentration 2.10-2 mol.L-1
• eau de Badoit®
• pipette jaugée de 10 mL
• burette de 25 mL
• bécher de 100 mL
• agitateur magnétique et barreau aimanté
• pH-mètre, électrodes et solutions étalon
• bandelettes pH
• ordinateur muni d’un tableur
Données
Masses molaires atomiques
(en g.mol-1) : H=1, C=12, O=16
Déroulement
Avant de commencer
Les propriétés curatives et gustatives spécifiques de chaque eau sont directement liées à
leur composition. Depuis quelques années, la composition d’une eau minérale est inscrite
en clair sur l’étiquette qui l’accompagne.
L’un des ions couramment cité est l’ion hydrogénocarbonate HCO3- encore appelé
« bicarbonate ». La mention « bicarbonatée » signifie que la teneur en bicarbonate de l’eau
est supérieure à 600 mg.L-1. On qualifie aussi alors l’eau de « carbogazeuse ». Ces eaux,
agréables au goût, sont recommandées pour certains (diabétiques, obèses) et déconseillées
pour d’autres (cardiaques, hypertendus).
Minéralisation caractéristique en mg/L : résidu sec à 180°c : 1200 mg/L, pH : 6
Calcium
Sodium
Magnesium
?
190
165
85
Potassium
10
Bicarbonates 1300
Chlorures
44
Sulfates
Fluorures
Silice
38
1,2
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Comprendre le protocole de dosage
1. À l’aide du diagramme de distribution ci-dessous, identifier les couples acido-basiques
dans lesquels intervient l’ion hydrogénocarbonate et déterminer les pKa associés.
Comment qualifier le comportement acido-basique de l’ion HCO3- ?
2. À l’aide d’une bandelette pH, évaluer le pH de l’eau de Badoit® et comparer à l’indication
de l’étiquette. À ce pH, montrer que l’ion hydrogénocarbonate est présent dans l’eau de
Badoit® en quantité non négligeable
3. E
st-il possible de titrer l’ion hydrogénocarbonate par une solution de soude ? Pour
répondre à cette question, écrire l’équation de titrage et donner l’espèce majoritaire
à l’équivalence. En déduire une estimation du pH en ce point. Conclure sur la précision
du titrage.
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?
4. E st-il possible de titrer l’ion hydrogénocarbonate par une solution d’acide
chlorhydrique ? Pour répondre à cette question, écrire l’équation de titrage et donner
l’espèce majoritaire à l’équivalence. En déduire une estimation du pH en ce point.
Conclure sur la précision du titrage.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
% HCO3-(aq)
% CO2, H2O
2
4
6
8
% CO32-(aq)
10
Mettre en place le protocole • Dans un bécher de 100 mL, introduire un volume
V0 = 10 mL d’eau de Badoit® prélevé avec précision.
• Remplir une burette graduée, préalablement
mise en milieu, avec une solution d’acide chlorhydrique de concentration à Ca = 2,0.10-2 mol.L-1.
•É
talonner le pH-mètre, puis plonger la sonde pHmétrique dans la prise d’essai d’eau de Badoit®.
Ajouter de l’eau distillée si la sonde n’est pas
convenablement immergée.
• Mettre la prise d’essai sous agitation magnétique.
•P
rocéder au titrage en versant la solution d’acide
chlorhydrique de mL en mL. On relèvera la valeur
du pH après chaque ajout en veillant à stopper
l’agitation durant la mesure.
• Tracer à l’aide d’un tableur la courbe pH = f(Va) où Va
est le volume d’acide chlorhydrique versé.
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14
Montage expérimental
?
Exploitation des résultats 5. Faire le schéma légendé du montage.
6. Pourquoi doit-on prélever le volume d’eau de Badoit® avec précision ?
7. Expliquer pourquoi la dilution ne perturbe pas le titrage.
8. En exploitant la courbe tracée, déterminer le volume équivalent.
9. Calculer la concentration molaire C0 en ions HCO3- de l’eau étudiée.
10. E
n déduire la concentration massique en ions hydrogénocarbonate. Comparer à
l’indication figurant sur la bouteille. Comment expliquer l’écart observé ?
Lien avec les autres disciplines
Géologie : la formation des roches calcaires par sédimentation.
Biologie : l e rôle de certaines eaux minérales pour les personnes souffrant de diabète et
d’hypertension.
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Corrigé
1. Analyse du diagramme de distribution
Couples pKa1 (H2CO3 / HCO3-) = 6,4 et pKa2 (HCO3-/CO32-)=10,3
Les ions hydrogénocarbonates sont des ampholytes :
HCO3-(aq) + H2O = H3O+ + CO32-(aq)
HCO3-(aq) + H2O = HO-(aq) + H2CO3(aq)
2. La constante d’équilibre associée à la réaction entre les ions hydrogénocarbonate, HCO3-(aq) et l’eau s’écrit :
Ka2 =
[CO32-] [H3O+]
[HCO3-]
On peut évaluer le pH de l’eau de Badoit® à l’aide d’une bandelette pH. On mesure un pH d’environ 6.
D’après le diagramme de prédominance, les espèces H2CO3 et HCO3- prédominent. Les ions carbonates
CO32- sont négligeables.
À pH = 6, [CO32-]
[HCO3-]
=
[Ka2]
[H3O+]
=
10-10,3
10-6
= 10-3,7 ≈ 1/5000
Il y a donc 5 000 fois plus d’ions hydrogénocarbonate que d’ions carbonate.
3. T
itrage de la Badoit® par une solution de soude
Équation de titrage : HCO3- + OH- > CO32- + H2O
À l’équivalence, les ions carbonate prédominent. D’après le diagramme de prédominance le pH est supérieur à 11,4. Les pH-mètres usuels sont équipés d’électrodes qui ne donnent pas de bonnes indications
pour des pH supérieurs à 11. Ce titrage donnera uniquement une évaluation du volume équivalent.
4. Titrage par une solution d’acide chlorhydrique
Équation de titrage : HCO3- + H3O+ > H2CO3 + H2O
À l’équivalence, H2CO3 prédominent. D’après le diagramme de prédominance le pH est donc inférieur à
5,3. Les pH-mètres usuels bénéficient d’une bonne précision dans cette gamme de pH.
5. Schéma du montage.
6. On prélève les 10 mL de Badoit® à l’aide d’une pipette
jaugée car on doit connaître précisément le volume
d’eau dosé.
7. Diluer ne modifie pas la quantité de matière d’ions hydrogénocarbonate introduite dans le bécher donc ne
modifie pas le volume équivalent.
8. Pour déterminer le volume équivalent, on utilise la
méthode des tangentes parallèles. On trouve : Véq = 10 mL.
9. À l’équivalence : CaVeq = COVO
donc = CO =
Ca.Veq
= 2,1.10-2 mol.L-1
VO
Soit une concentration massique de
CM’HCO = COM = 2,1.10-2 x 61 = 1,29 g.L-1
-
3
10. L
’écart avec l’indication bouteille s’explique par le fait
que les indications bouteilles sont issues de contrôles
ponctuels, la concentration en oligoéléments d’une eau
pouvant varier en fonction des conditions climatiques
(pluies, sécheresse …).
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Simulation réalisée avec
le logiciel gratuit DosA