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1 CHIMIE Corrigé du DM 5Corrigé Exercice1:l'é thylotest,commentçamarche? 16 PtsDevoirSurveillé5
2Cepremi erexerciceestconstruit àpartird'un articleparudanslarev ue"L'actualitéchimique »,numé rod'octobre-novembre2012,n°,367-368,page90.Leséthylotestsetleséthylomètressontdesdétecteursd'éthanolquimettentenoeuvredesréactions d'oxydor éduction.Cetexerciceexp liqueleursfonctionnement.L'alcoolcontenudanslesboissonsestl'éthanol,CH3CH2OH.Iln'estpastransformédansletubedigestifetilpassedanslesangtrèsrapidementaprèsl'ingestion.Laconcentrationmaximaledanslesangestappeléealcoolémieetestatteinteenunedemi-heure,sil'onestàjeun,ouenuneheurequandonmange.L'alcoolémieestlaconcentrationdel'éthanoldanslesang.Sonestimationestfaiteàpartirs'unemesuresur l'airexpiré.L'alc oolémieestpro portionnelleàla concentrationdel'éthanoldansl'airexpiréqu'indiquentleséthylotests:0,25mgéthanol/Lairexpirécorrespondàunealcoolémiede0,5g/L.Le"Drumkometer»,ancêtredel'éthylotest.Lepremierappareilpouranalyserl'alcooldansl'airexpiréaétémisaupointenparRollaN.H arger del'Universitéd'Indianaen1938:c'ét aitle"Drumkometer».la personnesoufflaitdansunballon,etl'aircontenudansleballonétaitensuiteenvoyéautraversd'unesolutiondeKMnO4dansl'acidesulfurique.Lasolutionacidede"KMnO4»contientdesionspotassiumK+etdesionsMnO4-.1) QuelestlenomdesionsMnO4-?1PtMnO4-estl'ionpermanganate.KMnO4estlepermanganatedepotassium.2) Quelestlenombred'oxydationdumanganèseMndansMnO4-?0,5PtLenombred'oxydationdel'oxygèneest-IIetdonc,d'aprèslesrèglesvuesencours,lenombred'oxydationdeMnest+V3) Quelleestlacouleurd'unesolutionaqueusede"KMnO4»?0,5PtUnesolutionaqueusedepermanganatedepotassiumestviolettetrèstrèsfoncée.Commentamarche ?
90lÕactualitchimique- octobre-novembre2012 -n¡367-368
LÕthylotest
%B?)$%&)%/4&C.,:3$.,,%8%,3@9:#(52*(;5/2(-)2+*'-'+1(/#(<3=
edcretn¡2012-284du28f- vrier2012prvoit lÕobligationde dtenirunthylotest bord deson vhiculecompter du1 er juillet2012 [1].Lesconducteurs ontlapossibilit dÕacqurirdesthylotests usage niques.Lesthylotests etthylo- chimiquesouutilisent desproprits physico-chimiquesde lamolcule dÕthanolpourvaluer lÕalcoolmie.Commentfonctionnent-ils?
Leparcoursde lÕalcool
danslÕorganisme LÕalcoolcontenudans lesboissonsest lÕthanol, C 2 H 5 OH.IlnÕest pastransformdans letube digestifet concentrationmaximaledans lesang, appelealcoolmie, estatteinteen unedemi-heurelorsquÕon estjeun etenune heurequandon mange.Plussoluble danslÕeau quedansles graisses,lÕalcoolse rpanddans lÕorganismeparla circula- tionsanguineet seconcentre auniveaudu cerveau,dufoie, lelaitmaternel quedans lesang.Si 5%de lÕalcoolcontenu danslesang sontvacus parlasueur, lesurineset lÕair expir,cÕestdansle foiequela majeurepartie (95%de la quantitingre)est limine unevitessemoyenne de0,17g/L
sang /heure[3].La mtabolisationde lÕthanoldansle foieestprincipalement assurepardeux enzymes: lÕalcool dshydrognase(ADH)intervient danslaconversion de lÕthanolenthanal, quiest ensuitetransformen actate parlÕaldhydedshydrognase (ALDH)[4].LÕvaluationdelÕalcoolmie
LÕalcoolmieestla concentrationdÕthanoldans lesang etsÕexprimeen gthanol
/L sang .SonestimationpartirdÕune lapressionpartielle p i dÕunesubstancevolatile, quitraduit sa concentrationdanslÕair au-dessusdÕun liquide,estpropor- tionnellesa fractionmolairex i dansleliquide quilacontient : p i =x i xH i ,oH i estlaconstante deHenryqui estspcifique delasubstance considre.Ainsi,lÕalcoolmie estexacte- mentproportionnelle laconcentration dÕthanoldanslÕair expirquÕindiquentles thylotests:0,25 mgthanol
/L airexpir correspondune alcoolmiede0,5 g/L(voirencadr1). fiabledÕvaluationde lÕalcoolmie.Elle imposetoutefoisdes contraintesnepermettant pasunevaluation rapidesur le tmisau pointparRolla N.Hargerde lÕUniversitdÕIndiana en1938[5]. Pourutiliserle Drunkometer,lapersonne teste soufflaitdansun ballon.LÕaircontenu dansleballon tait ensuiteenvoyau traversdÕunesolution depermanganate depotassiumdans lÕacidesulfurique. LaprsencedÕalcool danslÕhaleineprovoquait lechangementde couleurde la solutionsuite larductiondu permanganate(violet)en ions Mn 2+ (incolores): MnO 4 +8H 3 O +5e =Mn 2+ +12H 2 O faisaitenfonction delacoloration delasolution parcompa- raisonune chellederfrence. Lepremierquipement rellementcompact,mais pasencoreportable carilmettait parunautre professeurdelÕUniversit dÕIndiana,Robert F.Borkenstein.Cet quipement,anctrede lÕthylotest jetableactuel,utilisait ledichromatede potassiumenmilieu acidesulfurique[6]. L3L'éthylotestàusageuniqueAujourd'hui,danslesstationsservices,enpharmacie,engrandessurfaces,...,onpeutacheterdesalcootestsjetables.Ilssontconstituésd'unsachetgonflabledecapacité1Letd'untubeenverrecontenantdescristauxjaunesdedichromatedepotassiumenmilieuacide.Ceux-cisecolorentenvertaucontactdel'alcool.L'automobilistesouffledansleballonetfaitpasserl'airàtraversletube.Silacolorationvertedépasseletraittémoinsurletube,leseuiltolérédes0,5g.L-1estdépassé.Laréactionmiseenjeudansl'éthylotestestl'oxydationdel'éthanolCH3CH2OHparlesionsdichromateCr2O72-.4) Ecrirelesdemi-équationsdescouplesconcernés,puislare lationdeNernstcorrespondante.1PtLesdemi-équationsélectroniquessont:Cr2O72-+14H++6e-→2Cr3++7H2OCH3CH2OH+H2O→CH3COOH+4H++4e-1PtEtlesrelationsdeNernstcorrespondantes:E1=E¡1+0,066Log[Cr2O723][H+]14[Cr3+]2.c¡13 E2 = E¡2+0,064Log[CH3COOH][H+]4[CH3CH2OH].c¡491
Commentamarche ?
lÕactualitchimique- octobre-novembre2012- n¡367-368 Denombreuxquipements ontsuccd auDrunkometer etauBreathalyzer. Grceaudveloppement destechniques analytiqueset lafabrication decapteursintgrables dans desdispositifsminiaturiss, ilsatteignent debonnesperfor- mancesetoffrent unerellepraticit [7].LÕthylotestusage unique
LedtecteurdÕthanol delÕthylotest usageunique estledichromate depotassium.En prsencedÕthanolet enmilieuacide, lesions dichromates(jaunes)sont rduits enionschrome(III) (verts): 3C 2 H 5OH+2 K
2 Cr 2 O 7 +8H 2 SO 4 3CH 3COOH+2 Cr
2 (SO 4 3 +2K 2 SO 4 +11H 2 O LorsdÕuntest, leballon contenantlÕairexpir parle conducteurestdgonfl autravers dÕuntubequi contientun solidecristallisconstitu dedichromate depotassiumet dÕacidesulfuriqueadsorbs surungel desilice. Laprsence dÕthanolestrepre parle changementdecouleur du dichromatedepotassium jaunequidevient vertlorsquÕil est rduitensel dechrome(III).Le tauxdetransformation est proportionnella concentrationenthanol delÕairexpir. Letraitnoir dessinsur letubematrialise laquantitde dichromatedepotassium transformepar unequantit dÕthanolcorrespondant lalimitelgale deconcentration de0,25mg/L dÕairexpir (alcoolmiede0,5 g/L)(figure1). ContrairementlÕthylotest usage unique,lesthylo- informationquantitative.Ils utilisentplusieurstypes de capteurs[8]: descapteurs lectrochimiques,semi- conducteurs,ou dtectionparinfrarouge. Ilsdoivent tre vrifisunefois paranpar lÕutilisationde mlangesdegaz spcifiquementprparspour leurcalibration [9].Capteurslectrochimiques
trochimiquessont principalementquipsde cellulesfonc- tionnantsurle principedela pile combustibledanslaquelle decapteurcontient unecellulelectrochimique ausein de laquelleseproduisent lesractionssuivantes : C 2 H 5OH+15 H
2 O=2CO 2 +12H 3 O +12e O 2 +4H 3 O +4e =6H 2 OÐRactionglobale:
C 2 H 5OH+3 O
2 =2CO 2 +3H 2 O endioxydede carbonesur unecouchede catalyseur.Les protonsproduits lÕanodesont transportsautravers dÕune membranechangeusede protonsvers lacathodeo ils lectronssonttransports viauncircuitexterne delÕanode prsentetlÕintensit ducourant estdirectementlie la concentrationdÕthanol danslÕairexpir. Desbiocapteursont tgalement misaupoint pourla danslaraction biochimiquedÕoxydationde lÕthanolen thanalcatalysepar lÕenzymealcooloxydase (AO): C 2 H 5 OH+O 2 =CH 3 CHO+H 2 O 2 Ilspermettentgalement desuivre lÕoxydationdelÕtha- nalenacide actiquecatalysepar lÕenzymealdhyde dshydrognase(ALDH).Les biocapteursdtectentla forme rduitedela nicotinamideadnine dinuclotide(NADH) produiteparla ractionsuivante: CH 3CHO+NAD
+2H 2 O=CH 3COOH+NADH +H
3 O Lestravauxsur cesbiocapteurs portentsurlÕimmobilisa- tiondelÕenzyme AOparsrigraphiesurdessupports commeEncadr1
Calculersonalcoolmie
LÕalcoolmieT(eng
thanol
/L sang )peuttre valueenutilisant la formulesuivante: avecV=volumede boisson(enmL) ;P=concentrationde labois- sonenthanol:5%:5mLpour 100mL:P=0,05; 0,8=masse volumiquedelÕthanol (eng/mL); K=coefficienttenant comptedu corps:0,7 L/kgpourun hommeet 0,6L/kgpour unefemme.La teneurmoyenneen eauducorps dÕunefemmeadulte estinfrieure celledÕun hommeadulte; M=massede lapersonne(en kg).5%a unealcoolmiede 0,6g/L.
3 "#33"#3 $%3 Figure1- LÕthylotestchangede couleurenfonction delÕalcoolmie. Figure2- PrincipedÕunepile combustible thanol.45) Endéduirelebilandelaréactionréaliséelorsdel'utilisationdel'alcootest.Cetteréactionestlaréaction[1].Lebilandelaréactionquiestdoncmiseenjeulorsdel'utilisationdel'éthylotestestdonclasuivante:1Pt2Cr2O72-+3CH3CH2OH+16H+→3CH3COOH+2Cr3++11H206) Quelle(s)est(sont)l'(es)espèce(s)oxydée(s)?Quelle(s)est(sont)l'(es)espèce(s)réduite(s)?0,5PtL'éthanolestoxydéenacideéthanoïqueetlesionsdichromatesontréduitsenionsCr3+2Cr2O72-+3CH3CH2OH+16H+→3CH3COOH+2Cr3++11H207) Calculerlaconstanted'équilibreK°delaréaction[1].Commenter.0,5PtNouscalculonslaconstanted'équilibreenutilisantl'unicitédupotentield'électrodeàl'équilibre:2Cr2O72-+3CH3CH2OH+16H+→3CH3COOH+2Cr3++11H2O2144
27312 32
32
[CrO][ H][C HCOOH][H] 0,060,06
ELog = EL og
64[CHCHOH][Cr]
2228 312
27312 342
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