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TP Chimie -‐ Lefèvre 2014-‐2015 TP 11 : RESINES ECHANGEUSES D’IONS OU COMMENT ADOUCIR L’EAU ? Objectif : Déterminer la composition d’une eau par titrage complexométrique. Utiliser une résine échangeuse d’ions. PARTIE 1 : DETERMINATION DE LA DURETE DE L’HEPAR Document 1 : Dureté d’une eau La dureté totale d’une eau correspond à la concentration en ions alcalino-‐terreux, c’est-‐à-‐dire principalement à la concentration 2+
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en ions magnésium Mg et en ions calcium Ca . En France, la dureté d’une eau (ou titre hydrotimétrique noté TH) s’exprime en degrés français (noté °f). 4
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1°f = 10 ([Ca ] + [Mg ]) Les eaux courantes ont un degré hydrotimétrique en degrés français français compris entre 0 et 50 : °f 0 à 5 5 à 15 15 à 25 25 à 35 Eau très douce douce moyennement dure dure > 35 très dure La minéralité d’une eau (c’est-‐à-‐dire sa concentration en minéraux) et donc sa dureté dépend de son origine. Un sol calcaire donnera une eau dure (Nord et bassin parisien) alors qu’un sol granitique donnera une eau douce (Massif Central, Vosges et Bretagne). Bien qu’une eau dure n’ait aucune conséquence négative sur la santé, le titre hydrotimétrique fait partie des multiples paramètres de qualité régulièrement contrôlés par les autorités afin d’éviter les désagréments suivants : -‐ entartrage des résistances de chauffage des appareils électroménagers (bouilloire, lave-‐vaisselle, lave-‐linge) ainsi que des chaudières et des tuyaux d’eau chaude ; -‐ diminution du pouvoir moussant des savons et détergents. L’objectif de cette partie est de déterminer la dureté de l’eau Hépar, réputée pour être riche en magnésium et en calcium, comme en témoigne l’étiquette 2+
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ci-‐contre. Nous allons pour cela titrer simultanément les ions Ca et Mg présents dans l’eau Hépar. Préliminaires : Principe du titrage 1. La solution titrante d‘EDTA L’EDTA (acide éthylènediamminetétraacétique) est un tétraacide, noté H4Y, dont les pKa valent respectivement 2 ; 2,7 ; 6,2 ; 10,3. Question 1 : Tracer son diagramme de prédominance. 4-‐
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La tétrabase Y forme avec les cations métalliques Ca et Mg des complexes de formules [MY] . 2-‐
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Données : Pour CaY pKD = 10,7, pour MgY pKD = 8,7. 2. Nécessité de travailler à pH fixé Le titrage d’un cation par l’EDTA doit être effectué dans un domaine de pH déterminé car le pH influe sur la stabilité des 4-‐
complexes à cause des propriétés basiques de Y et pour éviter la précipitation des hydroxydes métalliques Mg(OH)2(s) et Ca(OH)2(s). On précise que l’EDTA est introduit dans la burette sous la forme de son sel disodique Na2H2Y. 1 TP Chimie -‐ Lefèvre 2014-‐2015 Question 2 : À l’aide des concentrations données par l’étiquette, tracer le diagramme d’existence des hydroxydes Mg(OH)2(s) et Ca(OH)2(s) en fonction du pH. Données : Mg(OH)2 : pKs = 11 et Ca(OH)2 : pKs = 5,3 Dans le cas du titrage des ions calcium et magnésium que nous allons rélaliser, la solution est tamponnée à pH = 9,2. Question 3 : À ce pH, y’a-‐t-‐il précipitation ? Quelle est la forme prédominante de l’EDTA ? +
La solution est tamponnée par la présence du couple NH4 /NH3 (pKa = 9,2). En présence de ces espèces et à ce pH, les équations des réactions de titrages sont : 2+
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RD1 : Ca (aq) + HY (aq) + NH3(aq) → CaY (aq) + NH4 (aq) K°1 = 10 2+
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RD2 : Mg (aq) + HY (aq) + NH3(aq) → MgY (aq) + NH4 (aq) K°2 = 10 Question 4 : Les réactions sont elles totales ? Dans quel ordre ont-‐elles lieu ? Sont elles successives ou simultanées ? 3. Nécessité d’utiliser un indicateur de fin de réaction La solution d’EDTA, les solutions aqueuses contenant les ions calcium et magnésium ainsi que les complexes formés sont incolores. On peut utiliser un indicateur de fin de réaction pour mettre en évidence l’équivalence : on utilise le noir ériochrome T, noté NET. C’est un colorant azoïque de formule ci-‐contre. Le NET est un triacide noté H3In : sa première acidité est forte et les deux autres ont des pKA respectifs de pK’A1 = 6,3 et pK’A2 = 11,5. Les couleurs des espèces en solution sont successivement rose, bleu et orange quand on augmente le pH. Question 5 : Donner le diagramme de prédominance du NET. Préciser sa couleur au pH auquel on travaille. Le NET forme à pH = 9,2 des complexes rosés avec les ions calcium et magnésium. 2 TP Chimie -‐ Lefèvre 2014-‐2015 Ci-‐contre : Simulation informatique du titrage d’un mélange d’ions calcium et magnésium par l’EDTA en présence de NET à pH = 9,2 : tracé 4-‐
des % des différentes espèces au cours du titrage ainsi que pY=-‐log[Y ] 1 : pY 2+
2 : % de Ca sous forme Ca -‐
3 : % de Ca sous forme [CaIn] 2-‐
4 : % de Ca sous forme [CaY] 2+
5 : % de Mg sous forme Mg 2-‐
6 : % de Mg sous forme [MgIn] 2-‐
7 : % de Mg sous forme [MgY] 2-‐ 8 : % de Net sous forme libre (HIn à pH = 9,2) 2+
Question 6 : Indiquer en quoi la présence de l’indicateur coloré Net permettra de repérer la fin du titrage des ions Ca et 2+
Mg . Qu’observera-‐t-‐on dans le bécher au moment de l’équivalence ? Manipulation : On fera un dosage rapide et un dosage lent : • Dans un bécher placer 10,0 mL d’Hépar, 10 mL de la solution tampon pH = 9,2 à la prise d’essai et une petite pointe de spatule de NET. 2-‐
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• Titrer au moyen d'une solution d’ions H2Y (aq) à 1,0.10 mol.L . Exploitation : 2+ 2+
Déterminer la concentration des ions Ca et Mg dans l’eau Hépar. Comparer à la valeur de l’étiquette. Déterminer la dureté de cette eau en °f. 3 TP Chimie -‐ Lefèvre 2014-‐2015 PARTIE 2 : ADOUCIR L’EAU HEPAR Objectif : Montrer que la résine permet d’adoucir l’eau d’Hépar. 2+
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Pour un ion Ca ou Mg retenu par la colonne, deux ions H doivent être libérés pour des raisons d’électro-‐neutralité. Vérifier ce raisonnement expérimentalement. Matériel et produits à disposition : - NET - Résine échangeuse d’ions prête à l’emploi - Logiciel de simulation de titrages acidobasiques -‐2
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- Solution titrante d’EDTA à 1,0.10 mol.L Chimgéné -‐2
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- Solution titrage de soude NaOH à 2,0.10 mol.L - Indicateurs colorés acido-‐basiques - Tampon borax - Verrerie usuelle - Papier pH Document 2 – Résine échangeuse d’ions Document 3 – Utilisation de la résine échangeuse d’ions La colonne ne doit jamais être asséchée : il faut veiller à toujours laisser du liquide surnageant. Préparation de la résine +
Afin de saturer la résine en ions H , celle-‐ci est plongée dans une solution d’acide chlorhydrique concentrée. Il faut se débarasser de cette solution avant d’utiliser la résine • Introduire délicatement 20,0 mL d’eau distillée dans la colonne à l’aide d’une baguette de verre. • Laisser s’écouler goutte à goutte dans un bécher jusqu’à ce que l’eau affleure la résine. Contrôler le pH en sortie de colonne : lorsque l’eau en sortie est à pH=7, la résine est prête à l’emploi. Répéter l’opération autant que nécessaire. Adoucissement de l’Hépar • Introduire délicatement 20,0 mL d’Hépar dans la colonne à l’aide d’une baguette de verre. • Placer un bécher propre et sec sous la colonne, dans lequel on recueillera la totalité des eaux d’élution. • Laisser s’écouler goutte à goutte jusqu’à ce que l’eau d’Hépar affleure la résine. • Recommencer l’opération avec 20 mL d’eau distillée. • Contrôler le pH en sortie de colonne : lorsque l’eau en sortie est à pH=7, toute l’eau Hépar a été récupérée. Rincer avec autant d’eau distillée que nécessaire pour atteindre ce pH. 4 TP Chimie -‐ Lefèvre 2014-‐2015 Document 4 – Quelques indicateurs colorés acido-‐basiques Indicateur coloré Rouge de méthyle Bleu de bromothymol Phénolphtaléine Intervalle de virage (pH) Couleur de la forme acide 4,2 -‐ 6,4 6,0 -‐ 7,6 8,0 -‐ 9,9 rouge jaune incolore Couleur de la forme basique jaune bleu rouge Protocole suivi et exploitation : 5 TP Chimie -‐ Lefèvre 2014-‐2015 Bilan élève : Indiquer trois points à retenir de ce TP Oui A revoir Ai-‐je su extraire les informations utiles des documents ? Analys
er Ai-‐je compris les précautions prises pour le titrage (partie préliminaire) Sais-‐je exploiter l’équivalence d’un titrage ? Ai-‐je su proposer un protocole pour répondre à la question de la partie 2 ? Sais-‐je réaliser un titrage colorimétrique ? Sais-‐je utiliser une résine échangeuse d’ions ? Mes calculs sont-‐ils justes ? Ai-‐je commenté mes résultats ? Ai-‐je comparé mes résultats à ceux de l’étiquette ? Ai-‐je identifié les sources d’incertitude ? Le compte-‐rendu est-‐il clair ? Mes schémas sont-‐ils clairs et précis ? Sais-‐je gérer mon temps ? (être efficace, rapide et autonome) Ma paillasse est-‐elle propre et les déchets bien gérés ? Ai-‐je été sécuritaire (pour les autres et pour moi) ? Co
m Valider S’a pp
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er Evaluation Réalise
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