TP n°1 Analyser un système chimique par des méthodes physiques
Objectifs :
- Mesurer le pH de solutions d’acide chlorhydrique (H3O+, Cl-) obtenues par dilutions successives d’un facteur 10 pour tester la relation entre le pH et la concentration en ion oxonium H3O+ apporté.
- Mesurer une conductance et tracer une courbe d’étalonnage pour déterminer une concentration.
Capacités expérimentales :
(1) Préparer une solution par dissolution ou par dilution en choisissant le matériel adapté.
(2) Réaliser des mesures de pH, de conductivité en s’aidant d’une notice.
(3) Mettre en œuvre un test de reconnaissance pour identifier une espèce chimique.
(4) Tracer une courbe d’étalonnage pour déterminer une concentration.
I] Utilisation du pH-mètre
1. Principe de fonctionnement et étalonnage
Un pH-mètre constitue un voltmètre qui mesure une tension électrique ou différence de potentiel électrique entre une électrode de verre dont le potentiel est sensible aux ions oxonium et une électrode de référence dont le potentiel est indépendant du
pH : .
Cette tension électrique s’avère être une fonction affine du défini par : où désigne la concentration standard :
. Ainsi .
Il faut donc étalonner le pH-mètre à l’aide de deux solutions tampons de pH stables et connus (pH=7 et pH=4) afin de fixer les valeurs de et de .
On peut alors lire le pH de la solution à partir de la mesure de la tension électrique aux bornes de ce voltmètre et en déduire la concentration en ions oxonium donnée par : .
2. Mesure du pH d’une solution d’acide chlorhydrique
Mesurer le pH d’une solution d’acide chlorhydrique de concentration . (2)
L’incertitude sur la mesure du pH est de 0,05 unité ; en déduire un encadrement portant sur la concentration réelle en ions oxonium dans la solution.
L’indication fournie par le préparateur de la solution est-elle en accord avec cet encadrement ? 3. Mesure du pH d’une solution d’acide chlorhydrique diluée
On se propose de préparer par dilution des solutions 10 fois puis 100 fois moins concentrée en ions oxonium.
Proposer un protocole en justifiant. (1)
Expliquer l’évolution du pH ; est-elle conforme à l’évolution théorique attendue ? Justifier.
U
Vmesure H3O+
Vref U=Vmesure−Vref
pH pH=−log([H3O+]
c0 ) c0 c0=1 mol⋅L−1 U=a⋅pH+b
a b
[H3O+]=c0⋅10−pH
(H3O++Cl−) c=1,0⋅10−2mol⋅L−1
II] Utilisation du conductimètre 1. Principe de fonctionnement
Un conductimètre mesure la conductance du volume de solution compris entre les surfaces en regard des deux électrodes.
On rappelle que la conduction du courant électrique, alors qu’elle est assurée par un déplacement d’électrons mobiles dans les matériaux conducteurs, est assurée dans les solutions par un double déplacement d’ions dans des directions opposées en fonction du signe de leur charge.
Par ailleurs la conductivité d’un ion dépend de sa mobilité donc de sa taille et de sa charge électrique.
La conductance est l’inverse de la résistance électrique : avec .
est l’intensité efficace du courant mesurée par un ampèremètre interne à l’appareil et est la tension électrique efficace mesurée par un voltmètre aux bornes des électrodes ; les grandeurs sont dites efficaces car mesurées en courant alternatif fourni par un G.B.F (générateur basses fréquences) car l’utilisation d’un générateur de tension continue conduirait à la formation d’un dépôt électrolytique sur les électrodes.
La conductance G est proportionnelle à la conductivité de la solution : où désigne la constante de cellule du conductimètre ; la conductivité est une grandeur additive liée à la concentration de tous les ions en solution
selon : où désigne la conductivité ionique molaire caractéristique de
l’espèce ionique.
Ainsi, pour une solution de chlorure de sodium : , on a : .
Puisque dans une solution de chlorure de sodium de concentration en soluté apporté, on a, après dissolution du
soluté : , il en résulte : .
On voit ainsi que la conductivité de la solution est directement proportionnelle à la concentration molaire ou massique (car ) en soluté apporté, quand celui-ci est unique ; cela constitue la loi dite de Kohlrausch : .
2. Mesure de la conductivité de solutions étalons de chlorure de sodium
On prépare une solution de chlorure de sodium à . Rappeler le protocole de dissolution pour la préparation de cette solution. (1)
À partir de cette solution calibrée de chlorure de sodium à , et à l’aide de la burette graduée, préparer une série de solutions filles de concentrations respectivement : ;
; ; ; .
On dispose également d’une fiole jaugée de .
Mesurer les conductivités de ces solutions étalons de chlorure de sodium. (2) 3. Titrage par étalonnage d’un sérum physiologique
On procède à l’identification des ions chlorure dans le sérum physiologique à l’aide d’un test au nitrate d’argent ; écrire l’équation de la réaction observée. (3)
Tracer la courbe d’étalonnage .
On procède à la dilution 50 fois de la solution de sérum physiologique commerciale (2 dosettes de dans d’eau) pour en mesurer sa conductivité.
En déduire grâce à votre travail la concentration massique en chlorure de sodium de ce sérum et comparer avec l’indication du constructeur. (4)
G(Siemens S)
G(S)= 1
R(Ω) R(Ω)=U(V) I(A)
I(A) U(V)
σ G=k⋅σ k
σ(S⋅m-1)= λi
∑
i (S⋅m2⋅mol−1)⋅ci(mol⋅m−3) λi(Na+(aq )+ Cl−(aq )) σ =λ(Na+)⋅[Na+]+λ(Cl−)⋅[Cl−]
C
NaCl(s)→Na+(aq)+Cl−(aq) [Na+(aq )]=[Cl−(aq)]=C σ =(λ(Na+)+λ(Cl−))⋅C
C(mol⋅L-1) Cm(g⋅L-1) Cm(g⋅L-1)=C⋅M(g⋅mol-1) σ =k'⋅Cm
3,0 g⋅L−1
3,0 g⋅L−1
3.0 / 50=6.0⋅10−2g⋅L−1 6.0 / 50=1.2⋅10−1g⋅L−1 9.0 / 50=1.8⋅10−1g⋅L−1 12.0 / 50=2.4⋅10−1g⋅L−1 15 / 50=3.0⋅10−1g⋅L−1
50.0 mL
(Ag+(aq)+NO3−(aq))
σ = f(Cm)
5,0 mL 500,0 mL
Matériel
Salle informatique Elèves
- pH-mètre étalonné
- pipette 10,0 mL et fiole jaugée de 100,0 mL.
- Conductimètre avec sonde étalonnée (2 mS.cm-1) - 4 Béchers
- Burette graduée
- Nitrate d’argent pour test des ions chlorure - 2 fioles jaugées de 50 mL
- Eau distillée - 2 pots
Bureau
- Solution d’acide chlorhydrique à - Fiole jaugée de 1L
- Sérum physiologique : dosette de 5 mL
- Une solution de sérum physiologique diluée 50 fois (2 dosettes de 5 mL dans 500 mL d’eau distillée) - AgNO3 pour test
- 1 L NaCl 3g/L
c=1,0⋅10−2mol⋅L−1
![n M n M n n [0 , 1] [0 , 1] | U − V | 1 / 3 1 / 18 | U − V | { ( u,v ) ∈ [0 , 1] × [0 , 1] / | u − v |≤ x } x [0 , 1] ( U,V ) [0 , 1] × [0 , 1] n =100 p =0 . 001 p n](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)