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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
Dosage des phosphates dans les détergents
Objectif général :
Déterminer la concentration de phosphates dans les détergents.
Objectifs spécifiques :Préparer une solution à partir d’un soluté solide.Préparer quantitativement des solutions diluées à partir de solutions concentrées.Utiliser la verrerie volumétrique spécifique au travail en solutions : pipettes volumétriques et fioles jaugées.Utiliser un spectrophotomètre pour déterminer une concentration en solution.
La théorieNous allons déterminer la concentration en phosphates de différents détergents à lave-
vaisselle. La majorité des phosphates contenus dans les détergents le sont sous forme
d’ions tripolyphosphates, P3O105-. Une hydrolyse acide sera donc nécessaire préalablement
au dosage, car la méthode de dosage utilise une réaction chimique qui implique des
phosphates simples, les ions PO43-. Sera également nécessaire la dilution de la solution
résultante, afin de réduire la concentration des ions phosphates à un niveau détectable par
la méthode d’analyse utilisée.
La concentration des ions phosphates sera évaluée grâce à des mesures d’absorbance
réalisées à l’aide d’un spectrophotomètre visible. Ces mesures d’absorbance seront faites
sur des solutions étalons d’ions phosphates à partir desquelles nous tracerons une courbe
d’étalonnage. La mesure de l’absorbance de la solution d’analyse de détergent ou
d’engrais permettra, en se référant à la courbe d’étalonnage, de déterminer la concentration
de cette solution en ions phosphates. À partir de cette valeur, connaissant les dilutions
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
effectuées pour préparer la solution de détergent, nous pourrons, par calcul, déterminer la
concentration en phosphates de la poudre de départ.
1. Quel est l’intérêt de ce dosage?
Les lacs et les cours d'eau reçoivent un apport important de phosphates, un des nutriments
essentiels à la croissance des végétaux, terrestres ou aquatiques. Ces phosphates proviennent
majoritairement de l'activité humaine: des déchets industriels, agricoles et municipaux
déversés sans traitement suffisant dans les cours d'eau ou provenant du ruissellement des sols.
Les engrais chimiques et les détergents en sont des sources très importantes.
Pour ralentir le vieillissement des lacs et des cours d'eau dû à l’excès de végétation,
l'eutrophisation, il faut limiter l'apport de substances nutritives. Or, les phosphates sont très
utiles pour l'action des détergents: surtout présents sous forme de tripolyphosphate de sodium,
Na5P3O10, ils forment des complexes stables et solubles avec les ions responsables de la dureté
de l'eau (Ca2+, Mg2+, Fe3+ essentiellement) qui autrement précipitent les détergents; ils
adoucissent ainsi l'eau et permettent l’action nettoyante. De plus, les tripolyphosphates
stabilisent et dispersent la saleté et les graisses, les empêchant de re-précipiter sur les tissus.
Ils rendent également l'eau basique, permettant ainsi de détacher la saleté acide (la
transpiration par exemple).
Plusieurs substituts des phosphates ont été testés et incorporés aux détergents ces dernières
années, permettant la mise en marché de produits performants et possiblement moins
dommageables pour l'environnement. Le mélange carbonate et silicate de sodium (soda à
laver) en est un. Voici un tableau où sont indiquées les concentrations en phosphates de quatre
détergents à lessive connus, telles que déterminées en 1972.
DÉTERGENT À LESSIVE % PHOSPHATE
All 38
Oxydol 36
Tide 37
Wisk 11
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
De nos jours, suite à l’adoption d’une législation à cet effet, l’industrie des détergents doit
limiter la teneur en phosphates de ses produits à 5% pour ce qui est des détergents à lessive.
Dans les faits toutefois, rares sont les produits qui en contiennent encore. Cependant, la
législation n’ayant pas inclus les détergents à lave-vaisselle, on y retrouve des teneurs élevées
en phosphates, ces derniers étant des additifs plus performants et moins dispendieux que leurs
substituts.
2. Qu’est-ce qu’un dosage colorimétrique?
La méthode utilisée pour doser les phosphates est une méthode colorimétrique: on
transformera d'abord les tripolyphosphates des détergents en phosphates, et on colorera
ensuite ces derniers en jaune en les faisant réagir avec un agent complexant.
Voici la réaction de transformation des polyphosphates en phosphates; il s'agit d'une
hydrolyse acide, c’est à dire une addition d’eau catalysée par un acide:
P3O105- + 2 H2O 2 HPO4
2- + H2PO4-
Les ions hydrogénophosphates formés sont soumis, dans l’eau, à des équilibres successifs et
interdépendants:
H2PO4- + H2O HPO4
2- + H3O+
HPO42- + H2O PO4
3- + H3O+
La méthode utilisée pour doser les phosphates est une méthode dite colorimétrique, c'est-à-
dire qu’elle utilise la spectroscopie visible et que les substances dosées doivent être colorées.
Comme les ions phosphates résultant de l’hydrolyse des phosphates complexes des produits
commerciaux sont incolores, il faut trouver un moyen de les colorer afin de les doser de cette
façon.
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
Le vanadomolybdate d’ammonium est un réactif spécifique aux ions phosphate: il forme avec
eux un complexe jaune, laissant incolores les autres substances contenues dans la solution de
détergent ou d’engrais. S’il y a un excès de vanadomolybdate d’ammonium, tous les
phosphates présents dans la solution seront complexés. Plus leur concentration est élevée,
plus la coloration jaune sera prononcée.
La coloration de la solution étant jaune, la couleur absorbée correspond à la couleur
complémentaire du jaune, le bleu. La longueur d’onde où l’absorption sera la plus
importante sera dans la région du bleu (415 à 480 nm). Le tracé expérimental du
spectre d’absorption (le graphique de l’absorbance de la solution en fonction de la
longueur d’onde) démontre que le maximum d’absorption se situe à 415 nm. C’est
donc à cette longueur d’onde qu’il nous faudra travailler puisque la méthode utilisée y
aura la plus grande sensibilité.
Il existe une relation quantitative entre l’intensité de l’absorption lumineuse et la
concentration d’une solution. L’absorbance (A) d’une solution, c’est-à-dire le logarithme du
rapport entre l’intensité de la lumière avant (Io) et après (I) la traversée de l’échantillon, est
reliée à la concentration de l’échantillon par la relation de Beer-Lambert :
A = l c où A : l’absorbance de la solution
c : la concentration de l’échantillon, en mol/L
l : l’épaisseur de la solution traversée par le faisceau lumineux
: le cœfficient d’absorption molaire (ou cœfficient d’extinction
molaire)
où Io : l’intensité de la radiation incidente
I : l’intensité de la radiation émise
On constate que la première équation est celle d’une droite passant par l’origine (y = mx), de
pente égale à l. Pour un dosage donné, l est maintenu constant et l’est également,
puisqu’il est fonction de la nature de la molécule absorbante, du solvant utilisé et de la
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
longueur d’onde de travail, toutes les valeurs étant maintenues constantes au cours d’une
même analyse.
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
En théorie, si on connaît la valeur de pour
une substance, dans des conditions données,
on peut déduire par intrapolation la
concentration d’une solution par la mesure de
l’absorbance correspondante.
En pratique, il est préférable de tracer la
courbe de l’absorbance en fonction de la
concentration pour plusieurs solutions
standard (des solutions dont on connaît très
précisément la concentration) et de déduire la
concentration des solutions à analyser à partir
de cette courbe d’étalonnage (A vs c).
Il existe divers appareils plus ou moins sophistiqués permettant d’obtenir les spectres UVvisibles
des substances. Certains permettent de travailler dans les deux régions spectrales, alors que
d’autres travaillent seulement dans le visible. Les composantes principales de ces appareils sont :
• la source lumineuse, différente selon que l’on travaille dans le visible (une lampe au
tungstène) ou dans l’UV (généralement, une lampe à la vapeur de deutérium);
• l’analyseur, dont la fonction est de décomposer la lumière en ses différentes longueurs
d’onde, qui peut être un prisme, mais plus généralement, un réseau de diffraction;
• un puits permettant de placer l’échantillon dans le parcours du faisceau lumineux;
• un détecteur qui traduit la puissance lumineuse lui parvenant en signal électrique;
• des cellules, petites éprouvettes contenant les solutions dont on veut mesurer l’absorption;
celles-ci, en quartz ou en verre, de dimensions très précises, sont introduites dans le puits.
Schéma interne de base d’un spectrophotomètre
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
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Les manipulations à effectuerCette expérience se déroulera sur deux semaines
Première semaine: Préparation du détergent
1. Peser précisément sur une balance analytique, environ 1 gramme de détergent et
l'introduire dans un ballon à fond rond de 100 mL. Noter cette masse et son incertitude à
l’endroit approprié sur votre schéma.
2. Ajouter doucement 25 ml (dispensette) d'acide sulfurique à 15%, et quelques pierres à
ébullition.
3. Surmonter votre ballon d'un réfrigérant dans lequel circule de l'eau du robinet et démarrer
le chauffage: la solution doit être maintenue à ébullition pendant au moins 30 minutes.
Quand votre chauffage à reflux sera bien stabilisé, nous expliquerons le fonctionnement du
colorimètre, et vous profiterez du temps qu’il vous restera pour vous exercer au pipettage.
4. Laisser refroidir à la température de la pièce.
5. Vider la solution dans une fiole jaugée propre de 250 mL, rincer le ballon rond avec de
l’eau distillée et récupérer les eaux de rinçage dans la fiole jaugée, puis compléter au trait
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
de jauge avec de l’eau distillée. Boucher et homogénéiser par inversion, à quelques
reprises.
6. Laisser sédimenter les matériaux de remplissage et, à l’aide d’une pipette volumétrique,
prélever 10,00 mL de cette solution de détergent et introduisez-la dans une deuxième fiole
jaugée de 250 mL. Compléter à la jauge avec de l’eau distillée et bien homogénéiser.
Identifier et remiser la solution jusqu’à la semaine prochaine.
Deuxième semaine: dosage par spectroscopie
1. Préparation des solutions étalons
1.1 À partir de la solution mère de phosphates de concentration 1,00 x 10-3 mol/L, préparer les 6
solutions étalons diluées requises pour la réalisation de la courbe d’étalonnage. Nous utiliserons
une burette de 25,00 mL pour mesurer les différents volumes de solution mère et les solutions
étalons diluées seront toutes d’un volume de 25,00 mL, leurs concentrations s’échelonneront de
1,00 x 10-4 à 6,00 x 10-4 mol/L. N.B. Consulter votre schéma pour les valeurs à prélever.
1.2 Laver et sécher sept grosses éprouvettes. Introduire dans chacune 5,00 mL de la solution de
vanadomolybdate d’ammonium (dispensette) et respectivement 10,00 mL de chacune de vos
6 solutions étalons diluées (pipette volumétrique) dans les 6 premières éprouvettes. Dans la
septième éprouvette, introduire 10,00 mL d’eau distillée (pipette volumétrique): ce sera votre
« blanc ». Agiter les solutions avec le vortex et attendre de 8 à 10 minutes pour le
développement de la coloration jaune.
1.3 Procéder de même pour la préparation de votre solution d’analyse. Il est possible qu’il se
forme un précipité: on constate la présence d’un précipité en suspension si la solution est
moins limpide que les solutions étalons. Il faut alors forcer le précipité très fin à se déposer
plus rapidement en centrifugeant la solution. Apporter votre éprouvette bien identifiée au
responsable du laboratoire qui procédera à la centrifugation pour vous.
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
2. Étalonnage du spectrophotomètre
2.1 Sélectionner la meilleure longueur d’onde de travail, soit 415 nm.
2.2 Remplir une cuvette propre et sèche avec votre « blanc », et procéder à l’étalonnage de votre
appareil selon les explications données au laboratoire.
3 .Mesure de l’absorbance des solutions étalons et de la solution d’analyse
3.1 Remplir sept cuvettes respectivement avec chacune des 6 solutions étalons et avec la solution
d’analyse. Si les cuvettes ne sont pas sèches, les conditionner préalablement avec un peu
de chacune des solutions qu’elles devront contenir.
3.2 Mesurer l'absorbance de chacune des 6 solutions étalons et celle de votre solution d’analyse.
Noter ces valeurs, de même que leurs incertitudes, à l’endroit approprié sur votre schéma.
Le compte-rendu
Note : Tous les tableaux (mesures et résultats) doivent obligatoirement être construits selon
les recommandations du Guide des sciences expérimentales.
Votre rapport de laboratoire doit comprendre les points suivants :
1. Page titre.
2. Rappel de l’objectif poursuivi et de la méthode utilisée pour l’atteindre (3 à 5 lignes).
3. Tableau 1 : Données et mesures relatives à la préparation du détergent.
4. Tableau 2 : Absorbance des solutions étalons selon leur concentration et incertitude sur
l’absorbance, absorbance de la solution d’analyse, longueur d’onde de travail utilisée,
nom du produit analysé.
5. Graphique : courbe d’étalonnage (à construire selon les recommandations du Guide des
sciences expérimentales)
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
6. Calculs :
6,1 Calcul du nombre de mole de PO43- dans la solution d’analyse.
6,2 Calcul du nombre de mole de PO43- dans la solution concentrée.
6,3 Calcul du nombre équivalent de mole de P2O5 (c’est la façon standard d’évaluer la
concentration en phosphates en chimie environnementale).
( deux moles de PO4-3 = une mole de P2O5)
6,4 Calcul de la masse de P2O5.
6,5 Calcul du pourcentage massique de P2O5 dans la poudre analysée.
7. Tableau 3 : Présenter tous les résultats intermédiaires des calculs effectués au point 6
ainsi que votre pourcentage massique de P2O5 obtenu pour votre échantillon.
8. Tableau 4 : Présenter votre résultat final dans un tableau regroupant également les
résultats des autres équipes de votre groupe ( résultats transmis sur Léa ) ayant travaillé
sur le même détergent que vous. N’oubliez pas d’inscrire le nom du détergent. Effectuer
le test de Dixon et calculer la moyenne et l’écart moyen (moyenne des écarts à la
moyenne) et indiquez-le dans votre tableau.
9. Discussion et conclusion:
—Discuter de la reproductibilité de la méthode: les étapes requises pour ce dosage étant
nombreuses, on peut admettre que les résultats sont reproductibles s’ils sont identiques
l’un à l’autre à l’intérieur d’un écart de 5%.
—Estimer la sensibilité de cette méthode, c’est à dire la limite des concentrations qu’elle
permet de déterminer.
—Quelles sont les principales difficultés de cette méthode ? Étayer votre point de vue
d’exemples concrets.
—Les phosphates favorisent la croissance des plantes et certaines plantes plus
opportunistes en profitent davantage, telles les «algues bleues». Pourquoi les algues
bleues sont-elles un si grave problème ? Pour contrer le problème, on peut agir à la source
en limitant l’apport de phosphates dans l’environnement, ou agir sur le terrain en
récupérant une partie des phosphates déversés dans l’environnement. Énoncez six
recommandations « logiques et viables » que vous feriez si vous aviez l’autorité pour agir
sur cette situation.
— Conclure en rappelant les objectifs, la démarche et les résultats obtenus.
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
Test de Dixon
Il peut arriver, au cours d'une expérimentation qu'un des résultats semble s'écarter notablement des autres. Une attitude classique, que l'on rencontre trop souvent, consiste à éliminer cette valeur en la considérant comme aberrante. Or il peut être dangereux de procéder ainsi sans vérification préalable. Il faut avoir recours à un test statistique permettant de justifier l'élimination de la valeur aberrante avec une probabilité P, choisie à l'avance, de se tromper. Le test de Dixon permet de réaliser cela.
Étape à réaliser
1) Placer les valeurs en ordre croissant.
Valeur 1 Valeur 2 Valeur 3 Valeur … Valeur n -1 Valeur nX1 X2 X3 X… Xn-1 Xn
2) Effectuer le test Rx selon le nombre de valeurs
Nombre de valeurs(inclusivement)
Test Calculsdoute sur X1
Calculsdoute sur Xn
3 et 7 R10
8 et 10 R11
11 et 13 R21
14 et 30 R22
3) À l’aide de la table de Dixon, déterminer la valeur critique.
Table de Dixon(valeur critique à 5 %)
n Rc n Rc n Rc3 0,970 12 0,479 21 0,4784 0,829 13 0,611 22 0,4685 0,710 14 0,586 23 0,4596 0,628 15 0,565 24 0,4517 0,569 16 0,546 25 0,4438 0,608 17 0,529 26 0,4369 0,564 18 0,514 27 0,42910 0,530 19 0,501 28 0,42311 0,502 20 0,489 29 / 30 0,417 / 0,412
4) Comparer Rx avec Rc
Si Rx < Rc garder la valeur Rx > Rc rejeter la valeur recalculer la moyenne
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
Calcul de l’écart moyenC’est un mode d’évaluation « statistique » de la précision d’une méthode
Exemple :
Équipe Résultat Écart à la moyenne1 10,1 0,22 10,4 0,13 10,3 04 10,5 0,25 10,2 0,1
Moyenne et écart moyen 10,3 (1 seule décimale permise) (0,6/5) donc 0,1 (1 seule décimale permise)
Le résultat est donc donné ainsi: 10,3 0,1 (la valeur moyenne suivie de l’écart moyen).
La précision du résultat est évaluée par l’incertitude relative en pourcentage : plus celle-ci est faible, plus le résultat est précis : ici, elle est égale à 100( 0,1 / 10,3 ), soit 1% (ce qui est très bien comme précision).
L’intervalle de confiance (parfois appelé « la fourchette ») est donc de : 10,2 à 10,4.
L’exactitude du résultat est donnée par sa comparaison avec la valeur de référence. Supposons qu’ici, la valeur de référence soit de 10,8. Cette valeur n’étant pas comprise dans l’intervalle de confiance, on doit conclure que le résultat est inexact. Par contre, si la valeur de référence avait été de 10,2, on aurait conclu que le résultat est exact car compris dans l’intervalle de confiance (sur l’une de ses limites en fait).
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
Nom :___________________________
Le travail préparatoire
1. La préparation du détergent doit être faite avec soin car c’est cet échantillon qui sera analysé à la deuxième semaine. Répondez aux questions suivantes se rapportant aux manipulations effectuées pour préparer le détergent.
a) Pourquoi doit-on connaître précisément la masse de détergent hydrolysé ?
b) Quel est le rôle des pierres à ébullition ?
c) Lorsque la réaction d’hydrolyse est complétée, la solution refroidie est vidée dans une
fiole jaugée propre mais pas nécessairement sèche. Pourquoi ?
2. Réaliser les calculs préliminaires requis pour la préparation des 6 solutions étalons diluées (point
2,1 des manipulations). Indiquer, sur votre schéma à l’endroit approprié, les volumes de solution
mère à prélever.
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Expérience 4 – Dosage des phosphates dans les détergents
3. La solution de vanadomolybdate d’ammonium utilisée a été préparée en utilisant une grande
quantité d’acide nitrique concentré à 70%. Chercher dans le Répertoire toxicologique de la
CSST (http://www.reptox.csst.qc.ca/Documents/SIMDUT/GuideFra/Htm/GruideFra.htm) quels
sont les dangers associés à l’utilisation de l’acide nitrique, et quelles sont les manœuvres
d’urgence à accomplir si la peau ou les yeux entrent en contact avec le produit.
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