Term S – Chimie Chap. 4 Activité expérimentale Les indicateurs colorés 1 – Généralités 1.1 – Définition Un indicateur coloré de pH est un mélange d’espèces chimiques acido-basiques qui changent de couleur du fait de l’évolution des proportions relatives de ces espèces en fonction du pH du milieu qui les renferme. Généralement, la forme acide est noté HIn et la forme basique In–. La zone de virage de l’indicateur se définit généralement par l’intervalle de pH dans lequel le rapport des concentrations molaires des formes acide et basique est tel que 1 In 10 10 HIn 1.2 – Cas du bleu de bromothymol (BBT) La structure des formes acide et basique du BBT est la suivante. Pour simplifier, le BBT sera considéré comme un monoacide. SO 3 - SO 3 + + C C HO OH Br - O - O Br Br - + 2H + Br Forme basique In– bleue Forme acide HIn jaune Dans la littérature scientifique, la zone de virage du BBT est 6,0 – 7,6. Pour pH < 6, la forme acide prédomine et le BBT est jaune ; pour pH > 7,6, la forme basique prédomine et le BBT est bleu ; dans la zone de virage, le BBT est vert. 2 – Diagramme de distribution des formes acide et basique du BBT 2.1 – Absorbance du BBT Longueurs d’ondes absorbées (nm) 400-435 435-480 480-490 490-500 510-560 560-580 580-595 595-610 610-750 Couleur « absorbée » par le corps Violet Bleu Bleu-verdâtre Vert-bleuâtre Vert Vert-jaunâtre Jaune Orange Rouge Couleur complémentaire Vert-jaunâtre Jaune Orange Rouge Pourpre Violet Bleu Bleu-verdâtre Vert-bleuâtre A 1,2 In- 1 0,8 HIn 0,6 0,4 0,2 0 350 450 550 650 750 l (nm) a. Quelle est la longueur d’onde d’absorption maximale max de la forme acide ? de la forme basique ? b. Nous règlerons le spectrophotomètre à la longueur d’onde = 620 nm : que faut-il comprendre ? 2 2.2 – Diagramme de prédominance des espèces Le diagramme de prédominance des espèces acide et basique de l’indicateur coloré se présente sous la forme d’un axe gradué. ______ prédomine 6,0 zone 7,6 de virage ______ prédomine pH c. Compléter le diagramme de prédominance du BBT. In pour que le BBT prenne sa couleur jaune. d. Chercher la valeur minimale du rapport HIn In e. Chercher la valeur maximale du rapport pour que le BBT prenne sa couleur bleue. HIn 2.3 – Diagramme de distribution des formes acide et basique Le diagramme de distribution des formes acide et basique d’un indicateur coloré donne les pourcentages en concentration des deux formes en fonction du pH du milieu. Si l’on note Ci la concentration initiale en soluté apporté du BBT, les pourcentages en concentration sont définis par In HIn HIn 100 et In 100 Ci Ci 3 – Etude expérimentale : diagramme de distribution des formes acide et basique du BBT 3.1 – Principe de l’étude Pour déterminer le domaine de prédominance des formes acide HIn et basique In– du BBT, il faut disposer de solutions de cet indicateur dans lesquelles les quantités en forme acide, HIn, et en forme basique In- sont variables. La concentration molaire en indicateur apportée reste, elle, constante. Une série de solutions Si de pH croissant est préparée à partir de la solution de Britton-Robinson1, d’une solution de soude et d’une quantité initiale constante de BBT. La série de solutions Si a une coloration bien visible, ce qui justifie la spectrophotométrie. On choisit un domaine de longueur d’onde où seule la forme basique de l’indicateur absorbe : c’est le cas à = 620 nm, qui correspond au maximum d’absorption de cette espèce. Il est alors aisé, par la mesure de l’absorbance des solutions précédemment préparées, de tracer la courbe de l’évolution des concentrations molaires des formes acide et basique du BBT en fonction du pH. 1 La solution de Britton–Robinson se fabrique à partir d’acide phosphorique 1M (25 mL), d’acide acétique 1M (25 mL), d’acide borique 0,1M (250 mL) et d’eau distillée (q.s.p. 2 L). Cette solution a la propriété d’avoir un pH qui varie linéairement avec la concentration en ions hydroxyde HO– ajoutés avec la soude. 3 3.2 – Préparation des solutions Si La solution de BBT utilisée pour la préparation des solutions Si a une concentration en BBT apporté Co = 3,0.10–4 mol.L–1. La solution de soude (Na+(aq) + HO–(aq)) a une concentration en soluté apporté Cb = 1,0.10–1 mol.L–1. Protocole expérimental Prélever à l’aide de la pipette jaugée, un volume V = 20,00 mL de solution de Britton-Robinson, et les mettre dans un premier petit bécher. Ajouter dans ce bécher, à la burette graduée, le volume Vi de solution de soude selon les indications figurant, pour chaque solution Si, dans le tableau synoptique (voir 3.3). Prélever à la pipette jaugée 10,0 mL de la solution de ce premier bécher et les mettre dans un second bécher Ajouter dans ce second bécher 1,0 mL de solution de BBT. Vous avez la solution Si. 3.3 – Mesures solution (Si) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Vi (mL) pH A 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 4,8 5,2 5,8 6,3 6,7 7,0 7,3 7,8 8,2 8,7 8,8 11,0 0,000 0,000 0,004 0,013 0,260 0,420 0,630 0,890 1,051 1,089 1,094 1,094 [HIn] [In-] –5 -1 (10 mol.L ) (10 mol.L-1) –5 (In–) % (HIn) % 3.4 – Exploitation des mesures f. Ecrire l’équation de la réaction entre la forme acide du BBT et l’eau. g. Exprimer la constante d’équilibre de la réaction précédente. Comment l’appelle-t-on dans ce cas ? h. Déterminer la valeur de la concentration initiale Ci en BBT apporté pour chacune des solutions Si (Rappel : Ci est la même pour toutes les solutions Si). i. En appliquant le principe de conservation de la matière, exprimer Ci en fonction de [HIn] et de [In– ]. j. Exprimer [In–] en fonction de l’absorbance A à l’aide de la loi de Beer-Lambert. A partir de la valeur Amax de A pour laquelle on peut considérer que [In–] = Ci, déterminer la valeur de la constante de Beer-Lambert, k. k. Exprimer [In–] et [HIn] en fonction de A, Amax et de Ci. l. Remplir les colonnes du tableau. m. Tracer le diagramme de distribution attendu (échelle : 1 cm pour 0,5 unités de pH en abscisses et 1 cm pour 10 % en ordonnées). n. A l’aide du diagramme, déterminer la zone de virage du BBT en expliquant. o. Etablir la relation entre pH, pKa, [HIn] et [In–] en partant de la définition de la constante d’acidité Ka, puis montrer qu’un point particulier du diagramme permet d’obtenir le pKa du couple (HIn/In–). p. Donner la valeur de la constante d’acidité Ka du couple (HIn/In–).