L’expérimentation en chimie des solutions repose ...€¦ · Web view2.1 Sélectionner la meilleure longueur d’onde de travail, soit 415 nm. 2.2 Remplir une cuvette propre

Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents

Dosage des phosphates dans les détergents

Objectif général :

Déterminer la concentration de phosphates dans les détergents.

Objectifs spécifiques :Préparer une solution à partir d’un soluté solide.Préparer quantitativement des solutions diluées à partir de solutions concentrées.Utiliser la verrerie volumétrique spécifique au travail en solutions : pipettes volumétriques et fioles jaugées.Utiliser un spectrophotomètre pour déterminer une concentration en solution.

La théorieNous allons déterminer la concentration en phosphates de différents détergents à lave-

vaisselle. La majorité des phosphates contenus dans les détergents le sont sous forme

d’ions tripolyphosphates, P3O105-. Une hydrolyse acide sera donc nécessaire préalablement

au dosage, car la méthode de dosage utilise une réaction chimique qui implique des

phosphates simples, les ions PO43-. Sera également nécessaire la dilution de la solution

résultante, afin de réduire la concentration des ions phosphates à un niveau détectable par

la méthode d’analyse utilisée.

La concentration des ions phosphates sera évaluée grâce à des mesures d’absorbance

réalisées à l’aide d’un spectrophotomètre visible. Ces mesures d’absorbance seront faites

sur des solutions étalons d’ions phosphates à partir desquelles nous tracerons une courbe

d’étalonnage. La mesure de l’absorbance de la solution d’analyse de détergent ou

d’engrais permettra, en se référant à la courbe d’étalonnage, de déterminer la concentration

de cette solution en ions phosphates. À partir de cette valeur, connaissant les dilutions

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effectuées pour préparer la solution de détergent, nous pourrons, par calcul, déterminer la

concentration en phosphates de la poudre de départ.

1. Quel est l’intérêt de ce dosage?

Les lacs et les cours d'eau reçoivent un apport important de phosphates, un des nutriments

essentiels à la croissance des végétaux, terrestres ou aquatiques. Ces phosphates proviennent

majoritairement de l'activité humaine: des déchets industriels, agricoles et municipaux

déversés sans traitement suffisant dans les cours d'eau ou provenant du ruissellement des sols.

Les engrais chimiques et les détergents en sont des sources très importantes.

Pour ralentir le vieillissement des lacs et des cours d'eau dû à l’excès de végétation,

l'eutrophisation, il faut limiter l'apport de substances nutritives. Or, les phosphates sont très

utiles pour l'action des détergents: surtout présents sous forme de tripolyphosphate de sodium,

Na5P3O10, ils forment des complexes stables et solubles avec les ions responsables de la dureté

de l'eau (Ca2+, Mg2+, Fe3+ essentiellement) qui autrement précipitent les détergents; ils

adoucissent ainsi l'eau et permettent l’action nettoyante. De plus, les tripolyphosphates

stabilisent et dispersent la saleté et les graisses, les empêchant de re-précipiter sur les tissus.

Ils rendent également l'eau basique, permettant ainsi de détacher la saleté acide (la

transpiration par exemple).

Plusieurs substituts des phosphates ont été testés et incorporés aux détergents ces dernières

années, permettant la mise en marché de produits performants et possiblement moins

dommageables pour l'environnement. Le mélange carbonate et silicate de sodium (soda à

laver) en est un. Voici un tableau où sont indiquées les concentrations en phosphates de quatre

détergents à lessive connus, telles que déterminées en 1972.

DÉTERGENT À LESSIVE % PHOSPHATE

All 38

Oxydol 36

Tide 37

Wisk 11

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De nos jours, suite à l’adoption d’une législation à cet effet, l’industrie des détergents doit

limiter la teneur en phosphates de ses produits à 5% pour ce qui est des détergents à lessive.

Dans les faits toutefois, rares sont les produits qui en contiennent encore. Cependant, la

législation n’ayant pas inclus les détergents à lave-vaisselle, on y retrouve des teneurs élevées

en phosphates, ces derniers étant des additifs plus performants et moins dispendieux que leurs

substituts.

2. Qu’est-ce qu’un dosage colorimétrique?

La méthode utilisée pour doser les phosphates est une méthode colorimétrique: on

transformera d'abord les tripolyphosphates des détergents en phosphates, et on colorera

ensuite ces derniers en jaune en les faisant réagir avec un agent complexant.

Voici la réaction de transformation des polyphosphates en phosphates; il s'agit d'une

hydrolyse acide, c’est à dire une addition d’eau catalysée par un acide:

P3O105- + 2 H2O 2 HPO4

2- + H2PO4-

Les ions hydrogénophosphates formés sont soumis, dans l’eau, à des équilibres successifs et

interdépendants:

H2PO4- + H2O HPO4

2- + H3O+

HPO42- + H2O PO4

3- + H3O+

La méthode utilisée pour doser les phosphates est une méthode dite colorimétrique, c'est-à-

dire qu’elle utilise la spectroscopie visible et que les substances dosées doivent être colorées.

Comme les ions phosphates résultant de l’hydrolyse des phosphates complexes des produits

commerciaux sont incolores, il faut trouver un moyen de les colorer afin de les doser de cette

façon.

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Le vanadomolybdate d’ammonium est un réactif spécifique aux ions phosphate: il forme avec

eux un complexe jaune, laissant incolores les autres substances contenues dans la solution de

détergent ou d’engrais. S’il y a un excès de vanadomolybdate d’ammonium, tous les

phosphates présents dans la solution seront complexés. Plus leur concentration est élevée,

plus la coloration jaune sera prononcée.

La coloration de la solution étant jaune, la couleur absorbée correspond à la couleur

complémentaire du jaune, le bleu. La longueur d’onde où l’absorption sera la plus

importante sera dans la région du bleu (415 à 480 nm). Le tracé expérimental du

spectre d’absorption (le graphique de l’absorbance de la solution en fonction de la

longueur d’onde) démontre que le maximum d’absorption se situe à 415 nm. C’est

donc à cette longueur d’onde qu’il nous faudra travailler puisque la méthode utilisée y

aura la plus grande sensibilité.

Il existe une relation quantitative entre l’intensité de l’absorption lumineuse et la

concentration d’une solution. L’absorbance (A) d’une solution, c’est-à-dire le logarithme du

rapport entre l’intensité de la lumière avant (Io) et après (I) la traversée de l’échantillon, est

reliée à la concentration de l’échantillon par la relation de Beer-Lambert :

A = l c où A : l’absorbance de la solution

c : la concentration de l’échantillon, en mol/L

l : l’épaisseur de la solution traversée par le faisceau lumineux

: le cœfficient d’absorption molaire (ou cœfficient d’extinction

molaire)

où Io : l’intensité de la radiation incidente

I : l’intensité de la radiation émise

On constate que la première équation est celle d’une droite passant par l’origine (y = mx), de

pente égale à l. Pour un dosage donné, l est maintenu constant et l’est également,

puisqu’il est fonction de la nature de la molécule absorbante, du solvant utilisé et de la

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longueur d’onde de travail, toutes les valeurs étant maintenues constantes au cours d’une

même analyse.

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En théorie, si on connaît la valeur de pour

une substance, dans des conditions données,

on peut déduire par intrapolation la

concentration d’une solution par la mesure de

l’absorbance correspondante.

En pratique, il est préférable de tracer la

courbe de l’absorbance en fonction de la

concentration pour plusieurs solutions

standard (des solutions dont on connaît très

précisément la concentration) et de déduire la

concentration des solutions à analyser à partir

de cette courbe d’étalonnage (A vs c).

Il existe divers appareils plus ou moins sophistiqués permettant d’obtenir les spectres UVvisibles

des substances. Certains permettent de travailler dans les deux régions spectrales, alors que

d’autres travaillent seulement dans le visible. Les composantes principales de ces appareils sont :

• la source lumineuse, différente selon que l’on travaille dans le visible (une lampe au

tungstène) ou dans l’UV (généralement, une lampe à la vapeur de deutérium);

• l’analyseur, dont la fonction est de décomposer la lumière en ses différentes longueurs

d’onde, qui peut être un prisme, mais plus généralement, un réseau de diffraction;

• un puits permettant de placer l’échantillon dans le parcours du faisceau lumineux;

• un détecteur qui traduit la puissance lumineuse lui parvenant en signal électrique;

• des cellules, petites éprouvettes contenant les solutions dont on veut mesurer l’absorption;

celles-ci, en quartz ou en verre, de dimensions très précises, sont introduites dans le puits.

Schéma interne de base d’un spectrophotomètre

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Les manipulations à effectuerCette expérience se déroulera sur deux semaines

Première semaine: Préparation du détergent

1. Peser précisément sur une balance analytique, environ 1 gramme de détergent et

l'introduire dans un ballon à fond rond de 100 mL. Noter cette masse et son incertitude à

l’endroit approprié sur votre schéma.

2. Ajouter doucement 25 ml (dispensette) d'acide sulfurique à 15%, et quelques pierres à

ébullition.

3. Surmonter votre ballon d'un réfrigérant dans lequel circule de l'eau du robinet et démarrer

le chauffage: la solution doit être maintenue à ébullition pendant au moins 30 minutes.

Quand votre chauffage à reflux sera bien stabilisé, nous expliquerons le fonctionnement du

colorimètre, et vous profiterez du temps qu’il vous restera pour vous exercer au pipettage.

4. Laisser refroidir à la température de la pièce.

5. Vider la solution dans une fiole jaugée propre de 250 mL, rincer le ballon rond avec de

l’eau distillée et récupérer les eaux de rinçage dans la fiole jaugée, puis compléter au trait

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de jauge avec de l’eau distillée. Boucher et homogénéiser par inversion, à quelques

reprises.

6. Laisser sédimenter les matériaux de remplissage et, à l’aide d’une pipette volumétrique,

prélever 10,00 mL de cette solution de détergent et introduisez-la dans une deuxième fiole

jaugée de 250 mL. Compléter à la jauge avec de l’eau distillée et bien homogénéiser.

Identifier et remiser la solution jusqu’à la semaine prochaine.

Deuxième semaine: dosage par spectroscopie

1. Préparation des solutions étalons

1.1 À partir de la solution mère de phosphates de concentration 1,00 x 10-3 mol/L, préparer les 6

solutions étalons diluées requises pour la réalisation de la courbe d’étalonnage. Nous utiliserons

une burette de 25,00 mL pour mesurer les différents volumes de solution mère et les solutions

étalons diluées seront toutes d’un volume de 25,00 mL, leurs concentrations s’échelonneront de

1,00 x 10-4 à 6,00 x 10-4 mol/L. N.B. Consulter votre schéma pour les valeurs à prélever.

1.2 Laver et sécher sept grosses éprouvettes. Introduire dans chacune 5,00 mL de la solution de

vanadomolybdate d’ammonium (dispensette) et respectivement 10,00 mL de chacune de vos

6 solutions étalons diluées (pipette volumétrique) dans les 6 premières éprouvettes. Dans la

septième éprouvette, introduire 10,00 mL d’eau distillée (pipette volumétrique): ce sera votre

« blanc ». Agiter les solutions avec le vortex et attendre de 8 à 10 minutes pour le

développement de la coloration jaune.

1.3 Procéder de même pour la préparation de votre solution d’analyse. Il est possible qu’il se

forme un précipité: on constate la présence d’un précipité en suspension si la solution est

moins limpide que les solutions étalons. Il faut alors forcer le précipité très fin à se déposer

plus rapidement en centrifugeant la solution. Apporter votre éprouvette bien identifiée au

responsable du laboratoire qui procédera à la centrifugation pour vous.

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2. Étalonnage du spectrophotomètre

2.1 Sélectionner la meilleure longueur d’onde de travail, soit 415 nm.

2.2 Remplir une cuvette propre et sèche avec votre « blanc », et procéder à l’étalonnage de votre

appareil selon les explications données au laboratoire.

3 .Mesure de l’absorbance des solutions étalons et de la solution d’analyse

3.1 Remplir sept cuvettes respectivement avec chacune des 6 solutions étalons et avec la solution

d’analyse. Si les cuvettes ne sont pas sèches, les conditionner préalablement avec un peu

de chacune des solutions qu’elles devront contenir.

3.2 Mesurer l'absorbance de chacune des 6 solutions étalons et celle de votre solution d’analyse.

Noter ces valeurs, de même que leurs incertitudes, à l’endroit approprié sur votre schéma.

Le compte-rendu

Note : Tous les tableaux (mesures et résultats) doivent obligatoirement être construits selon

les recommandations du Guide des sciences expérimentales.

Votre rapport de laboratoire doit comprendre les points suivants :

1. Page titre.

2. Rappel de l’objectif poursuivi et de la méthode utilisée pour l’atteindre (3 à 5 lignes).

3. Tableau 1 : Données et mesures relatives à la préparation du détergent.

4. Tableau 2 : Absorbance des solutions étalons selon leur concentration et incertitude sur

l’absorbance, absorbance de la solution d’analyse, longueur d’onde de travail utilisée,

nom du produit analysé.

5. Graphique : courbe d’étalonnage (à construire selon les recommandations du Guide des

sciences expérimentales)

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6. Calculs :

6,1 Calcul du nombre de mole de PO43- dans la solution d’analyse.

6,2 Calcul du nombre de mole de PO43- dans la solution concentrée.

6,3 Calcul du nombre équivalent de mole de P2O5 (c’est la façon standard d’évaluer la

concentration en phosphates en chimie environnementale).

( deux moles de PO4-3 = une mole de P2O5)

6,4 Calcul de la masse de P2O5.

6,5 Calcul du pourcentage massique de P2O5 dans la poudre analysée.

7. Tableau 3 : Présenter tous les résultats intermédiaires des calculs effectués au point 6

ainsi que votre pourcentage massique de P2O5 obtenu pour votre échantillon.

8. Tableau 4 : Présenter votre résultat final dans un tableau regroupant également les

résultats des autres équipes de votre groupe ( résultats transmis sur Léa ) ayant travaillé

sur le même détergent que vous. N’oubliez pas d’inscrire le nom du détergent. Effectuer

le test de Dixon et calculer la moyenne et l’écart moyen (moyenne des écarts à la

moyenne) et indiquez-le dans votre tableau.

9. Discussion et conclusion:

—Discuter de la reproductibilité de la méthode: les étapes requises pour ce dosage étant

nombreuses, on peut admettre que les résultats sont reproductibles s’ils sont identiques

l’un à l’autre à l’intérieur d’un écart de 5%.

—Estimer la sensibilité de cette méthode, c’est à dire la limite des concentrations qu’elle

permet de déterminer.

—Quelles sont les principales difficultés de cette méthode ? Étayer votre point de vue

d’exemples concrets.

—Les phosphates favorisent la croissance des plantes et certaines plantes plus

opportunistes en profitent davantage, telles les «algues bleues». Pourquoi les algues

bleues sont-elles un si grave problème ? Pour contrer le problème, on peut agir à la source

en limitant l’apport de phosphates dans l’environnement, ou agir sur le terrain en

récupérant une partie des phosphates déversés dans l’environnement. Énoncez six

recommandations « logiques et viables » que vous feriez si vous aviez l’autorité pour agir

sur cette situation.

— Conclure en rappelant les objectifs, la démarche et les résultats obtenus.

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Test de Dixon

Il peut arriver, au cours d'une expérimentation qu'un des résultats semble s'écarter notablement des autres. Une attitude classique, que l'on rencontre trop souvent, consiste à éliminer cette valeur en la considérant comme aberrante. Or il peut être dangereux de procéder ainsi sans vérification préalable. Il faut avoir recours à un test statistique permettant de justifier l'élimination de la valeur aberrante avec une probabilité P, choisie à l'avance, de se tromper. Le test de Dixon permet de réaliser cela.

Étape à réaliser

1) Placer les valeurs en ordre croissant.

Valeur 1 Valeur 2 Valeur 3 Valeur … Valeur n -1 Valeur nX1 X2 X3 X… Xn-1 Xn

2) Effectuer le test Rx selon le nombre de valeurs

Nombre de valeurs(inclusivement)

Test Calculsdoute sur X1

Calculsdoute sur Xn

3 et 7 R10

8 et 10 R11

11 et 13 R21

14 et 30 R22

3) À l’aide de la table de Dixon, déterminer la valeur critique.

Table de Dixon(valeur critique à 5 %)

n Rc n Rc n Rc3 0,970 12 0,479 21 0,4784 0,829 13 0,611 22 0,4685 0,710 14 0,586 23 0,4596 0,628 15 0,565 24 0,4517 0,569 16 0,546 25 0,4438 0,608 17 0,529 26 0,4369 0,564 18 0,514 27 0,42910 0,530 19 0,501 28 0,42311 0,502 20 0,489 29 / 30 0,417 / 0,412

4) Comparer Rx avec Rc

Si Rx < Rc garder la valeur Rx > Rc rejeter la valeur recalculer la moyenne

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Calcul de l’écart moyenC’est un mode d’évaluation « statistique » de la précision d’une méthode

Exemple :

Équipe Résultat Écart à la moyenne1 10,1 0,22 10,4 0,13 10,3 04 10,5 0,25 10,2 0,1

Moyenne et écart moyen 10,3 (1 seule décimale permise) (0,6/5) donc 0,1 (1 seule décimale permise)

Le résultat est donc donné ainsi: 10,3 0,1 (la valeur moyenne suivie de l’écart moyen).

La précision du résultat est évaluée par l’incertitude relative en pourcentage : plus celle-ci est faible, plus le résultat est précis : ici, elle est égale à 100( 0,1 / 10,3 ), soit 1% (ce qui est très bien comme précision).

L’intervalle de confiance (parfois appelé « la fourchette ») est donc de : 10,2 à 10,4.

L’exactitude du résultat est donnée par sa comparaison avec la valeur de référence. Supposons qu’ici, la valeur de référence soit de 10,8. Cette valeur n’étant pas comprise dans l’intervalle de confiance, on doit conclure que le résultat est inexact. Par contre, si la valeur de référence avait été de 10,2, on aurait conclu que le résultat est exact car compris dans l’intervalle de confiance (sur l’une de ses limites en fait).

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Nom :___________________________

Le travail préparatoire

1. La préparation du détergent doit être faite avec soin car c’est cet échantillon qui sera analysé à la deuxième semaine. Répondez aux questions suivantes se rapportant aux manipulations effectuées pour préparer le détergent.

a) Pourquoi doit-on connaître précisément la masse de détergent hydrolysé ?

b) Quel est le rôle des pierres à ébullition ?

c) Lorsque la réaction d’hydrolyse est complétée, la solution refroidie est vidée dans une

fiole jaugée propre mais pas nécessairement sèche. Pourquoi ?

2. Réaliser les calculs préliminaires requis pour la préparation des 6 solutions étalons diluées (point

2,1 des manipulations). Indiquer, sur votre schéma à l’endroit approprié, les volumes de solution

mère à prélever.

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3. La solution de vanadomolybdate d’ammonium utilisée a été préparée en utilisant une grande

quantité d’acide nitrique concentré à 70%. Chercher dans le Répertoire toxicologique de la

CSST (http://www.reptox.csst.qc.ca/Documents/SIMDUT/GuideFra/Htm/GruideFra.htm) quels

sont les dangers associés à l’utilisation de l’acide nitrique, et quelles sont les manœuvres

d’urgence à accomplir si la peau ou les yeux entrent en contact avec le produit.

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http://www.reptox.csst.qc.ca/Documents/SIMDUT/GuideFra/Htm/GruideFra.htm