Terminale S Spécialité

Terminale S Spécialité
TP de chimie
7. Dosage des ions
hydrogénocarbonate dans une eau de
source.
Objectifs


Déterminer par titrage acido-basique à l’aide d’un pH-mètre, puis en utilisant un indicateur coloré approprié, la quantité d’ions
hydrogénocarbonate contenus dans une eau de boisson ; comparer à l’information portée sur l’étiquette.
Déterminer la procédure pour titrer une espèce ampholyte (faut-il la considérer comme un acide ou comme une base ?) :
utiliser les diagrammes de distribution des espèces en solution pour choisir les conditions du titrage.
Présentation de la démarche
Réaliser le titrage des ions hydrogénocarbonate contenus dans une eau de boisson, par l’acide chlorhydrique :
 à l’aide d’un pH-mètre ;
 à l’aide d’un indicateur de fin de réaction.
Comparer les résultats entre eux et à l’indication figurant sur l’étiquette de l’eau de boisson étudiée.
Protocole
Matériel et produits
Fiole jaugée de 50 mL
Burette de 25 mL
Agitateur magnétique
pH-mètre, électrodes et solutions tampons
Acide chlorhydrique de concentration molaire 2,0.10 -2 mol.L-1
Eau d’Évian
Vert de bromocrésol
Hélianthine
Phénolphtaléine
Manipulation






Étalonner le pH-mètre.
Préparer la burette : La rincer avec l’acide chlorhydrique, remplir et ajuster le zéro.
Prélever un volume V = 50 mL d'eau d'Evian à l’aide de la fiole jaugée. Le verser dans le becher.
Tracer sous Excel la courbe pH = f (VA), VA étant le volume d’acide chlorhydrique versé.
Choisir parmi la liste proposée le (ou les) indicateur(s) coloré(s) convenable(s) pour réaliser un titrage.
Réaliser ce titrage en ajoutant 15 gouttes de l’indicateur coloré choisi.
Questions
1.
2.
Écrire les équations des deux réactions possibles des ions hydrogénocarbonate avec l’eau et préciser les couples acide-base.
Dans les eaux d'alimentation, l'alcalinité est due principalement à la présence d'ions carbonate et d'ions hydrogénocarbonate.
Montrer, sachant que pKa HCO3 (aq)/ CO32 (aq) = 10,3 , que l'affirmation suivante est exacte : « Une eau dont le pH est
supérieur à 8,2 contient des ions carbonate, une eau dont le pH est inférieur à 8,2 ne contient pratiquement pas d'ions
carbonate. »
Diagramme de distribution, en fonction du pH, des différentes espèces chimiques des deux couples acide/base proposés :
CO2,H2O / HCO3 (aq) et HCO3 (aq)/ CO32 (aq)
% 100
% CO2 ,H2 O
90
% CO23 (aq)
80
70
60
50
40
30
% HCO-3 (aq)
20
10
pH
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Dans quel domaine de pH l’espèce CO2,H2O représente-t-elle plus de 99% des espèces de ces couples ? Même question pour les
ions carbonate.
3.
Titrage d’une solution d’ions hydrogénocarbonate par une solution acide ou basique
3.1 - Une solution d’ions hydrogénocarbonate est titrée par une solution de soude
- Écrire l’équation de la réaction entre les ions hydrogénocarbonate et les ions hydroxyde apportés par la solution
de soude.
- Quel est l’ordre de grandeur du pH à l’équivalence du titrage ? Justifier la réponse.
3.2 - Une solution d’ions hydrogénocarbonate est titrée par de l’acide chlorhydrique
- Écrire l’équation de la réaction entre les ions hydrogénocarbonate et les ions oxonium apportés par l’acide.
- Quel est l’ordre de grandeur du pH à l’équivalence de ce titrage ? Justifier la réponse.
3.3 - Les indicateurs colorés usuels ou les électrodes utilisés avec les pH-mètres du lycée permettent-ils de titrer les ions
hydrogénocarbonate par une espèce acide plutôt que par une espèce basique ?
4.
A l’aide des résultats de l’approche théorique et des données du tableau ci-dessous, justifier le choix du vert de bromocrésol
rhodamine (BCR) comme indicateur coloré dans ce titrage.
Zones de virage de quelques indicateurs colorés
Couleur
Indicateur
Bleu de bromophénol
Hélianthine (ou méthyl-orange)
Vert de bromocrésol rhodamine
Bleu de bromothymol
Rouge de méthyle
Phénolphtaléine
Forme acide
Jaune
Rouge
Jaune
Jaune
Jaune
Incolore
Forme
basique
Bleu
Jaune
Bleu
Bleu
Rouge
Rose
Zone de
virage
Largeur de la
zone de virage
3,1 - 4,5
3,2 - 4,4
3,8 - 5,4
6,0 - 7,6
4,8 - 6,0
8,2 - 10,0
2,4
1,2
1,6
1,6
1,2
1,8
5.
Étude de la courbe pH-métrique
5.1 - Quelle est la valeur du volume d’acide versé à l’équivalence ?
5.2 - Quelle est la valeur du pH à l’équivalence ? Est-elle conforme aux prévisions ?
5.3 - Calculer la concentration molaire des ions hydrogénocarbonate dans l’eau étudiée. En déduire la masse d’ions
hydrogénocarbonate contenus dans 1,0 L de cette eau. Comparer à l’information donnée par l’étiquette de la bouteille. Si on
estime que l’indication de l’étiquette est valable à 10 % près, les résultats trouvés sont-ils en accord avec la valeur portée sur
l’étiquette ?
6.
Dans les activités se rapportant au traitement des eaux, il est fait appel à des échelles spécifiques pour exprimer les
concentrations en ions carbonate et en ions hydrogénocarbonate : les « titres alcalimétriques » :
-
Titre alcalimétrique (noté T.A.) d'une eau : « c’est le volume d'acide, de concentration molaire en ions H 3O+ égale à
0,02 mol.L-1, nécessaire pour doser 100 mL d’eau en présence de phénolphtaléine »
Titre alcalimétrique complet (T.A.C.) : « c’est le volume d'acide, de concentration molaire en ions H3O+ égale à 0,02
mol.L-1, nécessaire pour doser 100 mL d’eau en présence de vert de bromocrésol rhodamine (BCR) »
6.1 - A partir des diagrammes de distribution, établir les domaines de prédominances, en fonction du pH, des espèces
chimiques des couples acide-base mis en jeu.
6.2 - A partir des domaines de prédominance et de la zone de virage de la phénolphtaléine, indiquer quels sont les ions titrés
lors de la détermination du titre alcalimétrique. Déterminer le T.A. et le T.A.C., de l’eau étudiée à partir des observations et
des résultats expérimentaux.
Réponses
1.
Équations des deux réactions possibles des ions hydrogénocarbonate avec l’eau.
Les ions hydrogénocarbonate, espèces acides, réagissent avec l’eau :
HCO3 (aq) + H2O = H3O+ + CO32 (aq)
Les ions hydrogénocarbonate, espèces basiques, réagissent avec l’eau :
HCO3 (aq) + H2O = HO-(aq) + CO2,H2O
Couples acide-base : CO2,H2O / HCO3 (aq) et HCO3 (aq)/ CO32 (aq)
La constante d’équilibre associée à la réaction entre les ions carbonate, CO32 (aq) , et les ions hydrogénocarbonate,
HCO3 (aq), s'écrit : Qr,éq. 
[CO32 ]éq.  [H3O ]éq.
[HCO3 ]éq.
K
[CO32 ]éq.
 102,1
[HCO3 ]éq.
Pour un pH inférieur à 8,2 la concentration molaire des ions carbonate est 100 fois plus faible que celle des ions
hydrogénocarbonate, donc la proposition « une eau dont le pH est inférieur à 8,2 ne contient pratiquement pas d'ions
carbonate » est vérifiée.
On peut faire le même raisonnement pour un pH supérieur à 8,2.
A pH = 8,2 :
2.
Diagramme de distribution, en fonction du pH, des différentes espèces chimiques des deux couples acide/base proposés.
Domaine de pH où l’espèce CO2,H2O représente plus de 99% des espèces de ces couples.
Par lecture du graphe : pour pH < 4,5 % CO2,H2O > 99%
Domaine de pH où plus de 99 % des espèces des couples sont sous la forme des ions carbonate.
Par lecture du graphe : pour pH > 12 % CO32 (aq) > 99%
3.
Titrage d’une solution d’ions hydrogénocarbonate par une solution acide ou basique
3.1 - Une solution d’ions hydrogénocarbonate est titrée par une solution de soude
- Équation de la réaction entre les ions hydrogénocarbonate et les ions hydroxyde :
HCO3 (aq) + HO- (aq) = H2O + CO32- (aq)
- Ordre de grandeur du pH à l’équivalence de ce titrage.
Les ions carbonate se forment et l’équivalence est atteinte lorsque les ions hydrogénocarbonate ont totalement disparu
c’est à dire pour un pH > 12.
3.2 - Une solution d’ions hydrogénocarbonate est titrée par l’acide chlorhydrique
- Équation de la réaction entre les ions hydrogénocarbonate et les ions oxonium :
HCO3 (aq) + H3O+ = CO2 ,H2O + H2O
- Ordre de grandeur du pH à l’équivalence de ce titrage.
L'espèce CO2,H2O se forme et l’équivalence est atteinte lorsque les ions hydrogénocarbonate ont totalement disparu
c’est à dire pour un pH < 4,5.
3.3 - Les pH-mètres sont équipés d’électrodes classiques qui ne donnent pas de bonnes indications pour pH > 11 (voir
éventuellement Autour de la pH-métrie, comp.B2) ; on ne dispose pas non plus, habituellement, d’indicateur coloré de zone de
virage voisine de pH = 121.
6.
Titre alcalimétrique (T.A.) et titre alcalimétrique complet (T.A.C.).
7.1 - Domaines de prédominance :
CO2 ,H2O
HCO3 (aq)
CO 32  (aq)
pH
6,4
10,3
6.2 - Domaines de prédominance et de la zone de virage de la phénolphtaléine
1
Le saut de pH, déjà peu important dans ce titrage, est encore moins visible du fait de la mauvaise réponse des électrodes. Il est
possible d’utiliser un logiciel de simulation.
HCO3 (aq)
CO2 ,H2O
CO 32  (aq)
pH
6,4
10,3
zone de virage de la phénolphtaléine
pH de l’eau de boisson
La détermination du T.A. permet de titrer les ions carbonate. La solution ne contient que des ions hydrogénocarbonate, ainsi
T.A. = 0.
En présence de vert de bromocrésol rhodamine (BCR), les ions hydrogénocarbonate sont transformés en CO 2,H2O. Pour le
calcul, tenir compte du volume d’eau de boisson prélevé qui n’est pas nécessairement égal à 100 mL et donc qui ne correspond
pas à la définition du T.A.C.