MELANGES

Genève, le 03.12.2008
Laboratoire du 26-28.11.2008
Emilie Chappuis
Bsc1
[email protected]
Mélanges
MELANGES
Coralie Fournier
Bsc1
[email protected]
Groupe 9 et 11
Aude Matthey-Doret
Bsc1
[email protected]
1. RÉSUMÉ
1.1 Quelques illustrations des équilibres de phase
Le toluène n’est pas miscible dans l’eau. L’éthanol est miscible dans l’eau, mais ce n’est pas un mélange
parfait. Le mélange isopropanol et huile de paraffine est hétérogène à basse température et homogène en le
chauffant. Il en va de même pour la solution de bromure de potassium dans l’eau, sauf si la masse de KBr est
de 2.5 g pour 2 ml d’eau dans ce cas la solution est saturée.
1.2 Masse volumique des solution
Pour le graphique du volume massique en fonction de la fraction massique de bromure de potassium, nous
f(x) = -0.0007x + 0.0010
obtenons une régression linéaire d'équation :
En ce qui concerne la solution saturée, nous obtenons une concentration molaire de 11.5 mol/L
1.3 Dosage du sucre dans un soft-drink
Nous trouvons une fraction massique de 0.10 et une concentration massique de 0.11 g/ml pour le coca
normal. D’après les indication sur la bouteille, il devrait y avoir 0.106 g/ml. Puis pour le coca light, nous
trouvons une fraction massique de 0.00 et une concentration massique de 0.00 g/m. D’après la bouteille, la
concentration massique est aussi de 0.00 g/ml.
1.4 Cryoscopie
Nous trouvons une température de congélation moyenne de -3.5°C et une enthalpie de fusion de 272.9
J/g pour l’eau pure. Les valeurs théoriques sont : Tcong = 0°C et ΔH°fus = 330 J/g. Nous trouvons une masse
molaire de 69.9 g/mol pour la solution inconnue et nous en avons déduis qu’il s’agit du propan-1,2-diol. Sa
masse molaire théorique est de 76.10 g/mol, mais les fractions massique de H, C et O correspondent à nos
résultats respectivement : 10.5%, 47.4% et 42.1%.
1.5 Osmose
Le point isotonique se trouve à une concentration de 6.8 g/L de chlorure de sodium. La pomme de terre à
donc une concentration en NaCl de 6.8 g/L. Pour comparaison, le corps humain à une concentration d'environ
9 g/L. La pression osmotique est de 294 Pa.
2. INTRODUCTION
Dans ce TP, la notion de mélanges parfait et imparfait nous est introduit. Nous allons également
observer certaines propriétés des mélanges comme par exemple l'abaissement du point de congélation
comparé à la substance pure. Finalement, nous étudierons les phénomènes d'osmose.
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3. MÉTHODOLOGIE :
3.1 Quelques illustrations des équilibres de phase
Étudier différents mélanges, à diverses concentrations dans des éprouvettes et noter les observations.
Les mélanges étudiés sont :
• Le toluène et l’eau
• L’éthanol et l’eau
• L’isopropanol et l’huile de paraffine
• Solution de bromure de potassium dans l’eau
3.2 Masse volumique des solutions
Peser 5 ballons jaugés et y introduire précisément environ 0, 1, 2, 3.5 et 5 g de KBr. Ajouter ensuite de
l'eau déminéralisée jusqu'au trait de jauge puis peser à nouveau les 5 ballons.
Prendre environ 12 g de KBr et les dissoudre dans 15 mL d'eau et chauffer pour que tout le sel se
dissolve. Ensuite laisser refroidir à température ambiante et normalement le sel cristallise. Filtrer la solution et
finalement remplir un ballon jaugé de 10 mL, préalablement pesé, avec la solution sursaturée.
3.3 Dosage du sucre dans un soft-drink
Dégazer notre soft-drink, en le chauffant et en agitant. Le peser grâce à des ballons jaugés préalablement
tarés. Ceci nous permettra de calculer la fraction massique et le concentration massique de sucrose dans
notre soft-drink.
3.4 Cryoscopie
Déterminer la constante cryoscopique de l’éthanol, du propanol-2-ol, de l’éthylène glycol et de la solution
inconnue avec une nouvelle méthode d’analyse : la cryoscopie. Ceci en étudiant le point de congélation de
solutions en fonction de leur concentration. La cryoscopie permet de calculer la masse molaire de la solution
inconnue et d’en déterminer sa formule brute.
3.5 Osmose
Couper 21 cylindres de pommes de terre. Les peser puis en placer 3 par solution (la première est
uniquement de l'eau puis concentrée en NaCl respectivement à 0.5, 1, 2, 5, 10 et 20 g/L). Les placer de façon
à les reconnaître facilement puisqu'il faut les peser après 30 minutes de bain dans la solution.
4. RÉSULTATS :
4.1 Quelques illustrations des équilibres de phase
Tableau 1 : Observations mélange de toluène et d’eau
Eau
Toluène
Phase
Observations
1 ml
3 ml
2
2 ml
2 ml
2
3 ml
1 ml
2
Petites bulles au niveau de
la séparations des phases.
Même en mélangeant les
deux phases persistes. La
phase du haut est plus
grande que celle du bas.
Même observation que précédemment. La taille des
deux phase est ici égale.
Même observation que précédemment. La phase du
haut est plus petite que celle
du bas.
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Tableau 2 : Observations mélange d’éthanol et d’eau
Eau
Éthanol
Phase
Observations
1 ml
3 ml
1
2 ml
2 ml
1
3 ml
1 ml
1
Se mélange totalement. Observation de petites bulles,
dégagement gazeux.
Se mélange totalement. Observation de petites bulles,
dégagement gazeux.
Se mélange totalement. Observation de petites bulles,
dégagement gazeux.
Tableau 3 : Observations mélange d’isopropanol et d’huile de paraffine
Éprouvette
1-propanol
Huile
Phase
Observations
Observations
après chauffage
1
6 ml
0.5 ml
2
2
6 ml
1 ml
2
3
3 ml
3 ml
2
Observation de
deux phase, mais
très difficile à voir,
car une très
grande(celle du
haut) et l'autre
très petite(celle
du bas).
Observation de
deux phase, mais
très difficile à voir,
car une très
grande(celle du
haut) et l'autre
très petite(celle
du bas).
C'est dans cette
éprouvette que
les deux phases
s'observent le
mieux.(volumes
égales!) Plus
trouble que les
autres.
On observe plus
qu'une seule
phase. Après un
long temps de refroidissement
(T=15°C), la solution se trouble,
"reformation"de
deux phases.
On observe plus
qu'une seule
phase. Mais rapidement
après(T=43°C), le
mélange reforme
deux phase. Et
même après
l'avoir chauffer à
nouveau, finalement (T=40°C)
notre mélange reforme deux
phases.
On observe plus
qu'une seule
phase. Rien ne
change après
avoir laissé refroidir.
-3–
4
1 ml
6 ml
2
Observation de
deux phase, mais
très difficile à voir,
car une très
grande(celle du
bas) et l'autre
très petite(celle
du haut). Plus
trouble que les
autres.
On observe plus
qu'une seule
phase. En refroidissant (T=25°C),
le mélange forme
à nouveau deux
phases.Puis au final après un
deuxième cycle
de chauffage et
de refroidissement (T=20°C), le
mélange est composé de deux
phases.
5
0.5 ml
6 ml
2
Observation de
deux phase, mais
très difficile à voir,
car une très
grande(celle du
bas) et l'autre
très petite(celle du
haut). Plus trouble
que les autres.
On observe plus
qu'une seule
phase. Rien ne
change après
avoir laissé refroidir.
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Tableau 4 : Observations solution de bromure de potassium dans l’eau
Éprouvette
Eau
KBr
Phase
1
2 ml
0.5 g
2
2
2 ml
1g
2
3
2 ml
1.5 g
2
4
2 ml
2g
2
5
2 ml
2.5 g
2
Observations
Le sel ne se dissout pas. Il reste
au fond de notre
éprouvette.
Le sel ne se dissout pas. Il reste
au fond de notre
éprouvette.
Le sel ne se dissout pas. Il reste
au fond de notre
éprouvette.
Le sel ne se dissout pas. Il reste
au fond de notre
éprouvette.
Observations
après chauffage
Le sel est totalement dissout. Le
mélange n'est
composé que
d'une phase. Aucun changements
lorsque notre mélange refroidit.
Le sel est totalement dissout. Le
mélange n'est
composé que
d'une phase. Aucun changements
lorsque notre mélange refroidit.
Le sel est totalement dissout. Le
mélange n'est
composé que
d'une phase. Aucun changements
lorsque notre mélange refroidit.
Le sel est totalement dissout. Le
mélange n'est
composé que
d'une phase. Aucun changements
lorsque notre mélange refroidit.
Le sel ne se dissout pas. Il reste
au fond de notre
éprouvette.
Le sel ne se dissout pas entièrement. Notre mélange reste composé de deux
phases. En laissant refroidir notre
mélange nous
avons l'impression que le sel se
met sous forme
de cristaux et qu'il
y à plus de masse
que lorsque nous
étions à une température de 55°C
(juste après le
chauffage).
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4.2 Masse volumique des solutions
Tableau 5 : concentrations des différentes solutions de bromure de potassium
Ballon jaugé
KBr [g]
1
2
3
4
5
saturé
0
0.9901
1.9981
3.5295
4.9827
Masse
volumique
[g/L]
996
1072
1137
1245
1337
1369
Fraction
massique
0
0.092
0.176
0.283
0.373
0.385
Volume
massique [L/g]
c [mol/L]
1.00E-003
9.33E-004
8.80E-004
8.03E-004
7.48E-004
7.31E-004
8.4
9.0
9.6
10.5
11.2
11.5
Graphique 1 : Fraction massique de KBr en fonction du volume massique
v=v1+(v2-v1)y
0.00105
v1 (eau) [L/g]
1.00E-003
v2 (KBr ) [L/g]
3.00E-004
0.00090
ρ1 (eau) [g/L]
1000
0.00085
ρ2 (¨KBr ) [g/L]
3333
volum e m assique [L/g]
0.00100
f(x) = -0.0007x + 0.0010
0.00095
0.00080
0.00075
0.00070
0.00065
0.00060
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
fraction m assique
-5–
0.35
0.4
0.45
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4.3 Dosage du sucre dans un soft-drink
Tableau 6 : Concentration du sucre dans le soft-drink normal
Masse
Masse ballon
Masse ballon
Masse
Ballon jaugé
Volume [mL]
volumique [g/
[g]
+ solution [g] solution [g]
mL]
1
40.1
50.0
92.0
51.9
1.04
2
39.3
50.0
91.2
51.9
1.04
3
39.5
50.0
91.4
51.9
1.04
51.9
1.04
Moyenne
0.00E+00
0.00
Écart-type
0.00E+00
0.00
CV
Fraction
massique
0.10
0.10
0.10
0.10
0.00
0.00
concentration
massique [g/
mL]
0.11
0.11
0.11
0.11
0.00
0.00
masse volumique [g/ml]
1.00
Eau
1.58
Sucrose
1.04
Soft-drink
Tableau 7 : Concentration du sucre dans le soft-drink light
Masse
Masse ballon
Masse ballon
Masse
Ballon jaugé
Volume [mL]
volumique [g/
[g]
+ solution [g] solution [g]
mL]
1
39.7
50.0
89.6
49.9
1.00
2
39.9
50.0
89.9
50.0
1.00
3
39.4
50.0
89.2
49.8
1.00
Moyenne
49.9
1.00
Écart-type
1.00E-01
0.00
CV
2.00E-03
0.00
masse volumique [g/ml]
Eau
1.00
Sucrose
1.58
Soft-drink
1.00
Calcul de la fraction massique :
Fraction
massique
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
concentration
massique [g/
mL]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
⎛⎛
⎞ ⎛ 1 ⎞⎞
1
⎜⎜
⎟−⎜
⎟⎟
⎜ ⎜ ρ soft −drink ⎟ ⎜⎝ ρ eau ⎟⎠ ⎟
⎝
⎠
⎠
y=⎝
⎛⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞⎞
⎜⎜
⎟⎟ − ⎜⎜
⎟⎟ ⎟
⎜⎜ ρ
⎟
ρ
⎝ ⎝ sucrose ⎠ ⎝ eau ⎠ ⎠
Calcul de la concentration massique : w = y ⋅ ρ
Nous trouvons donc que notre soft-drink normal contient 11 g de sucre dans 100 ml, alors que le light ne
contient pas de sucre.
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4.4 Cryoscopie
Tableau 8 : Détermination du point de congélation en fonction de la fraction massique des solutions
eau
éthanol
propanol
éthylène
glycol
Solution A
T cong.moyen (°C)
Fractions
massiques X
T cong.moyen (°C)
Fractions
massiques X
T cong.moyen (°C)
Fractions
massiques X
T cong.moyen (°C)
Fractions
massiques X
T cong.moyen (°C)
-3.526
0.0403
-5.515
0.0816
-7.932
0.1202
-9.006
0.1605
-11.22
0.040
-4.816
0.081
-6.218
0.121
-8.163
0.160
-9.102
0.041
-1.379
0.080
-2.712
0.120
-4.224
0.186
-5.622
0.429
-16.234
0.157
-7.745
0.077
-5.400
Tableau 9 : Détermination de la constante cryoscopique :
éthanol
propanol
éthylène
glycol
solution A
MM (g/mol)
46.069
60.096
K
45.7
36.9
A
2103.3
2216.5
K'
116.8
123.0
62.068
69.863
29.4
30.9
Moyenne
Ecart type
CV
1824.3
2159.9
2159.9
56.590
0.026
101.3
119.9
119.9
3.141
0.026
Calcul de la constante cryoscopique :
K' =
Calcul de la constante de proportionnalité :
KM s
M eau
A = KM s
Tableau 10 : Calcul de l’enthalpie de fusion de l’eau pure
eau
valeur théorique
ΔH°fusion (J/g) ΔH°fusion (J/mol)
(J/g)
279.9
5041.789358
330
RT2
ΔH°fusion=0
Calcul de l’enthalpie de fusion : K
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Graphique 2, 3, 4 & 5 : Rapport massique en fonction du point de congélation de différentes solutions
Ethylène glycol
Solution inconnue A
0
0
0.05
0.1
0.15
0
0.2
-2
-1
0
0.2
0.4
0.6
y = -29.392x - 0.347
y = -30.916x - 2.9647
-4
-3
éthylène glycol
-4
Linéaire (éthylène
glycol)
-5
T congélation [°C]
T congélation [°C]
-2
-6
Solution inconnue
-8
Linéaire (Solution
inconnue)
-10
-12
-14
-16
-6
-18
-7
rapport m assique
rapport massique
Propane-2-ol
Ethanol
0
0
0.05
0.1
0.15
0
0.05
0.1
-2
y = -36.882x - 3.3675
-3
T congélation [°C]
0.2
-4
-5
Propanol
Linéaire (Propanol)
-6
-7
-8
-9
T congélation [°C]
-1 0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-10
rapport massique
rapport massique
Tableau 10 : Détermination de la formule brute de la solution inconnue
éléments
C
H
O
y = -45.655x - 3.8236
masse (g)
47.4
10.5
42.1
MM (g/mol)
12.011
1.008
15.999
n (mol)
3.95
10.42
2.63
n/n(O)
1.50
3.96
1.00
formule brute
-8–
n/n(O) X 2
3
8
2
C3H8O2
0.15
0.2
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Tableau 11 : Tableau des masses molaires
Fraction
Masse
massique
moléculaire
C
CO
Monoxyde de carbone
28.01
0.429
CHO
N'existe pas
29.02
0.414
CH2O
Formaldéhyde
30.03
0.400
CH3O
N'existe pas
31.03
0.387
CH4O
Méthanol
32.04
0.375
CO2
Dioxyde de carbone
44.01
0.273
CHO2
N'existe pas
45.02
0.267
CH2O2
Acide formique
46.03
0.261
C2H6O
éthanol
46.07
0.521
C2H6O2
éthan-1,2-diol
62.07
0.387
CH3(CH2)2OH
Propanol
60.10
0.600
CH3(CH2)3OH
Butanol
73.12
0.821
C3H8O
Propan-2-ol
60.10
0.600
C3H8O2
Propan-1,2-diol
76.10
0.474
C3H8O3
Propan-1,2,3-triol
92.09
0.391
C4O2H2
Ethylène glycol
82.06
0.585
C4H10O
Butan-2-ol
74.12
0.648
C6H5OH
Phénol
94.11
0.766
Formule
Molécule
Masse moléculaire
12.01
C
16.00
O
1.008
H
-9–
Fraction
massique
H
0.000
0.035
0.067
0.097
0.126
0.000
0.022
0.044
0.131
0.097
0.134
0.138
0.134
0.106
0.088
0.025
0.136
0.064
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4.5 Osmose
Graphique 6 : Osmose : Concentration NaCl en fonction de la différence de masse des patates
Différence de masse
Osmose
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.1
-0.12
f(x) = -0.0076x + 0.0519
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Concentration NaCl
Pour les points où les pommes de terre ont pris de la masse, il s'agit des conditions hypotoniques et
inversement, les conditions hypertoniques sont pour des différences négatives. Le point isotonique est le point
de la droite de régression qui coupe l'axe des x :
x=
Molarité au point isotonique :
Pression osmotique :
c=
− 0.0076
≅ 6.8 g/L
0.0519
6.8 g/L
x
=
= 0.12 mol/L
M 58.44 g/mol
Π = RTc = 8.3145 J ⋅ mol-1 ⋅ K −1 ⋅ 295 K ⋅ 0.12 mol ⋅ L-1
= 294 Pa
- 10 –
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5. DISCUSSION :
5.1 Quelques illustrations des équilibres de phase
Lors du mélange toluène-eau, nous observons dans chacune de nos éprouvettes deux phases liquides.
Nous remarquons que la phase du haut est plus grande que celle du bas dans notre première éprouvette, le
volume de départ de toluène étant ici trois fois plus grand que celui de l’eau, nous en déduisons que la phase
du haut est le toluène. Le toluène n’est donc pas miscible dans l’eau et est moins dense que celle-ci.
Dans le mélange éthanol-eau nous n’observons qu’une seule phase. Nous pouvons donc en déduire que
l’éthanol est totalement miscible dans l’eau. De plus avec ce même mélange, nous observons que notre
volume de départ (5 ml de toluène et 5 ml d’eau) n’est pas le même que celui après le mélange, ce dernier est
plus petit. Le volume total n’est pas conservé et nous pouvons alors conclure que notre mélange éthanol-eau
n’est pas un mélange parfait. Ceci est du à la différence de taille des molécules d’eau et d'éthanol.
Nous remarquons que le mélange isopropanol-huile de paraffine forme immédiatement deux phases,
comme précédemment nous pouvons déduire que l’isopropanol se trouve en haut, l’huile de paraffine est par
conséquent plus dense. L’augmentation de température permet de rendre le mélange homogène (une seule
phase), puis lorsque la température baisse à nouveau le mélange redevient hétérogène (deux phases). Nous
pouvons alors déduire que la miscibilité est une fonction de la température.
Nous remarquons que lorsque notre solution de KBr contient environs 2.5 g de KBr alors celle-ci est
saturée, même en la chauffant notre KBr ne se dissout pas.
5.2 Masse volumique des solutions
Les 5 solution nous ont permis de tracer une droite de régression. Cette dernière nous est utile pour
déterminer la fraction massique de la solution saturée mais également la concentration molaire maximale de
KBr qui est de 11.5 mol/L. Jusqu'à cette concentration, le sel est parfaitement soluble à température ambiante.
Au-delà, il précipitera. Ceci est valable à température ambiante car il est évident que la solubilité augmente
avec une augmentation de température.
5.3 Dosage du sucre dans un soft-drink
La bouteille de coca normal indiquait que pour 100 ml il y avait 10.6 g de sucre. Expérimentalement nous
obtenons que pour 100 ml il y a 11 g de sucre. Ce qui est vraiment très proche. Il en va de même pour le coca
light il est indiqué 0 g de sucre pour 100 ml et c’est effectivement ce que nous obtenons expérimentalement.
Nous pouvons estimer qu’un verre de soft-drink commun est de 250 ml, ce qui correspondrait à avaler
27.5 g de sucre. Il n’est alors pas très étonnant de voir que l’obésité de la population actuelle augmente de
plus en plus. En effet, dans la société de consommation actuelle ou le stress augmente de plus en plus, la
population se nourrit de plus en plus de fast-food ou autre accompagné bien évidemment de boissons sucrées
et de leur 11 g de sucre pour 100 ml!!!
5.4 Cryoscopie
Lors de la cryoscopie de l’eau pure, nous trouvons une température de congélation de -3.5°C. L’écart par
rapport à la valeur théorique (0°C) est sûrement du à des imprécisions lors de la mesure de la température en
fonction de la résistance dans le TP 10. Ainsi, la conversion résistance-température n’est pas très précise. Ces
imprécisions expliquent l’écart entre la valeur expérimental de l’enthalpie de fusion de l’eau pure et sa valeur
théorique, car la température de congélation entre en compte dans le calcul de l’enthalpie.
Lors de la cryoscopie des autres solutions, nous avons déterminé le coefficient K et B avec l’équation de
la droite de régression linéaire de la température de congélation en fonction du rapport massique, selon
T=KX+B. Le coefficient B correspond à la température de congélation de l’eau pure (rapport massique nul) :
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Genève, le 03.12.2008
Laboratoire du 26-28.11.2008
Mélanges
Groupe 9 et 11
Lorsque X=0, T=B=T0 (Tcong. de l’eau). Nous remarquons que le coefficient B obtenu dans les 4 solutions
(excepté pour l’éthylène glycol) correspond à la valeur de T0 trouvé expérimentalement. Nous pouvons en
déduire que nos valeurs sont assez précises, mais qu’à cause d’un mauvais calibrage du fils de platine, les
températures de congélation obtenues sont environ 3 degrés trop basses. Le coefficient K permet ensuite de
calculer la constante A et la constante cryoscopique K’ grâce à la relation avec la masse molaire de l’élément.
Pour déterminer la masse molaire de la solution inconnue, nous avons utilisé la moyenne des valeurs de A et
K’ trouvée pour l’éthanol et le propan-2-ol. Nous n’avons pas pris en compte les valeurs de A et K’ de
l’éthylène glycol, car une autre thermo résistance a été utilisée lors de la cryoscopie, ainsi la conversion
résistance-température n’est pas la même et les valeurs de K, A et K’ obtenues sont trop éloignées des autres.
Nous avons déterminé la température de congélation de la solution inconnue de 3 rapports massiques
différents : environ 30%, 15%, 7.5%. Avec le tableau des masses molaires, les fractions massique de H, C et
O et la masse molaire trouvée expérimentalement par cryoscopie, nous avons déduis sa formule brute
(C3H8O2) le propan-1,3-diol. L’écart entre la masse molaire expérimentale et théorique est du aux
imprécisions lors des calculs des moyenne de A et K’, ainsi que de l’erreur relative des fractions massiques
des éléments.
Nous constatons que la température de congélation diminue avec la concentration, car l’abaissement du
pointe de congélation dépend de la fraction molaire du soluté : ΔT=K’x. Par contre, la constante cryoscopique
K’ n’est pas influencée par la nature du soluté, mais seulement par la nature du solvant pur
reste identique suivant les concentrations.
RT2
: ΔH°fus,
K= 0'
ainsi sa valeur
5.5 Osmose
A une faible concentration en sel, nous remarquons que les cylindres gonflent et gagnent de la masse. Le
milieu est donc hypotonique et le flux va de la solution aux cellules de la patates. Inversement, aux
concentrations élevé, La pomme de terre flétrie et perd de la masse. Les conditions sont hypertoniques et le
flux va donc des cellules a vers la solution. Au point isotonique, les masses sont les mêmes avant et après. Il
se situe aux alentours de 6.8 g/L. Pour comparaison, le corps humain à une concentration d'environ 9 g/L. La
pression osmotique est de 294 Pa.
6. CONCLUSIONS :
Ce travail pratique nous a montré des phénomènes utiles au quotidien. Par exemple, nous salons les
route en hiver pour abaisser le point de congélation de l'eau et ainsi, il ne gèle pas à 0°C. L'osmose, illustrée à
l'aide de pommes de terre, nous est vital. En effet, elle est utilisée par nos cellules pour se fournir les
nutriments nécessaires et évacuer aussi les déchets.
7. ANNEXES :
•
copies du cahier de laboratoire et feuilles de calculs Excel
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