Détermination d'une concentration en nitrate grâce à une échelle de teintes (niveau Seconde 3ème partie; 1ère S 1ère partie)

Une eau est certifiée potable si elle répond à un certain nombre de critères. Une norme européenne précise que la teneur de cette eau en ions nitrate ne doit pas excéder 50 mg.L^-1. On s'intéresse à deux échantillons de la nappe de Beauce. Afin de connaître leur teneur en ions nitrate, on prépare tout d'abord une échelle de teintes.

1. Préparation de l'échelle de teintes.

1.1. On prépare la solution notée S_mère en dissolvant 129 mg de nitrate d'ammonium (de formule brute NH₄NO₃) dans 1,0 L d'eau distillée. On obtient alors une solution de concentration massique (ou teneur) égale à 100 mg.L^-1.
Pour cela on dispose : d'une fiole jaugée d'un litre (avec bouchon), d'une spatule, d'un entonnoir, d'un sabot, d'une balance électronique et d'une pissette d'eau distillée.
     -  Décrire les différentes étapes de cette préparation.
On ajoute dix gouttes d'acide 2,4-phénoldisulfonique à cette solution mère. La solution prend une coloration jaune.

1.2. On dilue ensuite cette solution afin d'obtenir quatre solutions filles notées S₁ à S₄. Les données utiles à ces préparations sont regroupées dans le tableau ci-dessous.

solutions	S1	S2	S3	S4
teneur (mg.L-1)	10	25		80
facteur de dilution K	10
volume prélevé de solution Smère Vprel (mL)	2,5		25,0	20,0
Volume de la solution fille Vfille (mL)	25,0	50,0	50,0

1.2.1. Compléter la deuxième colonne en justifiant très précisément votre réponse et en vous aidant éventuellement de la première colonne.
1.2.2. De même pour la troisième colonne.
1.2.3. De même pour la quatrième colonne.
1.2.4. Dans la liste suivante, choisir le matériel nécessaire à la préparation de la solution S₁. Justifier rapidement
pipette jaugée de 25,0 mL         pipette graduée de 10,0 mL            poire à pipeter            fiole jaugée de 25,0 mL     
becher de 50,0 mL                    éprouvette graduée de 25 mL

2. Détermination d'un encadrement des concentrations des échantillons

On verse 10 mL de chacune des cinq solutions ainsi préparées dans un tube à essais. Dans les sixième et septième tubes à essais, on verse 9,8 mL de chacun des échantillons et on ajoute 10 gouttes d'acide 2,4-phénoldisulfonique. On obtient alors les solutions S₆ (issue de l'échantillon 1) et S₇ (issue de l'échantillon 2).
On constate que S₆ a une teinte comprise entre celles des solutions S₂ et S₃; que S₇ a une teinte comprise entre celles de ssolutions S₄ et S_mère.
En déduire, en justifiant, si l'eau prélevée dans ces deux échantillons répond à ce critère de potabilité.

 Attention, la question 3 n'est faisable que si en cours, les élèves ont vu un colorimètre et que le professeur leur a expliqué l'intérêt de mesurer des absorbances.

3. Utilisation de l'absorbance
Afin d'affiner la détermination de la concentration de l'échantillon 1, on mesure l'absorbance A (qui est proportionnelle à la teneur) des cinq solutions (S_mère, S₁ à S₄) et on trace la courbe d'étalonnage suivante.

 

3.1. Compléter la figure 1 afin de présenter correctement ce graphique.
3.2. On mesure de même l'abosrbance de S₆ et on trouve A = 0,50
3.2.1. Déterminer, par une construction graphique soignée, la teneur de l'échantillon 1 en ions nitrate.
3.2.2. Votre résultat est-il cohérent avec votre réponse du 2 ?


Réponses

1.1. 7 étapes pour préparer une solution par dissolution d'un solide:
       - peser très exactement 129 mg de solide dans un sabot à l'aide d'une spatule après avoir taré la balance ;
       - transvaser quantitativement le solide dans la fiole jaugée de un litre à l'aide d'un entonnoir ;
       - rincer le sabot et l'entonnoir à l'aide de l'eau distillée et recueillir l'eau de rinçage dans la fiole jaugée ;
       - compléter avec de l'eau distillée jusqu'au col de la fiole ;
       - agiter jusqu'à dissolution complète du solide ;
       - compléter jusqu'au trait de jauge tel que le bas du ménisque affleure le trait de jauge ;
       - agiter pour homogénéiser.

1.2.1 à 1.2.3. Il faut utiliser les formules suivantes : K = c_mère / c_fille = V_fille / V_mère

solutions	S1	S2	S3	S4
teneur (mg.L-1)	10	25		80
K	10
Vprél (mL)	2,5		25,0	20,0
Vfille (mL)	25,0	50,0	50,0

1.2.4. Comme le volume de solution mère prélevée est de 2,5 mL, il faut utiliser une pipette graduée de 10,0 mL surmontée d'une poire à pipeter. Comme le volume de la solution fille est de 25,0 mL, il faut utiliser une fiole jaugée de 25,0 mL. Enfin, comme il ne faut jamais prélever directement la solution mère dans le flacon d'origine (par crainte de souiller toute la solution mère), il est nécessaire de verser de la solution mère dans un becher avant d'utiliser la pipette.

2. L'échelle des teintes permet de classer les solutions de la plus diluée (intensité de couleur la plus faible) à la plus concentrée (intensité de la couleur la plus élevée).
On en déduit alors que l'échantillon 1 a une concentration comprise entre celle de la solution S₂ et celle de la solution S₃ : 25 < c₁ < 50 (mg.L^-1)
et que l'échantillon 2 a une concentration comprise entre celle de la solution S₄ et celle de la solution mère : 80 < c₂ < 100 (mg.L^-1)
On en conclut que seul l'échantillon 1 répond au critère de potabilité.

3.1. Il manque un titre, le nom des axes et la droite.
3.2.1. La construction graphique permet de déterminer la teneur de l'échantillon 1 : 33 mg.L^-1
3.2.2. Ces deux réponses sont compatibles puisque 25 < 33 < 100