Travaux pratiques - Olympiades de chimie
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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 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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