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TP : Decoloration de la phenolphtalene

La phenolphtalene est indicateur colore dacido-basicite bien connu. Sa zone de virage est 8, 09, 9. Pour un pHinferieur a 8, 0, elle est incolore. Pour un pH superieur a 9, 9, elle est rose violette. Resumer son comportementa ces deux affirmations est un peu trop simplificateur. Pour des valeurs de pH superieur a 12, la forme coloreede la phenolphtalene PHCol reagit avec les ions hydroxydes HO pour former un autre compose incolore quenous noterons PHIncol selon la reaction :

PHCol+ HO PHIncol

Nous allons etudier la cinetique de cette reaction qui conduit a un etat dequilibre.

A. Principe de la spectrophotometrie

La spectrophotometrie est basee sur la mesure de lintensite dun faisceau lumineux de longueur donde absorbepar la solution quil traverse, voir la figure 1.

I0

Is

x x+ dx

l

I(x) I(x+ dx)

Fig. 1 Loi de Beer-Lambert

La loi de Beer-Lambert suppose que lintensite absorbee par une tranche dx de solution de concentration c enlelement absorbant est proportionnelle a lintensite arrivant I(x) et a la concentration c :

I(x+ dx) I(x) = cI(x)dx

ou est labsorption molaire qui depend de . Par consequent, on en deduit que lintensite verifie lequation

differentielledI

dx+ cI(x) = 0. Lintensite est alors I(x) = I0 exp(cx). Apres la traversee de la solution, on

obtient : Is = I0 exp(c). Le spectrophotometre donne directement labsorbance A (ou densite optique) dela solution definie par :

A = logI0Is

= c

Par consequent la mesure de la densite optique A est un moyen de mesurer une concentration ou bien encorede suivre son evolution au cours du temps ce qui peut etre utile dans une etude de cinetique chimique.

B. Aspect theorique

La cinetique de la reaction sera etudiee dans lhypothese ou pour chaque sens de reaction, lordre est egal ala molecularite. On notera k1 la constante de vitesse du sens (1) et k2 la constante de vitesse du sens (2). Ilest important de relever, des maintenant, que k1 et k2 nont pas la meme dimension et, par consequent, nesexpriment pas dans la meme unite.La reaction sera etudiee dans un contexte de degenerescence de lordre puisque les ions HO seront en largeexces par rapport a la phenolphtalene. On notera a la concentration en PHCol et b a la concentration enions hydroxydes.

1. Dans ces conditions, on montrera que, si est lavancement de la reaction, la loi cinetique est :

d

dt= k

1(a ) k2 avec k

1= k1b

2. Integrer cette loi et exprimer lavancement de la reaction en fonction du temps et en fonction de la valeurde lavancement a lequilibre eq quon definira en fonction des donnees.

Letude cinetique sera effectuee par spectrophotometrie dabsorption basee sur la loi de Beer-Lambert. SeulPHCol absorbe dans le visible (dou sa couleur rose) a = 550 nm. Labsorbance de la solution obeira donc a laloi suivante :

A = [PHCol]

ou est le coefficient dextinction molaire de la PHCol a = 550 nm et la longueur de cuve traversee par lefaisceau lumineux. Soit A labsorbance a une date t quelconque, A0 labsorbance a la date t = 0 (A0 = a) etAeq labsorbance a lequilibre. Montrer que la loi cinetique, conduit a :

JR Seigne Fauriel St Etienne

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ln(AAeq) = k

1

A0A0 Aeq

t+ ln(A0 Aeq)

Cest cette relation que nous allons essayer de verifier experimentalement.

C. Experience

3. On placera des le debut de la seance 100 mL dune solution de soude NaOH de concentration 0, 05 mol L1

dans le becher a circulation deau chaude. On realise ainsi un thermostat qui sera regle a 35 C.

4. Lexperience a realiser est relativement simple. A la date t = 0, on versera 1 mL de phenolphtalene dansla solution de soude et a des dates precises (si possible. . . ) on prelevera environ 3 mL de solution coloree afinden mesurer labsorbance.

5. Lutilisation du spectrophotometre se fera en absorbance (soit directement sur lappareil, soit par ABS dansle menu de lordinateur) a = 550 nm apres avoir realise le zero de lappareil de la facon suivante :

Prendre une petite cuve, si une de ses faces nest pas aisement reperable, faire un point avec un feutre nonsoluble dans leau vers le bord superieur dune des faces. Ce repere sera important pour toutes les mesures caron utilisera toujours la cuve de telle sorte que le faisceau lumineux traverse a chaque fois les memes faces. Ilfaudra eviter de mettre ses doigts sur les deux faces traversees par le faisceau.Faire le zero de lappareil en remplissant la petite cuve avec la solution de soude de depart. Vider la cuve, larincer avec un peu deau distillee. La cuve est alors prete a etre utilisee pour faire des mesures.A chacune des dates precisees ci-dessous, on mesurera labsorbance de la solution coloree.

Dates( mn) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 23 26 30 45 60A

Mesures

6. Verser 1 mL de phenolphtalene dans la solution de soude, agiter afin dhomogeneiser avec un agitateur enverre. Declencher aussitot le chronometre. Il faut environ 30 secondes pour effectuer le prelevement, il faudradonc surveiller le chronometre et commencer loperation de prelevement 30 secondes avant la date a laquelle ondesire mesurer labsorbance.

7. Pipeter environ 3 mL de la solution coloree, remplir au 3/4 la petite cuve. Le reste de la pipette sera remisdans le becher thermostate. Placer la cuve dans le spectrophotometre et mesurer labsorbance.

8. Apres la mesure, reverser le contenu de la cuve dans le becher thermostate. Cela est possible car la mesurenaltere pas le contenu de la cuve, a lexception du refroidissement qui sen suit. Rincer la cuve avec un peudeau distillee. Passer a la mesure suivante.

9. Afin de mesurer labsorbance a lequilibre, il faut quon soit a lequilibre ou quasiment. Cest pourquoi, oneffectuera des mesures aux environs de 45min, puis de 60min afin dobserver le fait que labsorbance A variepeu. La valeur de labsorbance apres une heure de reaction devrait pouvoir etre assimilee a Aeq.

10. Afin de comprendre pourquoi les mesures dabsorbance ont ete effectuees a = 550 nm, on utiliseraloption SPECTRE du logiciel afin de tracer un spectre dabsorption de la phenolphtalene dans le domainevisible. Conclure.

D. Exploitation des mesures

Comme on la vu dans la partie theorique, le graphique :

ln(AAeq) = f(t)

est affine.

11. Aussi sur un papier millimetre, on tracera cette fonction pour t compris entre 0 et 30 minutes.

12. On en deduira que les hypotheses faites sur les ordres sont satisfaisantes.

13. Grace au graphique, on determinera labsorbance A0 (non mesuree) de la solution coloree a la date t = 0.

14. Ensuite, on calculera successivement les valeurs de k1, k1 et k2. On prendra garde a exprimer chacune de

ces constantes de vitesses avec son unite.

15. Si vous souhaitez exploiter les mesures par informatique a laide de Synchronie par exemple vous aveztotale liberte de prendre les initiatives que vous jugerez utiles.

16. Sil vous reste du temps, il serait interessant de manipuler le logiciel Simultit afin de simuler des courbesde dosages acido-basiques qui en fonction de leur zone de virage peuvent ou non utiliser la phenolphtalene. Iciaussi, vous pouvez prendre toutes les initiatives que vous voudrez.

JR Seigne Fauriel St Etienne