TP Chimie  N°05 

Étude spectrophotométrique

 d'un indicateur coloré.

Énoncé.

 

   

 

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Programme 2012 :

Programme 2012 : Physique et Chimie

 

But :  

Déterminer par spectrophotométrie les domaines de

prédominance des formes acide et basique du B.B.T.

Déterminer la constante d’équilibre de la réaction de

cet indicateur coloré avec l’eau.

 

Matériel :

 Spectrophotomètre, pH-mètre, solutions étalons, fiole jaugée de 50 mL, burette graduée de 5 mL, propipette,

 Solution de B.B.T à 0,5 g / L  (200 mL par séance)

 Solution d’acide chlorhydrique à 0,10 mol / L,

 Solution de soude à 0,10 mol / L,

 Solution tampon de pH = 7.  

 DONNEES : B.B.T : Bleu de bromothymol :

 formule brute : C27 H28 Br2 O5 S

 Masse molaire :  M = 624,3832 g / mol

 

I- Principe.

-  Les indicateurs colorés donnent lieu à des transformations non totales en solution aqueuse. Le B.B.T existe sous deux formes :

-  Sa forme acide de teinte jaune que l’on note HInd.

-  Sa forme basique de teinte bleue que l’on note Ind .

-  On mesure, à la même longueur d’onde,

en milieu très acide, l’absorbance Aa de la forme jaune,

en milieu très basique, l’absorbance Ab de la forme bleue

et à un pH intermédiaire, l’absorbance Am d’un mélange des deux formes.

-  On déduit de ces mesures la valeur du pKA du B.B.T.

II- Mode opératoire.

1)- Préparation des solutions.

a)- Préparation de la solution mère S à 0,5 g / L.

Peser 0,1 g de B.B.T. Introduire cette masse dans une fiole jaugée de 200 mL. Ajouter 5 mL d’eau distillée et compléter avec de l’alcool à 90 ° jusqu’au trait de jauge.

b)- Préparation des solutions filles.

Solution

acide

Sa

Verser 2,5 mL de la solution mère S dans une fiole jaugée de 50 mL.

Compléter avec une solution d’acide chlorhydrique de concentration C1= 0,10 mol / L.

Solution ‘’neutre’’ (mélange)

Sm

Verser 2,5 mL de la solution mère S dans une fiole jaugée de 50 mL.

Compléter avec une solution tampon de pH = 7 jusqu’au trait de jauge

Solution

basique

Sb

Verser 2,5 mL de la solution mère S dans une fiole jaugée de 50 mL.

Compléter avec une solution de soude de concentration C2= 0,10 mol / L.

-  On note C la concentration en B.B.T de chacune des solutions.

2)- Mesure du pH.

Avec un pH-mètre étalonné, mesurer le pH de chacune des solutions filles préparées puis compléter le tableau.

Solution

Sa

Sm

Sb

pH

pHa = 1,37

pHm = 7,00

pHb = 12,3

3)- Mesure des spectres d’absorption.

-  Pour chacune des trois solutions filles, on trace le spectre d’absorption A = f (λ).

-  Il faut faire le blanc entre chaque mesure car on change la longueur d’onde λ de la radiation lumineuse.

-  Pour la solution Sa, on fait le blanc avec une solution d’acide chlorhydrique (C 1 = 0,10 mol / L),

pour la solution Sm, on utilise la solution tampon de pH = 7

et pour la solution Sb, on utilise la solution de soude (C2 = 0,10 mol / L).

-  Compléter le tableau :

λ

en nm

A neutre

A acide

A basique

 

λ

en nm

A neutre

A acide

A basique

340

0,354

0,393

0,201

 

520

0,279

0,189

0,391

360

0,366

0,394

0,254

 

540

0,317

0,102

0,591

380

0,433

0,466

0,336

 

560

0,419

0,060

0,861

400

0,558

0,649

0,380

 

580

0,553

0,043

1,167

420

0,591

0,795

0,257

 

600

0,710

0,034

1,473

440

0,550

0,834

0,114

 

620

0,809

0,032

1,638

460

0,475

0,729

0,089

 

640

0,639

0,030

1,314

480

0,377

0,533

0,141

 

660

0,303

0,030

0,635

500

0,301

0,333

0,245

 

680

0,098

0,030

0,203

III- Exploitation des résultats.

1)- Écrire l’équation simplifiée de la réaction entre le B.B.T et l’eau.

     

HInd (aq) H 2O (

=

Ind (aq)  +   H 3O+(aq)

Teinte (1)

jaune

 

Teinte (2)

Bleue

 

2)- donner l’expression de la constante d’équilibre K A de cette réaction.

Puis donner l’expression du pH de la solution en fonction du pKA et des concentrations en acide et base conjuguée.

-  L’expression de la constante d’équilibre se déduit de celle du quotient de réaction à l’équilibre.

-  

 

3)- Quelles sont les formes qui prédominent dans chaque solution ?

-  Dans la solution Sa, qui est très acide, c’est la forme acide qui prédomine : [HInd] >> [Ind ].

-  Dans la solution Sm, dont le pH est voisin de 7  : [HInd] [Ind ].

-  Dans la solution Sb, qui est très basique , c’est la forme basique qui prédomine  : [HInd] << [Ind ].

 

4)- Exprimer les concentrations de HInd et Ind  en fonction de C dans chaque solution.

-  La conservation de la matière permet d’écrire que : [HInd]m + [Ind -]m = C

-  Comme en milieu acide, c’est la forme acide qui prédomine, on peut considérer que pratiquement tout le B.B.T se trouve sous forme acide HInd  car  [HInd] >> [Ind -].

-  Comme en milieu basique, c’est la forme basique qui prédomine, on peut considérer que pratiquement tout le B.B.T se trouve sous forme basique  Ind   car [HInd] << [Ind ].

Solution

Sa

Sm

Sb

Expression

[HInd]a    C

[HInd]m + [Ind ]m = C

[Ind ]b C

 

 

5)- Pourquoi le B.B.T change-t-il de couleur en fonction du pH ?

-  Les deux formes du couple  HInd / Ind ont des teintes différentes.

-  On admet que l'indicateur prend sa teinte basique si : [Ind -] > 10 [HInd]  =>  pH > pKA  +  1  

-  et qu’il prend sa teinte acide si : [HInd] > 10 [Ind ]  =>  pH < pKA    1.

-  La teinte prise par l’indicateur coloré dépend de la valeur du pH.

 

6)- Tracer sur un même graphe Am = f (λ) ; Aa = f (λ) ; Ab = f (λ) .

Déterminer les valeurs des longueurs d’onde λ1 et λ2 correspondant aux maxima d’absorption des espèces HInd et Ind.

-  L'étude du graphique donne : λ1 438 nm  et   λ2 620 nm : 

 

 

7)- On note les absorbances respectives : Aa , Am, Ab .

Appliquer la loi de Beer-Lambert à chacune des trois solutions pour la longueur d’onde λ1.

-  On note les absorbances respectives : A a , A m, A b.

-  Aa = εa . . [HInd]a

-  Am = εa . . [HInd]m + εb . . [Ind -]m

-  Ab = εb . . [Ind -]b

 

8)- exprimer les absorbances en fonction de la concentration C.

En déduire les expressions de εa et εb.

-  

-  

 

9)- Donner l’expression de Am en fonction de Ab et Aa.

-  

 

10)- exprimer Am en fonction de C et [HInd] m .

-  

 

11)- En déduire la relation suivante : .

-  

12)- Pour la longueur d’onde λ2, on note les absorbances respectives : Aa , Am, Ab.

reprendre le même raisonnement à partir de la question 7)-. En déduire la relation :

- 

13)- Donner l’expression du rapport  dans la solution Sn.

- 

Année 2005- 2006

-  lecture du graphe : pour λ 1 :  Aa = 0,840 , Am = 0,560  , Ab = 0,140 .

-  lecture du graphe : pour λ2 : Aa = 0,040 , Am = 0,800  Ab = 1,64.

-  

-  Ce rapport permet de calculer les pourcentages des formes acide et basique  du B.B.T présentent dans la solution.

En renouvelant les calculs pour des solutions de pH différents, on peut tracer le diagramme de prédominance.

 

 

14)- Déterminer la valeur expérimentale de pKA du B.B.T.

-  Valeur du  pKA  du B.B.T.

-  

-  La valeur donnée dans les tables :

-  Valeur du KAi : 

-  KAi  = 10 - pKAi 

-  KAi = 10 – 7,2 

-  KAi  6,3 x 10 – 8 

 

Année 2005- 2006