TS Chimie Spécialité Dosage de l`élément fer dans un vin blanc

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TS
Chimie
Dosage de l’élément fer dans un vin blanc
Exercice résolu
Spécialité
- Sujet -
Données
• Masse molaire de l’alun de fer (III) et d’ammonium : 964 g.mol-1
• Masse molaire du thiocyanate de potassium : 97 g.mol-1
• Masse atomique du fer : M(Fe) = 56 g.mol-1
La casse ferrique
Le vin, rouge ou blanc, contient, en faible quantité, l’élément fer sous forme d’ions Fe2+ ou Fe3+ qui
proviennent du raisin mais aussi et surtout de diverses sources de contamination durant la
vinification.
Le vin étant, à l’abri de l’air, un milieu réducteur, les ions du fer sont, au départ, essentiellement
à l’état d’ions Fe2+. Toutefois, au cours de son élaboration, lors des pompages et transvasement,
puis lorsqu’on débouche une bouteille, le contact avec le dioxygène de l’air et la dissolution de ce
dernier dans le vin, entraîne une oxydation partielle des ions Fe2+ en ions Fe3+.
Si la concentration en ions Fe3+ devient trop importante (à partir de 10 mg par litre), il se produit
le phénomène de casse ferrique : la formation d’un précipité de phosphate de fer (III) rend le
vin trouble, peu attrayant et gênant sur le plan gustatif.
Afin de prévenir ce phénomène, il est donc important de déterminer la concentration en ions fer
dans les vins.
Principe
L’élément fer est présent sous deux états d’oxydation, mais seule sa concentration totale est
intéressante. Pour cela, il est nécessaire de commencer par oxyder les ions Fe2+ en ions Fe3+, plus
stables, grâce à une solution oxydante d’eau oxygénée.
Les ions Fe3+ sont ensuite révélés par une solution de thiocyanate de potassium (K+ + SCN-)
qui permet la formation d’un complexe de couleur rouge selon la réaction d’équation bilan :
Fe3+ + SCN- [Fe(SCN)]2+
La concentration massique de ce complexe peut être approximativement déterminée par un
dosage colorimétrique ou, plus précisément, par spectrophotométrie.
A. Première partie : le dosage colorimétrique
Deux solutions, contenant la même substance colorante et observées dans les mêmes conditions,
ont la même coloration si elles ont la même concentration en substance colorante. La manipulation
consiste donc à préparer une échelle de teintes qui pourra être comparée à celle du vin dans
lequel le réactif aura été préalablement ajouté (précision de la méthode : ±1 mg.L-1).
1. On veut disposer d’une solution mère S0 de concentration massique apportée égale à
C0 = 50 mg.L-1 en ions Fe3+. Cette solution est préparée par dissolution de cristaux d’alun de fer
(III) et d’ammonium, de formule Fe2(SO4)3(NH4)2SO4, 24 H2O. Calculez la masse de cristaux
nécessaires à la préparation d’un litre de cette solution.
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2. La réalisation de la gamme étalon consiste en la préparation, à partir de la solution S0, de 6
solutions de volume V = 100 mL de concentrations massiques (notées Cm) croissantes et
régulièrement espacées en ions fer (III).
Après avoir justifié, complétez le tableau suivant en calculant les volumes V0 de solution S0 à
prélever :
Solution n°
V0 (en mL)
Cm (en mg.L-1)
1
2
3
4
5
6
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
3. A partir de chaque solution, on prépare un tube à essais contenant :
• 10,0 mL de la solution préparée,
• 1,0 mL de solution de thiocyanate de potassium à 200 g.L-1 en soluté apporté
• 0,5 mL d'acide chlorhydrique concentré (dont le rôle est de dissocier les complexes du fer
avec, en autres, les ions tartrate),
• 1,0 mL de solution d’eau oxygénée.
Montrez que, quel que soit le tube, les ions thiocyanate sont toujours en excès. Pourquoi est-ce
nécessaire ?
4. Un 7ème tube à essais, dont la coloration sera comparée à l’échelle de teintes, doit contenir
l’échantillon du vin étudié. Donnez la composition de ce tube.
5. Ecrivez les 1/2 équations correspondant aux couples mis en jeu (Fe3+/Fe2+ et H2O2/H2O) et
l'équation bilan de la réaction d’oxydation des ions Fe2+ par l’eau oxygénée en milieu acide.
6. a) La couleur du 7ème tube se situe entre celles des tubes n°4 et n°5 de l’échelle de teintes.
Donnez un encadrement de la concentration massique en ions Fe3+ dans le vin considéré.
b) Pour le vin considéré, la casse ferrique apparaît à partir d’une concentration massique en ions
Fe3+ égale à 10 mg.L-1. En l’état, peut-on savoir avec certitude s’il y a casse ferrique ?
B. Deuxième partie : le dosage spectrophotométrique
Un spectrophotomètre mesure la quantité de lumière absorbée par une substance colorée,
grandeur appelée absorbance et notée A.
L’expérience montre que A dépend de la concentration de la substance qui absorbe la lumière et
de la longueur d’onde  de la lumière absorbée.
1. Enoncez la loi de Beer-Lambert.
2. A partir du spectre (ci-dessous) de la solution du
complexe [Fe(SCN)]2+, justifiez l’emploi d’une source de
lumière bleue dans le spectrophotomètre.
A
400
500
600
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700
λ (nm)
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3. On règle le spectrophotomètre à la longueur d’onde de 465 nm, on fait le blanc et on mesure
l’absorbance de chaque solution constituant l’échelle de teinte de la première partie, ainsi que
celle de l’échantillon de vin. On obtient les résultats suivants :
Tube n°
A
1
0,210
2
0,418
3
0,632
4
0,843
5
1,047
6
1,260
7
0,977
a) Sur papier millimétré, construisez la courbe d’étalonnage de l’absorbance A en fonction de la
concentration massique Cm en ions Fe3+. La loi de Beer-Lambert est-elle vérifiée ? Justifiez votre
réponse.
b) A partir de la courbe d’étalonnage, déterminez la concentration massique en ions Fe3+ du vin
blanc étudié.
c) Conclure sur la possibilité de casse ferrique de ce vin.
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- Corrigé –
A. Première partie : le dosage colorimétrique
1. En solution, 1 mole d’alun de fer (III) et d’ammonium libère 2 moles d’ions Fe3+ :
n(Fe3+) = 2 n(alun) => n(alun) =
=> m(alun) =
n( Fe 3+ )
m(alun)
m( Fe 3+ )
=>
=
M (alun ) 2M ( Fe 3+ )
2
m( Fe 3+ ).M (alun)
2 M ( Fe 3+ )
soit m(alun) =
50 × 964
≈ 4,3 x 102 mg
2 × 56
2. Une dilution ne change pas les quantités de matières : C0.V0 = Cm.V
=> V0 =
C m .V
C0
Solution n°
V0 (en mL)
Cm (en mg.L-1)
1
4,0
2,0
2
8,0
4,0
3
12,0
6,0
4
16,0
8,0
5
20,0
10,0
6
24,0
12,0
3. Une mole d’ions thiocyanate réagit avec une mole d’ions Fe3+.
Chaque tube contient une quantité d’ions thiocyanate :
n(SCN-) =
1,0 × 10 −3 × 200
≈ 2,0 x 10-3mol
97
Au maximum, le tube n°6 contient une quantité d’ions fer (III) :
n(Fe3+) =
10,0 × 10 −3 × 12,0 × 10 −3
≈ 2,1 x 10-6 mol
56
n(SCN-) > n(Fe3+) : les ions thiocyanate sont bien en excès, ce qui est nécessaire si l’on désire que
tous les ions Fe3+ soient révélés et donc que tout l’élément fer soit dosé.
4. Le 7ème tube doit contenir :
• 1,0 mL de solution de thiocyanate de potassium,
• 0,5 mL d'acide chlorhydrique concentré,
• 1,0 mL de solution d’eau oxygénée,
• 10,0 mL de vin blanc.
5.
Fe2+ = Fe3+ + e- (x2)
H2O2 + 2 H+ + 2 e- = 2 H2O
2 Fe2+ + H2O2 + 2 H+ 2 Fe3+ + 2 H2O
6. a) La précision de la méthode est de ±1 mg.L-1.
On a donc : 8,0 mg.L-1 ≤ Cvin ≤ 10,0 mg.L-1
b) Il n’est donc pas possible de conclure avec certitude sur la casse ferrique (à partir de 10 mg.L1
pour le vin étudié).
B. Deuxième partie : le dosage spectrophotométrique
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1. L’absorbance A d’une solution diluée contenant une espèce colorée est proportionnelle à la
concentration molaire c de cette espèce et à l’épaisseur ℓ de solution traversée par le faisceau
lumineux : A = ε.ℓ.c
A : absorbance de la solution (sans unité).
ℓ : épaisseur de la solution traversée par la lumière (en cm).
c : concentration molaire de l’espèce colorée (en mol/L).
ε : coefficient d’extinction molaire (ou coefficient d’absorption molaire) qui dépend de la longueur
d’onde de la radiation utilisée et de la nature de l’espèce dissoute et qui traduit, en fait,
l’aptitude de cette espèce à absorber la radiation considérée (en L.mol-1.cm-1).
2. La solution du complexe [Fe(SCN)]2+ présente un maximum d’absorption aux alentours de 480
nm : radiation bleue. C’est donc aux environs de cette longueur d’onde qu’il faut se placer pour
faire l’étude spectrophotométrique.
3. a) Graphe A = f(Cm) :
On obtient une droite qui passe par l’origine : l’absorbance est donc proportionnelle à la
concentration massique et la loi de Beer-Lambert est vérifiée :
A
= k = Cte
Cm
(avec k = ε.ℓ : coefficient directeur de la droite).
b) Le point de la droite ayant A = 0,98 pour ordonnée a Cm = 9,3 mg.L-1 pour abscisse.
c) Bien qu’il en soit proche, ce vin ne présente pas le phénomène de casse ferrique.
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