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Partie I – Thermodynamique I.5 – Thermodynamique chimique
TP2 – Mesure d’un coefficient de partage
Lorsqu’une espèce chimique est mise en présence de deux solvants non miscibles, elle s’y répartit dans des proportions différentes. Cette répartition inégale est la conséquence d’interactions intermoléculaires différentes en nature et en intensité entre les molécules de cette espèce et celles des deux solvants.
En biologie, la lipophilie et/ou l’hydrophilie d’espèces est évaluée en la mettant en présence d’eau et d’octan-1-ol, solvants non miscibles. Une espèce est d’autant plus lipophile que sa concentration dans la phase d’octan-1-ol est élevée par rapport à celle dans la phase aqueuse.
Exemple de « partage entre deux solvants »
Le schéma ci-contre correspond à la situation d’une espèce lipophile. Sa concentration est plus importante en phase organique qu’en phase aqueuse.
L’étude menée dans ce TP utilise le diiode de formule I2 comme espèce d’étude. Cette espèce chimique, dont l’entité moléculaire associée I-I est apolaire et dans l’incapacité d’établir des ponts hydrogène, est beaucoup plus soluble dans des solvants apolaires ou peu polaires, que dans des solvants très polaires comme l’eau. Lorsque du diiode est mis en présence de deux solvants non miscibles, il se répartit de manière non équivalente, dans les deux solvants. L’équilibre de changement de phase est modélisé par la réaction (1) :
(1) I2(org) = I2(aq)
auquel on associe une constante d’équilibre nommée « coefficient de partage » et notée K1°(T).
Objectifs :
• Déterminer la valeur du coefficient de partage K1°(T) du diiode I2 entre deux solvants : l’eau et le cyclohexane.
• Evaluer l’influence des ions iodure sur la solubilité du diiode en milieu aqueux.
Démarche mise en œuvre pendant la séance :
• Le diiode est apporté sous forme d’une solution dans le cyclohexane. Un volume de cette solution est prélevé, puis mis en présence d’une phase aqueuse (eau pure ou solution aqueuse d’iodure de potassium) avec laquelle elle est non miscible.
• Pour accélérer l’atteinte de l’équilibre de changement de phase, le mélange des deux solvants est agité dans une ampoule à décanter.
• Les quantités de matière du diiode dans les deux phases à l’état final sont déterminées grâce à un titrage.
Organisation :
Pour gagner en efficacité, une moitié des groupes effectue l’expérience avec le cyclohexane et l’eau pure ; l’autre avec le cyclohexane et la solution aqueuse d’iodure de potassium. Les résultats sont ensuite partagés entre les groupes.
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Travail préparatoire
1. En analysant les structures de l’eau, du cyclohexane et du diiode, justifier, en précisant les noms des interactions intermoléculaires en jeu, la différence de solubilité du diiode entre les deux solvants utilisés ici.
2. Une méthode pratique pour quantifier le diiode consiste à titrer cette espèce par les ions thiosulfate S2O32-. Les couples mis en jeu sont S4O62-(aq)/S2O32-(aq) et I2(aq)/I-(aq).
o Ecrire l’équation de réaction support du titrage.
o Calculer sa constante d’équilibre et commenter la valeur obtenue.
o Ecrire la relation entre les quantités de matière à l’équivalence.
3. Le diiode étant brun, les ions I-, S2O32- et S4O62- incolores, prévoir le changement de couleur attendu à l’équivalence. Quel agent de contraste (ou « indicateur coloré ») utilise-t-on classiquement pour rendre précise la détection de cette équivalence ?
1. Mesure du coefficient de partage
1. Introduire dans l’ampoule à décanter 20 mL de solution saturée de diiode dans le cyclohexane et 200 mL d’eau permutée (improprement appelée distillée). Agiter tout en dégazant régulièrement pour atteindre l’équilibre chimique.
2. Titrer le diiode dans 50 mL de phase aqueuse par la solution de thiosulfate de sodium à 1,00.10-2 mol.L-1. 3. Titrer le diiode dans 1,00 mL de phase organique par la solution de thiosulfate de sodium à 1,00.10-2 mol.L-1. 4. Déterminer la valeur de K° à la température du laboratoire.
Repérer avec précision le virage d’un indicateur coloré :
• Réaliser un premier titrage rapide pour avoir un encadrement du volume équivalent.
• Reproduire le titrage en introduisant en une fois la moitié du volume équivalent, puis procéder avec un goutte à goutte lent.
• Dans le cas où le système est biphasique (le réactif titrant et le réactif à titrer appartiennent à deux phases non miscibles dans le bécher), travailler plus lentement :
o Attendre entre deux ajouts pour laisser le temps aux réactifs de se rencontrer.
o Travailler sous forme agitation pour mélanger autant que possible les phases.
2. Influence des ions triodure
Les ions iodure I-forment avec le diiode, un ion triatomique, l’ion triiodure I3-, particulièrement soluble en milieu aqueux. Sa formation est décrite au moyen de l’équation de réaction (2) : I2(aq) + I-(aq) = I3-(aq) K2°(T) ~ 7.102.
On reproduit ici le protocole précédent en remplaçant l’eau par une solution aqueuse d’iodure de potassium à 1,00.10-1 mol.L-1. 1. Introduire dans l’ampoule à décanter 25 mL de solution saturée de diiode dans le cyclohexane et 200 mL de solution
aqueuse d’iodure de potassium à 1,00.10-1 mol.L-1. Agiter tout en dégazant régulièrement pour atteindre l’équilibre.
2. Titrer par la solution de thiosulfate de sodium à 1,00.10-2 mol.L-1, 10 mL de la phase aqueuse.
3. Recommencer en titrant 10 mL de la phase organique.
4. Vérifier la valeur de K2° à la température du laboratoire.
Indications :
• Les ions thiosulfate réagissent avec I2(aq) et I3-(aq).
• Les concentrations en I2(aq) et I2(org) sont liées par K1°.
3. Sécurité
Diiode : Iodure de potassium :
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4. A la fin de la séance
• Evacuation des produits : Attention concernant l’évacuation des solvants organiques dans la poubelle spécifique : Cyclohexane
• La paillasse est lavée et remise en ordre à la fin de la séance.
• Se laver les mains avant de quitter la salle.
