Méthodes Chimiques d'Analyse

ACTIVITES

A1 : Préparer une solution.

Comment préparer pour un TP une solution à une concentration donnée en utilisant les données inscrites sur un flacon ?

Doc1 : Acide chlorhydrique disponible.

Doc2 : Données.

• Masses molaires :

M(H) = 1,0 g.mol^-1 ; M(Cl) = 35,5 g.mol^-1

• Masse volumique de l'eau :

ρ (H₂O) = 1,00.10³ g/L

Doc3 : Titre massique.

Le titre massique t d'une solution est le rapport de la masse de soluté présente dans l'échantillon à la masse de cet échantillon :

$ t = \dfrac {m_{soluté}}{m_{solution}} \times 100 $

NB : Dans cette relation, les masses sont exprimées dans la même unité, le titre t exprimé en % n'a pas d'unité.

Doc4 : Densité

La densité d d'une solution est le rapport de la masse volumique de cette solution à celle de l'eau :

$ d = \dfrac {\rho}{\rho_{eau}}$

NB : Dans cette relation, les masses volumiques sont exprimées dans la même unité, la densité d n'a pas d'unité.

Doc 5 : situation.

Préparation :

• Sur la situation ci-dessus, lister le matériel présent. Quel matériel absolument nécessaire n'y apparaît pas ?

• Identifier les icônes présentes sur le flacon d'acide. Où doit s'effectuer cette manipulation ?

Calculs nécessaires :

• Déterminer la masse d'un litre de solution commerciale.

• Quelle masse de soluté contient-elle ?

• Déterminer sa concentration c en quantité de matière de soluté.

Manipulations :

• Visionner l'animation fournie.

• Etablir le protocole pour préparer une solution en quantité de matière c₀ = 2,0×10^-1 mol.L^-1.

A2 : Titrage par suivi pH-métrique.

Le vinaigre ménager est un liquide incolore et transparent issu généralement de la fermentation de la betterave sucrière ou de céréales. Il contient de principalement de l'eau et de l'acide éthanoïque (appelé aussi acide acétique)

La valeur indiquée est-elle juste ?

A21. Approche expérimentale.

Doc1 : Lecture de l'étiquette

Sur l'étiquette de la bouteille de vinaigre, on peut trouver différentes informations, notamment :

Les espèces chimiques présentes
Le titre massique, exprimé en g/L ou

Le degré (°) équivalant à un pourcentage (%) correspondant tous les deux à un pourcentage massique.

Doc3 : Réaction acido-basique

L'acide acétique réagit avec l'hydroxyde de sodium (soude), $\left ( Na^{+};HO^{-} \right ) $ selon la réaction :

$ CH_{3}COOH_{(aq)} + HO^{-}_{aq} \longrightarrow CH_{3}COO^{-}_{(aq)} + H_{2}O_{l} $

Doc2 : étiquette.

Doc4 : Equivalence.

A l'équivalence, on observe une brusque variation du pH. Dans ces conditions, les espèces réagissant sont dans les conditions stoechiométriques.

• Effectuer les calculs nécessaires pour déterminer la concentration en quantité de matière supposée.

A22. Manipulation.

Doc5 : schéma du montage.

Doc6 : Repérer l'équivalence.

Méthode des tangentes :

Le volume équivalent est repéré en traçant les tangentes aux points de changement de concavité et en repérant l'abscisse l'intersection de cette droite.

Variation du pH :

A l'équivalence, la variation du pH en fonction du volume de titrant versé est maximale.

NB : le volume équivalent peut aussi être repérer en observant le changement de couleur d'un indicateur coloré approprié.

• A votre disposition : le vinaigre et une solution de soude à c₀ = 1,0 mol.L^-1. Proposer un protocole pour vérifier la valeur indiquée en listant le matériel nécessaire.

• Une fois le protocole valider, le mettre en œuvre.

• Présenter les résultats dans un compte rendu précis.

• Conclure quant à la valeur indiquée.

A23. Simulations informatiques.

A23a. Evolution des quantités de matière.

Le programme ci-dessous permet de simuler les quantités de matières présentes au cours du titrage.

Modifier les données afin de vérifier les résultats obtenus lors de la manipulation

Evolution des différentes quantités de matière en fonction du volume de soude versé.

(effectuer un copier-coller des lignes ci-dessous pour les introduire dans Py.scripter)

# -*- coding: utf-8 -*-

from matplotlib import*

from numpy import*

from pylab import *

d=8 ####degré du vinaigre

f1=10 ####facteur de dilution vinaigre

cvin=d*10/(60*f1) ####concentration en acide après dilution

cOH=0.1 ####concentration soude

vvin=10 ####volume initial de solution

ve=cvin*vvin/cOH ####volume équivalent

############avant équivalence######################

abscisse1=linspace(0,ve,ve*10+1) ######axe abscisses avant eq

nacide1=(cvin*vvin-cOH*abscisse1)*1e-3 ####qté en acide avant éq

plt.plot(abscisse1,nacide1,color="blue",label="AH") ####tracé qté en acide avant éq

nbase1=cOH*abscisse1*1e-3 ####qté en base avant éq

plt.plot(abscisse1,nbase1,color="green",label="A-") ####tracé qté en base avt éq

nOH1=0*abscisse1 ####qté en soude avant éq

plt.plot(abscisse1,nOH1,color="red",label="HO-") ####tracé qté en acide OH- avt éq

############après équivalence######################

abscisse2=linspace(ve,25,(25-ve)*10+1) ######axe abscisses apres eq

nacide2=0*abscisse2 ####qté en acide après éq

plt.plot(abscisse2,nacide2,color="blue") ####tracé qté en acide après éq

nbase2=cvin*vvin*1e-3+0*abscisse2 ####qté en base après éq

plt.plot(abscisse2,nbase2,color="green") ####tracé qté en base après éq

nOH2=cOH*(abscisse2-ve)*1e-3 ####qté en soude avant éq

plt.plot(abscisse2,nOH2,color="red") ####tracé qté en acide OH- après éq

############# graphique############################

plt.title("Evolution des quantités de matière des espèces en fonction du volume de soude versée \nTitrage de l'acide acétique par la soude")

plt.legend(loc="upper right")

xlabel=("Volume de soude (en mL)")

ylabel=("Quantités de matière des espèces en solution (en mol)")

plt.grid()

plt.show()

A23b. Evolution du pH.

Le programme ci-dessous permet de simuler la variation du pH au cours du titrage.

Modifier les données afin de vérifier les résultats obtenus lors de la manipulation

Evolution du pH en fonction du volume de soude versé.

(effectuer un copier-coller des lignes ci-dessous pour les introduire dans Py.scripter)

# -*- coding: utf-8 -*-

from matplotlib import*

from numpy import*

from pylab import *

d=8 ####degré du vinaigre

f1=10 ####facteur de dilution vinaigre

cvin=d*10/(60*f1) ####concentration en acide après dilution

cOH=0.1 ####concentration soude

vvin=10 ####volume initial de solution

ve=cvin*vvin/cOH ####volume équivalent

pKa=4.76

DpH1=[0] ####liste pH avant éq

DpH2=[0] ####liste pH avantaprès#####

############avant équivalence######################

abscisse1=linspace(0,ve,ve*100+1) ######axe abscisses avant eq

pH1=pKa+log10(cOH*abscisse1/(cvin*vvin-cOH*abscisse1)) ######pH après eq

plt.plot(abscisse1,pH1,color="blue",label="pH") ######Tracé pH après eq

for i in range(0,len(abscisse1)-1): ######Liste dpH/dv avant éq

DpH1.append(0.5*(pH1[i+1]-pH1[i])/(abscisse1[i+1]-abscisse1[i]))

plt.plot(abscisse1,DpH1,color="red",label="dpH/dV") ######tracé dpH/dV avant éq

############après équivalence######################

abscisse2=linspace(ve,25,(25-ve)*100+1) ######axe abscisses après eq

pH2=14+log10(cOH*(abscisse2-ve)/abscisse2) ######pH après eq

plt.plot(abscisse2,pH2,color="blue") ######Tracé pH après eq

for i in range(0,len(abscisse2)-1): ######Liste dpH/dv après éq

DpH2.append(0.5*(pH1[i+1]-pH1[i])/(abscisse1[i+1]-abscisse1[i]))

plt.plot(abscisse2,DpH2,color="red") ######tracé dpH2/dV après éq

############# graphique############################

plt.title("Evolution du pH et variation du pH en fonction du volume de soude versée")

plt.legend(loc="upper right")

xlabel=("Volume de soude (en mL)")

ylabel=("Quantités de matière des espèces en solution (en mol)")

plt.grid()

plt.show()

A3 : Titrage par suivi conductimétrique.

Le sérum physiologique est une solution pharmaceutique utilisée pour nettoyer le nez, les yeux, etc...

Elle contient de l'eau et du chlorure de sodium. Le pourcentage indiqué est un pourcentage massique.

L'objectif de la manipulation suivante est de vérifier cette valeur indiquée..

A31. Interprétation de la valeur indiquée.

• Interpréter cette valeur.

• Traduire cette valeur en concentration(s) molaire(s).

A32. Mannipulations.

Doc1 : définition.

La conductivités d'une solution dépend de la concentration des ions contenus dans cette solution :

$\sigma = \sum_{i} \lambda_{i} \times c_{i} $

Dans cette relation, λ_i représente la conductivité molaire de l'espèce (i) (exprimée en mS.m².mol^-1) et c_i la concentration molaire de cette espèce.

Doc4 : Réaction support

Les ions chlorures Cl^- réagissent avec les ions argent Ag⁺ pour former un précipité de chlorure d'argent AgCl_(s)selon la réaction :

$ Ag^{+}_{(aq)}+ Cl^{-}_{(aq)} \longrightarrow AgCl_{(s)} $

Doc2 : Valeurs.

Ion	Na ⁺	Cl ^-	Ag ⁺	NO₃ ^-
λ	5,01	7,63	6,19	7,14

Doc 3 : Matériel à disposition.

Fiole jaugée de 100 mL.

Burette de 25 mL.
Pipettes et système de pipetage.
Agitateur magnétique.
Béchers.
Conductimètre.

Solution titrante de nitrate d'argent à la concentration c₁ = 2,00.10^-1 mol/L.

• Dresser le tableau d'avancement correspondant à la réaction support.

• Donner l'expression de la conductivité de la solution dans le bécher lors du dosage.

• Doser 100 mL de cette solution en versant la solution titrante mL par mL. Noter les valeurs obtenues et tracer les variations de la conductivité s en fonction du volume v de solution titrante versée.

• Représenter la courbe σ? = f(v).

• Déterminer alors la valeur cherchée et comparer à l'indication.

Exercices : 13, 14, 16, 18, 19, 20, 22, 23, 31, 33, 38 P75 à 85

COURS

C1 : Caractéristiques d'une solution aqueuse.

C11 : Titre massique.

Cette valeur représente le rapport de la masse de soluté contenu dans une solution.

Il s'exprime en pourcentage :

$t=\dfrac {m_{soluté}}{m_{solution}} \times 100 $

t : titre massique

m_solution: masse d'un volume donné de la solution.

m_soluté : masse du soluté dans même volume de la solution.

C12 : Densité.

C12a : Masse volumique.

Comme son nom l'indique, la masse volumique d'un corps est le rapport d'une masse de ce corps au volume correspondant :

$\rho = \dfrac {m}{V} $

ρ : en kilogramme par mètre cube (kg.m^-3)

m : masse en kilogramme (kg)

V : volume en mètre cube (m³)

C12a : Masse volumique.

La densité d'un corps permet de comparer sa masse volumique à celle de l'eau, les deux masses volumiques étant exprimées dans la même unité

$ d = \dfrac {\rho _{corps}}{\rho _ {eau}} $

d : sans unité

ρ_corps : en kilogramme par mètre cube (kg.m^-3)

ρ_eau : en kilogramme par mètre cube (kg.m^-3)

NB : ρ?_eau = 1000 kg.m^-3

C13 : Préparer une solution diluée.

C13a : Concentration molaire de la solution mère.

Considérant une solution mère de taux massique t, de densité d et de volume V, sa concentration molaire est :

$ c= \dfrac {\rho _{eau}\times d \times r }{M} $

c : concentration molaire en mol.L^-1

d : densité sans unité

r : taux massique

M : masse molaire en g.mol^-1

C13b : Concentration molaire d'une solution diluée.

1. Déterminer par calcul le volume v_mère à prélever pour préparer une solution de volume V et de concentration finale c_finale.

Lors de cette opération, la quantité prélevée n'est pas modifiée, on a donc :

$V=\dfrac {c_{mère} \times v_{mère}}{c_{finale}}$

2. Verser un volume de la solution mère dans un bécher.

3. Prélever le volume v déterminé à l'aide du matériel nécessaire (pipette jaugée, éprouvette graduée…)

4. Introduire ce volume v dans une fiole de volume V.

5. Ajouter de l'eau distillée aux 2/3 de la fiole et agiter.

6. Compléter la fiole toujours avec de l'eau distillée au trait de jauge et agiter.

7. Fermer la fiole.

C2 : Principe du titrage.

• Le titrage consiste à suivre l'évolution d'une grandeur physique (pH, conductivité) d'une solution lors d'une réaction chimique rapide.

• On fait réagir l'espèce d'une solution dont on ne connaît pas la concentration (solution titrée) avec un réactif en solution dont on connaît la concentration (solution titrante).

• Il sert à déterminer la concentration inconnue.

• A un certain point de la réaction, le produit titré aura totalement disparu (point équivalent). A ce point, les quantités de matières sont toutes les deux nulles (conditions stoechiométriques).

Dans ces conditions, la quantité de titré est calculée grâce à l'équation de la réaction.

Pour la réaction : $aA + bB \longrightarrow cC+ dD $

Equation chimique		$aA + bB \longrightarrow cC+ dD $
Etat	Avct(mol)	Quantités de matière (mol)
Initial	x = 0	n_iA	n_iB	0	0
intermédiaire	x	n_iA -ax	n_iA? -bx	cx	dx
Final	x = x_f	n_iA -ax_f	n_iA? -bx_f	cx_f	dx_f

A l'équivalence (conditions stoechiométriques) : $\dfrac {n_a}{a} = \dfrac {n_b}{b} \Leftrightarrow \dfrac {c_{a}\times V_{a}}{a} = \dfrac{c_{b}\times V_{b}}{b}$

Si l'espèce A est l'espèce titrée, on a donc : $c_{a}=\dfrac {a \times c_b\times V_{b}}{V_{a}\times b}$

• Connaissant la concentration du titrant, on pourra en déduire la quantité de matière du titrant ayant réagi et ainsi, en déduire la quantité de titré et ainsi sa concentration.

C3 : Titrage pH-métrique.

C31 : Description.

C32 : Exploitation.

A l'équivalence, il n'y a plus de titré.

On observe un saut important du pH.

On peut alors déterminer le volume équivalent par deux méthodes.

Méthode des tangentes.

Méthode de la dérivée

C4 : Titrage conductimétrique.

C41 : Description.

C42 : Exploitation.

Cette fois, c'est la conductivité qui change rapidement en fonction du volume de titrant versé.

On observe un changement de la pente.

C5. Conclusion.

On mesure une grandeur physique (pH, absorbance, conductivité…) dans un milieu siège d'une réaction rapide.

Cette grandeur varie au cours de la réaction chimique.

La loi de variation de cette grandeur permet d'évaluer sa valeur à un instant donné, et particulièrement de la connaître dans les conditions stoechiométriques.

Par l'intermédiaire de l'écriture de la réaction chimique, on peut alors déterminer la quantité ou la concentration du réactif inconnu.