Chapitre 7 : effectuer des contrôles de qualité

Dosage des ions Fe²⁺ par spectrophotométrie (Bac 2002 Guadeloupe) corrigé

On dispose d'un échantillon dont on cherche à connaître la masse d'oxyde de fer III (formule

Fe₂O₃) qu'il contient. Pour cela, on traite l'échantillon par une solution d'acide chlorhydrique concentré ce qui permet de libérer en solution les ions Fe³⁺ en ions Fe²⁺. Une étude spectrophotométrique permet enfin de doser les ions Fe²⁺.

Étapes du protocole et renseignements

Obtention des ions Fe³⁺ : on introduit l'échantillon dans 25 mL d'acide chlorhydrique concentré. Au bout de trente minutes, la solution est très colorée.

Transformation des ions Fe³⁺ en ions Fe²⁺ : dans la solution obtenue précédemment on introduit de la poudre de zinc en excès, jusqu'à obtenir une décoloration de la solution. Les ions Fe³⁺ sont transformés en ions Fe²⁺ selon la réaction d'équation:

2 Fe³⁺(aq) + Zn(s) ® 2 Fe²⁺(aq) + Zn²⁺(aq)

(réaction 1)

Préparation d'une solution Sx : on filtre la solution précédente puis on étend son volume à 200 mL avec de l'eau distillée dans une fiole jaugée (la solution à doser ne doit pas être trop concentrée).

Dosage des ions Fe²⁺ par spectrophotométrie en présence d'orthophénanthroline :

- toute solution colorée absorbe des ondes électromagnétiques dans le domaine du visible [400 nm ; 800 nm] ;

- en présence d'orthophénanthroline les ions Fe²⁺ donnent une coloration rouge orangée plus ou moins intense selon la concentration des ions ;

Principe du spectrophotomètre (on opère en lumière monochromatique) ;

- la solution absorbe une partie de l'énergie transportée par la lumière ;

- on appelle absorbance (ou densité optique) d'une solution, notée A, la grandeur sans dimension liée au rapport Io/I qui est lue sur le spectrophotomètre.

Q1

a) L'équation de la réaction 1 donnée ci-avant correspond-elle à une réaction d'oxydoréduction ?

À une réaction acide-base ? À un autre type de réaction ?

b) Ecrire les demi-équations correspondantes.

1. Préparation d'une solution S de concentration C.

On pèse une masse m = 0,20 g de sel de Mohr de formule FeSO₄,(NH₄)₂SO₄;6 H₂O, de masse

molaire M = 392,1 g.mol^-1 que l'on dissout dans une fiole jaugée de 500 mL. On complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.

Q2

a) Déterminer la quantité de matière mise en solution.

b) Calculer la concentration C de la solution S. En déduire la concentration en ion Fe²⁺.

2. Préparation d'une gamme de solutions-étalon Sf de concentrations respectives [Fe²⁺]_f.

À partir de la solution S de concentration C, on prépare chaque solution étalon en prélevant v_i(mL) de solution S que l'on introduit dans une fiole jaugée de volume V = 50 mL complétée ensuite avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge. Le contenu de chacune de ces fioles est versé dans une série de béchers numérotés de 1 à 4. Dans chacun des béchers, on introduit un volume Vo = 10 mL d'une solution d'orthophénanthroline et on agite. Chaque mélange prend alors une coloration rouge-orangée,

plus ou moins intense, suivant la valeur de la concentration en ion Fe²⁺ de la solution.

Q3

a) Quelle grandeur est conservée au cours d'une dilution ?

b) Exprimer la concentration en ions Fe²⁺ dans un bécher en fonction de v_i, V, Vo et C.

c) Calculer la concentration en ions Fe²⁺ dans chaque bécher et compléter le tableau ci-dessous:

bécher	1	2	3	4
vi(mL)	5,0	2,5	1,0	0,5
[Fe^2+] (mol.L^-1)

III. Utilisation d'une courbe d'étalonnage

On procède à la mesure de l'absorbance A de chaque solution avec le spectrophotomètre réglé à l = 510 nm (longueur d'onde choisie pour effectuer les mesures). Le graphe ci-dessous représente la courbe d'étalonnage donnant l'absorbance A en fonction de la concentration soit A = f[Fe²⁺].

Q4

a) Quelle relation littérale lie les grandeurs A et [Fe²⁺] ?

b) Calculer la valeur du coefficient directeur de la droite en donnant son unité.

Q5

Détermination de la concentration en ion Fe²⁺ de la solution Sx.

Sur le volume initial de 200 mL de la solution Sx, on effectue un prélèvement de 50 mL et on y introduit 10 mL de la solution d'orthophénanthroline. On mesure l'absorbance A de ce nouveau mélange dans les mêmes conditions que précédemment. La valeur obtenue pour A est 0,6.

a) Pourquoi faut-il respecter les volumes proposés (50 mL de Sx et 10 mL de solution d'orthophénanthroline) ?

b) Comment peut-on déterminer graphiquement la concentration des ions Fe²⁺ d'une solution ?

c) Déterminer à partir de la courbe de la question Q4 la concentration des ions Fe²⁺ présents dans Sx.

d) Calculer la quantité de matière en ions Fe²⁺ présents dans Sx et la quantité d'oxyde de fer Fe₂O₃. En déduire la masse d'oxyde de fer contenu dans l'échantillon.

Données :

Masse molaire atomique du fer M(Fe) = 56 g. mol^-1

Masse molaire atomique de l'oxygène M(O) = 16 g.mol^-1