Réaction chronomètre à eau pétillante

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Titre souhaité : Réaction chronomètre à eau pétillante

Les sodas et les eaux gazéifiées sont rendus pétillants grâce à la dissolution d'un gaz sous pression : le dioxyde de carbone. La dissolution de ce gaz dans l'eau forme de l'acide carbonique,

1 Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

• Porter des lunettes de protection et des gants pour manipuler l'hydroxyde de sodium . Porter une blouse pour se protéger des bases et aussi pour éviter les taches des différents indicateurs colorés.
• Toutes ces solutions peuvent être jetées à l'évier et diluée à l'eau courante, hormis si l'indicateur coloré utilisé n'est pas alimentaire.

2 Matériel

• Deux béchers de 250 mL
• Pipettes en plastique
• Gants en latex
• Hydroxyde de sodium 30,5% (lessive de soude commerciale)
• Eau pétillante
• Solution de rouge de phénol

3 Protocole expérimental

Virage de la réaction chronomètre (vitesse réelle), indicateur rouge de phénol : rose en basique, jaune en acide

3.1 Préparation en amont

• Refroidir l'eau pétillante à une température proche de 4°C, au réfrigérateur ou dans un bain de glace.

3.2 Début de la réaction

• Dans un premier bécher noté A :
  • Ajouter quelques gouttes de solution de bleu de bromothymol.
  • Compléter avec 200mL d'eau pétillante froide. On obtient la coloration acide de l'indicateur (jaune pour le rouge de phénol).
• Dans un second bécher noté B :
  • Verser un fond d'eau (une dizaine de mililitres)
  • Ajouter une dizaine de gouttes d'hydroxyde de sodium (environ 0,5mL)

• Pour commencer la réaction, verser le contenu du bécher A dans le bécher B : la solution passe à la couleur basique de l'indicateur (rose pour le rouge de phénol).

• Au bout d'une dizaine de secondes, la solution retourne à la coloration initiale de rose à jaune.

3.3 Remarques et variations

• Si aucun changement de couleur ne se produit pas après une trentaine de secondes : l'eau pétillante ne contient pas assez de dioxyde de carbone.
  • soit il faut changer d'eau pétillante pour une bouteille plus récente
  • soit il faut moins d'hydroxyde de sodium, en ajoutant moins de gouttes.
• Si le changement de couleur a lieu de manière trop rapide :
  • soit il faut refroidir d'avantage l'eau pétillante, par exemple en utilisant un bain de glace pendant un temps plus long
  • soit on peut ajouter d'avantage d'hydroxyde de sodium. Attention à ne pas trop en ajouter, sinon le changement de couleur ne se produira pas.
• Une fois la solution redevenue acide, il peut tenter d'ajouter de l'hydroxyde de sodium supplémentaire pour débuter un nouveau changement de couleur. Par exemple, en prévoyant plusieurs béchers avec une ou deux gouttes d'hydroxyde de sodium, on peut relancer un cycle rapidement en versant le bécher plein dans un de ces béchers.
• Au lieu d'eau pétillante, on peut utiliser 200mL d'eau dans lequel on a ajouté quelques grammes de glace carbonique : la sublimation refroidit la solution et le dioxyde de carbone gazeux produit se dissout en partie.

3.4 Changement d'indicateurs

Parmi la liste des indicateurs colorés de pH disponibles, il est préférable d'utiliser un indicateur dont la zone de virage se trouve vers pH 6-7.

Indicateur	Couleur acide initiale	Zone de virage (pKa)	Couleur basique finale	Préparation de l'indicateur
Bleu de bromothymol		6,0 - (7,30) - 7,6		0,1 g dans 16 mL NaOH 0,01 mol/L + eau complété 250 mL, utiliser quelques gouttes
Rouge de phénol		6,6 - (8,0) - 8,4		0,1 g dans 28,2 mL NaOH 0,01 mol/L + eau complété 250 mL, utiliser quelques gouttes
Tournesol		5,0 - 8,0		5 g de bleu de tournesol en poudre + eau complété à 250 mL, utiliser 10mL
Curcumine		7,4 - 8,6		Une pointe de spatule de curcuma moulu dans un peu d'éthanol, utiliser en entier
Chou rouge		multiples virages		Une feuille de chou rouge en lamelle dans un fond d'eau chaude, utiliser en entier
Pois bleu		multiples virages		Quelques fleurs de pois bleus dans un fond d'eau chaude, utiliser en entier
m-Nitrophénol		6,8 - (8,28) - 8,6		0,3% dans eau, utiliser quelques gouttes

4 Explications

• Le dioxyde de carbone est un gaz soluble dans l'eau, des molécules du gaz vont alors passer en solution. [math]\rm CO_2 (g) \rightleftharpoons CO_2 (aq) [/math]
• Ce dioxyde de carbone dissous est en équilibre avec une petite quantité d'acide carbonique (environ 1 molécule d'acide carbonique formée pour 800 molécules de dioxyde de carbone dissous) : [math]\rm CO_2 (aq) + H_2O(\ell) \rightleftharpoons H_2CO_3 (aq) [/math]
• Cet équilibre est lent et il est affecté par la température : plus la température est basse, plus le passage d'une forme à l'autre est lente.
• Lors de l'ajout de l'hydroxyde de sodium, le pH grimpe au delà de 10 et plusieurs réactions de neutralisation produisent simultanément :
  • un processus rapide consomme directement le dioxyde de carbone dissous : [math]\rm CO_2 (aq) + HO^- (aq) \rightarrow HCO_3^- (aq) [/math]
  • les transformations de l'acide carbonique et des ions bicarbonates en ions carbonates peut être considérées instantanées : [math]\rm H_2CO_3 (aq) + HO^- (aq) \rightarrow HCO_3^- (aq) + H_2O(\ell) [/math] [math]\rm HCO_3^- (aq) + HO^- (aq) \rightarrow CO_3^{2-} (aq) + H_2O(\ell) [/math]
  • l'ensemble de ces réactions est limités par la première réaction et une constante : [math] - \frac{\mathrm{d} \left [ \textrm{CO}_2 \right ]}{\mathrm{d} t} = k_{\textrm{HO}^-} \left [ \textrm{HO}^- \right ] \left [ \textrm{CO}_2 \right ] [/math]

• Lorsqu'on ajoute du dioxyde de carbone gazeux dans de l'eau, une partie se dissout. [math]\rm CO_2 (g) \rightleftharpoons CO_2 (aq) [/math]
• Seule une partie de ce dioxyde de carbone dissous se convertit en acide carbonique, ce qui est suffisant pour lui donner un caractère acide. Cet équilibre est lent, surtout à basses températures. [math]\rm CO_2 (aq) + H_2O(\ell) \rightleftharpoons H_2CO_3 (aq) [/math]
• Lorsqu'on ajoute l'hydroxyde de sodium, les ions hydroxydes neutralisent la totalité de l'acide carbonique présent. Cette réaction est très rapide et considérée totale. [math]\rm H_2CO_3 (aq) + 2 \, HO⁻ (aq) \rightarrow CO_3^{2-} (aq) + 2 \, H_2O(\ell) [/math]
• Pour l'instant, les ions hydroxydes sont en excès. Le milieu est donc basique (pH supérieur à 10), d'où le changement de couleur de l'indicateur (au rose pour le rouge de phénol).

• Mais le dioxyde de carbone dissous est en excès, il va lentement se transformer en acide carbonique qui neutralise les ions hydroxydes restants, formant un premier saut de pH : [math]\rm H_2CO_3 (aq) + 2 \, HO⁻ (aq) \rightarrow CO_3^{2-} (aq) + 2 \, H_2O(\ell) [/math]
• Puis l'acide carbonique neutralise les ions carbonates : [math]\rm H_2CO_3 (aq) + CO_3^{2-} (aq) \rightarrow 2 \, HCO_3^{2-} (aq)[/math]

6 Références

Merci à brusicor02 pour cette contribution.