Comment reconnaître quelques ions courants

Comment reconnaître quelques ions courants ?
Pour pouvoir déceler la présence de certains ions dans les sols, dans les engrais, en solution
…, on utilise des réactions caractéristiques.
Les ions à reconnaître sont les suivants.
Cations
Anions
nom
potassium
formule
nom
formule
K
+
calcium
Ca
2+
ammonium
NH4+
chlorure
sulfate
nitrate
phosphate
carbonate
Cl
SO4
NO3
PO4
CO32-
-
2-
-
3-
I. Travail préliminaire.
1. Les solutions à tester.
Ecrire les formules des solutions aqueuses (sol aq) des ions à tester par la suite.
- sol aq de chlorure de potassium : ...................
- sol aq de nitrate de sodium
: ....................
- sol aq de chlorure de calcium : ...................
- sol aq de sulfate de sodium
: ....................
- sol aq de chlorure d'ammonium : ...................
- sol aq de carbonate de sodium : ....................
- sol aq de phosphate de sodium : ....................
2. Les réactifs utilisés.
Ecrire les formules des solutions aqueuses (sol aq) des réactifs à utiliser par la suite.
a) Certains de ces réactifs sont très coûteux; on ne devra utiliser que trois gouttes par test
(par exemple 100 g de nitrate d'argent coûtent 150 euros environ).
- sol aq de nitrate d'argent
: ..............................
- sol aq de chlorure de baryum
: ..............................
- sol aq de carbonate de sodium
: ..............................
- sol aq de perchlorate de sodium
: ............... + ...ClO4- sol aq d'oxalate d'ammonium
: ............... + ...C2O42-
Indication : les formules des autres réactifs (sol aq de picrate de sodium, réactif de Nessler,
réactif nitromolybdique) ne sont pas à connaître.
b) D'autres réactifs sont moins coûteux; on pourra en utiliser 1 mL (1 cm3) par test si
nécessaire.
- sol aq concentrée d'acide chlorhydrique : ..............................
- sol aq concentrée d'acide sulfurique
: ..............................
- sol aq concentrée d'acide nitrique
: ..............................
- sol aq d'acide éthanoïque (ou acétique) : CH3COOH
- sol aq d'hydroxyde de sodium (ou soude) : ..............................
- sol aq de sulfate de cuivre
: ..............................
Indication : le cuivre métal est un solide atomique dont la formule est .............
II. Mode opératoire.
Dans un tube à essai on introduit 1 mL environ de la solution à tester (cela correspond
approximativement à une hauteur de1 cm).
On ajoute environ 3 gouttes de réactif (sauf instruction contraire).
Attention aux doigts et aux vêtements lors de la manipulation des acides et de la
soude !!!
S'il faut chauffer, tenir le tube à essai légèrement incliné au-dessus de la flamme,
avec une pince.
Agiter le tube tout en chauffant pour éviter les projections; retirer de la flamme si
nécessaire.
Ne pas diriger l'orifice du tube à essai vers vous-même ou vers un voisin !!!
III. Tests à effectuer.
Notations : ac pour acide; s pour précipité solide; g pour gaz; pf pour papier filtre;
Ion à
Tester.
Cl-
SO42-
Sol aq à utiliser
contenant cet ion.
sol aq de
...............................
...............................
Réactif
Utilisé.
sol aq de
nitrate
d'argent
(1 mL)
(3 gouttes)
sol aq de
sol aq de
............................... chlorure
............................... de baryum
(1 mL)
NO3-
(3 gouttes)
sol aq de
cuivre métal
............................... + sol aq d'ac
............................... sulfurique
(1 mL)
PO43-
(3 gouttes)
à chaud
sol aq de
sol aq de
............................... réactif nitro
............................... molybdique
(1 mL)
TEST PRINCIPAL
sol aq de
...............................
...............................
(3 gouttes)
(1 mL)
(3 gouttes)
sol aq de
nitrate
d'argent
sol aq de
sol aq de
............................... chlorure
............................... de baryum
(1 mL)
(3 gouttes)
Ion actif
du réactif.
Observations
Equation bilan de la réaction.
ion à
tester
CO32-
sol aq à utiliser
contenant cet ion
sol aq de
...............................
...............................
réactif
ion actif
utilisé
du réactif
sol aq d'ac
chlorhydrique
(1 mL)
TEST PRINCIPAL
sol aq de
...............................
...............................
(3 gouttes)
(1 mL)
(3 gouttes)
sol aq de
nitrate
d'argent
sol aq de
sol aq de
............................... chlorure
............................... de baryum
(1 mL)
Ca2+
NH4+
K+
(3 gouttes)
sol aq de
sol aq d'
............................... oxalate
............................... d'ammonium
(1 mL)
TEST PRINCIPAL
sol aq de
...............................
...............................
(3 gouttes)
(1 mL)
TEST PRINCIPAL
sol aq de
...............................
...............................
(3 gouttes)
(1 mL)
TEST PRINCIPAL
sol aq de
...............................
...............................
(3 gouttes)
(1 mL)
(3 gouttes)
réactif de
Nessler
A+B
1 mL de sol
aq de soude
puis
chauffer;
présenter pf
(1 mL)
imbibé de sol
aq de Cu2+
sol aq de
sol aq de
............................... picrate
............................... de sodium
sol aq de
perchlorate
de sodium
observations
équation bilan de la réaction
IV. Tableau récapitulatif d'identification de quelques ions.
Ce tableau peut être rempli :
- soit avec les noms et les couleurs des précipités obtenus,
- soit avec les formules et les couleurs de ces mêmes précipités.
Ions à tester
réactifs utilisés
Ba2+
sol aq de chlorure
de baryum
Ag+
sol aq de nitrate
d'argent
sol aq de soude,
puis chauffer.
+ pf imbibé de
sol aq de Cu2+
Réactif de
Nessler
Cu métal
+ acide sulfurique
C2O42sol aq d'oxalate
d'ammonium
sol aq d'acide
chlorhydrique
sol aq de picrate
de sodium
réactif nitromolybdique
ClO4sol aq de perchlorate de sodium
Cl-
SO42-
NO3-
PO43-
CO32-
Ca2+
NH4+
K+
Emission de lumière par des sels chauffés.
Modèle de Bohr.
Pour comprendre le principe de la classification périodique et interpréter certaines propriétés
des éléments, il nous faut étudier un nouveau modèle de l’atome. Ce nouveau modèle, qui
précise celui élaboré par RUTHERFORD, a été proposé par le physicien Niels BOHR.
Il entreprit ces quelques expériences…
Matériel.
-2 berlins de 100 ml ;
-fils Ni/Cr montés sur manche ( ou, à défaut, des trombones déroulés) ;
-bec bunsen ;
-1 verre de montre par sel utilisé.
Produits chimiques : -carbonates et autres sels de Li, Na, K ;
-différents sels de Cu(II), Ba, Sr, ;
-eau distillée ;
-HCl con.
Mode opératoire général.
-Plonger dans l’eau distillée le fil nettoyer, puis dans les cristaux à tester : quelques
cristaux doivent rester coller au fil.
-Placer l’extrémité du fil avec les cristaux au-dessus du cône clair de la flamme.
-Noter la couleur de la flamme.
-Nettoyer le fil et recommencer avec les cristaux d’un autre sel (tous les sels doivent
être testés).
Nettoyage du fil Ni/Cr.
Avant chaque expérience, il est important de nettoyer le fil.
Pour ce faire,
-préparer 2 berlins, l’un contenant environ 20 ml de HCl conc., l’autre de l’eau
distillée ;
-tremper quelques secondes le fil dans HCl conc. Et le rincer dans l’eau distillée ;
-placer ensuite le fil dans la flamme du bunsen, juste au-dessus du cône bleu-clair,
jusqu’à ce que la flamme retrouve sa coloration naturelle ;
Déroulement de laboratoire.
1° partie.
-En suivant le mode opératoire général, placer successivement dans la flamme du
carbonate de Li, Na et K.
-Noter la couleur émise par chacun deux.
-Dresser un tableau (tableau 1) comprenant le nom du composé, sa formule et la
couleur émise.
2° partie.
-Faire de même avec les autres sels mis à votre disposition.
-Dresser un tableau (tableau 2) comprenant le nom du composé, sa formule et la
couleur émise.
Nettoyer les instruments et table de laboratoire.
Ranger le matériel.
Rapport.
Rédiger un rapport de laboratoire comprenant :
-le projet qui l’a guidé ;
-le tableau 1 des observations ;
-une hypothèse désignant l’atome responsable de la couleur caractéristique de la
flamme ;
-le tableau 2 des observations ;
-une conclusion générale quant à la méthode d’identification des atomes métalliques
par émission de lumière ;
-un exemple d’application pratique de ce phénomène dans la vie courante.
Interprétation des expériences : le modèle atomique de BOHR.
A partir de l’étude de la lumière émise par certains atomes chauffés, Niels BOHR a élaboré
en 1913 le modèle atomique suivant : l’espace qui entoure le noyau est subdivisé en couches
électroniques distinctes. Les électrons de l’atome se disposent obligatoirement sur ces
couches. Chaque couche correspond à un niveau énergétique déterminé.
Les électrons ont tendance à occuper les couches les plus proches du noyau. L’atome est
alors stable. On dit qu’il est dans son état fondamental.
Interprétation des observations : pourquoi y a-t-il émission de lumière?
Lorsqu’on chauffe un élément métallique d’un sel dans la flamme ou lorsqu’on applique une
source électrique haute tension à un gaz, les atomes absorbent de l’énergie. Un atome
possède dès lors plus d’énergie que dans l’état fondamental, il est dit «excité». Grâce à
l’énergie absorbée, un électron peut passer à un niveau d’énergie supérieure. Autrement dit,
l’électron est propulsé vers une couche plus éloignée du noyau. Mais l’atome excité est
instable et revient rapidement à son état fondamental. L’électron retombe sur une couche
proche du noyau. Lors de la chute de l’électron d’un niveau excité à un niveau inférieur,
l’énergie absorbée est restituée sous forme d’énergie lumineuse. Suivant la quantité
d’énergie restituée, la lumière aura une couleur différente ce qui prouve l’existence de
différents niveaux énergétiques.
Détermination de quelques propriétés de composés ioniques.
1°Projet.
-Relever certaines propriétés de composés ioniques.
-Etablir une relation entre ces propriétés et le modèle des composés ioniques.
2°Prérequis.
-Connaître le modèle des composés ioniques.
-Connaître le sens général des termes qualifiant les propriétés suivantes : dureté,
fragmentation, température de fusion.
3°
Matériel
Binoculaire
Boite de Pétri
Spatule
Pince
Tube à essai en pyrex
Table de température de fusion
Corps chimiques.
Cristaux de : NaCl
PbCl2
CuSO4. 5 H2O
CuCl2. 2H2O
K2Cr2O7
(Ces cristaux sont préparés par
évaporation lente de solutions concentrées.)
4°Mode opératoire.
Chaque groupe étudie les propriétés a, b et c de 2 composés déterminés en suivant les
modes opératoires suivants.
a) Forme des cristaux.
-A l’aide d’une spatule, déposer dans une boîte de Pétri 2 ou 3 cristaux du composé.
-Observer attentivement à un grossissement X20 ou X40 la forme géométrique des cristaux
et les dessiner.
b)Dureté et fragmentation.
-Essayer d’aplatir un gros cristal avec la pince. Est-ce possible ?
-Presser ensuite fortement le cristal jusqu’à le briser. Comment se fragmente-t-il ?
c)Température de fusion.
-Déposer dans un tube en pyrex g 2,0 +/_ 0,1 g du composé.
-Noter le temps nécessaire à la fusion de ce solide en le chauffant énergiquement pendant 5
minutes maximum.
-Rechercher, en consultant une table, la température de fusion du composé étudié.
Nettoyer les instruments et table de laboratoire.
Ranger le matériel.
5°Rapport.
Rédiger un rapport de laboratoire comprenant :
-les projets qui l’on guidé ;
-un tableau des observations collectionnant les observations de tous les groupes ;
-une brève synthèse des propriétés des composés ioniques ;
-un essai d’explication des 4 propriétés observées basé sur le modèle des composés
ioniques ( empilement d’ions positifs et négatifs).
Classement de trois métaux selon leur électronégativité.
1°Projet.
Classer le fer, le cuivre et le magnésium selon leur tendance à perdre des électrons.
2°Prérequis.
Connaître la signification de l’électropositivité et de l’électronégativité.
3°Principe de l’expérience.
Soumettre les trois métaux à un même réactif de référence afin de comparer leur tendance à
donner des électrons à ce réactif. Cette tendance se manifestera par la violence de la
réaction.
4°
Matériel
Corps chimiques.
5 Tubes à essai en pyrex
1 cylindre gradué de 10 ml
Mg (ruban)
Cu (tournures)
Fe (clous)
Solution HCl 1M
Eau distillée
décapés et dégraissés
5°Mode opératoire.
1.
-Verser dans 3 t.e. environ 10 ml de HCl.
-Introduire respectivement dans les t.e. :
4 clous de Fe, 3 tournures de Cu, 2 cm de ruban de Mg.
-Observer et noter les observations.
2. -Classer les métaux qui ont réagi avec HCl en les mettant en présence, dans les mêmes
conditions, avec un autre réactif de référence : l’eau.
-Observer et noter les observations.
Nettoyer les instruments et table de laboratoire.
Ranger le matériel.
6°Rapport.
Rédiger un rapport de laboratoire comprenant :
-le projet qui l’a guidé ;
-un tableau des observations ;
-le classement des 3 métaux basé sur la violence de la réaction avec HCl et donc leur
aptitude à perdre des e-, c’est-à-dire leur électropositivité ;
-une phrase expliquant l’utilité de l’expérience réalisée avec 2 des 3 métaux et un autre
réactif de référence : l’eau ;
-le classement des 3 métaux selon leur électronégativité.
Classement de différentes solutions selon leur pH.
Projet.
Déterminer le pH de différentes solutions en vue de les classer sur une échelle de pH.
Faire une relation pH/fonctions chimiques.
Première approche des notions de molarité, de concentration et de réaction de
neutralisation.
Matériel
Corps chimiques.
Tubes à essai.
Indicateurs colorés :
-phénolphtaléine
-méthylorange
-bleu de bromothymol …
Papier pH
Palette d’indicateurs
Pipettes / propipettes
Tube en verre
Eau déminéralisée
HCl 1M (=1mol/l)
NaOH 1M (=1mol/l)
H2SO4 1M
Fe(OH)3 1M
Solution de NaCl
Mode opératoire.
1-Chaque groupe choisit un des corps chimiques proposés.
-Pour chaque corps chimique, verser environ 3 ml de produit dans 3 T. E.
-Verser 1 ou 2 gouttes d’un indicateur coloré dans un de ces T.E.
-Recommencer pour chaque indicateur coloré.
-Déposer sur un petit morceau de papier pH, une goutte du corps chimique étudié.
-Relever et noter tous les résultats.
2-Recommencer les manipulation du point 1- avec un autre produit.
3-A 10 ml d’eau déminéralisée, ajouter une goutte de HCl 1M et recommencer les
manipulations du point 1- avec cette solution.
4-A 10 ml d’eau déminéralisée, ajouter une goutte de NaOH 1M et recommencer les
manipulations du point 1- avec cette solution.
5-Dans un T.E. contenant 2 ml de NaOH 1M, ajouter 2 ml de HCl 1M et déterminer le pH de
la solution obtenue.
Nettoyer les instruments et table de laboratoire.
Ranger le matériel.
Rapport.
Rédiger un rapport de laboratoire comprenant :
-le projet qui l’a guidé ;
-une échelle de pH sur laquelle sont classées les différentes solutions testées en
fonction de leur pH.
-un tableau reprenant les couleurs des indicateurs en fonction des pH des solutions.
-un regroupement des solutions en fonction de leur pH.
-vos observations et conclusions de l’expérience du point 5.
Dosage du CaCO3 dans une coquille d’œuf.
1°Projet.
Mesurer le pourcentage de carbonate de calcium dans une coquille d’œuf.
Réaliser un appareillage expérimental plus complexe.
2°Prérequis.
Connaître les notions de moles, concentration et volume molaire.
3°Principe de l’expérience.
La coquille d’œuf est principalement constituée de carbonate de calcium. Celui-ci réagit avec
le chlorure d’hydrogène pour donner du chlorure de calcium et du gaz carbonique et du
dioxyde de carbone. En mesurant le volume de CO2 dégagé par une masse donnée de
coquille, il est possible de déterminer le pourcentage de carbonate de calcium qu’elle
contient.
4°
Matériel
1 erlenmeyer
1 bouchon percé de 2 trous
1 tube en verre coudé
1 ampoule à décanter
1 tuyau en caoutchouc
1 cylindre gradué de 250 ml
1 cristallisoir
2 statifs
2 pinces
1 balance
Corps chimiques.
Coquille d’œuf finement broyé ( en
veillant à ôter la membrane interne).
25 ml HCl 5mol/l.
Appareillage.
5°Mode opératoire.
-Construisez le montage expérimental en veillant à ce que le tube arrive dans le fond du
cylindre gradué complètement rempli d’eau.
-Pesez 1g de coquille finement broyée.
-Introduis-le dans l’erlenmeyer et place le bouchon.
-Versez 25 ml de HCl à l’aide de l’ampoule à décanter en refermant le robinet
immédiatement après l’écoulement de l’acide.
-Pendant la réaction, remuez de temps en temps l’erlenmeyer afin d’accélérer le dégagement
gazeux.
-Dès que la réaction est terminée, retirez le tuyau du cylindre gradué.
-Egalisez les niveaux d’eau dans le cylindre et dans le cristallisoir afin que le gaz soit à la
pression atmosphérique.
-Mesurez le volume de gaz dégagé (sans oublier de soustraire 25 ml correspondant au
volume d’air déplacé lors de l’introduction de l’acide).
Nettoyer les instruments et table de laboratoire.
Ranger le matériel.
6°Rapport.
Rédiger un rapport de laboratoire comprenant :
-le projet qui l’a guidé ;
-l’équation chimique pondérée ;
-la masse de coquille, le volume et nombre de moles de CO2, le nombre de moles, la
masse et le pourcentage de CaCO3 ( notez vos calculs).
Classement de liquides suivant l’importance des liaisons hydrogène entre leurs
molécules.
1°Projet.
-Estimer l’importance des liaisons hydrogène entre les molécules de divers liquides.
-Classer ces liquides suivant l’importance des liaisons hydrogène liant leurs molécules.
-Première approche des composés organiques.
2°Prérequis.
Notion de liaison hydrogène dans les composés covalents polaires.
Formules de structure des molécules des composés à étudier.
3°Principe de l’expérience.
Mesurer le temps nécessaire à la libération des bulles d’air emprisonnées, par agitation, au
sein d’un liquide.
Ce temps varie en fonction de l’importance des liaisons H entre les molécules de ce liquide ;
plus les molécules sont liées, plus il faudra du temps pour que l’air s’échappe du liquide.
4° Matériel
Corps chimiques.
5 Tubes à essai propres et dégraissés.
Eau.
Glycérine.
Glycol.
Ethanol.
Heptane.
5°Mode opératoire.
-Verser 10 ml d’un des liquides dans un t. à e. ; boucher le tube avec le pouce.
-Agiter énergiquement le t. à e. ( 10X) pour mélanger de l’air avec le liquide.
-Mesurer, immédiatement après l’agitation, le temps nécessaire au dégagement des bulles
d’air mélangées au liquide ; noter le résultat.
-Procéder de même pour les autres liquides.
Nettoyer les instruments et table de laboratoire.
Ranger le matériel.
6°Rapport.
Rédiger un rapport de laboratoire comprenant :
-le projet qui l’a guidé ;
-un tableau des résultats des mesures ;
-la justification du classement obtenu, basée sur la présence ou non de groupement(s)
OH dans chacune des molécules constitutives des liquides.
Détermination de l’acidité du lait.
1°Généralités:
La composition chimique du lait de vache est la suivante :
-eau : 87,2 %
-matières grasses (lipides) : 3,8 %
-caséine (protéine) : 2,8 %
-lactose (isomère du saccharose) : 4,8 %
-matières minérales et vitamines : 1,4 %
Au cours du stockage, les bactéries lactiques, amenées dans le lait par l'intermédiaire de l'air,
transforment peu à peu, par fermentation, le lactose en acide lactique CH3-CHOH-COOH
(acide organique).
L'acidité du lait augmente donc au cours du temps, ce qui peut entraîner la coagulation de la
caséine : on dit que le lait "tourne".
Pour déterminer l'acidité du lait, on neutralise une quantité donnée de lait par une solution
de NaOH de concentration connue.
On exprime alors l'acidité du lait en degrés relatifs de Terner (°T).
Le nombre de degrés Terner est le nombre de millilitres d'une solution 0,1 M de
NaOH nécessaires pour neutraliser 100 ml de lait.
Le lait frais doit avoir une acidité de 16 à 19 °T; la coagulation à température ambiante a
lieu au-dessus de 60 °T.
Nous allons vérifier l'état de fraîcheur d'un lait entier.
2°Matériel.
-Pipette jaugée de 50 ml ;
-bécher 250 ml ;
-cylindre gradué 50 ou 100 ml ;
-burette graduér ;
-statif, noix et pince.
Produits.
-Lait ;
-eau distillée ;
-phénolphaléine ;
-NaOH 0,1M
3°Manipulations.
1)A l'aide d'une pipette jaugée de 50ml, prélever précisément 50 ml de lait et les introduire
dans un bécher de 250 ml.
2)Ajouter 50 ml d'eau distillée mesurée à l'aide d'un cylindre gradué, ainsi que 10 gouttes de
phénolphtaléine.
3)Remplir la burette graduée avec la solution de NaOH 0,1 M.
4)Ajouter goutte à goutte la solution de NaOH jusqu'au virage de l'indicateur
(incolore à rose saumon).
5)Noter la quantité de NaOH nécessaire à la neutralisation, puis refaire d'autres titrages
jusqu'à concordance des résultats.
Nettoyer les instruments et table de laboratoire.
Ranger le matériel.
4°Rapport.
Rédiger un rapport de laboratoire comprenant :
-le projet qui l’a guidé ;
-un tableau des résultats des mesures ;
-le calcul de l'acidité moyenne du lait, exprimée en °T.
-le calcul de la molarité de l'acide lactique dans le lait