Thème du programme Chimie et développement durable Sous-thèmes Analyses physico-chimiques Préparation de solutions Dosage par titrage Produits d’entretien ménagers Acides ou basiques ? Titre Type d’activité Conditions de mise en oeuvre Travail en autonomie par groupes avec activité expérimentale durée Partie 1 :1h 30 Pré requis Solutions acides et basiques en classe de 3° Pictogrammes SGH de sécurité Connaissance de la verrerie Concentrations massique et molaire (1ère) Réactions acide-base et transferts de protons. (Tronc commun de terminale) Partie 2 : 2h 00 Partie concernée du programme Notions et contenus Capacités exigibles Titrage avec indicateurs colorés Solvant : eau distillée, eau permutée. - soluté : densité, titre massique, concentrations massique et molaire. Indicateur coloré acido-basique ; zone de virage. Choix d'un indicateur pour un titrage donné. Indicateur coloré de précipitation. -Tronc commun. Citer des produits d'entretien couramment utilisés dans l'habitat (détartrants, déboucheurs, savons, détergents, désinfectants, dégraissants, etc.) ; reconnaître leur nature chimique et leur précaution d'utilisation (étiquette, pictogramme). - SPCL Préparer une solution aqueuse de concentration donnée à partir d'un solide - Proposer et réaliser un protocole de titrage mettant en œuvre un indicateur coloré. Repérer expérimentalement l'équivalence. -Justifier le choix d'un indicateur coloré pour un titrage donné à partir de la courbe de titrage pHmétrique. Compétences transversales Mots clés de recherche - Rechercher, extraire et organiser l’information utile provenant d’un document, d’une situation ou d’une expérience. - Faire preuve d’initiative, d’esprit critique. - Proposer un protocole expérimental, à mettre en œuvre en respectant les règles de sécurité. Dissolution, titrage, acido-basicité, indicateur coloré, pH. - Travailler en groupe. Auteurs Emmanuel RIGOLET Lycée Louis Armand. Chambéry (73) Sciences physiques. Académie de Grenoble 1 Partie 1 . Produits ménagers : Acides ou bases ? A. Exploitation de documents : Document 1 Les produits ménager sont très nombreux : décapefour, poudres de lavage pour lave-vaisselle, antirouille, détartrants, eau de javel concentrée, spray vitres, bombe anti-poussière… http://www.danger-sante.org/produit-menager-entretien-nettoyant Pour vos enfants, ne stockez jamais les produits ménagers sous l’évier, dans les toilettes ou dans la salle de bains. Ils doivent être hors de portée des enfants. Ne transvasez jamais un produit dangereux dans un contenant alimentaire tel qu’une bouteille en verre, bouteille d’eau minérale ou de jus de fruit. Les produits ménagers pour la vaisselle Détergent composé principalement d’agents nettoyants appelés tensioactifs et d’autres ingrédients comme des colorants, conservateurs, parfum de synthèse… Les antibactériens sont à éviter absolument. D’abord parce qu’ils ne servent à rien : ils n’éliminent qu’une partie des bactéries, les bactéries restantes ne mettent que quelques instants à se multiplier pour être aussi nombreuses qu’au départ. De plus il est inutile de chercher à désinfecter la vaisselle (par exemple à l’eau de Javel) pour l’essuyer ensuite avec un torchon qui n’est pas stérile. L’autre inconvénient des agents antibactériens est qu’ils favorisent des bactéries plus résistantes. Les dangers pour la santé des produits vaisselle : Certaines personnes sont sensibles aux détergents. En effet, ils agissent sur la peau comme sur la vaisselle, ils la dégraissent en lui enlevant sa protection naturelle. Dessèchement, crevasses, allergies sont le revers des vaisselles à la main quotidiennes : pensez à porter des gants ! Les produits ménagers détergents pour lave-vaisselle Les poudres, gels et liquides sont des caustiques puissants. C’est l’une des catégories de produits dans lesquelles on retrouve la plus grande proportion de phosphates. Les phosphates augmentent l’efficacité du lavage en adoucissant l’eau, en mettant la saleté en suspension et surtout, en rendant l’huile et la graisse solubles dans l’eau. Les dangers pour la santé des détergents pour le lave-vaisselle : Projetés dans l’œil ou sur la peau, ils provoquent une brûlure sévère et immédiate. Avalés, même en petites quantités, ils brûlent la bouche, la gorge et le tube digestif. Ces brûlures sont graves et laissent souvent des séquelles digestives même après traitement. 2 Les produits ménagers de nettoyage pour le four Soude caustique, carbonate ou hydroxyde de sodium ou de potassium… Les dangers pour la santé des produits de nettoyage pour four : Une utilisation imprudente de ces produits peut causer de graves problèmes aux yeux et à la peau, surtout des brûlures. L’inhalation peut provoquer des irritations des muqueuses du nez et des voies respiratoires. L’ingestion cause des brûlures dans tout le système digestif et peut être mortelle. Ces produits sont souvent présentés en aérosols, un conditionnement qui augmente les risques lors de l’utilisation : ils propulsent de fines gouttelettes qui restent en suspension dans l’air et peuvent être facilement inhalée ou venir en contact avec la peau et les yeux Les produits ménagers nettoyants pour les sols Ils contiennent parfois du LAS (linear-alkylbenzène-sulfonate), un tensioactif pétrochimique. Les dangers pour la santé des nettoyants pour le sol : Risque d’irritations ou d’allergies respiratoires (pollution de l’air intérieur). Les produits ménagers nettoyants pour salle de bains A base de tensioactifs, d’acides (chlorhydrique, sulfurique, phosphorique) et d’additifs (épaississants, parfums et colorants). Les dangers pour la santé des nettoyants de salle de bains : Des risques de brûlures, irritations des voies respiratoires, des yeux et des muqueuses. Les produits ménagers gel liquide WC Généralement composés d’agents tensioactifs (détergents), d’acides (chlorhydrique, sulfurique, phosphorique) pour dissoudre le tartre, d’additifs pour leur donner de l’épaisseur, de la couleur et du parfum. On leur rajoute souvent des désinfectants. Les dangers pour la santé des gel liquide pour WC : Risque de brûlures, irritations des voies respiratoires, des yeux et des muqueuses. Les produits ménagers déboucheurs de canalisation Soude caustique, carbonate ou hydroxyde de sodium ou de potassium… et parfois même acide sulfurique. Les dangers pour la santé des déboucheurs de canalisation pour la maison : Ce produit est corrosif et agressif, il peut causer des brûlures et de graves lésions aux yeux. Les produits ménagers lave-vitre Très peu d’information sur la composition mais souvent une liste interminables de produits qui comprend de l’ammoniac et de l’alcool. Les dangers pour la santé des lave vitre : Dangereux si votre produit contient de l’ammoniaque. Les produits ménagers avec de l’eau de javel Hypochlorite (dérivé du chlore de sodium). Les dangers pour la santé de l’eau de javel : Utilisée en mélange avec des produits d’entretien contenant de l’acide (détartrant, nettoyant pour sanitaires, antirouille…), un dégagement gazeux survient et peut provoquer des effets tels que l’irritation des muqueuses et des yeux, des maux de tête, des nausées… Cela peut aller jusqu’au développement d’un œdème pulmonaire avec risque de complications infectieuses. Si l’eau de Javel entre en contact avec de l’ammoniaque, c’est un gaz plus dangereux encore qui se forme et qui peut provoquer des dommages importants aux poumons. 3 Document 2. Symbole Signification T …………….. T+ ………………… Description des risques Produits qui, par inhalation, ingestion ou pénétration cutanée en petites quantités, entraînent la mort ou des effets aigus ou chroniques. Xn - Produits qui, par inhalation, ingestion ou pénétration cutanée en petites quantités, ……………….. peuvent éventuellement entraîner la mort ou des effets aigus ou chroniques. Xi - Produits non corrosifs qui en cas de contact ou d'inhalation peuvent provoquer une ……………… irritation de la peau et des voies respiratoires, une inflammation des yeux. C ……………… F ……………… inflammable F+ …………… inflammable Produits pouvant exercer une action destructive sur les tissus vivants. Produits pouvant s'enflammer facilement en présence d'une source d'inflammation à température ambiante (< 21°C). Produits pouvant s'enflammer très facilement en présence d'une source d'inflammation même en dessous de 0°C. O ………………….. Produits pouvant favoriser ou activer la combustion d'une substance combustible. Au contact de matériaux d'emballage (papier, carton, bois) ou d'autres substances combustibles, ils peuvent provoquer un incendie. E ………………… Ce sont des liquides ou des solides capables d'exploser sous l'action d'un choc, d'un frottement, d'une flamme ou de chaleur. N Dangereux pour ………………….. Produits qui peuvent présenter un risque immédiat ou différé pour une ou plusieurs composantes de l'environnement (c'est à dire capables, par exemple de causer des dommages à la faune, à la flore ou de provoquer une pollution des eaux naturelles et de l'air). Exploitation des documents 1 et 2. 1. Compléter la fiche « pictogrammes » à partir de vos connaissances ou d’une recherche documentaire (livre, CDI, internet…) 2. Vous disposez d’un produit de nettoyage d’usage courant. En consultant son étiquette, élaborer sa fiche de danger. 4 B. Activité expérimentale et exploitation. Vous disposez de chacun des produits mentionnés dans le document 1. 1. Rédiger un protocole expérimental pour les classer du plus acide au plus basique. 2. Après avoir mis en œuvre votre protocole, construire une échelle de pH de 0 à 14 sur laquelle vous placerez les produits utilisés. 3. Sachant que pH = -log [H3O+] ,dire comment évolue [H3O+] du produit le plus acide au produit le plus basique . 4. Ecrire la formule de l’acide conjugué de l’eau H2O. En déduire le couple acido-basique correspondant et sa demi-équation protonique. Citer un produit ménager dans lequel on peut retrouver ce couple acide/base. 5. Ecrire la formule de la base conjuguée de l’eau. En déduire le couple acido-basique correspondant et sa demi-équation protonique. Citer un produit ménager dans lequel on peut retrouver ce couple acide/base. 6. Quelle remarque pouvez-vous faire concernant l’eau ? Aide 1 : Un acide est une espèce chimique capable de libérer un proton H+ Une base est une espèce chimique capable de capter un proton H+ A tout acide de type HA est associé une base conjuguée de type A-. HA/A- constitue un couple acidobasique d’équation protonique : HA = H++AA tout acide de type BH+ est associé une base conjuguée de type B. BH+/B constitue un couple acidobasique d’équation protonique BH+ = H++B 5 Partie 2. Grille de compétences 1 Compétence non acquise Grille d’autoévaluation (ajouter x dans la case choisie) 2 Compéten ce en cours d’acquisitio n 3 Compéten ce Quasiacquise 4 Compéten ce acquise et maitrisée Compétences expérimentales Proposer un protocole et un schéma expérimental Respecter les règles de sécurité Reconnaître et nommer le matériel de laboratoire Connaitre les conditions d’utilisation des instruments de mesure, Réaliser et régler les dispositifs expérimentaux. Choisir un indicateur coloré. Proposer une expérience susceptible de valider ou d’invalider une hypothèse ou répondant à un objectif précis Compétences scientifiques Construire une courbe à partir d’un ensemble de mesures et l’exploiter Savoir exploiter une courbe Utiliser des unités adaptées Ecrire l’équation de la réaction associée à une transformation acido-basique Evaluer l’ordre de grandeur d’un résultat S’interroger sur la vraisemblance d’un résultat Elaborer une argumentation, une démarche scientifique Analyser en termes scientifiques une situation, une expérience, un document Montrer qu’un indicateur coloré convenablement choisi permet de récupérer l’équivalence Quantité d’acide sulfamique dans un détartrant pour cafetière Certains détartrants pour cafetière sont constitués d’une poudre blanche contenant presque exclusivement de l’acide sulfamique H2N-SO3H de masse molaire 97 g.mol-1. Le sachet de détartrant à cafetière porte la seule indication "acide sulfamique : 1 g" Cette poudre se dissout dans l’eau et neutralise le calcaire présent dans le circuit d’eau d’une cafetière selon une réaction acido-basique. On considèrera que l’acide sulfamique se comporte comme l’acide H3O+. Votre mission : Evaluer la quantité d’acide sulfamique dans un sachet de détartrant à cafetière Dans une fiole jaugée, vous préparerez une solution de 100 mL de détartrant. Vous réaliserez ensuite avec une petite partie une réaction acide-base progressive. Vous disposez d’une solution d’hydroxyde de sodium 0,1 mol.L-1, d’un pH-mètre, de solutions étalons de pH = 4 et pH = 7, d’indicateurs colorés et de toute verrerie nécessaire. (En cas de besoin demander à consulter l’aide technique) Elaborer un protocole complet (préparation du pH-mètre, réalisation, schémas légendés, démarche …) puis, après avoir appelé le professeur pour validation, mettre en œuvre ce protocole. Rédiger un compte rendu de votre démarche et des résultats obtenus. 6 Aide technique 1 Description d’un pH-mètre Le pH-mètre est un appareil de mesure du pH d’une solution. pH = - log [H3O+] L’appareil est constitué d’une sonde relié à un voltmètre électronique directement gradué en unité de pH. La sonde est constituée de deux électrodes : une électrode de référence et une électrode de verre. Elles permettent de mesurer une différence de potentiel, c’est à dire une tension électrique. Cette tension est une fonction affine du pH : U = a-b.pH ( a et b étant deux coefficients positifs qui dépendent de la température et l’état des électrodes). Il est donc nécessaire d’étalonner le pH-mètre d’une solution pour que pour que a et b soit fixé et que l’on puisse lire directement le pH d’une solution. Etalonnage du pH-mètre Mesurer la température et régler le bouton « température » sur le pH-mètre. Tremper la sonde dans une solution tampon de pH=7 et ajuster le pH-mètre à l’aide du bouton prévu à cet effet. Tremper la sonde dans une solution tampon de pH=4 (pour des mesures en milieu acide) ou pH = 9 ( pour des mesures en milieu basique) et ajuster le pH-mètre à l’aide du bouton prévu à cet effet. Entre chaque mesure de pH, il faut rincer la sonde avec de l’eau distillée et l’essuyer Aide 2 : aide méthodologique Le titrage acido-basique est utilisé afin d’évaluer ou de déterminer la concentration inconnue d'une solution composée d'un acide ou d'une base. Si la solution de titre inconnu est un acide, on verse une base de façon à neutraliser l'acide, l'intérêt étant de déterminer précisément la quantité de base ajoutée pour neutraliser l'acide. Il existe deux méthodes : l'utilisation d'un indicateur coloré le tracé de la courbe qui donne le pH en fonction du volume de base ajouté Aide 3 : aide de connaissances A l’équivalence du dosage acido-basique, la quantité d’ions hydroxyde HO- ajoutée est égale à la quantité d’ions oxonium H3O + initiale. Ainsi tous les ions H3O + ont réagi à l’équivalence. n( OH - ) ajoutée à l'équivalence = n ( H3O + ) initiale Aide expérimentale Rappel : no = C0xV0 avec n0 = quantité de matière, C0 = concentration molaire et V0 = volume. On a réalisé le dosage de V0 = 10 mL de solutions d’acide chlorhydrique (se comportent comme l’acide sulfamique) par une solution de soude de concentration 0.10 mol.L-1. Les volumes de soude versés à pH = 7 sont les suivants : [H3O+] en mol.L-1. Volume de soude versé En mL. 0,02 0,04 0,06 0,08 0,09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.18 0.20 2 4 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 20 7 Aide 4 : aide de connaissances Un indicateur coloré acido-basique est équivalent à un couple acido-basique dont les formes acide et basique en solution aqueuse n’ont pas les mêmes couleurs. indicateur coloré rouge de méthyle bleu de bromophénol Bleu de bromothymol rouge de crésol phénolphtaléine zone de virage 4,2 - 6,2 3,0 - 4,6 6,0 – 7,6 7,2 - 8,8 8,2 – 10.0 Aide 5 : aide à la démarche 1. Représenter l’évolution du pH en fonction du volume de soude versé Choisir convenablement une échelle pour chaque axe. 2. Lors du titrage les ions H3O+ réagissent avec les ions HO- . Ecrire la réaction acido-basique correspondante 3. A partir de votre réponse précédente, en déduire le pH de la solution obtenue à l’équivalence (voir aides). Ce pH est appelé pH équivalent. Relever alors graphiquement la valeur du volume de solution de soude ajouté à l’équivalence (Véq) 4. En tenant compte de la réaction de titrage : a. Déterminer la quantité de matière n0 d’acide sulfamique titrée. (En cas de difficulté, consulter l’aide technique 2) b. Calculer la masse ma0 d’acide sulfamique titrée. 5. En déduire la masse ma d’acide sulfamique dans les 100 mL de la fiole jaugée. 6. Comparer avec la masse m de détartrant pesé, et dire si le produit est pur. Aide technique 2 : Montage nécessaire pour le titrage. Burette graduée contenant la solution titrante d’hydroxyde de sodium de concentration CB = 1,010–1 mol.L–1 Becher contenant VA = 10,0 mL de solution de détartrant préparée + de l’eau distillée pour immersion de la sonde. pH-mètre Turbulent pH mètre 6.00 Agitateur magnétique 8 Matériel à prévoir Le professeur dispose de différents produits parmi ceux cités dans le texte : - Papier pH Béchers 50 mL, 100 mL, 250mL, 400mL Pipettes jaugées 10 mL, 20 mL Propipette Fiole jaugée 100 mL + parafilm Burette graduée sur support pH-mètre solutions tampons pH = 4 et pH = 9 indicateurs colorés agitateur magnétique + barreau aimanté coupelle de pesée + spatule pissette d’eau distillée solutions de soude 0.10 mol.L-1 sachet de détartrant pour cafetière électrique (acide sulfamique) gants + lunettes Le suivi pH-métrique peut éventuellement être effectué dans une salle équipée en informatique. Hydroxyde de sodium 0,1M NaOHM : 40,00 R36/38 irritant pour les yeux et la peau Acide sulfamique H3NO3S M : 97,09 R36/38 Irritant pour les yeux et la peau R52/53 Nocif pour les organismes aquatiques En cas de contact (yeux, peau) laver abondamment avec de l'eau. 9
