Bac S 2013 : Contrôle qualité par dosage

Le chapitre « Contrôle qualité par dosage » du programme de TS 2012 – bac 2013 arrive assez tard dans le programme bien qu’il puisse être utilisé dans de nombreux chapitres le précédant (cinétique, transformation en chimie organique), j’ai donc décidé de le traiter dès la fin de ce premier trimestre. Il n’y a pas beaucoup de compétences exigibles en apparence (4 seulement) mais il faut se méfier de l’arbre qui cache la forêt… Voyons cela en détail :

Je sais déterminer la concentration d’une espèce à l’aide de courbes d’étalonnage en utilisant la spectrophotométrie et la conductimétrie, dans le domaine de la santé, de l’environnement ou du contrôle de la qualité.

Le principe de la détermination d’une concentration par étalonnage est assez simple. Il consiste à étudier une grandeur physique qui dépend de la concentration. Lorsque l’espèce chimique étudiée donne une couleur à la solution, on utilisera tout naturellement l’absorbance tandis que lorsque l’espèce chimique est ionique, on mènera une étude conductimétrique. Dans les deux cas, la grandeur physique (A pour l’étude colorimétrique, ?, la conductivité en conductimétrie) est proportionnelle  à la concentration. Pour l’absorbance, il s’agit de la loi de Beer-Lambert :

A = k.c

Pour la conductimétrie, c’est la loi de Kohlraush :

?=??i.[Xi]

Bon, ici les choses peuvent vite devenir très compliquée (rien que le nom des lois…), il y a ?i dans l’expression, il va falloir expliquer ce que c’est et je vais vous embrouiller pour rien. Donc on retiendra que A et ? sont proportionnels à la concentration de la solution et qu’on a des appareils pour mesurer A et ? directement. Ainsi, en prenant un jeu de solution de concentrations différentes, on peut tracer A ou ? en fonction de c.

Monsieur, Quand on trace A en fonction de c, A il est en abscisse ou en ordonnée ?

Il est en ordonnée comme dans y en fonction de x.

On obtient donc des trucs du genre :

Ensuite, on mesure A ou ? pour la solution dont on veut déterminer la concentration. Par exemple, A=0,450. Et là, on a deux solutions : soit on détermine le coefficient directeur de la droite et on calcule la concentration correspondante, soit on fait une résolution graphique.

La première méthode nous donnera quelque chose du genre : coeff directeur=0,30/0,50=0,60 donc A=k.c où k=0,60. Ainsi, pour A=0,450, on trouve c=A/k=0,450/0,60=0,075 mg/L. Vous avez fait attention aux chiffres significatifs ?

0,075 mg/L qu’on peut également trouver graphiquement en reportant A=0,450 sur la droite et en lisant la concentration correspondante :

Je sais établir l’équation de la réaction support de titrage à partir d’un protocole expérimental.

Déjà, il faut comprendre la différence entre dosage et titrage. Un dosage est une méthode consistant à déterminer une concentration d’une espèce chimique. Un titrage est un dosage mettant en oeuvre une transformation chimique. Le titrage est donc toujours destructif puisque l’espèce titrée est détruite dans la réaction de titrage.

Généralement la réaction à écrire est soit une réaction d’oxydo-réduction, soit une réaction acido-basique. Je vous laisse regarder les pages correspondante où cela a déjà été traité.

Je sais déterminer la concentration d’une espèce chimique par titrage par le suivi d’une grandeur physique et par la visualisation d’un changement de couleur, dans le domaine de la santé, de l’environnement ou du contrôle de la qualité.

Dans un titrage, on détermine la concentration inconnue en ajoutant une espèce chimique qui va consommer toute l’espèce dont on veut déterminer la concentration. Le truc c’est d’arriver à déterminer l’équivalence qui est le moment où le réactif titrant (celui dont on connaît la concentration) a été introduit en quantité suffisante pour éliminer tout le réactif à titré et pas plus. Dit autrement -comme un chimiste- l’équivalence c’est le moment où les réactifs ont été introduit dans les proportions stœchiométriques. Dans ces conditions, on peut écrire une relation entre les quantités de réactifs titrant et titré :

n(réactif titrant)/coeff stoechio(titrant) = n(réactif titré)/coeff stoechio(titré)

Le problème c’est que lorsqu’une espèce chimique disparaît elle le fait de manière plutôt discrète. Il faut donc trouver un truc pour arriver à déterminer le moment où une espèce chimique disparaît.

Si les espèces chimiques titrée ou titrante ont le bon goût de donner une couleur à la solution, tout va bien. Il suffit de surveiller le changement de couleur de la solution. Dans ce cas, on parle de titrage colorimétrique. Voici ce que cela donne (merci à Isabelle Taride et Jean-Claude Desarnaud, professeurs dans l’académie d’Aix-Marseille) en animation : titrage_redox.

Dans le cas où les solutions ne sont pas colorées, il faut trouver une autre ruse pour déterminer l’équivalence. Si on souhaite titrer un acide par une base ou une base par un acide, on peut faire un titrage ph-métrique. Voilà ce que ça donne (et encore merci à Isabelle et Jean-Claude pour leur excellent travail) en animation : titrage_ph

Vous avez cliqué sur la pipette pour voir comment on s’en sert ? Voici l’animation : pipette_titrage. Et pour la burette ? Encore une belle animation : burette_titrage.

Je sais interpréter qualitativement un changement de pente dans un titrage conductimétrique.

Et lorsqu’on ne cherche pas à déterminer la concentration d’un acide ou une base, ni d’une espèce chimique colorée en solution, comment faire ? Si c’est un ion, il reste une solution : le titrage conductimétrique. Cette fois-ci, on titre un ion à l’aide d’un autre ion qui le fait précipiter.

Prenons un exemple : si l’on veut déterminer la concentration des ions chlorures, on peut utiliser des ions argents. En effet, ceux-ci réagissent et forment un précipité selon la réaction :

Ag+(aq) + Cl(aq) ? AgCl(s) (1)

Prenons une solution de chlorure de potassium (K++Cl), que l’on titre à l’aide d’une solution de nitrate d’argent (Ag++NO3). Avant d’avoir versé la moindre goutte de nitrate d’argent, la conductivité s’exprime : ?=?K+.[K+]+?Cl-.[Cl].

Après avoir versé de la solution de nitrate d’argent, les ions chlorures ont disparu dans la réaction (1) tandis qu’il est apparu des ions nitrates NO3 dans la solution. Pour un ion chlorure disparu, il y a eu un ion argent versé avec son ion nitrate. Les ions chlorures manquant sont donc remplacés par des ions nitrates. Comme ceux-ci ont une conductivité moindre, la conductivité de la solution diminue.

Ce processus va continuer jusqu’à l’équivalence. Moment où tous les ions Chlorures auront été remplacés par des ions nitrates et où la conductivité s’écrira : ?=?K+.[K+]+?NO3-.[NO3].

Après l’équivalence, les ions argents seront en excès et ne vont donc plus être consommés par les ions chlorures. Ils vont donc (enfin) participer à la conductivité de la solution : ?=?K+.[K+]+?NO3-.[NO3]+?Ag+.[Ag+] qui va se mettre à augmenter.

L’ensemble nous donne quelque chose comme cela :

pour lequel on détermine l’équivalence au minimum de la conductivité.

Ouf ! Nous sommes venu à bout des méthodes de titrage à connaître pour le bac S 2013.

En chimie, tout est affaire d’affinité

Non pas entre l’étudiant et la matière mais entre les éléments. Voyons cela en image.

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Le Néon, Ne, est un gaz noble que l’on trouve tout au bout de la classification périodique. Sa couche électronique externe étant pleine, il n’est attiré par aucun autre élément, pas même un bogoss Hydrogène.

Par contre un atome de carbone doit échanger quatre électrons avec d’autres atomes pour stabiliser ses couches électroniques. Il peut ainsi attirer 4 atomes d’Hydrogène et former le méthane.

Le Chlorure de Sodium est toujours de la fête. Sans lui, la vie est un peu terne, manquant de sel. Ce qui les attire ? Une attraction électrique irrépressible. Le chlorure, Cl, est un anion, chargé négativement et le sodium, Na, un cation chargé positivement. Comme deux charges opposés s’attirent rien ne semble pouvoir les séparer. A moins que la fée électricité n’y mette son grain de sel…

Les atomes d’oxygène, O, à qui il manque 2 électrons pour se stabiliser peuvent échanger des électrons entre eux de sorte à former le dioxygène. C’est aussi le cas du diazote. Ce sont les deux composants majeurs de l’atmosphère. Mais que deux molécules de dihydrogène passe par là et la réaction entre les deux est explosive. Tellement explosive que c’est le principe utilisé pour faire décoller les fusées. Et qu’obtient-on ? De l’eau tout simplement.

D’ailleurs, à propos d’eau, ne vous avisez pas à lui présenter des atomes de potassium sous forme métallique, ça finit toujours mal entre eux deux ! Le potassium est capable de briser les liaisons entre l’oxygène et l’hydrogène, produisant du dihydrogène. Capable à son tour de réagir avec l’oxygène de l’air. La preuve en image :

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La nomenclature en chimie organique pour le bac 2013

Un petit point sur la nomenclature de chimie organique. En fouillant un peu dans mon blog, j’ai retrouvé un vieil article sur la nomenclature (de 2007, on est vite vieux sur internet !), il n’est plus tout à fait à jour pour le bac version 2013 et je vais tenter de le dépoussiérer un peu. Pour ce dernier, deux compétences exigibles du programme correspondent à ce thème :

Je sais associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas des alcools, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide.

Je connais les règles de nomenclature de ces composés ainsi que celles des alcanes et des alcènes.

Il y a donc beaucoup de choses à savoir et un petit récapitulatif ne peut pas faire de mal. Les règles importantes sont mises en exergue. Les ramifications sont notées de la manière suivante :

 CH3-CH-CH2-CH3
.         |
.        CH3
 CH3-CH(CH3)-CH2-CH3

Construire le nom : exemple des alcanes

Pour donner un nom à un alcane, on commence par compter le nombre de carbone de la chaîne carbonnée qui a le plus de carbone (si l’alcane est ramifié) et on lui donne comme nom en fonction du nombre de carbone :

methane (pour 1 carbone), éthane (2), propane (3), butane (4), pentane (5), hexane (6), heptane (7), octane (8), nonane (9), decane (10).

A priori, pour le bac, on devrait pouvoir s’arrêter à 8 atomes de carbone.

Dans le cas où l’alcane est ramifié, on rajoute avant le nom de la molécule : méthyl, éthyl, propyl, etc… selon le nombre d’atomes de carbone de la branche, précédé du numéro de l’atome de carbone qui porte la ramification.

Il faut commencer à numéroter de sorte à obtenir les plus petits nombres possibles

par exemple : CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3. Il y a 5 atomes de carbones sur la chaîne la plus longue c’est donc un pentane. Il y a une ramification avec un atome de carbone (méthyl) porté par le carbone n° 2 (on part de gauche pour avoir le plus petit nombre possible). Le nom de la molécule est donc 2-méthylpentane

Autre exemple : CH3-CH(CH3)-CH2-CH(C2H5)-CH2-CH3. Il y a 6 atomes sur la chaîne la plus longue : c’est un hexane. Il y a 2 ramifications, l’une avec 1 atome de carbone (méthyl) et l’autre avec 2 atomes (éthyl). Le nom complet est donc : 4-éthyl-2-méthylhexane

Lorsqu’il y a plusieurs ramifications, on les classe par ordre alphabétique.

Lorsqu’il n’y a pas d’ambiguité sur la position de la ramification, on ne précise pas sa position. Exemple : dans le cas du méthylpropane, le groupement méthyl est forcément sur le carbone du milieu.

Exercice : les molécules suivantes sont mal nommées, corriger le nom : 2-méthylbutane, 3 propylpropane, éthylpropane

Les groupes caractéristiques

Un groupe caractéristique est un ensemble d’atomes composé :

  • soit d’atomes autres que des carbones et des hydrogènes
  • soit de liaisons doubles ou triples

Voici les différentes familles de molécules que l’on rencontre au lycée (où R, R’ et R » représentent des groupement alkyle, c’est à dire ne contenant que des atomes de carbone et d’hydrogène) :

Groupe
caractéristique
Famille Nomenclature : suffixe ou préfixe Exemple
C=C Alcène -ène Propène
R-OH Alcool -ol 2-méthylpentan-1-ol
R-CH=O Aldéhydes -al 3-méthylbutanal
R-CO-R’ Cétone -one 2-éthylpentan-3-one
R-COOH Acide carboxylique acide …-oïque Acide butanoïque
R-COO-R’ Ester …-oate de …-yle Pentanoate d’éthyle
R-N(R »)-R’ Amine -amine propan-2-amine, N-éthyl-butan-1-amine, N-méthyl-N-éthyl-propan-2-amine
 R-CO-N(R »)-R’  Amide  -amide N-éthyl-3-méthylpentanamide

Les règles de nomenclature de ces familles sont issues de celles des alcanes pour le nom des molécules et pour les ramifications. On rajoute les règles suivantes :

La chaîne carbonée principale doit contenir la fonction principale qui donne le nom à la molécule

On indique la position de la fonction avant le suffixe de la fonction

Ex : CH3-CH2-CH=CH-CH3 est le pentan-2-ène.

La fonction principale doit avoir le plus petit numéro possible

Ainsi, pour les aldéhydes et les acides carboxyliques, l’atome portant la fonction a toujours le numéro 1.

Exemple : CH3-CH2-CH(COOH)-CH2-CH2-CH3 est l’acide 2-éthyl-pentanoïque alors que la chaîne la plus longue contient 6 atomes de carbone mais ne contient pas la fonction principale.

Pour les amines et les amides, les groupements alkyles portés par l’azote sont ajoutés avant la chaîne principale précédé de N.

Exemple pour les amines : CH3-CH2-CH(CH3)-N(CH3)-C2H5 se nomme la N-éthyl-N-méthyl-1-méthylpropanamine.

Exemple pour les amides : CH3-CH2-CH2-CO-NH-CH3 se nomme la N-méthylbutanamide.

A titre d’exercice, on pourra s’entraîner à écrire la formule semi-développée des exemples du tableau.

Réactions d’estérification et hydrolyse : ce qu’il faut en retenir

Il paraîtrait que je ne fais pas assez d’articles sur les connaissances exigibles de chimie. En voici donc un pour remédier à cela. N’oubliez pas, les connaissances exigibles sont celles qui sont nécessaires et à priori suffisantes pour obtenir une bonne note sur une épreuve de bac. On doit donc toujours commencer par cela et également, une fois les révisions effectuées, finir par cela pour vérifier ses connaissances.

Comme d’habitude, on trouvera ci-dessous les connaissances exigibles du programme officiel en gras suivi de mon commentaire.

  • Reconnaître dans la formule d’une espèce chimique organique les groupes caractéristiques : – OH, – CO2H, – CO2R, – CO – O – CO –.

– OH : les alcools. Nom : …-ol. Ex. : CH3-CH2-CH(OH)-CH3 est le butan-2-ol

– CO2H : acides carboxylique. Nom : acide ….-oïque. Ex. : CH3-CH2-COOH est l’acide propanoïque

– CO2R : esters. Nom : …-oate de …yle. Ex. : CH3-COO-CH3 est l’éthanoate de méthyle

– CO – O – CO – : anhydride d’acide. Nom : anhydride …oïque Ex. : H-CO-O-CO-CH3 est l’anhydride éthanoïque méthanoïque

  • Écrire l’équation des réactions d’estérification et d’hydrolyse.

Réaction d’estérification :

R-COOH + R’-OH = R-COO-R’ + H20

ac. carbo. + alcool = ester + eau

Hydrolyse, la même chose à l’envers :

R-COO-R’ + H20 = R-COOH + R’-OH

ester + eau = ac. carbo. + alcool

  • À partir de la formule semi-développée d’un ester, retrouver les formules de l’acide carboxylique et de l’alcool correspondants.

Pour trouver l’acide carboxylique et l’alcool correspondant, on « coupe » (mentalement) l’ester après le deuxième oxygène et on met un hydrogène du côté du COO et un groupement hydroxyle HO de l’autre côté : R-COO-R’ est issu de R-COOH et HO-R’.

Ainsi, l’éthanoate de méthyle CH3-COO-CH3 est issu l’acide éthanoïque CH3-COOH et du méthanol CH3-OH

  • Savoir nommer les esters comportant cinq atomes de carbone au maximum.

Pour nommer on utilise toujours les mêmes règles :

  1. 1 C ? méth-
    2 C ? éth-
    3 C ? prop-
    4 C ? but-
    5 C ? pent-

  2. le nom de l’ester …-oate de …-yle est formé à partir des chaînes les plus longues

  3. Les groupements alkyle (-CH3, -CH2CH3, -CH2CH2CH3, etc.) se comptent à partir du groupement -COO-

Ce qui donne quelque chose comme :

CH3-CH2-CH(CH3)-COO-CH2-CH3 se prénomme 2-méthyle butanoate d’éthyle

  • Savoir que les réactions d’estérification et d’hydrolyse sont inverses l’une de l’autre et que les transformations associées à ces réactions sont lentes.

Tout est dit, que rajouter ? Peut-être peut-on rappeler que puisqu’elles sont lentes, on peut améliorer la cinétique en augmentant la température. Ce qui justifie l’usage du montage à reflux pour faire une estérification.

Tiens, d’ailleurs, à ce propos, une question classique : quel est l’intérêt du reflux dans ce montage ? La réponse est : conserver les réactifs et les produits de la synthèse dans le milieu réactionnel.

  • Savoir qu’un catalyseur est une espèce qui augmente la vitesse d’une réaction chimique sans figurer dans l’équation de la réaction et sans modifier l’état d’équilibre du système.

Il me semble qu’il n ‘y a pas grand chose à rajouter. Si ce n’est que l’une des questions classique des sujets est : est-il intéressant d’augmenter la quantité du catalyseur pour augmenter le rendement de la réaction ? La réponse est non puisque le catalyseur ne modifie pas l’état d’équilibre du système.

  • Savoir que l’excès de l’un des réactifs et/ou l’élimination de l’un des produits déplace l’état d’équilibre du système dans le sens direct.

Ça, on le savait déjà puisqu’on l’a appris dans le chapitre sur les équilibres chimiques : lorsqu’on perturbe un équilibre chimique, le système évolue toujours de sorte à éliminer la cause de la perturbation. Ainsi, lors d’un excès de réactif, le système chimique tend à consommer le réactif en excès en déplaceant l’équilibre dans le sens direct. De la même façon, en éliminant un des produits, on maintient le quotient de réaction inférieur à sa valeur d’équilibre ([produit]=0 -> Qr=0) et le système évolue dans le sens direct jusqu’à avoir consommé tous les réactifs. Dans les deux cas, le rendement (quantité de produit obtenu sur la quantité de produit que l’on pourrait obtenir si la réaction était totale) est amélioré.