Le 04/02/2016 Devoir n°2 (2h) - Spécialité Page : 1 / 4

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Le 04/02/2016 Devoir n°2 (2h) - Spécialité Page : 1 / 4

I. Problème : Titrage des ions magnésium et calcium dans une eau minérale Document 1 : Eau d’Hépar

• L’eau d’Hépar est une eau minérale fortement minéralisée en ions magnésium Mg²⁺(aq) et calcium Ca²⁺(aq). L’étiquette indique les concentrations massiques de ces ions, en mg.L^-1.

• Données : masses molaires atomiques : M(Ca)= 40,1 g.mol^-1 ; M(Mg) = 24,3 g.mol^-1 Document 2 : Réactions des ions calcium et magnésium

• En milieu basique, à pH = 10, les ions calcium Ca²⁺(aq) et magnésium Mg²⁺(aq) réagissent avec les ions ÉthylèneDiamineTétraAcétate, ou EDTA, notés Y^4-(aq), contenus dans une eau minérale pour former des ions complexes très stables et incolores selon les réactions totales 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 du titrage est nécessaire.

Document 3 : Le NET, indicateur de fin de réaction

• Le Noir Eriochrome T (ou NET) est bleu à pH = 10 (Doc. 1.a) : on le note In^3-(aq).

• A pH = 10 et en présence d’ions calcium Ca²⁺(aq) et magnésium Mg²⁺(aq), le NET forme deux ions complexes, notés [CaIn]^-(aq) et [MgIn]^-(aq) de couleur rose tous deux (Doc. 1.b) selon les réactions totales d’équation :

Ca²⁺(aq) + In^3-(aq)→ [CaIn]^-(aq) et Mg²⁺(aq) + In^3-(aq)→ [MgIn]^-(aq)

• Cette couleur rose 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 [CaIn]^-(aq) et [MgIn]^-(aq) 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 [CaIn]^-(aq) et [MgIn]^-(aq), libérant ainsi le NET et les derniers ions calcium et magnésium avec lesquels il réagit.

Document 4 : Dureté d’une eau et degré hydrotimétrique

• En France, la dureté d’une eau s’exprime en degré hydrotimétrique, noté D et exprimé en °TH.

• Par définition le degré hydrotimétrique est : D(°TH) = 10 × C avec C = [Ca²⁺] + [Mg²⁺] en mmol.L^-1.

• En France les eaux de consommation courantes ont des D(°TH) compris entre 0 °TH et 50 °TH.

Document 5 : Matériel et solutions disponibles

• eau d’Hépar • 50 mL de solution tampon pH = 10

• NET liquide ou solide • solution d’EDTA à C2 = 5,0 × 10^-2 mol.L^-1

• 1 agitateur magnétique avec barreau aimanté • 1 burette graduée de 25,0 mL

• 3 béchers de 100 mL • 1 erlenmeyer de 250 mL

• 1 pipette jaugée de 20,0 mL • 1 éprouvette graduée de 50 mL

• 1 poire aspirante ou un pipeteur • 1 éprouvette graduée de 25 mL Document 6 : Résultats du titrage

• Lors du titrage d’un volume V1 = 20,0 mL d’eau d’Hépar, on verse un volume VE = 7,60 mL d’EDTA à la concentration C2 =5,00 × 10^-2 mol.L^-1.

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Questions

1) L’acide éthylène diamine tétraacétique qui permet d’obtenir l’EDTA a la formule semi-développée ci-dessous : Entourer et nommer les 2 groupes caractéristiques différents de cette molécule.

2) En milieu assez basique, l’acide éthylène diamine tétraacétique donne un ion basique noté Y^4-. Déterminer la formule semi-développée de cette ion.

3) Élaborer un protocole expérimental détaillé permettant de déterminer, par titrage, la somme des

concentrations [Ca²⁺] + [Mg²⁺] dans un volume V1 = 20,0 mL d’eau d’Hépar. Aucun calcul n’est demandé.

Faire un schéma légendé du montage pour le titrage.

• A l’équivalence du tirage, on a réalisé un mélange stœchiométrique des réactifs titrant et titrés. Ainsi la quantité d’EDTA versé est égale à la somme des quantités initiales d’ions Ca²⁺(aq) et Mg²⁺(aq) :

ni(Ca²⁺(aq)) + ni(Mg²⁺(aq)) = n versée à l’équivalence(Y^4-)

4) A partir de la relation précédente et des données, déterminer la concentration totale C1 (en mol.L^-1) en ions Ca²⁺(aq) et Mg²⁺(aq) dans l’eau d’Hépar.

5) Comparer le résultat obtenu de la dureté de l’eau à celui que l’on peut déterminer à partir des indications de l’étiquette puis calculer l’incertitude relative r (en %).

6) Indiquer si l’eau d’Hépar est une eau de consommation quotidienne.

• Calcul d’incertitude :

Voici les incertitudes élargies sur les mesures : ∆V1 = 0,058 mL ; ∆VE = 0,048 mL ; ∆C2 =1,0 × 10^-4 mol.L^-1. L’incertitude relative sur la concentration totale C1 s’exprime par la relation suivante :

∆C1

C1

= 



∆V1

V1

² + 



∆VE

VE

² + 



∆C2

C2

²

7) Calculer l’incertitude relative ∆C1

C1

, en %, sur la concentration totale C1. (conseil : conserver les mêmes unités pour chaque grandeur)

8) En déduire l’incertitude élargie sur la concentration ∆C1.

CH

₂

CH

₂

N

N C

H

₂

CH

₂

CH

₂

CH

₂

C

O

OH

C O O

H C

O O H

C O

OH

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NOM : ... Prénom : ... Classe : TS … II. La salinité des eaux de mers et océans

• Nous étudions les causes des courants océaniques et leur rôle dans la régulation du climat. Vous avez notamment appris que les différences de densité des eaux contribuent à l’apparition de ces courants : c’est la circulation thermohaline. Et que ces différences de densité résultaient d’écarts de température et de salinité des masses d’eau (rappel : l’eau froide est plus dense que l’eau chaude, l’eau salée est plus dense que l’eau douce).

• Par exemple, le programme ARGO est lancé depuis 2 000 : des bouées enregistrent les grandeurs température et salinité de l’eau de mer entre 2000 m de profondeur et la surface tous les 10 jours, au gré de leur errance sur tous les océans. Une de ces bouées est photographiée ci-dessous. Régulièrement, les bouées émettent leurs données qui sont transmises par satellite. Chaque point sur le document ci-dessous correspond à la position d’une des bouées ces derniers jours (

Source : http://www.argo.ucsd.edu/

Analyse et synthèse de documents scientifiques : un océan stratifié

Sous l’effet de la pesanteur, les eaux océaniques les plus denses se retrouvent à une plus grande profondeur : c’est le phénomène de stratification de l’océan.

Les documents 1, 2 et 3 sont joints page 4.

Questions

1) Comment varie la densité de l’eau de mer si sa température augmente, à salinité constante ? Donner un couple de grandeurs (température ; salinité) pour qu’une eau de mer ait une densité égale à 1,024.

2) En observant les deux cartes globales, que peut-on observer de la salinité de l’eau de mer en fonction de sa température ?

3) Déterminer la densité de l’eau de mer à Brest (latitude : 48°N).

4) Dans les zones polaires de l’océan Atlantique sud, la température moyenne est sensiblement identique à toute profondeur. Dans ces zones, à quelle profondeur trouve-t-on l’eau de mer la moins salée ?

(conseil : s’aider du document adéquat)

5) Dans les zones tropicales de l’océan Atlantique, l’eau de mer est plus salée en surface qu’en profondeur.

Quelle hypothèse peut-on formuler pour lever la contradiction entre cette affirmation et la réponse donnée à la question 4) ? (Conseil : s’aider des questions précédentes).

6) Combien de bouées ont été déposées au 22 janvier 2016 ?

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01/02/2016 Devoir02_fev_2016.doc 4/4

Document 1 : Densité, température et salinité des eaux de mer

• Graphe représentant la densité d’une eau de mer en fonction de sa température et de sa salinité.

• La salinité est exprimée en grammes de sels dissous par kg d’eau de mer (g/kg ou unité UPS unité pratique de salinité).

• 1 UPS = 1 g de sels dissous dans 1 kg d’eau de mer

Document 2 : Température de surface des eaux (23 janvier 2016)

Source : http://bulletin.mercator-ocean.fr/

Document 3 : Salinité de surface des eaux (23 janvier 2016).

Source : http://bulletin.mercator-ocean.fr/