I.2. Description de la version finale du TP3 « Dosage d’une dibase et d’un mélange de bases »

Le texte du TP3 que nous avons construit est donné aux étudiants sous forme de polycopié le jour même de la séance. Nous décrirons tout d’abord le texte du TP3, puis nous caractériserons les objectifs et les connaissances mises en jeu de la séance elle-même.

Nous mettons en lumière dans ce qui suit, quelques caractéristiques de ce texte permettant la compréhension des observations qui suivent.

Au début du 1er dosage, nous avons fourni aux étudiants un aperçu théorique sur les équilibres de bronsted relatifs aux deux couples :

Le dioxyde de carbone en solution aqueuse est la forme acide du couple acido-basique CO ₂ / HCO ₃ – . L’ion hydrogénocarbonate est lui-même la forme acide du couple HCO ₃ – / CO ₃ 2– . L’ion carbonate est donc une dibase. L’ion hydrogénocarbonate qui est à la fois la forme acide d’un couple et la forme basique d’un autre couple est appelée amphotère. Les équilibres de Bronsted et les pKa des couples sont respectivement :

CO ₂ + 2 H ₂ O  HCO ₃ – + H ₃ O + pKa1 = 6,4

HCO ₃ – + H ₂ O  CO ₃ 2– + H ₃ O + pKa2 = 10,3

Le premier dosage consiste, tout d’abord, à préparer une solution de carbonate de sodium puis à réaliser le titrage de cette solution au moyen d’une solution d’acide sulfurique.

EXPERIENCE

Le carbonate de sodium est commercialisé sous la forme hydraté Na₂CO₃.10H₂O.

Déterminer la masse (m) qu’il faut peser afin de préparer 100 mL d’une solution de concentration 0,050 mol.L–1.

Pour préparer une telle solution, peser cette quantité de sel. Transvaser sans perte cette masse dans une fiole jaugée de 100 mL et introduire 30 mL d’eau. Agiter jusqu’à la dissolution complète du sel. On notera en passant l’effet thermique associé à cette dissolution. Enfin, ajouter de l’eau distillée et ajuster au trait de jauge de la fiole.

Calculer le pH de cette solution.

DOSAGE pH-METRIQUE

A l’aide d’un pH-mètre étalonné, effectuer le dosage, dans un bécher, de 20 mL de cette solution, prélevée à la pipette, au moyen d’une solution d’acide sulfurique de concentration 0,050 mol.L–1.

Tracer la courbe pH = f(volume d’acide versé).

Les consignes données aux étudiants ne peuvent être rédigées uniquement qu’avec des termes appartenant au monde perceptible : « peser, effectuer, solution, pipette… » Par contre, les questions proposées dans le travail de réflexion sont catégorisées suivant le monde reconstruit.

Toutefois, notre hypothèse principale de recherche est que les difficultés que rencontrent les étudiants au niveau des dosages acido-basiques relèvent de la non compréhension du concept de réaction chimique.

Lors de la construction des questions de réflexion, nous nous sommes focalisés sur le concept de réaction chimique pour pouvoir détecter le niveau de compréhension de l’étudiant de ce concept à travers les acides et les bases.

La manière dont ces questions de réflexions sont présentées, vont aider l’étudiant à construire une connaissance relative à chaque dosage : « (…) le savoir est une association entre les bonnes questions et les bonnes réponses » (brousseau, p.58, 1998).

TRAVAIL DE REFLEXION

1. La courbe possède 2 sauts de pH. A quoi correspondent-ils ? Justifier en donnant les réactions mises en jeu.
2. Déterminer les coordonnées des points d’équivalence et retrouver ces valeurs par le calcul.
3. Combien peut-on définir de zones tampon ? Pour chacune d’elles, préciser quelles sont les entités chimiques responsables présentes.
4. Pourrait-on effectuer un tel dosage à l’aide d’indicateurs colorés ? Discuter.
5. Si l’on avait dosé, non pas avec une solution d’acide sulfurique 0,05 mol.L–1, mais avec une solution aqueuse de CO2 dissous 0,05 mol.L–1, quelle aurait été la courbe de dosage. Pour répondre à cette question, il est nécessaire de recenser à chaque étape du dosage la nature des espèces en solution ainsi que leur concentration. Il est également vivement recommandé de trouver quelle est l’équation du dosage.

A partir de la première question jusqu’à la cinquième, nous avons suivi une démarche chronologique bien déterminé dans la construction des connaissances, pour que l’apprentissage s’opère.

Dans la deuxième partie de ce TP, nous nous intéressons à réaliser un dosage d’une soude carbonatée, en présence de deux indicateurs colorés puis par pH-métrie.

La particularité de ce dosage était de faire réfléchir l’étudiant sur son sytème réactionnel avant qu’il ne réalise l’expérience, c’est-à-dire que nous avons voulu que l’étudiant teste ses prédictions à partir d’une théorie et de les valider après par l’expérience.

Réaction de carbonatation de la soude

1. Les solutions de soude réagissent avec le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère. Traduire cette carbonatation par une équation chimique. On justifiera la forme sous laquelle se retrouve le dioxyde de carbone dans la soude carbonatée.
2. Comment évolue le pH de la soude pendant la carbonatation ?
3. Prévoir, en la justifiant, l’allure de la courbe de dosage, par un acide fort, d’une soude partiellement carbonatée.

A partir de là, l’étudiant va réaliser les expériences afin de valider ses prédictions aux questions précédentes :

Expérience

Dosage EN PRESENCE DE deux indicateurs colorés

Dans un bécher, mettre 10 mL de solution de soude partiellement carbonatée, et 20 mL d’eau distillée.

Faire un dosage en présence de phénolphtaléine par une solution d’acide sulfurique de concentration 0,05 mol.L-1. Soit V1eq le volume versé à l’équivalence.

Refaire le même dosage en présence d’hélianthine. Soit V2eq le volume à l’équivalence.

Ces résultats expérimentaux sont-il en accord avec votre prédiction de la question III.1.3 ? Discuter.

Dosage par pH-métrie

Effectuer un dosage rapide de la solution en suivant la variation de pH. De plus, en milieu très basique, l’utilisation de ces électrodes peut conduire à des valeurs peu précises de pH (ou inattendues).

N.B : Les électrodes de verre se détériorent en milieu très basique.

Les questions qui vont suivre cette expérimentation vont être en rapport des prédictions effectuées par l’apprenant.

TRAVAIL DE REFLEXION

1. La courbe de dosage obtenue est-elle conforme à la prédiction du III.1.3 ? Discuter.
2. Est-elle conforme aux résultats du III.2 ? Discuter.
3. Diviser cette courbe en plusieurs parties et indiquer quelles sont les entités chimiques majoritaires dans chaque partie ?
4. Donner les coordonnées des points remarquables de la courbe et retrouver ces valeurs par le calcul.

A travers cette expérimentation, qui est différente de celles des autres TP, l’étudiant doit être capable de réfléchir sur le système réactionnel et de fournir des prédictions fondées sur la théorie et sur les dosages réalisés précédemment, avant de réaliser l’expérience.

Les questions présentes dans ce TP sont différentes de ceux des autres nouveaux TP, dans l’objectif que l’étudiant fasse une synthèse sur ce qu’il a appris auparavant.

A partir de l’analyse du texte de TP3, la finalité de cet enseignement que nous voulons atteindre est de, développer les capacités intellectuelles de l’apprenant en lui permettant de comprendre, de raisonner et de construire des apprentissages intelligents et fonctionnels lors de l’apprentissage des réactions acido-basiques.

Etant donnée que les questions de l’ancienne version du TP appartiennent uniquement au niveau calcul, nous avons opté, dans la nouvelle version du TP, de reconstruire ces questions et d’en faire d’autres qui nécessitent une part de réflexion sur le système réactionnel chez l’apprenant. Cependant, le résultat de cette modification engendre des questions complètement différentes dans les deux versions, ce qui ne nous permet pas de faire une comparaison des copies des étudiants entre l’ancienne à la nouvelle version.