Spécialité Thème : L’eau - Eau et ressources TP n°10
Chimie Dureté d’une eau Chap.2
Contexte du sujet
La dureté D (ou titre hydrotimétrique TH) d’une eau est liée à la quantité d’ions calcium et d’ions magnésium qu’elle contient. Elle s’exprime en degré hydrométrique français (°fH) : D (°fH) = 10 ([Ca2+] + [Mg2+]) avec les concentrations en mmol.L-1.
Les eaux courantes ont une dureté comprise entre 0° fH et 50° fH. Une lessive est moins efficace dans une eau dure (D > 30° fH) à cause de la formation de précipités entre des constituants de la lessive et les ions calcium et magnésium. Par conséquent, plus il faut ajouter une grande quantité de lessive pour avoir la même efficacité de lavage.
D (°fH) 0 à 7 7 à 15 15 à 30 30 à 40 + 40 Eau Très douce Douce Plutôt douce Dure Très dure
Les carafes filtrantes du commerce contiennent une cartouche composée de charbon actif à base de fibres de coco, des billes de résine échangeuse d’ions et de nanoparticules d’argent. Elles permettent d’adoucir une eau de consommation.
Le but du TP est de déterminer la dureté d’une eau minérale par titrage colorimétrique et de vérifier l’efficacité d’une carafe.
Document 1 : Eau Contrexéville
L’eau Contrexéville est fortement minéralisée en ions magnésium Mg2+(aq) et calcium Ca2+(aq).
L’étiquette ci-contre indique les concentrations massiques de ces ions
en mg.L-1. Vérifier ces valeurs de la bouteille placée sur la paillasse professeur.
Données : masses molaires atomiques : M(Ca)= 40,1 g.mol-1 ; M(Mg) = 24,3 g.mol-1. Document 2 : Réaction de titrage
Un titrage permet de déterminer le titre (ou concentration) d’une espèce titrée par
réaction chimique avec une espèce titrante dont la concentration est connue avec précision
En milieu basique, à pH = 10, les ions calcium Ca2+(aq) et magnésium Mg2+(aq) réagissent avec les ions
éthylénediaminetétraacétate ou EDTA, noté Y4-, contenus dans une eau minérale pour former des ions complexes très stables et incolores selon la réaction d’équation :
Ca
2+(aq)+ Y
4-(aq)→ [CaY]
2-(aq)et Mg
2+(aq)+ Y
4-(aq)→ [MgY]
2-(aq) Les réactifs et les produits étant incolores, l’utilisation d’un indicateur de fin de réaction pour repérer l’équivalence est nécessaire.
Document 3 : Le NET, indicateur de fin de réaction
Le noir ériochrome T ou Net noté Ind est bleu à pH = 10.
A pH = 10 et en présence d’ions calcium Ca2+(aq) et magnésium Mg2+(aq), le NET forme des ions complexes notés [Ca(Ind)]2+ et [Mg(Ind)]2+ de couleur rose tous les deux. Cette couleur persiste tant que les ions calcium et magnésium sont présents en solution aqueuse.
En tant qu’indicateur de fin de réaction, le NET est utilisé en petite quantité.
Avec les ions calcium et magnésium, initialement présents dans une eau, le NET forme les ions complexes [Ca(Ind)]2+ et [Mg(Ind)]2+ roses.
Ces ions complexes sont moins stables que ceux formés avec l’EDTA.
Ainsi, dans un mélange contenant les ions calcium et magnésium et le NET, l’EDTA réagi d’abord avec les ions Ca2+(aq) et Mg2+(aq) « libres ». Puis l’EDTA détruit les ions complexes [Ca(Ind)]2+ et [Mg(Ind)]2+ (roses), libérant ainsi le NET et les derniers ions calcium et magnésium avec lesquels il réagit.
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Les réactions peuvent être notées :
[Ca(Ind)]
2++ Y
4-→ [CaY]
2-(aq)+ Ind et [Mg(Ind)]
2++ Y
4-→ [MgY]
2-(aq)+ Ind
rose incolore bleu rose incolore bleu
La couleur rose disparaissant avec les ions [Ca(Ind)]2+ et [Mg(Ind)]2+, la couleur bleue du NET réapparaît et marque la fin du dosage.
1. Calcul de la valeur théorique de la dureté
1.1. Calculer la valeur théorique de la dureté Dthéo de l’eau à analyser.
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2. Protocole expérimental
2.1. Elaborer un protocole expérimental détaillé, avec schéma légendé du montage expérimental, permettant de déterminer, la dureté d’un volume V1 = 10,0 mL d’eau Contrexéville.
Attention : Ajouter environ 20 mL de solution tampon pH = 10 à l’eau analysée, puis une dizaine de gouttes de Net avant le titrage.
Matériel à disposition :
Verrerie Solutions
Pipette jaugée 10,0 mL Eprouvette graduée de 25 mL et de 100 mL
Burette graduée
Eau de
Contrex Tampon pH = 10 Bécher de 100 mL
et de 50 mL Agitateur magnétique, turbulent Erlenmeyer Indicateur Coloré Net
EDTA C2 = 10,0 mmol.L-1
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Appeler le professeur en cas de difficulté et/ou pour lui présenter votre protocole expérimental.3. Titrage
Mettre en œuvre le protocole sachant qu’un titrage se fait toujours en deux temps :
Verser la solution titrante tous les millilitres (de 1 mL à 1 mL) afin de repérer grossièrement le volume à l’équivalence ;
Recommencer le titrage en versant rapidement la solution titrante, puis, au voisinage de l’équivalence, la verser à la goutte près.
II.A partir de vos résultats expérimentaux, déterminer la valeur de la dureté expérimentale Dexp. III. Comparer à la valeur théorique. Conclure (% ER).
IV. L’eau de Contrex est-elle une eau de consommation quotidienne ?
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1. Incertitudes
Afin de déterminer un encadrement de la dureté de cette eau, calculons l’incertitude U apportée par chaque matériel. On admet que l’incertitude relative
D
D ) (
U
D
D ) (
U
D D) (
U satisfait à la relation :
=
Relever la tolérance (± t mL) de la pipette jaugée : t = ………. mL
Relever la tolérance de la burette graduée : t = ………. mL
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La tolérance de la concentration C2 en espèce titrante correspond à ± une unité du dernier chiffre significatif : t = ……….. mmol.L-1
Calculer la valeur des trois incertitudes relatives (en %) pour un niveau de confiance de 95 % avec = 2
En déduire la principale cause d’erreur.
Calculer l’incertitude relative , puis l’incertitude absolue U(D).
1.1. En déduire un encadrement de la valeur de Dexp.
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1.2. Vérifier votre valeur d’incertitude en utilisant le logiciel Gum MC et le fichier incertitudes_durete dans le répertoire de la classe.
2. Dureté de l’eau du robinet et efficacité d’une carafe
En 2018, la dureté moyenne à Rennes valait 17,5 °fH. Pour adoucir cette eau, on utilise une carafe filtrante qui permet de retenir certains ions grâce à une cartouche échangeuse d’ions.
Mettre en œuvre le protocole précédent permettant de titrer 50,0 mL d’une eau du robinet, filtrée ou non. Conclure.
Source : https://www.eaudubassinrennais-collectivite.fr/wp-content/uploads/2019/09/ARS18_RENNES.pdf
3. Travail à effectuer
Quel que soit son origine, sous-sol, fleuves, rivières, lacs, puits ou robinet, l’eau contient en plus ou moins grande quantité des minéraux dissouts : sels de calcium, magnésium, potassium et de nombreux autres sels minéraux. La dureté de l’eau (ou titre hydrotimétrique TH) est l’indicateur de la minéralisation de l’eau.
Les adoucisseurs d’eau ont pour but de diminuer le TH de l’eau jusqu’à environ 5 °fH, car les détergents comme le savon sont moins efficaces dans une eau dure. En effet, les ions calcium et magnésium font précipiter les anions carboxylate à longue chaîne présents dans le savon.
La carafe Brita améliore l’eau du robinet en réduisant le tartre, le chlore et certains métaux lourds comme le plomb. Le thé et le café révèlent tous leurs arômes et la carafe prolonge la durée de vie des appareils ménagers en limitant leur entartrage.
On souhaite comparer la dureté de l’eau du robinet (notée ) à celle obtenue après filtration avec une carafe Brita (notée ).
Expérience :
Dans les mêmes conditions que lors du TP, deux titrages sont réalisés à partir d’un volume V = 20,0 mL d’eau.
Le volume versé d’EDTA de concentration 1,0 10-2 mol.L-1 pour atteindre l’équivalence vaut V1 = 6,7 mL et V2 = 2,9 mL.
3.1. Déterminer un encadrement de la valeur du TH des deux eaux analysées, puis conclure quant à l’efficacité de la carafe Brita.
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