tp5 - Complex - Université de Genève

Complex
Travail Pratique de 1ère année,
Université de Genève, Science II, Laboratoire H.
22 octobre 2010
Romain Laverrière
[email protected]
&
Stéphane Dierickx
[email protected]
Groupe 15
Résumé
Avec ce TP avons appris les mécanismes se passant lors de compléxation et nous avons ainsi pu
avec ces connaissances retrouver les concentrations en Ca2+ et en Mg2+ contenues dans une roche
naturelle.
Introduction
Nous avons utilisé des réactions de complexation afin de former des complexes dont nous avons
essayé de trouver la formule théorique. Nous avons aussi utilisé les propriétés des indicateurs
sélectifs qui nous permettent de faire une différence entre 2 métaux alcalinoterreux, en
l’occurrence entre les cations Ca2+ et Mg2+. Nous pouvons dès lors retrouver la concentration de
ces ions dans une roche après quelques traitements de celle-ci.
-­‐1-­‐ Méthodologie & résultats :
• 2.1 Illustration des réactions de complexation :
Nous avons fait réagir des solutions ioniques avec certains ligands afin de pouvoir observer les
précipités résultant de la réaction de complexation. Nous avons pu ensuite extrapoler les formules
théoriques des différents précipités obtenus.
Ainsi, commencer par préparer plusieurs solutions des ions métaux et des ligands selon le tableau
suivant (tableau 1) (une précision de 20% suffit):
Nom
Cu(NO3)2 · 3H2O
Cr(NO3)2 · 9 H2O
Al(NO3)2 · 9 H2O
Co(NO3)2 · 6 H2O
Ca(NO3)2 · 4 H2O
Mg(NO3)2 · 6 H2O
Fe(NO3)2 · 9 H2O
FeSO4 · 7 H2O
KSCN
H2N–CH2–CH2–NH2
NaOH
masse molaire
[g/mol]
241.602
338.144
375.134
291.035
236.149
256.407
403.997
278.016
97.182
60.098
39.997
volume
[ml]
20
20
20
20
20
20
20
20
50
50
50
Concentration
[mol/l]
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.2
0.2
0.2
Masse [g]
couleur
0.483204
0.676288
0.750268
0.58207
0.472298
0.512814
0.807994
0.556032
0.97182
0.60098
0.39997
bleu
violet-noir
transparent
saumon
transparent
transparent
orange
Jaune clair
-
Tableau 1 : préparation des solution de complexation
Préparer de plus 50 [ml] d’une solution d’ammoniac NH3 0.2 M par dilution de 2.5 [ml] de la solution
4 M mise à disposition.
Pour chaque métal procéder comme suit : Mettre 1 [ml] de solution de même métal dans 4 éprouvette
et ajouter dans la première 1 goutte du ligand 1 (NH3), puis 1 [ml], encore 1 [ml] et finalement 3 [ml].
Répéter la même procédure avec KSCN et l’éthylènediamine. Pour le NaOH, ajouter ~3.5 [ml] au lieu
de 3[ml] au dernier ajout. A refaire pour chaque métal. Les résultats sont notés dans le tableau dans la
page suivante (tableau 2) et les réactions sont décrites en annexe :
-­‐2-­‐ Cu(NO3)2
Cr(NO3)2
Al(NO3)3
Co(NO3)2
Ca(NO3)2
Mg(NO3)2
Fe(NO3)3
FeSO4
1 goutte
+1 [ml]
+1 [ml]
+3 [ml]
1 goutte
+1 [ml]
+1 [ml]
+3 [ml]
1 goutte
+1 [ml]
+1 [ml]
+3 [ml]
1 goutte
+1 [ml]
+1 [ml]
+3 [ml]
1 goutte
+1 [ml]
+1 [ml]
+3 [ml]
1 goutte
+1 [ml]
+1 [ml]
+3 [ml]
1 goutte
+1 [ml]
+1 [ml]
+3 [ml]
1 goutte
+1 [ml]
+1 [ml]
+3 [ml]
NH3
Trouble
Bleu electrique
Bleu foncé
Bleu + foncé
Vert foncé
Vert foncé
p. vert-gris
p. blanc
p. blanc
p. blanc
p. bleu
p. bleu vert
p. turquoise
+ net
trouble
Trouble
Trouble
p. orange
p. brun
p. brun
p. brun
p. vert sombre
p. vert sombre
p. vert sombre
p. vert sombre
KSCN
Vert
Vert pomme
Vert pomme
Vert pomme
Noir
Brun coca
Plus clair
++
Rosé
Rosatre
rosatre
+rose
+rose
Rouge sang
Rouge sang
Rouge sang
p. brun
Orange
Orange
Orange
Orange
ED
Bleu pétant
Bleu foncé
Violet
p. violet
Vert foncé
Gris vert
p. gris vert
p. gris vert
p. blanc
p. blanc
p. blanc
p. blanc
Orange
Orange
Brun
brun
trouble
Trouble
trouble
p. orange
p. brun
p. brun
p. brun
p. vert sombre
p. vert sombre
p. vert sombre
p. vert sombre
NaOH
Trouve
Bleu eléc + p blanc
p. bleu
p. bleu
Vert foncé laiteux
„“
Vert transp.
p. blanc
p. blanc
p. blanc
p. bleu
p.bleu
p. bleu-jaune
p.bleu-jaune-gris
p. blanc
p. blanc
p. blanc
p. blanc
p. orange
p. brun
p. brun
p. brun
p. vert sombre
p. vert sombre
p. vert sombre
-
Tableau 2 : Réaction des métaux
• 2.2 Synthèse d’un complex de cobalt:
Diluer 1.3 [g] (pesée : 1.3008 ± 0.0001 [g]) d’acide oxalique dihydraté (H2C2O4 · 2H2O) à 5 [ml]
d’ammoniac 4 M et 100 [ml] d’eau. Le pH devrait être basique (>7).
Préparer ensuite 100 [ml] d’une solution de chlorure de cobalt hexahydraté (CoCl2 · 6H2O) d’une
concentration de ~24 [g/l] = 2.4 [g/dl] (pesée = 2.4003 ± 0.0001 [g]). Puis, ajouter cette solution
lentement à la solution d’acide oxalique en agitant bien. Laisser refroidir dans un bain de glace jusqu’à
formation d’un précipité. Enfin, filtrer par Büchner, laver le solide et le mettre dans un dessiccateur
pendant 1 jour entier. Transférer dans un SNAP taré et le peser, après quoi le remettre au dessiccateur
pendant une semaine de plus et repeser. Les résultats sont répertoriés ci-après
MSNAP vide = 25.6500 ± 0.0001 [g]
MSNAP plein = 27.6495 ± 0.0001 [g]
-­‐3-­‐ ∂M = 1.9995 ± 0.0001 [g]
• 2.3 Titrages du calcium et du magnésium par EDTA :
Pour les deux prochaines expériences nous avons utilisé le complexant EDTA qui se complexe avec les
métaux alcalinoterreux. Nous avons en premier lieu titré des solutions de calcium et de magnésium
dont les concentrations étaient connues avec deux indicateurs, le noir d’eriochrome T et le HHSNN qui
lui est sélectif pour les ions Ca+. Puis nous avons utilisé ces propriétés pour analyser une roche
naturelle. En faisant un titrage un indicateur puis l’autre, nous pouvons mesurer et calculer les
concentrations de chacun des deux ions.
Commencer par préparer 1 [l] d’une solution EDTA 0.005 M à partir du sel (Na2C10H14N2O8 · 2H2O).
Pour cela, sécher 2 [g] de sel pendant au moins une heure dans un étuve et laisser refroidir dans le
dessiccateur. Prélever ~1.9 [g] du sel sec et le dissoudre dans 300 [ml] d’eau en agitant. Ajouter
quelques gouttes de NaOH 4 M afin d’avoir un pH entre 9 et 10 et ajouter de l’eau pour avoir 1 [l] de
solution. Filtrer enfin la solution sur un Büchner et la transférer dans un flacon en plastique. Le tableau
3 ci-dessous montre la concentration réelle ainsi que la masse prélever :
mm [g/mol] Concentration [mol/L] Volume [L] m EDTA [g]
théorie
372.237
0.005
1
1.861185
pratique
372.237
0.005001384
1 1.8617 ± 0.0001
Tableau 3 : Solution d’EDTA
Préparer maintenant un tampon ammoniacal 2 M à pH 10. Pour se faire, mélanger 100 [ml] de NH3 4
M et 40 [ml] de HCl 4 M. Tester le pH et ajouter au besoin du HCl afin d’obtenir le pH voulu.
Compléter enfin à 250 [ml].
Analyse du magnésium :
Préparer une solution de magnésium par dissolution de MgCl2 · 6 H2O. Prendre ~0.5 [g] du sel et y
dissoudre dans ~100 [ml] d’eau déminéralisée. Compléter à 250 [ml]. La concentration précise ainsi
que la masse pesée sont reportés dans le tableau 5 qui suit :
mm [g/mol] Concentration [mol/L] Volume [L] m MgCl2•6H2O [g]
théorie
203.302
0.01
0.25
0.508255
pratique
203.302
0.009861192
0.25
0.5012 ± 0.0001
Tableau 4 : Solution de chlorure de magnésium hexahydraté
Pipeter 10 [ml] de la solution dans un bécher de 100 [ml] et y ajouter ~10 [ml] de tampon ammoniacal
et ~10 [ml] d’eau déminéralisée. Ajouter en plus 5-10 gouttes d’ériochrome T. Titrer avec la solution
d’EDTA. Cette procédure est répétée 5 fois. Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau 5 qui
suit (la formule utilisée est démontrée en annexe -> photocopie du cahier de labo) :
-­‐4-­‐ N° Volume Mg utilisé [ml] Volume EDTA utilisé [ml] Concentration Mg [mol/l]
1
10
19.7
0.009852726
2
10
19.7
0.009852726
3
10
19.8
0.009902739
4
10
19.7
0.009852726
5
10
19.6
0.009802712
Moyenne :
0.009852726
écart type :
3.53651E-05
CV :
0.003589375
Tableau 5 : Analyse du magnésium
Analyse du calcium :
Préparer une solution de calcium 0.01 M en prélevant 0.25 [g] de carbonate de calcium (CaCO3)
préalablement sécher. Y dissoudre dans 10-20 [ml] d’eau déminéralisée et chauffer la solution à 60 °C.
Ajouter du HCl 4 M goutte à goutte jusqu’à la complète dissolution du sel. Compléter à 250 [ml] avec
de l’eau. La concentration réelle ainsi la masse prélevée sont inscrites dans le tableau 6 qui suit :
mm [g/mol] Concentration [mol/L Volume [L] m CaCO3 [g]
théorie
100.087
0.01
0.25
0.2502175
pratique
100.087
0.010095217
0.25 0.2526 ± 0.0001
Tableau 6 : Solution de calcium
La réaction qui s’opère est la suivante :
CaCO3 (s) + 2HCl(aq) → Ca+(aq) + 2Cl-(aq) + CO2 (gaz) + H2O(l)
Pipeter 10 [ml] de la solution et y ajouter 1 [ml] de NaOH 4 M. Le pH doit être supérieur à 12. Laisser
reposer pendant 5 [min] avant d’ajouter 5-10 gouttes de la solution de HHSNN. Titrer avec la solution
d’EDTA. Cette procédure est répétée 5 fois. Les résultats obtenus sont répertoriés dans le tableau 7 qui
suit :
N° Volume Ca utilisé [ml] Volume EDTA utilisé [ml] Concentration Ca [mol/l]
10
19.2
0.009602656
1
10
19.1
0.009552643
2
10
19.2
0.009602656
3
10
19.1
0.009552643
4
10
19.2
0.009602656
5
Moyenne :
0.009582651
écart type :
2.73937E-05
CV :
0.002858677
Tableau 7 : Titrage du calcium
-­‐5-­‐ Analyse sélective du calcium et du magnésium :
Pipeter 5 [ml] de la solution de magnésium et 10 [ml] de la solution de calcium dans un récipient.
Titrer selon les deux procédures précédentes et répéter l’expérience 3 fois.
Répéter la procédure mais cette fois avec 10 [ml] de la solution de magnésium et 5 [ml] de la solution
de calcium. Les résultats sont reportés dans les tableaux 8, 9, 10 et 11 qui suivent :
Tableau 8 : Ca 10 ml - Mg 5 ml avec HHSNN
N° Volume Ca utilisé [ml] Volume EDTA utilisé [ml] Concentration Ca [mol/l]
1
10
19.1
0.009552643
2
10
19.2
0.009602656
3
10
19.2
0.009602656
Moyenne :
0.009585985
écart type :
2.88755E-05
CV :
0.003012262
Concentration Mg :
0.004851342
Tableau 9 : Ca 10 ml - Mg 5 ml avec noir d’ériochrome T
N° Volume Ca utilisé [ml] Volume EDTA utilisé [ml] Concentration Ca+ Mg [mol/l]
1
10
28.8
0.014403985
2
10
28.9
0.014453998
3
10
28.9
0.014453998
Moyenne :
0.014437327
écart type :
2.88755E-05
CV :
0.002000059
Tableau 10 : Ca 5 ml - Mg 10 ml avec HHSNN
N° Volume Ca utilisé [ml] Volume EDTA utilisé [ml] Concentration Ca [mol/l]
1
5
9.6
0.009602656
2
5
9.6
0.009602656
3
5
9.5
0.009502629
Moyenne :
0.009569314
écart type :
5.7751E-05
CV :
0.00603502
Concentration Mg :
0.004868013
Tableau 11 : Ca 5 ml - Mg 10 ml avec noir d’ériochrome T
N° Volume Mg utilisé [ml] Volume EDTA utilisé [ml] Concentration Ca+ Mg [mol/l]
1
10
28.8
0.014403985
2
10
28.9
0.014453998
3
10
28.9
0.014453998
Moyenne :
0.014437327
écart type :
2.88755E-05
CV :
0.002000059
-­‐6-­‐ • 2.4 Analyse d’un échantillon de pierre calcaire :
Dans les échantillons proposer, trouver celui contenant du calcaire par une méthode simple (ajout de
HCl). Une fois l’échantillon sélectionné (échantillon II), le fragmenter en poudre dans un mortier et en
prélever ~0.5 [g] dans un bécher. Ajouter ~2-3 [ml] de HCl 4 M et porter à ébullition sous chapelle.
Laisser ensuite refroidir pendant au moins 5 [min] avant de filtrer dans un entonnoir contenant un filtre
de papier en prenant soin de bien rincer le filtre. Transférer alors la solution dans un ballon jaugé de
250 [ml] et compléter avec de l’eau déminéralisée. Déterminer les concentrations de calcium et de
magnésium dans cette solution par titrage d’EDTA avec ériochrome T et HHSNN.
Titrage par ériochrome T :
Pipeter 10 [ml] de solution et ajuster le pH à 7-8 par ajout de NaOH après quoi ajouter 10 [ml] du
tampon ammoniacal et 5-10 gouttes d’ériochrome T. Titrer la solution et répéter la procédure trois
fois.
Titrage par HHSNN :
Pipeter 10 [ml] de solution et ajuster le pH à au moins 12 par ajout de NaOH avant d’ajouter 10 [ml]
du tampon ammoniacal et 5-10 gouttes de HHSNN. Titrer la solution et répéter la procédure trois fois.
Les résultats sont reportés dans les tableaux suivants (tableau 12 & 13) :
Titrage par ériochrome T
n°
v sol caillou [ml]
1
10
2
10
3
10
v edta [ml]
14.2
14.2
14.1
moyenne:
Ecart type:
CV:
C Mg+Ca [mol/l]
0.007101965
0.007101965
0.007051951
0.007085293
2.88755E-05
0.004075414
Tableau 12 : Titrage par ériochrome T
Titrage par HHSNN
n°
v sol caillou [ml]
1
10
2
10
3
10
mm CaCO3:
100.087 [g/mol]
mm MgCO3:
84.314 [g/mol]
m pierre: 0.5012 ± 0.0001 [g]
1
v edta [ml]
13.3
13.5
13.3
moyenne:
Ecart type:
CV:
y 1:
fraction massique calculée par la formule :
C Ca [mol/l]
0.00665184
0.006751868
0.00665184
0.006685183
5.7751E-05
0.008638657
0.33374894
yXCO3 =
-­‐7-­‐ 0.016827081
mm XCO3 ! cX + !Vtot
Tableau 13 : Titrage par HHSNN & résultats
C Mg [mol/l]
0.000450125
0.000350097
0.000400111
0.000400111
mtot
Conclusion :
Titrage concentration Mg :
Titrage concentration Ca :
Titrage Ca + Mg (10/5 ml) :
Titrage Ca+Mg (5/10 ml) :
théorie
pratique
erreur %
théorie
pratique
erreur %
théorie
Ca pratique
erreur %
théorie
Mg pratique
erreur %
théorie
Ca pratique
erreur %
théorie
Mg pratique
erreur %
0.009861192
0.009852726
0.085853479
0.010095217
0.009582651
5.077318445
0.009582651
0.009585985
0.034782609
0.004930596
0.004851342
1.607388705
0.010095217
0.009569314
5.209430737
0.004930596
0.004868013
1.269269766
Tableau 14 : erreur des résultats
Nous pouvons voir grâce au tableau 14 ci-dessus que nous avons peu d’erreur de mesure et celles qui y
sont surement dues aux nombreux transvasages nécessaires pour la confection des solutions.
Nous sommes désormais capable de déterminer la concentration en métaux alcalino-terreux de diverses
choses par la méthode de complexation telle que décrite dans ce TP.
Questions :
1)
mméthylènediamine = 60.098 [g/mol]
80 [g/l] / 60.098 [g/mol] = 1.331159 [mol/l]
0.05 [l] x 0.2 M / 1.331159 M = ~7.5 [ml]
2) Eau du lac : [Ca] = 43.6x10-3 [g/mol] / 40.078 [g/mol] =1.088x10-3 M
[Mg] = 6.1x10-3 [g/l] / 24.305 [g/mol] = 2.5098x10-4 M
[Sr] = 0.4x10-3 [g/l] / 87.62 [g/mol] = 4.565x10-6 M
Eau nappe : (selon la même technique)
Eau alpes : (selon la même technique)
[Ca] = 1.9x10-3 M
[Mg] = 6.17x10-4 M
[Sr] = 8.6x10-5 M
Σ = 2.603 mM = 26.03 °f
[Ca] = 1.258x10-3 M
[Mg] = 0.299x10-3 M
[Sr] = 4.45x10-6 M
Σ = 1.293 mM = 12.93 °f
3) mm(Na2C10H14N2O8 · 2H2O) = 372.2 [g/mol]
=> 0.005 M x 372.2 [g/mol] x 1[l] = 1.861 [g]
4) Voir annexe (photocopie du cahier de labo)
Σ = 1.3435 mM = 13.44 °f
-­‐8-­‐