Titrages pH

TP C4
Titrages pH-métriques
↸ I. Qu'est-ce qu'un titrage?
à lire avant le TP
rappels de 1èreS:
Titrer une solution, c'est déterminer la concentration cA d'une espèce chimique A qu'elle contient.
Pour cela, on utilise une réaction chimique entre l'espèce A et une autre espèce chimique B.
• La burette contient une solution contenant l'espèce B dont on connaît précisément la concentration
notée cB. La burette permet de mesurer précisément le volume VB qui sera versé.
• Le bécher contient une certaine quantité de matière de l'espèce A notée nA.
Cette quantité de matière est inconnue, mais le volume VA de solution est connu précisément
Lorsqu'on verse quelques gouttes de solution B, l'espèce B réagit avec l'espèce A dans le bécher.
L'espèce B versée réagira tant qu'il restera de l'espèce A dans le bécher.
Pour pouvoir effectuer un titrage :
- il faut que la réaction entre A et B soit la seule réaction qui ait lieu,
- il faut que cette réaction soit rapide,
- il faut que cette réaction soit totale.
Lorsque l'espèce A aura totalement réagi avec l'espèce B versée, on dira qu'on a atteint l'équivalence.
Cela signifie que l'on aura versé une quantité de matière nB respectant exactement les proportions
stœchiométriques données par l'équation de la réaction entre A et B.
Le titrage pH-métrique:
Ce titrage est basé sur une réaction acido-basique entre le réactif titrant et le réactif titré.
Pour déterminer l'équivalence, on peut utiliser deux méthodes:
Utilisation d'un indicateur coloré :
Quelques gouttes d'indicateur coloré sont ajoutées dans le bécher contenant le réactif titré ; à l'équivalence
il se produit un changement de couleur.
Mesures du pH :
On mesure le pH du milieu réactionnel au fur et à mesure de l'ajout du réactif titrant, on trace alors la
courbe donnant les variations du pH. À partir de cette courbe, on détermine l'équivalence. C'est cette
méthode qui sera utilisée lors de ce TP.
↸ à faire avant le TP
II. Titrage d'une solution aqueuse d'acide chlorhydrique par une solution aqueuse de soude :
↸ 1) Écrire l'équation de la dissolution de la soude dans l’eau. Cette transformation est totale, en
déduire la formule chimique d'une solution aqueuse de soude.
↸ 2) Écrire l'équation de la réaction modélisant la transformation du chlorure d’hydrogène aqueux
avec l'eau. Cette transformation est totale, en déduire la formule chimique d'une solution aqueuse
d'acide chlorhydrique.
↸ 3) Quelle est l'équation de la transformation entre la soude (réactif titrant) et la solution aqueuse
d'acide chlorhydrique? (Cette transformation est totale et rapide)
↸ 4) On veut titrer la solution d’acide chlorhydrique par la soude. Faire un schéma annoté du dispositif
utilisé.
Protocole expérimental:
-Prélever VA = 20,0 mL de la solution d’acide chlorhydrique. Les verser dans un becher, ajouter quelques
gouttes de BBT.
-Remplir la burette de solution de soude dont la concentration est cb = 0,10 mol.L−1 .
-Placer la sonde du pH-mètre dans la solution titrée. Si la sonde ne trempe pas complètement dans la
solution, on peut ajouter un peu d’eau distillée.
-Mettre en route l'agitateur magnétique.
-Mesurer les pH successifs du milieu réactionnel : pour VB = 0 mL puis entre chaque ajout d'un millilitre
de soude et ce jusqu'à VB = 20,0 mL. Entrer ces mesures dans regressi, au fur et à mesure.
Fichier> Nouveau > Clavier
Indiquer les variables expérimentales : Vb puis pH.
Détermination de l'équivalence :
-Obtenir le graphe pH = f(Vb).
-Créer nouvelle grandeur la nommer D et choisir type de grandeur : dérivée
-Obtenir le graphe pH = f(Vb) superposé avec le graphe
dpH
dVb
dpH
= f(Vb) (choisir « échelle à droite » pour D
dVb
dans le menu « coordonnées »).
-À l'aide de l'outil réticule, repérer pour quelle valeur de VB la dérivée est maximale. On obtient alors une
première valeur du volume équivalent VBéquiv.
- À l’aide de l’outil « Tangente », méthode des tangentes (avec clic), cliquer sur un point de la courbe situé
avant l’équivalence, déterminer les coordonnées ( VBéquiv ;.pHéquiv ) du point d’équivalence E.
5) Comparer les valeurs du volume équivalent VBéquiv obtenues par les deux méthodes, en déduire une
valeur de VBéquiv.
6) L'ajout d’eau dans la solution d'acide chlorhydrique modifie-t-il la quantité de matière initiale nA d'ions
oxonium ?
7) En utilisant la valeur de VBéquiv, déterminer la concentration cA en soluté apporté de la solution d’acide
chlorhydrique ?
8) Pourquoi a-t-on choisi le bleu de bromothymol pour repérer visuellement l'équivalence ?
Indicateur
Hélianthine
Bleu de bromothymol
Phénolphtaléine
Couleur de HInd (aq)
rouge
jaune
incolore
Zone de virage
3,1 - 4,4
6,0 - 7,6
8,2 - 9,8
Couleur In−(aq)
jaune
bleu
rose
III. Titrage pH-métrique d'un vinaigre :
On désire déterminer le degré d'un vinaigre du commerce en effectuant un titrage suivi par pH-métrie.
Le réactif titrant est une solution d'hydroxyde de sodium de concentration cb = 0,25 mol.L−1.
Le vinaigre est une solution aqueuse d'acide acétique dont le nom, dans la nomenclature officielle, est
acide éthanoïque.
Cet acide réagit de façon limitée avec l'eau.
Le degré d'un vinaigre est la masse, exprimée en gramme, d'acide acétique pur, contenue dans 100g
de vinaigre. L'étiquette indique 8°.
On dispose d'une solution S préparée par dilution d'un facteur 10 du vinaigre du commerce.
1) Préciser toutes les espèces chimiques, ioniques ou moléculaires, présentes dans le vinaigre.
Mesurer le pH de la solution diluée S.
2) À 25°C, le pKA du couple acide/base CH3COOH(aq) / CH3COO−(aq) vaut 4,8. Quelle espèce chimique
du couple CH3COOH(aq)/CH3COO–(aq) prédomine dans la solution S ? Justifier.
3) Écrire l’équation chimique support du titrage.
Réaliser le titrage avec un prélèvement de 25,0 mL de solution S. La burette sera soigneusement rincée
avec de la solution titrante (ATTENTION: sa concentration a changé par rapport au 1er titrage).
Indiquer vos mesures dans le tableau suivant:
pH
Vb
0
pH
Vb
pH
Vb
4) Tracer la courbe pH = f(Vb) sur papier millimétré.
5) Déterminer les coordonnées du point d'équivalence E (VBéquiv ; pHéquiv) à l'aide de la méthode des
tangentes (voir dossier TS): (livre doc.14 p119 ou http://www.labolycee.org/anims/methode-tangente.swf)
- Tracer deux tangentes à la courbe de titrage, parallèles et situées de part et d'autre du saut de pH.
- Tracer la droite parallèle à ces deux tangentes et située à égale distance des 2 tangentes.
- Le point d'équivalence est le point d'intersection de la courbe de titrage avec cette droite.
6) En déduire la valeur de la concentration en acide éthanoïque de la solution S, puis en déduire celle du
vinaigre commercial.
7) Calculer la masse d’acide éthanoïque présente dans un volume V = 100 mL de vinaigre commercial, en
déduire le degré du vinaigre commercial. Effectuer un calcul d'erreur relative.
Données:
densité du vinaigre commercial d = 1,0
Masses molaires atomiques (en g.mol–1 ) : MH = 1,0 ; MC = 12,0 ; MO = 16,0
8) Quel indicateur coloré aurait-on utilisé pour effectuer ce titrage par colorimétrie ? Justifier.
TP C4
Titrages pH-métriques
CORRECTION
II. Suivi pH-métrique de la transformation entre l’acide chlorhydrique et la soude :
1) Pour l'hydroxyde de sodium NaOH :
NaOH(s) = Na+(aq) + HO−(aq)
Solution aqueuse d’hydroxyde de sodium : Na+(aq) + HO−(aq)
2) Pour le chlorure d'hydrogène HCl :
HCl(aq) + H2O(l) = H3O+ + Cl−(aq)
Solution aqueuse d’acide chlorhydrique : H3O+ + Cl−(aq)
3) Réaction support du titrage : H3O+ + HO−(aq) = 2H2O(l)
4)
ne pas écrire les ions spectateurs Na+ et Cl–
! burette contenant
la soude à
cB = 0,10 mol.L−1
"#
becher contenant
l'acide chlorhydrique
VA = 20,0mL
Agitateur
magnétique
7.00
#
pH mètre
Coordonnées du point d’équivalence :
(VBéquiv = 10,0 mL ; pHéquiv = 7,2)
5) La méthode de la dérivée dpH/dV donne correctement le volume équivalent si on a beaucoup de mesures du pH
encadrant VBéquiv. Ce qui n’est pas le cas ici. Cette méthode permet de dire que 9,5 < VBéquiv < 10 mL. La méthode
des tangentes donne VBéquiv = 10,0 mL. Ce résultat est cohérent avec celui de la méthode des tangentes. On
considère donc VBéquiv = 10,0 mL.
6) L'ajout d'eau distillée ne modifie pas la quantité d'ions H3O+ initialement présente dans le becher, car la
transformation entre HCl(aq) et H2O est totale et H2O est déjà en excès. Par ailleurs, le pH de l’eau distillée étant
proche de 7 alors [H3O+]eau = 10–7 mol.L–1 , l’apport d’ions oxonium par l’eau distillée est négligeable face à la
quantité déjà en solution.
7) À l'équivalence, les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques.
On a donc nHO- versée = n H O + initialement présente dans les 20,0 mL
3
Soit cB . VBéquiv = cA .VA
donc
cA =
cB .VBéquiv
VA
0,10 × 10,0
cA =
20,0
soit cA = 5,0×
×10−2 mol.L−1
Remarque: Pour trouver cA, certains élèves ont utilisé la mesure du pH de la solution aqueuse d'acide chlorhydrique
avant l'ajout de la solution de soude. (pH pour VB = 0 mL) : pH = – log [H3O+] donc [H3O+] = 10–pH
En considérant la transformation de l'acide chlorhydrique avec l'eau comme étant totale, on aura cA = [H3O+] =10 –pH.
On mesure pH = 1,4. Alors cA = 10–1,4 = 4,0×10–2 mol.L–1 .
En théorie, cette méthode est juste. Dans la pratique, une très faible erreur de mesure du pH entraîne une forte erreur
sur la valeur de cA. La valeur obtenue par titrage est toujours plus proche de la réalité.
8) On aurait choisi le BBT, car c'est le seul indicateur coloré dont la zone de virage contient le pH à
l'équivalence(pHéquiv = 7,2).
III. Titrage pH-métrique d'un vinaigre : (maison voir exo 8 page 126)
1) Le vinaigre contient de l'eau, de l'acide éthanoïque CH3COOH(aq) , des ions éthanoate CH3COO−(aq), des
ions oxonium, des ions hydroxyde (autoprotolyse de l'eau).
2) On mesure pH = 2,5 et on sait que pKa = 4,8 pour le couple CH3COOH(aq)/CH3COO–(aq).
Donc pH < pKA , alors l'acide CH3COOH(aq) prédomine sur la base conjuguée CH3COO−(aq)dans la
solution.
3) CH3COOH(aq) + HO−(aq) = CH3COO−(aq) + H2O (l)
4) Cf courbe pH= f(Vb)
Titrage de 25,0 mL d'une solution de vinaigre diluée d'un
facteur 10 par de la soude de concentration cb = 0,25 mol.L–1
5) La méthode des tangentes
donne Véquiv = 13,7 mL
pHéquiv = 8,6
#
Voir l’animation :
http://labolycee.org/anims/methode-tangente.swf
#"
6) À l'équivalence nHO− versé = nacide éthanoïque initialement présent
soit cb.Véquiv = cS.VS
où cS est la concentration du vinaigre dilué
cb .Véquiv
cS =
Vs
0, 25 ×13, 7
on trouve cS = 0,137 mol.L-1 = 0,14 mol.L−1
25, 0
Le vinaigre commercial est dix fois plus concentré donc c = 10.cS soit c = 1,37 = 1,4 mol.L−1
Application numérique : cS =
7) On note nA la quantité de matière d'acide éthanoïque, c =
nA
mA
soit c =
V
M A .V
donc mA = c.MA.V
mA = 1,37 × 60,0 × 0,100 = 8,22 g = 8,2 g
calcul effectué avec c non arrondie
Le degré d'un vinaigre est la masse, exprimée en gramme, d'acide acétique pur, contenue dans 100 g de
vinaigre.
Cherchons le volume Vvinaigre dont la masse est égale à 100 g : dvinaigre =
d=
ρvinaigre
1, 0
=
msolution
si ρ en g.cm−3
Vvinaigre
soit Vvinaigre =
Vvinaigre =
ainsi degré = mA
degré = 8,2°
% d’erreur relative =
ρvinaigre
ρeau
msolution
ρvinaigre
100
= 1,0×102 cm3
1, 0
° exp − °théo 8,2 − 8,0
=
×100 = 2,5 %
°théo
8,0
(à commenter si > 10%)
8) Le pH à l’équivalence est de 8,6. La phénolphtaléine est le seul indicateur coloré, parmi ceux proposés,
dont la zone de virage contienne le pH à l'équivalence.