Nom-Prénom : Sujet ECE 1 : Chimie Alcalinité d'une eau Contexte du sujet : De nombreux articles ou publicités montrent l’importance de surveiller l’alcalinité de l’eau. « L’eau a des paramètres qu’il ne faut pas bouleverser, surtout dans une piscine. Entre le pH, le TH et le TAC, transformez-vous en petit chimiste et faites vos mesures avec assiduité.» www.guide-piscine.fr « De nombreux scientifiques de renom ont déclaré que l'excès d'acidité dans les tissus est la première cause de maladies et en amenant le pH du corps à son équilibre pH optimal, vous pouvez grandement améliorer l'équilibre énergétique du corps, réduire la fatigue, augmenter l'énergie… L'eau alcaline anti-oxydante a été largement utilisée au Japon, en Corée et dans d'autres pays orientaux depuis de nombreuses années. » Site publicitaire d’un ioniseur (La boutique du Mieux Vivre) Documents mis à disposition : Document 1 : Alcalinité d'une eau : Alcalinité d'une solution : synonyme de basicité, elle augmente avec le pH. Dans les eaux minérales destinées à l'alimentation, l'alcalinité est principalement due à la présence d'ions carbonate CO32- et hydrogénocarbonate HCO3- (anciennement appelés ions bicarbonates). L'alcalinité d'une eau est mesurée par un dosage avec un acide fort. Par convention, on exprime ce résultat par le Titre Alcalimétrique (TA) et par le Titre Alcalimétrique Complet (TAC) Document 2 : Titre d'alcalinité (TA) et titre d'alcalinité complet (TAC) Titre Alcalimétrique (TA) : Concentration de CO32- exprimé en degré français : Détermination de la quantité d'ions CO32- dans l'eau par dosage avec une solution d'acide chlorhydrique à 2,00.10 -2mol.L-1 en présence de phénolphtaléine. (incolore 8,2 < pH < 9,9 rose)(3 gouttes). Titre Alcalimétrique Complet (TAC) : Concentration de HCO3- exprimé en degré français : Détermination de la quantité d'ions HCO3- (ions hydrogénocarbonates) dans l'eau en par dosage par une solution d'acide chlorhydrique à 2,00.10-2mol.L-1 en présence de vert de bromocrésol-rhodamine (BCR). (jaune 3,8 < pH < 5,4 bleu) (3 gouttes). Si le pH d'une eau est inférieur à 8,2, on choisira de déterminer le TAC (car dans ce cas, l'eau contient uniquement des ions HCO3-). Degrés français et potabilité : Ces titres se mesurent en degrés français (°f) : 1°f équivaut à 12,2 mg/L d'ion hydrogénocarbonate (HCO3-). Le TAC doit être inférieur à 50°f pour une eau potable. Document 3 : Etiquette d'une bouteille Contrex Document 4 : Données diverses Masse molaire : M(HCO3-) = 61g/mol Couple acide/base : H2CO3/HCO3- OBJECTIF DU TP : L'objectif de cette épreuve est de vérifier qu'une eau de consommation, « Contrex », est potable et que les indications sur la bouteille sont conformes. Matériel mis à disposition : – – – – – – Papier pH Poire pour pipeter Barreau aimanté + Agitateur magnétique Ph-mètre (déjà étalonné) Feuilles de papier millimétré 1 feutre pour écrire sur la verrerie – – – – – Bécher : 100, 150, 200 mL Fiole jaugée : 100 mL Pipette jaugée : 5, 10, 20, 25 et 50 mL Burette graduée : 25 mL Eprouvette graduée : 100mL – Indicateurs colorés : → Phénolphtaléine → Vert de Bromocrésol Solution d'acide chlorhydrique : cA=(2,00± 0,02).10-2mol.L-1 Eau distillée Eau Contrex – – – Questions préliminaires (5min) 1- Quel titre allez-vous déterminer pour l'eau de consommation mise à disposition : TA ou TAC ? (Justifier) ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 2- Ecrire l'équation mise en jeu lors du titrage : …………………………………………………………………………………………………………………………. Elaboration du protocole expérimental : (10min) 3- Elaborez un protocole expérimental permettant de déterminer le titre de l'eau mise à disposition. Indication : On souhaite que le volume équivalent du dosage soit proche de 10mL. ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Appel n°1 Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental ou en cas de difficulté. Réalisation du protocole (20min) Appel n°2 Appeler le professeur pour lui présenter les résultats expérimentaux ou en cas de difficulté. Exploitation des résultats (10min) 4- L'eau remplie-t-elle les critères de potabilité ? ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 5- Evaluez l'incertitude sur votre résultat. Δ c m Δ c A Δ V eq Δ V P = + + cm cA V eq VP (avec cA : concentration de l'acide chlorhydrique, Veq : volume équivalent, V P : volume prélevé de solution à titrer). ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 6- Le résultat de votre expérience est-il conforme à l'indication sur l'étiquette de « Contrex » ? ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Correction : Questions préliminaires : 1- Quel titre allez-vous déterminer pour l'eau de consommation mise à disposition : TA ou TAC ? (Justifier) On mesure le pH de la solution de Contrex. On trouve un pH proche de 7 donc on va déterminer le TAC. 2- Ecrire l'équation mise en jeu lors du titrage : HCO3- + H3O+ → H2CO3 + H2O Elaboration du protocole expérimental : ● Grandes étapes du dosage : - Prélever un volume Vpreleve (=25-30 mL) d’eau Contrex. - Ajouter 3 gouttes de BCR. - Faire le dosage acido-basique de ces 25 mL d'eau par une solution d'HCl à 2,00.10 -2 mol.L-1en surveillant la couleur de la solution. - Déterminer le volume équivalent avec le changement de couleur du BCR. ● Détermination du volume de Contrex à prélever : On sait que la concentration massique est de 0,4g/L soit une concentration molaire à titrer : ctitrée= c m 0,4 = =6,6.10−3 mol.L−1 M 61 Sachant qu'on dose avec une solution à cA=2,00.10-2 mol/L et qu'on veut Veq=10,0mL. A l'équivalence : quantité de matière à doser = quantité de matière d'acide versé : c A ×V eq (2,00.10−2×10) V preleve= = =30 mL −3 c titree (6,6.10 ) On va donc prélever 25-30 mL de contrex pour faire le titrage. Exploitation du résultat du dosage 4- En titrant sur 25,0 mL, on a Veq = 9,00mL à l'équivalence : c×V preleve=c A×V eq ● Détermination de la concentration en hydrogénocarbonate de l'eau : c= (c A×V eq ) (2,00.10−2×9,00) = =7,20.10−3 mol.L−1 (v preleve ) (25,0) ● concentration massique : c m =7,2.10−3×61=0,439 g.L−1 Pour vérifier la potabilité, déterminons le degré francais de cette eau : f °= 439 =36° f l'eau remplie les normes de potabilité. 12,2 5- Incertitude : Δ c m Δ c A Δ V eq Δ V P 0,001 0,1 0,1 = + + = + + =0,065 cm cA V eq VP 0,02 9 25 On en déduit : Δ c m =0,065×439=29 mg.L−1 On tenant compte des incertitudes on retrouve les indications de la bouteille. Valeur un peu différente car d'une bouteille à l'autre de contrex la concentration peut varier … Evaluation : Alcalinité d'une eau Nom-Prénom : …......................................................................................................................................... Elaboration du protocole (ANALYSER) A B C D Mise en œuvre du protocole (REALISER) A B C D Exploitation (VALIDER) A B C D Commentaires : Note : Nom-Prénom : …......................................................................................................................................... Elaboration du protocole (ANALYSER) A B C D Mise en œuvre du protocole (REALISER) A B C D Exploitation (VALIDER) A B C D Commentaires : Note : Evaluation : Alcalinité d'une eau Nom-Prénom : …......................................................................................................................................... Elaboration du protocole (ANALYSER) A B C D Mise en œuvre du protocole (REALISER) A B C D Exploitation (VALIDER) A B C D Commentaires : Note : Nom-Prénom : …......................................................................................................................................... Elaboration du protocole (ANALYSER) A B C D Mise en œuvre du protocole (REALISER) A B C D Exploitation (VALIDER) A B C D Commentaires : Note : REPERES POUR L’EVALUATION 1. Analyse du problème et 2. Formulation d’un protocole expérimental. La compétence ANALYSER est évaluée sur la feuille de réponses et lors de l’appel 1. Coefficient 2 Les critères retenus pour l’évaluation de la compétence sont : - proposer et/ou justifier un protocole expérimental, - identifier les paramètres pertinents. L'examinateur évalue globalement ce que lui présente le candidat. Il attend de la part de celui-ci : qu’il propose un protocole expérimental pertinent, réalisable au laboratoire pour faire un titrage. Ainsi, le protocole devra indiquer : Le volume de la prise d’essai d’eau, le schéma légendé du montage, l’agitation Si certains points du protocole sont flous ou non présents, l’examinateur pourra les faire préciser au candidat à l'aide de questions ouvertes. Il est important que le candidat pense à faire une mesure du pH de l’eau à analyser. L'examinateur attend que le candidat sache corriger seul une maladresse ou apporte seul un complément au protocole lors des appels. Si le candidat y parvient le niveau acquis pour ANA est le niveau A. Si malgré le questionnement ouvert de l’examinateur, le protocole est toujours incomplet, l’examinateur fournit au candidat une solution partielle adaptée en fonction des besoins du candidat. Le niveau acquis est alors le niveau B. Le niveau acquis est C si l’examinateur doit apporter au candidat des réponses partielles pour parvenir à terminer la tâche demandée. Si le candidat ne parvient pas à établir le protocole demandé à partir des solutions partielles, l’examinateur lui donne la solution totale. Le niveau acquis est le niveau D. 3. Réalisation du protocole expérimental proposé La compétence REALISER est évaluée lors de l’appel 2. Coefficient 3 Les critères retenus pour l’évaluation de la compétence sont : - suivre un protocole, - utiliser le matériel de manière adaptée, - effectuer des mesures avec précision. L’examinateur observe en continu les candidats pendant la mise en œuvre du protocole. Si nécessaire, il intervient oralement (sous forme de questions) et de façon très ponctuelle pour réguler leur mise en œuvre, l’utilisation adaptée du matériel, les candidats ne sont pas pénalisés. De la même façon, un candidat demandant une aide très ciblée et bien explicitée ne l’est pas non plus. Dans tous ces cas le niveau A pour le domaine de compétences RÉA est obtenu. Si malgré les questions ouvertes le candidat ne parvient pas à mettre en œuvre le protocole proposé, l’examinateur l’aide par exemple pour le choix de la pipette ou pour un remplissage correct de la burette. Le niveau acquis est le niveau B s’il parvient à réaliser parfaitement le reste de la manipulation. Si le candidat est à nouveau bloqué dans la réalisation du titrage, le professeur lui fournit une réponse partielle. Si celle-ci permet de le débloquer et que celui-ci poursuit la manipulation, le niveau acquis est le niveau C. S’il est toujours bloqué le niveau est D, le professeur lui fournit alors le volume équivalent. 4. Exploitation et interprétation des résultats. La compétence VALIDER est évaluée sur la feuille de réponses. Coefficient 3 Les critères retenus pour l’évaluation de la compétence sont : - Extraire des informations des données expérimentales et les exploiter - Estimer l’incertitude d’une mesure unique. L'examinateur évalue globalement la façon dont le candidat exploite les données recueillies à partir du volume versé à l’équivalence. Il attend que celui-ci soit capable : - d’écrire l’équation de la réaction de tirage. - de définir l’équivalence. - de donner la relation entre les quantités de matière des réactifs à l’équivalence. - de remplacer ces quantités de matière par le produit de la concentration par le volume. - d’extraire de la relation précédente la concentration molaire en ions hydrogénocarbonate de l’eau à analyser. - de connaître et d’appliquer la relation Cm = C × V - de déterminer l’incertitude élargie et de présenter son résultat sous forme d’un encadrement avec un nombre correct de chiffres significatifs, avec l’aide fournie. - d’établir la relation entre C m et le TAC de cette eau. Si le candidat a réalisé l'ensemble des exploitations demandées de manière satisfaisante selon les critères précisés ci-dessus avec éventuellement une intervention de l’examinateur, concernant une difficulté identifiée et explicitée par le candidat et à laquelle il apporte une réponse quasiment de lui-même le niveau acquis est A Si le candidat a réalisé l'ensemble de l’exploitation demandée de manière satisfaisante mais avec quelques interventions de l’examinateur concernant une difficulté ou erreur non identifiée au départ par le candidat mais résolue ensuite par celui-ci après un questionnement, le niveau acquis est B. Le candidat reste bloqué dans la démarche à suivre pour arriver aux résultats, malgré les questions posées par l’examinateur. Des éléments de solutions lui sont apportés, ce qui lui permet de poursuivre la tâche. Le niveau acquis est C. Le candidat a été incapable de faire le moindre calcul malgré le questionnement de l’examinateur. Le niveau acquis est D.
