[PDF] Exercice 1 : léthylotest comment ça marche ?

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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.Commentamarche ?

90lÕactualitŽchimique- octobre-novembre2012 -n¡367-368

LՎthylotest

%B?)$9:#(52*(;5/2(-)2+*'-'+1(/#(<3= edŽcretn¡2012-284du28fŽ- vrier2012prŽvoit lÕobligationde dŽtenirunŽthylotest ˆbord deson vŽhiculeˆcompter du1 er juillet2012 [1].Lesconducteurs ontlapossibilitŽ dÕacquŽrirdesŽthylotests ˆusage niques.LesŽthylotests etŽthylo- chimiquesouutilisent despropriŽtŽs physico-chimiquesde lamolŽcule dՎthanolpourŽvaluer lÕalcoolŽmie.

Commentfonctionnent-ils?

Leparcoursde lÕalcool

danslÕorganisme LÕalcoolcontenudans lesboissonsest lՎthanol, C 2 H 5 OH.IlnÕest pastransformŽdans letube digestifet concentrationmaximaledans lesang, appelŽealcoolŽmie, estatteinteen unedemi-heurelorsquÕon estˆjeun etenune heurequandon mange.Plussoluble danslÕeau quedansles graisses,lÕalcoolse rŽpanddans lÕorganismeparla circula- tionsanguineet seconcentre auniveaudu cerveau,dufoie, lelaitmaternel quedans lesang.Si 5%de lÕalcoolcontenu danslesang sontŽvacuŽs parlasueur, lesurineset lÕair expirŽ,cÕestdansle foiequela majeurepartie (95%de la quantitŽingŽrŽe)est ŽliminŽeˆ unevitessemoyenne de

0,17g/L

sang /heure[3].La mŽtabolisationde lՎthanoldansle foieestprincipalement assurŽepardeux enzymes: lÕalcool dŽshydrogŽnase(ADH)intervient danslaconversion de lՎthanolenŽthanal, quiest ensuitetransformŽen acŽtate parlÕaldŽhydedŽshydrogŽnase (ALDH)[4].

LՎvaluationdelÕalcoolŽmie

LÕalcoolŽmieestla concentrationdՎthanoldans lesang etsÕexprimeen g

Žthanol

/L sang .SonestimationˆpartirdÕune lapressionpartielle p i dÕunesubstancevolatile, quitraduit sa concentrationdanslÕair au-dessusdÕun liquide,estpropor- tionnelleˆsa fractionmolairex i dansleliquide quilacontient : p i =x i xH i ,oH i estlaconstante deHenryqui estspŽcifique delasubstance considŽrŽe.Ainsi,lÕalcoolŽmie estexacte- mentproportionnelleˆ laconcentration dՎthanoldanslÕair expirŽquÕindiquentles Žthylotests:0,25 mg

Žthanol

/L airexpirŽ correspondˆune alcoolŽmiede0,5 g/L(voirencadrŽ1). fiabledՎvaluationde lÕalcoolŽmie.Elle imposetoutefoisdes contraintesnepermettant pasuneŽvaluation rapidesur le ŽtŽmisau pointparRolla N.Hargerde lÕUniversitŽdÕIndiana en1938[5]. Pourutiliserle Drunkometer,lapersonne testŽe soufflaitdansun ballon.LÕaircontenu dansleballon Žtait ensuiteenvoyŽau traversdÕunesolution depermanganate depotassiumdans lÕacidesulfurique. LaprŽsencedÕalcool danslÕhaleineprovoquait lechangementde couleurde la solutionsuiteˆ larŽductiondu permanganate(violet)en ions Mn 2+ (incolores): MnO 4 +8H 3 O +5e =Mn 2+ +12H 2 O faisaitenfonction delacoloration delasolution parcompa- raisonˆune ŽchellederŽfŽrence. LepremierŽquipement rŽellementcompact,mais pasencoreportable carilmettait parunautre professeurdelÕUniversitŽ dÕIndiana,Robert F.Borkenstein.Cet Žquipement,anctrede lՎthylotest jetableactuel,utilisait ledichromatede potassiumenmilieu acidesulfurique[6]. L

3L'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

Commentamarche ?

lÕactualitŽchimique- octobre-novembre2012- n¡367-368 DenombreuxŽquipements ontsuccŽdŽ auDrunkometer etauBreathalyzer. Gr‰ceaudŽveloppement destechniques analytiquesetˆ lafabrication decapteursintŽgrables dans desdispositifsminiaturisŽs, ilsatteignent debonnesperfor- mancesetoffrent unerŽellepraticitŽ [7].

LՎthylotestˆusage unique

LedŽtecteurdՎthanol delՎthylotestˆ usageunique estledichromate depotassium.En prŽsencedՎthanolet enmilieuacide, lesions dichromates(jaunes)sont rŽduits enionschrome(III) (verts): 3C 2 H 5

OH+2 K

2 Cr 2 O 7 +8H 2 SO 4 3CH 3

COOH+2 Cr

2 (SO 4 3 +2K 2 SO 4 +11H 2 O LorsdÕuntest, leballon contenantlÕairexpirŽ parle conducteurestdŽgonflŽ autravers dÕuntubequi contientun solidecristallisŽconstituŽ dedichromate depotassiumet dÕacidesulfuriqueadsorbŽs surungel desilice. LaprŽsence dՎthanolestrepŽrŽe parle changementdecouleur du dichromatedepotassium jaunequidevient vertlorsquÕil est rŽduitensel dechrome(III).Le tauxdetransformation est proportionnelˆla concentrationenŽthanol delÕairexpirŽ. Letraitnoir dessinŽsur letubematŽrialise laquantitŽde dichromatedepotassium transformŽepar unequantitŽ dՎthanolcorrespondantˆ lalimitelŽgale deconcentration de0,25mg/L dÕairexpirŽ (alcoolŽmiede0,5 g/L)(figure1). ContrairementˆlՎthylotest ˆusage unique,lesŽthylo- informationquantitative.Ils utilisentplusieurstypes de capteurs[8]: descapteurs Žlectrochimiques,ˆsemi- conducteurs,ouˆ dŽtectionparinfrarouge. Ilsdoivent tre vŽrifiŽsunefois paranpar lÕutilisationde mŽlangesdegaz spŽcifiquementprŽparŽspour leurcalibration [9].

CapteursŽlectrochimiques

trochimiquessont principalementŽquipŽsde cellulesfonc- tionnantsurle principedela pileˆ combustibledanslaquelle decapteurcontient unecelluleŽlectrochimique ausein de laquelleseproduisent lesrŽactionssuivantes : C 2 H 5

OH+15 H

2 O=2CO 2 +12H 3 O +12e O 2 +4H 3 O +4e =6H 2 O

ÐRŽactionglobale:

C 2 H 5

OH+3 O

2 =2CO 2 +3H 2 O endioxydede carbonesur unecouchede catalyseur.Les protonsproduitsˆ lÕanodesont transportŽsautravers dÕune membraneŽchangeusede protonsvers lacathodeo ils ŽlectronssonttransportŽs viauncircuitexterne delÕanode prŽsentetlÕintensitŽ ducourant estdirectementliŽe ˆla concentrationdՎthanol danslÕairexpirŽ. Desbiocapteursont ŽtŽŽgalement misaupoint pourla danslarŽaction biochimiquedÕoxydationde lՎthanolen ŽthanalcatalysŽepar lÕenzymealcooloxydase (AO): C 2 H 5 OH+O 2 =CH 3 CHO+H 2 O 2 IlspermettentŽgalement desuivre lÕoxydationdelՎtha- nalenacide acŽtiquecatalysŽepar lÕenzymealdŽhyde dŽshydrogŽnase(ALDH).Les biocapteursdŽtectentla forme rŽduitedela nicotinamideadŽnine dinuclŽotide(NADH) produiteparla rŽactionsuivante: CH 3

CHO+NAD

+2H 2 O=CH 3

COOH+NADH +H

3 O Lestravauxsur cesbiocapteurs portentsurlÕimmobilisa- tiondelÕenzyme AOparsŽrigraphiesurdessupports comme

EncadrŽ1

CalculersonalcoolŽmie

LÕalcoolŽmieT(eng

Žthanol

/L sang )peuttre ŽvaluŽeenutilisant la formulesuivante: avecV=volumede boisson(enmL) ;P=concentrationde labois- sonenŽthanol:5%:5mLpour 100mL:P=0,05; 0,8=masse volumiquedelՎthanol (eng/mL); K=coefficienttenant comptedu corps:0,7 L/kgpourun hommeet 0,6L/kgpour unefemme.La teneurmoyenneen eauducorps dÕunefemmeadulte estinfŽrieure ˆcelledÕun hommeadulte; M=massede lapersonne(en kg).

5%a unealcoolŽmiede 0,6g/L.

3 "#33"#3 $%3 Figure1- LՎthylotestchangede couleurenfonction delÕalcoolŽmie. Figure2- PrincipedÕunepile ˆcombustibleˆ Žthanol.

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

273
12 32
32
[CrO][ H][C HCOOH][H] 0,060,06

ELog = EL og

64[CHCHOH][Cr]

2228 312

273
12 342
32
[CrO][H ][C HCO OH][H] 0,060,06

ELog = EL og

1212[Cr][CH CHO H]

223 16

273
21
342
32
21
[CrO][CHC OOH ][H ]0,06

Log = EE

12[Cr][CHCH OH]

0,06

LogK = EE

12

D'où : 21

12

LogK = (EE )

0,06

58) Déterminerlenombredemolesd'alcoolexpiréparlitred'airdansl'hypothèsed'unealcoolémiede0,5gd'alcoolparlitredesang.Sil'alcoolémieestégaleà0,5gd'alcoolparlitredesang,celaveutdirequ'ilya0,25mgd'éthanolparlitred'air.Soit,dans1Ld'air,unequantitédematièred'éthanoln1telleque:0,5Ptn1=0,25.10-3/MCH3CH2OH=0,25.10-3/46:n1=5,44.10-6mol.9) Endéduirelamassededichromatedepotassiumdevantêtreplacéeavantletraitdejaugeafinquecelui-ciindiqueleseuillimitedes0,5gd'alcoolparlitredesang.D'aprèslastoechiométriedelaréaction,3mold'alcoolréagissentavec2mold'ionsdichromatedoncavec2moldedichromatedepotassium.Soit:avec1mold'alcool,cesont2/3demoldequiréagissent.Ilfautdoncunemassededichromatedepotassiumquel'onnoten2telleque:0,5Ptn2=2/3.n1Cequicorrespondàunemassem2dedichromatedepotassiumtelleque:m2=n2.MK2Cr2O7=2/3.n1.MK2Cr2O7m2=2/3.n1.MK2Cr2O7m2=2/3xn1x(2x39,1+2x52+7x16)m2=2/3x5,44.10-6x(2x39,1+2x52+7x16)m2=2/3x5,44.10-6x294,21,5Ptm2=1,07.10-3gm2=1,07mg10) Quelssontlesnombresd'oxydationduchromedanslesespècesCr2O72-etCr3+?0,5PtDansCr2O72-:lenombred'oxydationduchromeest+VIDansCr3+:lenombred'oxydationduchromeest+IIINONPOSEE.Proposeruneconfigurationélectroniquepourlechrome.Combienpossède-t-ild'électronsdevalence?

6Laconfigurationélectroniquefondamentaledel'atomedechromeest:1s22s22p63s23p64s23d4MaisilyauneanomalieparrapportàlarègledeKlechkowskietlaconfigurationélectroniquefondamentaleréelledel'atomedechromeest:1s22s22p63s23p64s13d5Soit,enréordonnantlesorbitalesparvaleursdencroissantes:1s22s22p63s23p64s13d5Lechromepossède6électronsdevalence.LedegréVIestobtenulorsqueCrcèdetoussesélectronsdevalence.C'estledegréd'oxydationultimedeCr.L'éthylomètreélectroniqueàcapteurélectroniqueContrairementàl'éthylotestàusageun ique, leséthylomètresélectroniquessontréutilisablesetfournissentuneinformat ionquant itative.Ilsdoiventcependantêtre vérifiésunefoispouranpourvaliderleurcalibration.Ilssontéquipésdecellulesquifonctionnentsurleprincipedelapileàcombustibledanslaquelleledihydrogèneestremplacéparl'éthanol.Cettecellulepeutêtreschématiséeainsi:91

Commentamarche ?

lÕactualitŽchimique- octobre-novembre2012- n¡367-368quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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