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TP n°1 : Solutions aqueuses d’hydrogénocarbonate de sodium
Objectifs:
Cetteexpérienceapourbuts:-depréparerdessolutionsaqueusesdedifférentesconcentrationsenhydrogénocarbonatedesodiumNa(HCO!),pardissolutionducorpspurNa(HCO!)(s)oupardilutiond’unesolutionmère;-demesurerlaconductivitédechacunedecessolutions;-dedéterminersilaloideKohlrauschdelaconductivitépeutêtreconsidéréecommevalidepourlessolutionsqu’onvapréparer;-d’écrirel’équationdelaréactionmodélisantladissolutiondeNa(HCO!)dansl’eau,etdedéterminerlavaleurdesaconstanted’équilibre;-d’estimerlavaleurdelasolubilitédeNa(HCO!)dansl’eau.
Travailàréaliser:
q ÉtalonnervotreconductimètreetmesurerlaconductivitédechacunedesdeuxsolutionsfourniesdeNa(HCO!),dontlesconcentrationsindiquéessontde𝐶% = 0,0100mol⋅L&%et𝐶' =0,100mol⋅L&%;inscrirelerésultatdevosmesuresautableau.Attention:entrechaquemesuredeconductivitéquel’onréaliseralorsdecetteséance,lacelluledoitêtresoigneusementrincéeetséchée;lebecherdoitêtrerincéavecdel’eaudistilléepuisunpeudesolution.
q Pourchaquesolution,fairelamoyennedesrésultatsdetouslesbinômesetréaliseruneévaluationdetypeAdel’incertitude-typesurchaquemesureetsurlamoyenne;compareràl’indicationdeprécisionquifiguredanslemanuelduconductimètre;commenteretconclure.
q Dansunefiolejaugéedevolume𝑉( = 50mL,préparerunesolutionpardissolutiond’unemasse𝑚) d’hydrogénocarbonatedesodium.Lavaleurde𝑚) seraàdéterminerselonlaconcentration𝐶) quiseraattribuéeàvotrebinôme,dansl’intervalle[0,100; 1,500](enmol⋅L&%).Agiterlonguementcarladissolutionpeutêtrelentepourdesconcentrationsaussiélevées.Onlaisseraladissolutionseterminer,enrevenantagiterdetempsàautre,pendantquel’onpréparelessolutionssuivantes.
q Dansunefiolejaugéedevolume𝑉( = 50mL(ouuneplusgrandesivouslejugezpertinent),préparerdeuxsolutionspardilutiondessolutionsmèresfournies.Deuxvaleursdeconcentrationsvousserontattribuéesdansl’intervalle[1,00 ⋅ 10&*; 0,100], enmol ⋅ L&%.Mesurerlaconductivitédechaquesolution.
q Mesurerenfinlaconductivitédelasolutionprécédemmentpréparéepardissolution.q Inscrirevosrésultatsautableau:concentrationsdessolutionspréparéesavecleurconductivité
mesurée,lesdeuxvaleursétantassortiesdeleurincertitude-type.q ÉcrirelarelationprévueparlaloimodèledeKohlrauschentrelaconductivité𝜎etla
concentration𝐶d’unesolutiond’hydrogénocarbonatedesodium.Enutilisantuntableur,puisuneprogrammationenPython:placersurungraphelespointsexpérimentaux(𝐶) , 𝜎));ajouterlesbarresd’incertitudeadéquates;détermineralorssil’onpeutconclurequelesrésultatsexpérimentauxsuiventbienlaloimodèle.Sic’estlecas,donnerlavaleurdelaconductivitémolaireΛdelasolution.Estimerl’incertitudesurcettedernièregrandeurgrâceàunesimulationdetypeMonteCarloprogramméeenlangagePython(adapterleprogrammefournidanslepolycopié:MesuresetIncertitudes).Cettevaleurest-ellecompatibleaveccellequel’ontrouvedanslalittérature?
q Interpréterl’alluredel’ensembledugrapheobtenu.Écrirel’équationsymbolisantlaréactiondedissolutiondel’hydrogénocarbonatedesodiumdansl’eau.Parrapportàl’étatinitial(eau
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distilléeetpoudred’hydrogénocarbonatedesodium),cetteréactionest-ellerigoureusementtotaleouconduit-elleàunéquilibrechimique?
q Enutilisantvotregraphe,donneruneestimationdelavaleurdelasolubilitédeNa(HCO)!dansl’eaupure.Compareràlavaleurdelalittérature.
q Déterminerlavaleurdelaconstanted’équilibre𝐾°delaréactiondedissolution.
NOM:
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Fiche d’évaluation TP n°1 Compétencesgénérales A B C D
S’approprier
Formulerlesobjectifs,énoncerourechercherladéfinitiondestermesutilisésÉnonceruneproblématiqued’approcheexpérimentale,choisirlematérieletlesréactifsàutiliserRechercherlesinformationssurlematérieletlesproduitsutilisésIdentifierlesgrandeurspertinentes,leurattribuerunsymbole
Analyser/Raisonner
Justifierunprotocoleexpérimental
Réaliser
MettreenœuvreunprotocoledansuneduréeimpartieUtiliserlematérieldemanièreadaptée(voirci-dessous)Évaluerl’incertitudeassociéeàunemesure(voirci-dessous)Placerlesrésultatsdesmesuressurungraphe
Valider
Exploiterdesobservations,desmesures,enestimantlesincertitudes(voirci-dessous)Confronterunmodèleàdesrésultatsexpérimentaux(voirci-dessous)
CommuniquerOrganiseruntravailenéquipePrésenterclairementdestableauxdevaleursetdesreprésentationsgraphiques
Capacitésspécifiques
utilisationdumatérielÉtalonnerunconductimètre,mesurerconductanceetconductivitéMesurerdesvolumes,distinguerverrerieInetEx;mesurerunemassePréparerunesolutionpardissolutiond’unsolide;utiliserlaméthodeadéquatepourtransférerl’intégralitédusolidepesé.PréparerunesolutionpardilutionSélectionnerlematérieladaptéàlaprécisionrequise
mesuresetincertitudesÉvalueruneincertitude-typeparuneapprochestatistique(typeA)Évalueruneincertitude-typeparuneautreapproche(typeB)UtiliserlaloidecompositiondesincertitudespourunproduitouquotientPrésenterlerésultatd’unemesureavecsonincertitudeComparerunevaleurexpérimentaleàunevaleurdelalittératuregrâceàl’écartnormalisé,etanalyserlescausesd’uneéventuelleincompatibilité
validationd’unmodèlelinéaireRéaliserunerégressionlinéaireavecunlogicielouparuneprogrammationenlangagePython,afind’obtenirlesparamètresdumodèleAnalyserlesrésultatsobtenusàl’aided’uneprocéduredevalidation:analysegraphiqueintégrantlesbarresd’incertitudeÀl’aidedulangagePython,simulerunprocessusaléatoiredevariationdesvaleursexpérimentalesdel’unedesgrandeurs(simulationMonte-Carlo)pourévaluerl’incertitude-typesurlesparamètresdumodèle
Note :
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FICHE:Utilisationdelaverreriecourantedulaboratoire
1)Verreriedestockage
Ils’agitdelaverreriedanslaquelleonconserveprovisoirementunliquide,oubiendanslequelsedérouleunetransformation.Ontrouvedanscettecatégorie:
-lebecher,quisertpourlestockagetransitoiredeliquidesetpouryréaliserdesréactionslorsqu’iln’estpasnécessairedeboucher(titrageensolutionaqueuseparexemple);lesgraduationsdevolumed’unbechersonttrèsapproximativesetnedoiventpasêtreutiliséespourunedéterminationprécise.
-l’erlenmeyer,dontlecolétroitestadaptépouréviterlesprojections;onl’utilisequandilfautagiteràlamainunesolution(mouvementsderotation),ouencorelorsqu’ilestnécessairedeboucher;l’erlenmeyerpeutêtrefixéàunsupportaumoyend’unepinceàdeuxdoigtsauniveauducol.
-letubeàessais,pourréaliserdestestscaractéristiquesouservirdetémoin.
-lecristallisoir,pourcontenirunbainmarie,unmélangeréfrigérant…
-leverreàpied,pourentreposermomentanémentdesliquides,oubiendesinstrumentsquirisqueraientderouler(pipette,électrode…).
-leballon,majoritairementutilisécommeréacteur,notammentdanslesmontagesélaborés(montageàreflux,dedistillation,etc…).
2)Verreriedeprélèvementetdemesuredevolumes
a)Mesuresapproximatives
Lorsqu’uneprécisionoptimalen’estpasrequise(quantitédesolvant,ajoutd’unréactifenexcès…),onutiliseuneéprouvettegraduée.
b)MesuresprécisesLaverreriepermettantdemesurerprécisémentunvolumeestdedeuxtypes:
b1-verreriepermettantdedélivrerunvolumeprécis(verreriedetype«Ex»):
-lapipettejaugée(àunoudeuxtraits)ougraduée;-laburettegraduée.
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b2-verreriepermettantdecontenirunvolumeprécis(verreriedetype«In»):lafiolejaugée
Laprécisiondecespiècesdeverreriedépenddeleurqualité.Elleestgénéralementinscriteàcôtéduvolume,sousformed’unetolérance(±𝑡),quiestuneprécisionconstructeurgarantie.Ils’agitd’uneincertituderectangulairequi,pourlaconvertirenincertitude-type,doitêtrediviséepar√3:𝑢(𝑉) = +
√!.
Moded’emploid’unepipettejaugéeougraduée:
extraitde:«Techniquesexpérimentalesenchimie»,Bernard/Clède/Émond/Monin-Soyer/Quérard,Dunod
Note:pourlespipettesjaugéesàuntrait,onprocèdedemêmeetonlaisses’écoulertoutleliquidedelapipette.Lapetitequantitéquirestealorsauniveaudelapointeestnormaleetnedoitpasêtreexpulsée.
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FICHE:Préparationd’unesolutiondeconcentration𝑪𝑨d’uncorpspurALaconcentrationétantdéfiniepar𝐶. =
/!0,où𝑉estlevolumedelasolutionpréparée,oncommence
parchoisirlevolumedesolutiondontonabesoinetonseprocureunefiolejaugéedevolume𝑉1 = 𝑉.
Ilexistealorsdeuxmoyensdepréparerlasolution:
A)PardissolutionducorpspurA,solideouliquide-Onrinceàl’eaudistilléelafiolejaugéedevolume𝑉1 .-Oncalculelaquantité𝑛. = 𝐶.𝑉1ducorpsqu’ilfautdissoudre,etonlaprélève…
-pourunsolide:dansunecoupelleouunsabotdepeséeposésurunebalance(calculerlamasseàpréleverpar:𝑚. = 𝑛.𝑀.)-pourunliquide:directementdanslafioleposéesurunebalanceoubien,sionconnaîtlamassevolumique𝜌.,avecunepipettegraduéeoujaugée,devolume𝑉2 =
3!4!.
-Onintroduitceprélèvementdanslafiolejaugée;sic’estunsolide,onrincelacoupelleenintroduisantl’eauderinçagedanslafiole.-Onajoutedel’eaudistilléedanslafioleenagitantrégulièrementpourhomogénéiser,jusqu’àapprocherletraitdejauge.-Oneffectuelamiseautrait(basduménisque)etonagiteunedernièrefoispourhomogénéiser.Attention:ilpeutêtrenécessaired’agiterlonguement,carcertainesdissolutionssontlentes,surtoutlorsqu’onestprochedelasaturation.
Évaluation«typeB»del’incertitude:Engénéral,laprécisiondelabalance,delapipetteetdelafiolejaugéesontdesincertitudesrectangulaires.Ontrouvedoncl’incertitude-typecorrespondanteendivisantlatolérance(précisionconstructeur)delaverreriejaugéeouledemi-digitdelabalancepar√3.Onexprimealors𝐶. =
3!5!0"
ou𝐶. =4!0#5!0"
etonestime6(7!)7!
parlaloidepropagationdesincertitudes.
Onendéduit𝑢(𝐶.).OnpeutégalementprocéderparunesimulationdevariabilitédetypeMonteCarlo.
B)Pardilutiond’unesolutionmèredeconcentration𝑪𝒎-Onrinceàl’eaudistillélafiolejaugéedevolume𝑉1 .-Oncalculelevolume𝑉2desolutionmèreàprélever.Laquantitédesolutéàintroduireétant𝑛. =𝐶.𝑉1 ,ilfautprélever𝑉2 =
/!7$= 𝑉1
7!7$desolutionmère(remarque:lerapport𝜆 = 7$
7!estappeléfacteur
dedilution;ainsi,pourdiluer𝜆foisunesolution,ilfaututiliserunepipettedevolume𝑉2 =0"9).
-Onrinceunepipettejaugée(ou,àdéfaut,graduée)devolume𝑉2avecdel’eaudistillée,puisavecunpeudesolutionmère,puisonprélèvelaquantité𝑉2,quel’onintroduitdanslafiolejaugée.-Onajoutedel’eaudistilléedanslafioleenagitantrégulièrementpourhomogénéiser,jusqu’àapprocherletraitdejauge.-Oneffectuelamiseautrait(basduménisque)etonagiteunedernièrefoispourhomogénéiser.
Évaluation«typeB»del’incertitude:Engénéral,laprécisiondelapipetteetdelafiolejaugéesontdesincertitudesrectangulaires.Ontrouvedoncl’incertitude-typecorrespondanteendivisantlatolérance(précisionconstructeur)delaverreriejaugéepar√3.L’incertitudesurlaconcentrationdelasolutionmèredoitêtrefournieaveccelle-ci.Onexprimealors𝐶. =
0#7$0"
etonestime6(7!)7!
parlaloidepropagationdesincertitudes.Onendéduit
𝑢(𝐶.).OnpeutégalementprocéderparunesimulationdevariabilitédetypeMonteCarlo.
Dissolutionoudilution:quelleméthodechoisir?Ilfautchoisirlaméthodepermettantd’obtenirlameilleureprécisionfinale.Enparticulier,onnepeutpaspréleveravecuneprécisionsuffisantedesquantitéstropfaiblesd’uncorpspur.Engénéral,ladilutionestplusprécisepourobtenirlesconcentrationslesplusfaibles.
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Pourpréparerunesolutiontrèsdiluéeenpartantducorpscondensé,ilpeutêtrejudicieuxdepréparerd’abordpardissolutionunesolutionplusconcentrée,etdeladiluerensuite.
Sécurité:Onconsulteratoujourslesfichesdesécuritéducorpsquel’ondissoutouquel’ondilueetonprendralesprécautionsadéquates(gants,lunettes,prélèvementsouslahotte…).Danslecasdedissolutionoudilutiontrèsexothermique,onremplitaupréalablelafiolejaugéeàmoitiéd’eaudistilléeetonlaplaceéventuellementdansuncristallisoireau-glace.
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FICHE:LaconductimétrieA)DéfinitionLaconductimétrieestuneméthoded’analysephysiqueconsistantàmesurerlaconductivitéd’unesolution.Rappel:Laconductivité𝜎d’unmilieumatérielestunegrandeurintensivequitraduitl’aptitudedecemilieuàlaisserpasserlecourantélectrique.(c’estlefacteurdeproportionnalitéentrelechampélectriqueappliquéenunpointdumatériauetladensitédecourantquienrésulte,voircoursdephysique)
SonunitéS.I.estlesiemensparmètre(S⋅m&%).Rappel:Lesiemensestl’inversedel’ohm,1S = 1Ω&%B)Descriptionduconductimètre câblecoaxialcelluledeconductimétrie boitierLeboitiercontientunohm-mètre.Ilmesurelarésistance𝑹(enohm)delacellulelorsqu’elleplongedanslasolutionétudiée,ousoninverse,laconductance𝑮(ensiemens).Cettevaleurmesuréede𝐺n’estgénéralementpasaffichée;l’appareilafficheleproduitde𝐺paruneconstante(voirplusloin).
Lacelluleestconstituée,àsonextrémité,dedeuxplaquesparallèlesdesurface𝑆 ≈ 1cm'etdistantesdeℓ ≈ 1cm.Lesplaquessontenplatineplatiné,c’estàdireenplatinerecouvertd’unefinecouchedeplatinefinementdivisé. 1cm
Extrémitéd’unecelluledeconductimétrie
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C)Moded’emploi-Effectuerlesréglagespréalablessurleboitier(calibre,moded’affichage,choixd’unité…)enconsultantlemanuel.-Fixerlacellulesurunsupport,retirersoncapuchondeprotection,larinceràl’eaudistillée,lasécher,etlaplongerdanslasolutionsouhaitée(solutionétalonousolutionàanalyser).Lorsdupassaged’unesolutionàuneautre,lacelluledoitdenouveauêtrerincéeetséchée.Enfind’utilisation,rinceretsécher,etremettrelecapuchondeprotection,ens’assurantqu’ilestbienremplid’eaudistillée.
D)Principedelamesureetnécessitéd’étalonnageCommeonl’aditplushaut,leboitiercontientunohm-mètre,quimesurelaconductance𝐺delacellule.Cetteconductancedépenddelaconductivité𝜎delasolutionentrelesplaques,maisaussidesdimensionsdelacellule.Onmontreque,pourdesplaquesdesurface𝑆etdistantesdeℓ,laconductancedelacellulevérifielaloi:𝐺 = 𝜎 × :
ℓ.
Laconductivitédoitdoncêtrecalculéeàpartirdelamesurede𝐺par:𝜎 = 𝐺 × ℓ:.
Lerapportℓ:,propreàchaquecellule,estappeléconstantedecellule,constantequel’onnotera𝒞.
Laformuledecalculdelaconductivitéàpartirdelaconductance,qu’ilfautretenir,estdonc:
𝜎 = 𝐺 × 𝒞
conductivitéenS⋅cm&% constantedecelluleencm&% conductanceenS
C’estlerésultatdececalculquiestaffichéparleboitier.Pourquececalculdonnecorrectementlaconductivité,ilestnécessairedeconnaîtrelavaleurde𝒞pourlacelluleutilisée.Onpourraitlacalculeràpartirdesvaleursde𝑆etdeℓ,maiscecinécessiteraitdeconnaîtrecesdernièresavecuneexcellenteprécision,cequin’estpaslecasgénéralement.Pourtrouverlavaleurprécisede𝒞,onréaliseunétalonnage,àpartird’unesolutiondeconductivitéconnue,selonlemodeopératoiresuivant:-Choisirunesolutionétalondeconductivitéconnueàlatempératureconsidérée(consulterdestables)etintroduirelacelluledanscettesolution.-Enmodeétalonnage(voirmanuelduboitierutilisé),réglerlavaleurdelaconstante𝒞,detellemanièrequelaconductivitéaffichéesoitégaleàlavaleurconnue.Lorsquecettecorrespondanceestétablie,lavaleurde𝒞estlaconstantedecellule:l’appareilestétalonné.-Revenirenmodemesuresurleboitier.Rinceretsécherlacellule,quipeutmaintenantêtreutiliséepourmesurerlaconductivitéd’unesolution.Leboitiermesure𝐺,multiplieparlavaleurde𝒞déterminéelorsdel’étalonnage,etafficheainsilaconductivité𝜎delasolutionentrelesplaques.
E)PrécisiondelamesureLaprécisiondelaconductimétriedépendbeaucoupdelafiabilitéduboitierutilisé,del’étatdelacellule,delaqualitédessolutionsétalon…Onpeutretenirqu’enthéorie,unbonconductimètrepeutafficherlaconductivitéàenviron0,2%près,maisqu’enpratique,cetteprécisionestrarementatteinte.VoirleTPn°1pourunediscussionpratiquesurcesproblèmesdeprécision.
F)UtilisationdelaconductimétrieLaconductimétrieesttrèsutiliséeenanalysedanslesuividelaconcentrationdesionsdansunesolutionaqueuse.Eneffet,onrappellelaloideKohlrauschpourunesolutionaqueusecontenantdesionsdissousnotésA) àunetempérature𝑇donnée:
𝜎 = X 𝜆)[A)])</=)
…où𝜆) estlaconductivitémolairedel’ionA) et[A)]saconcentration.
Remarque:cetteloiestparticulièrementintéressantelorsquelesconductivitésmolaires𝜆) sontdesconstantes.Orcecin’estvraiqu’ensolutiontrèsdiluée(sinon,lesionsinteragissententreeuxetles𝜆) sontmodifiés).Onappelle«conductivitémolaireàdilutioninfinie»d’unionlavaleur𝜆),(verslaquelletend𝜆) quandlaconcentrationdetouslessolutéstendverszéro.
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