Eau et contrôle qualité Exercice type bac

Analyse d'une eau minérale

Le goût n'est pas suffisant pour connaître avec précision la concentration d'une espèce dissoute dans une eau de boisson. Les normes (en particulier les critères de potabilité) imposent la détermination précise de la concentration de nombreuses espèces chimiques dissoutes dans les eaux, comme par exemple celle des ions hydrogénocarbonate présents dans une eau minérale. Le travail du chimiste dans l'analyse des eaux n'est pas seulement qualitatif, il est surtout quantitatif.

L'objectif de ce problème est de savoir si l'eau minérale analysée par un technicien chimiste répond à un des critères de potabilité imposés à l'eau du robinet.

Document 1

Les eaux minérales

D'après les sites www.coursdeau.com/junior, www.doctissimo.fr et www.wikipédia.org

Les eaux minérales sont des eaux de source qui présentent des propriétés particulières : elles contiennent des minéraux et des oligo-éléments qui peuvent leur conférer certaines vertus thérapeutiques. En France, une eau ne peut être qualifiée de "minérale" que si elle a été reconnue par l'Académie nationale de médecine.
Cependant, les eaux minérales n'obéissent pas aux normes de potabilité des eaux du robinet ou des eaux de source.
Une eau minérale ne respecte donc pas forcément les critères d'une eau potable.
Une eau minérale n'en est pas pour autant impropre à la consommation. Ses qualités thérapeutiques proviennent même de sa forte minéralisation.

Concentration massique en mg.l^-1 de quelques ions dans une eau minérale (précision à 5%)	Contrex	Évian	Courmayeur	Volvic
Sodium \ce{Na+}	9,1	5	1	9,4
Calcium \ce{Ca^{2+}}	486	78	517	9,9
Magnésium \ce{Mg^{2+}}	84	24	67	6,1
Hydrogénocarbonate \ce{HCO3-}	403	357	168	65,3

Document 2

Titre alcalimétrique et titre alcalimétrique complet

Dans les eaux minérales destinées à l'alimentation, l'alcalinité (synonyme de basicité) est principalement due à la présence d'ions carbonate \ce{CO3^{2–}} et hydrogénocarbonate \ce{HCO3^{–}}.
L'alcalinité d'une eau est déterminée à l'aide de titrages réalisés avec un acide fort.
Par convention, on exprime cette alcalinité par le Titre alcalimétrique (TA) et par le Titre alcalimétrique complet (TAC) ; ces deux titres sont exprimés en degré français (°f ).
Le TA d'une eau permet de connaître la teneur d'une eau en ions carbonate et en bases fortes grâce à un titrage en présence de phénolphtaléine.
Le TAC permet de connaître la teneur d'une eau en bases fortes, en ions carbonate et hydrogénocarbonate grâce à un titrage en présence de vert de bromocrésol rhodamine.
Le TAC, exprimé en degrés français (°f), est la valeur du volume d'acide (exprimée en ml) à une concentration molaire C_A = 0{,}0200 mol.l^-1 en ions oxonium \ce{H3O^{+}} nécessaire pour doser 100,0 ml d'eau en présence de vert de bromocrésol rhodamine.
Le TAC peut être déterminé aisément dans le cas d'une eau minérale dont le pH est inférieur à 8,2 car, dans ce cas, l'eau contient uniquement comme bases des ions \ce{HCO3^{–}} et ne contient pratiquement pas d'ions carbonate \ce{CO3^{2–}}. Pour cette eau, une valeur de TAC d'un degré français (1°f) équivaut alors à 12,2 mg.l^-1 d'ions hydrogénocarbonate (\ce{HCO3^{–}}).

Le TAC doit être inférieur à 50°f pour une eau potable.

Masse molaire des ions hydrogénocarbonate \ce{HCO3^{–}} : M = 61{,}0 g.mol^-1

Document 3

Diagramme de distribution, en fonction du pH, des différentes espèces chimiques des couples acide/base dans lesquels sont engagés les ions hydrogénocarbonate et carbonate

Couples acido-basiques et pKa :

\ce{CO2,H2O_{(aq)} / HCO3^{–}_{(aq)}} : pKa_1 = 6{,}4
\ce{HCO3^{–}_{(aq)} / CO3^{2–}_{(aq)}} : pKa_2 = 10{,}3

Document 4

Zone de virages de quelques indicateurs colorés

Indicateur coloré	Couleur		Zone de virage	Largeur de la zone de virage
Indicateur coloré	Forme acide	Forme basique	Zone de virage	Largeur de la zone de virage
Bleu de bromophénol	Jaune	Bleu	3,4 - 4,5	2,4
Vert de bromocrésol rhodamine	Jaune	Bleu	3,8 - 5,4	1,6
Bleu de bromothymol	Jaune	Bleu	6,0 - 7,6	1,6
Phénolphtaléine	Incolore	Rose	8,2 - 10,0	1,8

Document 5

Analyse de l'eau minérale réalisée par le technicien chimiste

Le titrage a été effectué sur un échantillon prélevé de volume V = 50{,}0 ml d'eau minérale à étudier. Cet échantillon a été titré par une solution d'acide chlorhydrique de concentration molaire C_A = 0{,}0200 mol.l^-1 en ions \ce{H3O+}.

Le suivi par pHmétrie de ce titrage a amené le technicien chimiste à tracer la courbe d'évolution du pH en fonction du volume d'acide versé pH = f\left(VA\right) sur le graphe ci-dessous.

D'après les données et les connaissances acquises, quelle proposition justifie correctement l'affirmation suivante qui figure dans les données sur le TAC ?

"On détermine le TAC si le pH d'une eau est inférieur à 8,2 car dans ce cas, l'eau contient pratiquement et uniquement des ions \ce{HCO3^{–}} et ne contient pratiquement pas d'ions carbonate \ce{CO3^{2–}} ".

D'après les données de l'énoncé, on sait que le pKa du couple \ce{HCO3^{-}_{(aq)}} / \ce{CO3^{2-}_{(aq)}} vaut 10,3, ce qui signifie que pour un pH inférieur à 8,2, l'espèce prédominante du couple est l'acide \ce{HCO3^{-}_{(aq)}} qui est à la fois acide du couple précédent et base du couple formé avec \ce{CO2,H2O_{(aq)}} − et quasiment pas d'ions \ce{CO3^{2-}_{(aq)}} comme l'annonce l'énoncé.

D'après les données de l'énoncé, on sait que le pKa du couple \ce{HCO3^{-}_{(aq)}} / \ce{CO3^{2-}_{(aq)}} vaut 10,3, ce qui signifie que pour un pH inférieur à 8,2, l'espèce prédominante du couple est \ce{CO3^{2-}_{(aq)}} qui est la base du couple \ce{HCO3^{-}_{(aq)}} / \ce{CO3^{2-}_{(aq)}}.

D'après les données de l'énoncé, on sait que le pKa du couple \ce{HCO3^{-}_{(aq)}} / \ce{CO3^{2-}_{(aq)}} vaut 10,3, ce qui signifie que pour un pH supérieur à 8,2, l'espèce prédominante du couple est \ce{CO3^{2-}_{(aq)}} qui est la base du couple \ce{HCO3^{-}_{(aq)}} / \ce{CO3^{2-}_{(aq)}}.

D'après les données de l'énoncé, on sait que le pKa du couple \ce{HCO3^{-}_{(aq)}} / \ce{CO3^{2-}_{(aq)}} vaut 10,3, ce qui signifie que pour un pH supérieur à 8,2, l'espèce prédominante du couple est l'acide \ce{HCO3^{-}_{(aq)}} qui est à la fois acide du couple précédent et base du couple formé avec \ce{CO2,H2O_{(aq)}} − et quasiment pas d'ions \ce{CO3^{2-}_{(aq)}} comme l'annonce l'énoncé.

Quelle est l'écriture correcte de l'équation de la réaction du titrage réalisé par le technicien ?

\ce{HCO3_{(aq)}^{-} +H3O+_{(aq)}}\ce{- \gt }\ce{ CO2,H2O_{(aq)} + H2O }

Le pH à l'équivalence est de 4,5 qui est situé dans la zone de virage du vert de bromocrésol rhodamine, ce qui justifie l'utilisation d'un tel indicateur coloré.

\ce{ CO2,H2O_{(aq)} + H2O }\ce{->}\ce{HCO3_{(aq)}^{-} +H3O+_{(aq)}}

Le pH à l'équivalence est de 4,5 qui est situé dans la zone de virage du vert de bromocrésol rhodamine, ce qui justifie l'utilisation d'un tel indicateur coloré.

\ce{HCO3_{(aq)}^{-} +H3O+_{(aq)}}\ce{- \gt }\ce{ CO2,H2O_{(aq)} + H2O }

Le pH à l'équivalence est au-dessus de la zone de virage du vert de bromocrésol rhodamine, ce qui justifie l'utilisation d'un tel indicateur coloré.

\ce{ CO2,H2O_{(aq)} + H2O }\ce{->}\ce{HCO3_{(aq)}^{-} +H3O+_{(aq)}}

Le pH à l'équivalence est au-dessus de la zone de virage du vert de bromocrésol rhodamine, ce qui justifie l'utilisation d'un tel indicateur coloré.

Quelle est l'eau minérale analysée ? Celle-ci satisfait-elle au critère de potabilité imposé à l'eau du robinet ?

La plage de concentrations massiques est [339 ; 375]. La valeur obtenue par titrage étant contenue dans cette plage de valeurs, on peut alors affirmer que l'eau testée est de l'Évian. De plus, le TAC de cette eau vaut 30°f en dessous de la valeur seuil de 50°f, l'eau d'Évian est donc potable.

La plage de concentrations massiques est [339 ; 375]. La valeur obtenue par titrage étant contenue dans cette plage de valeurs, on peut alors affirmer que l'eau testée est de l'Évian. De plus, le TAC de cette eau vaut 45°f en dessous de la valeur seuil de 50°f, l'eau d'Évian est donc très dure mais néanmoins potable.

La plage de concentrations massiques est [279 ; 325]. La valeur obtenue par titrage étant contenue dans cette plage de valeurs, on peut alors affirmer que l'eau testée est de l'Évian. De plus, le TAC de cette eau vaut 30°f en dessous de la valeur seuil de 50°f, l'eau d'Évian est donc potable.

La plage de concentrations massiques est [279 ; 325]. La valeur obtenue par titrage étant contenue dans cette plage de valeurs, on peut alors affirmer que l'eau testée est de l'Évian. De plus, le TAC de cette eau vaut 45°f en dessous de la valeur seuil de 50°f, l'eau d'Évian est donc très dure mais néanmoins potable.