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Leçon de chimie n°23 (agrégation) :
Contrôle de qualité d'eaux minérales (Terminale S spécialité).

Transcription des notes manuscrites de préparation à l'agrégation. Les schémas et le détail des calculs sont dans le document original : télécharger la leçon manuscrite (PDF, 9 pages).

Introduction

Les eaux minérales, riches en sels minéraux, se classent en six groupes (eaux sulfurées, sulfatées, phosphatées...). Elles proviennent souvent de régions montagneuses, où la pluie entraîne les minéraux, et leur source est reconnue par le ministère de la Santé.

Tests de quelques ions

• HCO₃⁻ (Vichy) : avec la phénolphtaléine incolore (pH < 8) dans un tube à boule, on chauffe : 2 HCO₃⁻ → CO₂,H₂O + CO₃²⁻ ; la solution rosit et le CO₂ trouble l'eau de chaux.
• Na⁺ (Vichy) : test à la flamme au fil de platine ; flamme bleue avec l'eau distillée, légère teinte jaune avec l'eau du robinet, jaune intense avec la Vichy. L'intensité de la flamme permettrait de doser Na⁺.
• Ca²⁺ : solution saturée de carbonate de sodium versée dans une solution témoin de Ca²⁺ et dans la Contrex : deux précipités blancs.
• CO₂ : la Badoit trouble l'eau de chaux ; mesure du pH.
• K⁺ : précipité blanc avec l'ion picrate, long à obtenir ; ne fonctionne pas avec les eaux testées (il faut au moins 0,1 mol/L), il faudrait de la Vichy Célestins.

Dosage des chlorures par la méthode de Mohr

• Expérience : 10 mL de Vichy Saint-Yorre dosés par AgNO₃ à 0,01 mol/L : Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl blanc ; fin du dosage repérée par les ions chromate, qui précipitent avec Ag⁺ (Ag₂CrO₄) une fois les chlorures épuisés.
• Résultats : \(V_{éq} = 9{,}6\) mL, d'où [Cl⁻] = 9,6 mmol/L et environ 341 mg/L, à comparer à l'étiquette. La norme de potabilité est de 250 mg/L : cette eau a des vertus thérapeutiques.

Titrage des ions sulfate par gravimétrie

• Expérience : 250 mL de Contrex et un excès de Ba²⁺ + 2 Cl⁻ : Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄ blanc ; on sèche le précipité à l'étuve (très long) et on le pèse.
• Résultats : 2,12 g − 1,32 g (filtre) = 0,80 g ; \([\text{SO}_4^{2-}] = \dfrac{m_{BaSO_4}}{M_{BaSO_4}V_{init}} \approx 13{,}7\) mmol/L, soit environ 1 315 mg/L, un peu plus que l'étiquette : il reste peut-être de l'eau dans le précipité.

Dosage acido-basique des ions HCO₃⁻ : titre alcalimétrique complet

• 50 mL d'Évian dosés par HCl à 0,02 mol/L : H₃O⁺ + HCO₃⁻ → CO₂ + 2 H₂O ; courbe sur ordinateur : [HCO₃⁻] = 0,02 × 13,5 / 50 ≈ 5,4 mmol/L, soit 329 mg/L.
• TAC : volume en mL de HCl à 0,02 mol/L nécessaire pour doser 100 mL d'eau en présence de vert de bromocrésol (zone de virage 3,8 à 5,4, proche du point d'équivalence) : on attend le passage du bleu au jaune ; TAC = 28 (mesure sur 50 mL multipliée par 2).

Dosage des ions Mg²⁺ et Ca²⁺ : dureté de l'eau

• Dureté : \(TH = 10^4([\text{Mg}^{2+}] + [\text{Ca}^{2+}])\) (en mol/L).
• Expérience : 10 mL de Contrex, noir ériochrome T et tampon ammoniacal, dosés par l'EDTA : Ca²⁺ + HY³⁻ → [CaY]²⁻ + H⁺ ; quand il n'y a plus de Ca²⁺ libre, l'EDTA déplace l'indicateur (CaIn) et l'on retrouve la couleur bleue du NET (rose avant).
• Résultats : \(V_{éq} = 14{,}8\) mL, [Mg²⁺] + [Ca²⁺] = 14,8 mmol/L, TH = 148 : eau très dure par rapport à l'eau du robinet (environ 11).

Conclusion

Une eau minérale est bonne pour l'apport de sels minéraux, mais certaines contiennent trop d'ions.

Remarques

• Il faut faire du qualitatif et du quantitatif.
• Eaux de distribution (critères de potabilité : qualités organoleptiques, paramètres physico-chimiques comme pH, dureté, conductivité, paramètres toxicologiques comme le taux de nitrates, espèces toxiques comme les métaux lourds et hydrocarbures, paramètres microbiologiques) ; eaux minérales (ne répondent pas forcément aux critères de potabilité, appellation contrôlée par l'Académie de médecine, composition constante, aucun traitement ; faiblement minéralisées si le résidu sec est inférieur à 500 mg/L, moyennement de 500 à 1 500, fortement au-delà) ; eaux de source (mêmes critères que l'eau potable).
• Le précipité d'oxalate de calcium est plus spécifique. Une eau contenant HCO₃⁻ mais pas de CO₂ troublerait-elle l'eau de chaux ? C'est le pH qui indique que c'est CO₂ qui fait précipiter.
• Test des chlorures par Ag⁺ : se placer en milieu acide, sinon le carbonate d'argent précipite. Le dosage de HCO₃⁻ par la soude donne un saut de pH trop petit.
• Dosage à l'EDTA : le changement de couleur est surtout dû à Mg²⁺ (pKd : CaIn⁻ 5,4, MgIn⁻ 7,0, MgY²⁻ 8,7, CaY²⁻ 10,7). Pour doser Ca²⁺ seul, on se place à pH 12 (Mg(OH)₂ précipite) avec la murexide.
• Traces de métaux : polarographie (courant de diffusion proportionnel à la concentration, en faisant varier le potentiel de l'électrode où ont lieu les réductions).
• Tableau de composition moyenne de diverses eaux minérales et de source, avec les normes de potabilité (extrait de Carrier et Fort, Quelques espèces chimiques du monde de l'alimentation et des boissons, Ellipses).

Bibliographie

• Chimie expérimentale, Dunod
• Documents d'accompagnement de 1^re S
• Manuel de terminale S spécialité, Hachette (ancien programme)
• Carrier, Fort, Quelques espèces chimiques du monde de l'alimentation et des boissons, Ellipses
• Polycopié de CAPES