Travaux pratiques - Olympiades de chimie

CONCOURS DES OLYMPIADES DE LA CHIMIE 2007
Epreuve de Travaux Pratiques
Dans l’usine de fabrication de gâteaux Basque, ce matin, Jean-Paul est mal réveillé. Alors
qu’il s’apprête à introduire l’arôme d’amande amère dans son pétrin, il se trompe de vanne et
l’envoie directement dans les canalisations d’évacuation de l’unité de fabrication.
L’eau est a priori polluée par du benzaldéhyde.
Quelques analyses vont permettent de le vérifier et de la quantifier.
Première partie :
Détection de la présence de benzaldéhyde et éventuellement d’autres polluants dans l’eau par
extraction du benzaldéhyde en solution dans l’eau par l’éther puis chromatographie sur
couche mince.
Matériel et produits :
Eau polluée notée E
Ether
Ampoule à décanter
1 plaque CCM (gel de silice /U.V)
1 cuve à CCM
Capillaires
Tubes à hémolyse ou équivalents
Lampe U.V
Papier filtre
Mélange acétone- cyclohexane (proportion 1-3 en volume)
Solution B : benzaldéhyde en solution dans l’éther
Solution AB : acide benzoïque en solution dans l’éther
Eprouvettes 100 mL et 25 mL
Gants, lunettes
Manipulation :
Agiter l’eau polluée E et en introduire 100 mL dans l’ampoule à décanter puis ajouter 20 mL
d’éther.
Boucher l’ampoule et agiter sans oublier de dégazer.
Laisser décanter le mélange.
Répondre à la question 2 et appeler le surveillant pour faire vérifier la réponse
Conserver la phase organique pour la CCM : PO
La cuve de chromatographie est prête : on y a introduit un mélange acétone – cyclohexane
(proportion 1-3 en volume)
Préparation de la plaque :
Faire un trait horizontal à 1 cm du bord inférieur de la plaque
Faire 3 marques équidistantes en évitant les bords de la plaque
PO : phase organique récupérée précédemment
B : benzaldéhyde (3 gouttes dans 10 ml d’éther : solution prête)
AB : acide benzoïque (environ 0,02 g dans 10 ml d’éther : solution prête)
Faire
: 4 dépôts pour PO,
2 dépôts pour B et
2 dépôts pour AB.
Introduire la plaque dans la cuve.
Quand le front de l’éluant est à environ 1 cm du bord supérieur de la plaque, la sortir et la
sécher. La révélation se fait sous la lampe UV. Attention lunettes et gants obligatoires.
Coller la plaque de CCM après avoir entouré au crayon les différentes taches.
Aucun produit ne sera jeté à l’évier : voir bidons de récupération
Deuxième partie : Détermination de la Demande Chimique
en Oxygène (DCO) de l’eau :
On se propose d’analyser la pollution de l’eau de façon plus quantitative :
♦ La demande chimique en oxygène ou DCO permet d’évaluer la charge des polluants des eaux
usées : c’est la quantité d’oxygène exprimée en mg que consommeraient les matières oxydables
présentes dans un litre d’eau (charge organique..).Plus la DCO est élevée, plus l’eau sera pauvre en
oxygène (consommé par combinaison chimique avec les substances la polluant) rendant par
exemple impossible la vie des poissons,…
On détermine expérimentalement la DCO en oxydant les matières dissoutes dans l’eau non pas
avec du dioxygène mais avec un oxydant plus fort : l’ion dichromate Cr2O72-.
Matériel :
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solution de dichromate de potassium
sulfate d’argent Ag2SO4
sulfate de mercure II HgSO4
acide sulfurique au ½
billes de verre
2 fioles jaugées de 250 mL
pipettes jaugées de 10mL, 15 mL
pipettes bâton de 10 mL, 20 mL
éprouvette de 100 mL
ballon de 250 mL
réfrigérant à reflux
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compte-goutte
chauffe-ballon
boy
noix, pinces, support
capsule de pesée
balance à 0.01 g près
spectrophotomètre
une cuve spectrophotométrique
petit entonnoir
gants, lunettes
Manipulation :
Dans un ballon de 250 mL, introduire :
♦ 10 mL de solution de dichromate de potassium K2Cr2O7
♦ 0,5 g de HgSO4
♦ 80 mL d’acide sulfurique au 1/2
♦ 0,3 g de Ag2SO4
♦ 10 mL d’eau à analyser E
Mettre à chauffer au reflux ( la réaction d’oxydation prend au moins 2h…. nous vous
avons préparé un ballon de même contenu qui a été chauffé à reflux pendant 2 h puis
refroidi sur lequel vous allez pouvoir continuer à travailler. Le demander au professeur.
Récupérer tout le contenu du ballon (sauf les billes de verre) dans une fiole jaugée de 250 mL et
ajuster au trait de jauge à l’eau distillée. Homogénéiser. Soit Sx cette solution.
Dans une fiole jaugée de 250 mL, introduire
♦ 10 mL de solution de dichromate de potassium K2Cr2O7
♦ 80 mL d’acide sulfurique au 1/2
Compléter au trait de jauge à l’eau distillée. Homogénéiser. Soit Sy cette solution.
Mesurer les absorbances des solutions Sx et Sy à 455 nm soit Ax et Ay respectivement.
Compléter le tableau de résultats de la feuille de compte-rendu.
Aucun produit ne sera jeté à l’évier : voir bidons de récupération
NOM :
Prénom :
Questions :
Extraction et chromatographie (se reporter à l’annexe 1 )
1. Justifier le choix du solvant pour extraire le benzaldéhyde
2. Dans l’ampoule à décanter, où se situe la phase organique ? Justifier.
3. Pourquoi le dégazage est-il indispensable ?
4. Donner le principe de la chromatographie.
5. Calculer les rapports frontaux de l’acide benzoïque et du benzaldéhyde.
6. L’acide benzoïque est donné en référence car il peut y en avoir dans l’eau polluée.
D’où proviendrait-il ? Ecrire une équation de réaction possible de formation.
Demande chimique en oxygène (DCO) :
1. Ecrire la demi-équation redox relative au couple Cr2O72-/Cr3+
2. Définir l’absorbance A.
3. Enoncer la loi de Beer-Lambert et ses conditions de validité.
On fournit en annexe 2 les spectres d’absorption A = f(λ) d’une solution de d’ions dichromate,
d’une solution d’ion chrome III Cr3+.
4. Dans le domaine visible (400 à 800 nm), quelle est la longueur d’onde d’absorption maximale
de Cr2O72- ?
5. Quels ions sont présents a priori présents dans la solution Sy ? dans la solution Sx ?
On fournit en annexe 3 le spectre d’absorption de la solution Sx .
6. Que peut –on dire de l’absorbance des ions Cr3+ dans Sx comparée à l’absorbance des ions
Cr2O72- dans cette même solution. Expliquer votre raisonnement.
On fournit en annexe 4 la courbe d’étalonnage A= f( C ) obtenue en mesurant les absorbances de
solutions d’ions dichromate à différentes concentrations.
7. A l’aide de cette courbe, déterminer la concentration Cy en ions dichromate dans Sy puis la
concentration Cx en ions dichromate dans Sx.
8. En déduire la quantité de matière nd en ion dichromate qui a réagi avec les 10 mL d’eau à
analyser introduits dans le ballon.
9. Ecrire la demi-équation redox du couple O2/H2O.
10. Rappeler la définition d’une oxydation, d’un oxydant.
11. Si on avait effectué l’oxydation des matières organiques de l’échantillon d’eau analysée non
pas avec du dichromate mais avec du dioxygène, quelle quantité de matière no du dioxygène
aurait été nécessaire pour les 10 mL d’eau. Bien expliquer le raisonnement.
12. En déduire la valeur de la DCO de cette eau sachant que la masse molaire de O2 est 32 g.mol-1.
Une eau peut-être rejetée aux égouts si sa DCO est inférieure à 125. Conclure.
Feuille de résultats :
Extraction et chromatographie :
Scotcher la plaque de chromatographie ci-dessous :
Demande chimique en oxygène (DCO) :
Ax =
Cx =
Ay =
Cy =
ANNEXE 1 : données diverses
Benzaldéhyde :
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liquide à 25 °C sous 1 bar , incolore , limpide
température d’ébullition 179 °C
nocif en cas d’ingestion
solubilité dans l’eau < 0,1 g/L à 20°C
totalement soluble dans l’éther
Ether :
•
densité = 0,71
•
extrêmement inflammable, peut former des peroxydes explosifs
•
température d’ébullition = 34°C
Dichromate de potassium : K2Cr2O7
•
nocif, toxique et dangereux pour l’environnement
Sulfate de mercure II : HgSO4
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toxique et dangereux pour l’environnement
Sulfate d’argent : Ag2SO4
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nocif
Acide sulfurique au ½
•
provoque de graves brûlures
•
ne jamais verser d’eau dans ce produit