Loi de la bière

Source : Smaa Koraym de l’Université Johns Hopkins, MD, États-Unis

1. Lab pour la loi de BeerExpand

   Dans cet exercice, vous combinerez des solutions aqueuses de FeCl₃ et de NaSCN pour former un complexe rouge orangé [Fe(NCS)]²⁺. Lorsque le FeCl₃ est dissous dans l’eau, le centre du fer est entouré de six molécules d’eau. Ce complexe acide perd facilement des protons de ses molécules d’eau, ce qui peut entraîner la précipitation d’hydroxydes de fer à partir de la solution.

   Pour éviter cela, vos solutions comprendront suffisamment de HNO₃ pour maintenir le fer en solution, principalement sous forme presque incolore [Fe(H₂O)₆]³⁺ et jaune [Fe(H₂O)₅(OH)]²⁺. Pour ce laboratoire, nous nous référerons collectivement aux complexes de fer de départ comme Fe³⁺.

   Le complexe [Fe(NCS)]²⁺ se forme lorsque [SCN]- échange avec un autre groupe sur le fer, l’azote interagissant avec le fer. Cet échange est réversible, il y a donc un équilibre global entre la formation et la perte du [Fe(NCS)]²⁺.

   L’interaction thiocyanate-fer donne aux solutions [Fe(NCS)]²⁺ leur couleur intense. En fin de compte, vous associerez l'intensité de l'absorbance UV-Vis à la concentration du complexe [Fe(NCS)]²⁺ en utilisant la loi de Beer. Cela vous permet de mesurer expérimentalement la concentration d’équilibre du complexe [Fe(NCS)]²⁺, à partir de laquelle vous pouvez estimer une constante d’équilibre pour l’ensemble du processus.

   • Mettez une blouse de laboratoire, des lunettes de sécurité anti-éclaboussures et des gants en nitrile. Les solutions que vous utiliserez sont très corrosives, soyez donc prudent lorsque vous les manipulez.
   • Étiquetez trois béchers de 150 mL comme 0'.5 M HNO₃, '1 M FeCl₃ dans 0.5 M HNO₃' et '0.5 mM NaSCN dans 0.5 M HNO₃'.
   • Étiquetez un bécher de 400 ml comme « déchet ». Étiquetez une burette comme « [SCN]-' » et l'autre comme « HNO₃ ».
   • Fixez les burettes suffisamment haut pour que le bécher de 400 ml puisse passer en dessous.
   • Utilisez le cylindre gradué de 50 ml pour mesurer 100 ml de HNO₃ 0,5 ml dans le bécher étiqueté de manière appropriée dans le capot de distribution. Couvrez le bécher avec un verre de montre et ramenez-le dans votre hotte.
   • Mesurez 20 mL de 1 M FeCl₃ dans le bécher étiqueté correspondant. Assurez-vous que la bouteille d’origine est bouchée avant de ramener votre portion de solution dans votre hotte.
   • Mesurez 40 mL de NaSCN 0,5 mM et versez-le dans le bécher étiqueté correspondant.
   • Étiquetez et remplissez un bécher de 100 ml avec de l’eau déminéralisée.
   • Assurez-vous que les robinets d’arrêt des deux burettes sont fermés. Placez un entonnoir dans chaque burette et versez de l’eau déminéralisée dans les deux.
   • Place le bécher sous une burette et ouvre le robinet d’arrêt. Une fois que l’eau s’est écoulée, fermez le robinet d’arrêt et répétez le processus avec l’autre burette.
   • Versez environ 5 mL de HNO₃ 0,5 M dans la burette correspondante et placez le bécher sous le bec. Ouvrez le robinet d’arrêt pour remplir l’embout avec HNO₃ et laissez s’écouler quelques mL avant de le fermer.
   • Ajoutez environ 40 ml de HNO₃ à la burette. N’oubliez pas que les graduations mesurent de haut en bas, vous devez donc les remplir jusqu’à environ 10 ml. note: Le volume distribué par une burette est suivi par la différence entre les lectures de volume de début et de fin.
   • Placez le bécher sous la burette [SCN]- et remplissez l’embout avec la solution NaSCN de la même manière que le HNO₃.
   • Versez le reste de votre solution [SCN]- dans la burette. Tapotez doucement la burette pour déloger les bulles d’air. S’il y a des bulles dans l’embout de la burette, ouvrez brièvement le robinet d’arrêt pour les rincer.
   • Obtenez quatre carrés de film de paraffine plastique et deux feuilles de papier d’aluminium pour terminer la mise en place.
2. buttonExpand

   Vous devez connaître les concentrations précises de [Fe(NCS)]²⁺ dans vos solutions étalons pour établir une courbe d’étalonnage précise. Cependant, le complexe est en équilibre avec Fe³⁺ et [SCN]-, donc seul le complexe [Fe(NCS)]²⁺ lui-même compte à cette fin. Ainsi, vos solutions standard utiliseront 0,2 M FeCl₃ de sorte que le fer sera en excès de 500 à 2 000 fois.

   Tout [SCN] qui quitte un fer en trouvera un autre si rapidement qu’il n’y aura, effectivement, pas de [SCN] gratuit - dans ces solutions. Vous pouvez donc supposer que la concentration de [Fe(NCS)]²⁺ est égale à la concentration initiale de NaSCN de la solution étalon.

   • Étiquetez la fiole jaugée de 50 mL comme '0.2 M FeCl₃'.
   • Versez 10 mL de FeCl₃ dans la fiole jaugée. Ajoutez un entonnoir dans la fiole et versez-y environ 30 ml d’eau déminéralisée.
   • Scellez le flacon avec un carré de film de paraffine plastique et retournez-le plusieurs fois pour bien mélanger la solution.
   • Utilisez une pipette jetable pour remplir le flacon jusqu’à la ligne avec de l’eau désionisée et conservez la pipette pour plus tard. Refermez le ballon et retournez-le plusieurs fois pour mélanger la solution.
   • Allumez le spectrophotomètre portable et assurez-vous qu’il est réglé pour mesurer l’absorbance.
   • Pendant que la source lumineuse se réchauffe, enveloppez cinq béchers de 50 ml dans du papier d’aluminium pour protéger la solution de FeCl₃ sensible à la lumière pendant l’expérience.
   • Étiquetez cinq béchers et cinq pipettes jetables propres 1 à 5. Posez des serviettes en papier comme surface propre pour la verrerie que vous réutiliserez.
   • Follow pour préparer les solutions 1 à 5. Pour la solution 1, ajoutez 5 mL de 0,2 M FeCl₃ dans le bécher 1, puis placez-le sous la burette de HNO₃.

     Tableau 1 : Solutions standard pour la courbe d’étalonnage [Fe(NCS)]²⁺

     λmax

     Solution #	0.2 M Fe3+ (mL)	0.5 mM [SCN]- (mL)	0.5 M HNO3 (mL)	Absorbance à λmax	Volume total (mL)	[Fe(NCS)]2+]
     1	5	0	5	Ébauche de solvant
     2	5	1	4
     3	5	2	3
     4	5	3	2
     5	5	4	1

     Cliquez ici pour télécharger le tableau 1
   • Notez le volume actuel dans la burette, puis versez précisément 5 mL de HNO₃ dans le bécher. Mélangez la solution à l’aide d’un agitateur en verre.
   • Utilisez la pipette 1 pour remplir une cuvette à environ 75 % de solution 1 et boucher la cuvette.
   • Nettoyez les côtés transparents de la cuvette avec une lingette de laboratoire et placez-la dans le spectrophotomètre.
   • Acquérir une mesure de bruit de fond — une ébauche de solvant.
   • Retirez la cuvette, videz-la dans le bécher et rincez-la trois fois avec de l’eau déminéralisée. La même cuvette sera utilisée pour toutes les mesures afin de minimiser les erreurs associées aux imperfections de la cuvette.
   • Préparez la solution à mi-concentration, échantillon 3. Ajouter 5 mL de FeCl₃ 0,2 M dans le bécher 3.
   • Distribuez 2 mL de NaSCN et 3 mL de HNO₃ dans le bécher à partir des burettes.
   • Mélangez la solution 3 avec la tige d’agitation en verre, puis utilisez la pipette 3 pour remplir la cuvette propre et sèche à environ 75 % de la solution 3.
   • Nettoyez les côtés transparents et placez-le dans le spectrophotomètre.
   • Mesurez l’absorbance de la solution pendant environ 5 s et identifiez la longueur d’onde avec l’absorbance maximale. Enregistrez cette longueur d’onde dans votre cahier de laboratoire en tant que λ_max pour le complexe [Fe(NCS)]²⁺.
   • Règle le spectrophotomètre pour qu’il fasse la moyenne des lectures sur 10 s et ajuste la longueur d’onde au λ_max. Conservez une mesure d’absorbance complète de la solution 3. Enregistrez l’absorbance à λ_max dans votre cahier de laboratoire.
   • Suivez le même processus pour les solutions 2, 4 et 5. Préparez les solutions une à la fois ou conservez les solutions préparées sous du papier d’aluminium jusqu’à ce que vous soyez prêt à les utiliser.
   • Ajoutez la solution appropriée dans la cuvette et mesurez les valeurs d’absorbance.
   • Une fois que vous avez enregistré toutes les valeurs d’absorbance à λ_max, tracez un tracé de [SCN]- volume en fonction de la valeur d’absorbance, qui doit être linéaire. Si vous voyez des valeurs aberrantes, recréez la solution et réessayez.
3. Mesures de solutions avec des concentrations inconnues [Fe(NCS)]²⁺ ConcentrationsExpand

   Dans la dernière partie du laboratoire, vous préparerez quatre solutions de [Fe(NCS)]²⁺ avec une solution de FeCl₃ de 0,02 M afin que le fer soit en excès de 40 à 100 fois. À ces concentrations, le [SCN]- qui quitte un centre de fer ne trouvera pas nécessairement un autre centre de fer immédiatement. Ainsi, le [Fe(NCS)]²⁺ sera en équilibre avec Fe³⁺ et le [SCN]-, et sa concentration ne sera pas égale à la concentration de départ [SCN]-.

   • Videz les béchers de 50 ml dans le bécher à déchets, retirez les étiquettes et rincez-les à l’eau déminéralisée.
   • Séchez les béchers et réétiquetez-les en 6 – 10. Étiquetez également cinq pipettes jetables comme 6 à 10.
   • Videz la fiole jaugée de solution de 0,2 M FeCl₃ dans le bécher à déchets et rincez-la à l’eau déminéralisée. Étiqueter à nouveau le ballon rincé en indiquant 0,02 M FeCl₃.
   • Utilisez une pipette jaugée de 1 mL pour transférer 1 mL de 1 M de FeCl₃ dans la fiole jaugée. Ajouter environ 40 ml d’eau déminéralisée dans la fiole.
   • Scellez le flacon avec un film plastique et retournez-le plusieurs fois pour mélanger la solution. Ouvrez la fiole et remplissez-la jusqu’à la ligne avec de l’eau déminéralisée. Refermez la fiole et mélangez bien la solution.
   • Préparez la solution 6, le nouvel ébauche de solvant. Ajouter 5 mL de FeCl₃ 0,02 M et 5 mL de HNO₃, puis mélanger avec le bâton d’agitation.
   • Pipette la solution dans la cuvette et acquérez la mesure de fond comme précédemment.
   • Suivez pour préparer les solutions 7 à 10, acquérir leurs spectres et enregistrer leurs valeurs d’absorbance à λ_max comme vous l’avez fait auparavant. N’oubliez pas de rincer abondamment la tige d’agitation et la cuvette avec de l’eau déminéralisée entre chaque solution.

     Tableau 2. Solutions dont les concentrations de [Fe(NCS)]²⁺ sont inconnues

     [FeCl3] initiale (M)

     0.01

     Solution #	0.2 M Fe3+ (mL)	0.5 mM [SCN]- (mL)	0.5 M HNO3 (mL)	Absorbance à λmax	[[Fe(NCS)]2+]eq	[Fe3+]eq	[[SCN]-]eq	Keq (M-1)
     6	5	0	5	Ébauche de solvant
     7	5	1	4
     8	5	2	3
     9	5	3	2
     10	5	4	1

     Cliquez ici pour télécharger le tableau 2
   • Lorsque vous avez terminé, videz la cuvette, la fiole jaugée et les béchers dans le bécher à déchets et rincez-les à l’eau déminéralisée.
   • Collectez tout excès de HNO₃ et de NaSCN dans leurs béchers respectifs. Neutralisez les déchets et l’excès de solutions réactives avec du bicarbonate de soude et jetez les déchets et l’excès de solution de FeCl₃ dans le conteneur à déchets approprié.
   • Rincez les solutions neutralisées HNO₃ et NaSCN dans les égouts avec de l’eau du robinet.
   • Lavez votre verrerie et votre équipement selon les procédures standard de votre laboratoire.
   • Récupérez les serviettes en papier et autres déchets de votre hotte et mettez-les dans la poubelle du laboratoire.
4. ResultsExpand
   • Calculez les concentrations de [Fe(NCS)]²⁺ dans les solutions étalons. Dans ces solutions, la concentration en fer est si élevée que nous pouvons supposer que la concentration initiale de [SCN]^- est la même que la concentration de [Fe(NCS)]²⁺.
   • Pour chaque essai, multipliez la concentration de stock de [SCN]^- par le volume de NaSCN ajouté, et divisez-la par le volume total de la solution de 10 mL. Répétez l’opération pour toutes les solutions standard.
   • Créez une courbe d’étalonnage en traçant l’absorbance à λ_max pour les solutions étalons par rapport à leurs concentrations [Fe(NCS)]²⁺. Trouvez la fonction linéaire qui s’ajuste aux données et définissez l’ordonnée à l’origine = 0, si nécessaire. note: La loi de la bière est exprimée par une fonction linéaire, qui relie l'absorbance à la concentration. Ainsi, la pente de votre courbe d’étalonnage est égale au coefficient d’atténuation molaire multiplié par la largeur de la cuvette, ou longueur du trajet, qui était de 1 cm dans ce laboratoire.
   • Réorganisez l’équation linéaire pour résoudre la concentration. N’oubliez pas que votre coefficient d’atténuation molaire et votre longueur de trajet seront les mêmes pour chaque essai. Remplissez l’absorbance pour chaque essai inconnu et calculez la concentration d’équilibre de [Fe(NCS)]²⁺ pour cette solution.
   • Estimer la constante d’équilibre pour [Fe(NCS)]²⁺ en solution. Pour simplifier, nous allons exprimer la constante en unités de 1/M.
   • Calculez les concentrations initiales de Fe³⁺ et de [SCN]^- pour chaque essai. Déterminer leurs concentrations à l’équilibre dans chaque essai en soustrayant la concentration à l’équilibre du [Fe(NCS)]²⁺ des concentrations initiales de réactif pour cet essai.
   • Renseignez les concentrations d’équilibre du produit et des réactifs. Ensuite, résolvez l’équation d’équilibre pour estimer la constante de cet essai. Enfin, comparez les constantes des essais.