TP n 8 : titrage eau oxygénée H 2 O 2 - Correction

Thème : constitution et transformation de la matière  Cité scolaire André Chamson

TP n°8 : titrage eau oxygénée H

O

- Correction

Objectifs : - savoir réaliser un titrage direct avec repérage colorimétrique pour déterminer la quantité de matière d’une espèce.

- établir la relation à l’équivalence.

- savoir expliquer le changement de couleur qui à lieu à l’équivalence.

I°) Dilution solution commerciale Document 1 : eau oxygénée

L’eau oxygénée H2O2 (appelée aussi peroxyde d’hydrogène) est un produit utilisé dans de nombreux domaines. Il sert souvent d’agent de blanchiment (cheveux, dents, linge …), de comburant en aéronautique ou astronautique, de désinfectant (gel hydroalcoolique) ....

Le peroxyde d’hydrogène à la particularité de se décomposer avec le temps. Ainsi la concentration en H2O2 diminue sur la durée. Il est donc important d’être capable de mesurer cette concentration.

La concentration des solutions de peroxyde d'hydrogène est généralement indiquée en

« volumes ». Par définition, 1 L d'eau oxygénée à x volumes est susceptible de dégager x litres de O₂ gaz, mesurée dans les conditions normales de température et de pression. Le lien entre concentration molaire C et x est : C= x

11,2

Document 2 : matériel et solutions disponibles

• burette graduée.

• éprouvette graduée de 25 mL.

• béchers.

• agitateur magnétique + barreau aimanté

• fioles jaugées de 50,0 mL, 100,0 mL.

• pipettes jaugées de 1,0 mL, 5,0 mL et 10,0 mL.

• solution commerciale de concentration C0 inconnue.

• solution de permanganate de potassium (K⁺(aq) + MnO4-

(aq)) de concentration C2 = 1,0×10^-3 mol.L^-1.

• eau distillée

On souhaite vérifier la concentration d’une bouteille commerciale achetée en pharmacie mais dont l’étiquette est manquante. Les bouteilles du commerce sont souvent trop concentrées, il est nécessaire de les diluer afin de réaliser un titrage.

On souhaite diluer 100 fois la solution commerciale. La concentration commerciale sera notée C0 et la solution diluée sera notée C1.

1°) Quelle relation lie alors C0 et C1 ? Le facteur de dilution est F =C₀

C₁ =100 .

2°) Écrire le protocole pour réaliser cette dilution en utilisant le matériel dans la liste ci-dessus.

- Réaliser alors cette dilution après accord du professeur.

On a aussi F=V₁

V₀ =100.

On peut donc choisir une fiole jaugée de volume V1 = 100 mL et une pipette jaugée de volume V1 = 1,0 mL.

Protocole :

- Dans un bécher, prélever la solution mère avec une pipette jaugée de 1,0 mL.

- Verser ce volume dans une fiole jaugée de volume 100 mL.

- Remplir au 2/3 avec de l’eau distillée et agiter pour homogénéiser.

- Remplir jusqu’au trait de jauge.

II°) Titrage de la solution diluée

Document 3 : principe d’un titrage colorimétrique

Un titrage a pour but la détermination de la concentration d'une solution inconnue. On utilise pour cela une réaction chimique qui doit être une réaction : unique, rapide et totale.

Le matériel nécessaire pour cela est le suivant :

Principe :

- On verse le réactif titrant dans le bécher. Celui-ci consomme au fur et à mesure le réactif titré.

- A partir d’un certain volume versé, repéré par un changement de couleur, il n’y a plus de réactif (tout à réagit). On dit que l’on est à l’équivalence, le volume correspondant est noté Véq.

- A l’équivalence, tout a réagit ce qui veut dire que nous sommes dans les conditions stœchiométriques.

La réaction utilisée pour déterminer la concentration inconnue C1 (puis ensuite C0) est celle entre les ions permanganate MnO4- (réactif titrant) et l’eau oxygénée H2O2 (réactif titré).

a°) Protocole

- Avec une pipette jaugée, verser V1 = 2,0 mL dans un bécher la solution diluée de H2O2 de concentration C1. - Rajouter environ 20 mL d’eau distillée.

- Avec une pipette Pasteur, rajouter 5 gouttes d’acide sulfurique concentrée (attention corrosif).

- Allumer l’agitateur magnétique et placer le bécher dessus. Pour mieux voir le changement de couleur à l’équivalence, placer une feuille blanche dessous.

- Compléter au 0 la burette graduée avec la solution d’ions MnO4- de concentration C2 = 1,0×10^-3 mol.L^-1. - Verser doucement la solution titrante (mL par mL) jusqu’à l’apparition d’une couleur rose persistante (c’est alors l’équivalence).

Solution titrante

- concentration connue : C₂

- volume versé à l’équivalence : V_éq

Solution titrée

- concentration inconnue C₁ - volume versé : V₁

Agitateur magnétique Burette graduée

Potence

Bécher

• Noter alors le volume équivalent versé : Véq = 13,5 mL b°) Questions

1°) Écrire les demi-équations d’oxydoréduction puis l’équation bilan de la réaction qui a lieu dans le bécher.

Données : - couples MnO4- / Mn²⁺ et O2 / H2O2

- en solution seul les ions MnO4- sont colorés (solution de couleur violette).

2°) Montrer que l’équation bilan finale est : 5 H2O2(aq) + 2 MnO4-

(aq) + 6 H⁺(aq)

→

MnO4- + 8 H⁺ + 5 e^- = Mn²⁺ + 4 H2O H2O2 = O2 + 2 H⁺ + 2 e^-

2 MnO4- + 16 H⁺ + 5 H2O2 → 2 Mn²⁺ + 8 H2O + 5 O2 + 10 H⁺ 2 MnO4-

(aq) + 6 H⁺(aq) + 5 H2O2 (aq) → 2 Mn²⁺(aq) + 8 H2O(l) + 5 O2(g)

3°) Expliquer ce qui se passe au cours du versement.

Avant l’équivalence : V < Véq

- Le MnO4- réagit avec les H2O2 présents dans le bécher pour former des ions Mn2+ et du dioxygène incolores.

Après l’équivalence : V > Véq

- Tout les H2O2 ont été consommés et donc les ions MnO4- introduits dans le bécher ne réagissent avec rien et colorent la solution en violet.

Ainsi l’équivalence est repérée par le passage d’une solution incolore à une solution violette.

4°) Expliquer les petites bulles qui apparaissent sur les parois du bécher ainsi que sur le barreau aimanté.

Les petites bulles sont dues au dioxygène O2 (g) qui apparaît à cause de la réaction (voir équation bilan).

5°) Quel est le rôle de l’acide sulfurique ?

La réaction a besoin d’un milieu acide pour quelle se réalise. L’acide sulfurique apporte les ions H⁺ nécessaires.

6°) Recopier et compléter le tableau d’avancement suivant :

Remarque : l’état initial est considéré comme si on avait versé le volume équivalent mais que la réaction n’a pas encore commencé.

Équation bilan 5 H2O2 (aq) + 2 MnO4-

(aq) + 6 H⁺(aq)

→

État Avancement

Quantités de matière (mol) n(H2O2)

titré

n(MnO4-)

titrant n(H⁺) n(O2) n(Mn²⁺) n(H2O) État initial x = 0 n1 = C1×V1 n2 = C2×Véq Excès 0 0 Excès

État intermédiaire x n1 – 5 x n2 – 2 x Excès 5 x 2 x Excès

État final à

équivalence xéq = xmax n1 – 5 xéq

= 0

n2 – 2 xéq

= 0 Excès 5 xéq 2 xéq Excès

× 2

× 5

Simplification

A l’équivalence, les réactif ont été introduits dans les proportions stœchiométriques de l’équation bilan.

7°) Écrire alors la relation à l’équivalence (relation de stœchiométrie) entre n1 et n2 puis entre C1, V1 et C2, Véq. A l’équivalence, les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques de l’équation support du titrage.

↔

8°) a°) Calculer la valeur de la concentration C1 de la solution diluée.

b°) En déduire alors la valeur de la concentration molaire C0 de la solution commerciale.

a°)

b°) C0 = 100 C1 (dilution) C0 = 1,7 mol.L^-1

9°) a°) Un groupe d’élèves a obtenu les valeurs suivantes. Compléter le tableau avec votre valeur.

N° du groupe 1 (votre valeur) 2 3 4 5 6 7 8

C0 (mol.L^-1) 1,7 1,8 1,6 1,7 1,9 1,4 1,6 1,8

b°) Calculer alors la moyenne C0 ainsi que l’écart type expérimental Sx. (voir feuille calculatrice) c°) Écrire le résultat sous la forme C0 ± U(C0) (ou U(x) = Sx / √n )

La calculatrice donne :

(on ne garde qu’un seul C.S) Donc C0 = C0 ± U(C0)

C0 = 1,69 ± 0,05 mol.L^-1

La préparatrice du laboratoire a retrouvée la facture qui indique eau oxygénée à x = 20 volumes.

10°) Calculer la concentration molaire de référence correspondante Créf. D’après le texte : Créf = 20 / 11,2

Créf = 1,8 mol.L^-1 n₁ – 5 x_éq = 0

n₂ – 2 x_éq = 0 ^xéq= n₁

5 = n₂ 2

C₁×V₁

5 = C₂×V_éq 2

C₁= 5C₂×V_éq

2V₁ = 5×1,0×10⁻³×13,5×10⁻³ 2×2,0×10⁻³ C₁=0,017mol.L⁻¹

U(C₀) = S_x

√

0,1552647509

√

U(C₀) =0,05mol.L⁻¹

11°) La valeur du fabricant est-elle compatible avec vos mesures ?

Pour savoir si les mesures expérimentales confirment la valeur du fabricant : - il faut que la différence |^Créf−C₀| soit égale à quelques U(C0) :

ce qui représente 2 U(C0) donc la valeur du fabricant est compatible avec les mesures.

|^Créf−C₀|^{=|1,8−1,69|}

=0,1