ph-métrie première partie

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1 TP 02 de chimie ph-métrie première partie Ce TP est consacré aux titrages. Les indicateurs colorés seront abordés dans un autre TP consacré aux acides et bases. Lire le paragraphe 1 avant de vous présenter en TP. Merci. Règles de sécurité usuelles : blouse, lunettes de protection, pas de lentilles de contact, cheveux longs attachés. Toutes les solutions aqueuses seront jetées à l évier, en faisant couler beaucoup d eau par la suite. Table des matières 1 Rappels de base en ph-métrie potentiomètre Description simplifiée de l électrode de verre La sonde de ph Étalonnage du ph-mètre Titrage d un acide fort 4 3 Titrage d un acide faible 5 1 Rappels de base en ph-métrie 1.1 potentiomètre Le ph mesure la concentration des ions oxonium H 3 O + de la solution aqueuse. Il est a priori difficile de trouver un appareil qui «compte» les ions de la solution. Il faut donc trouver une astuce... Ceci a été réalisé grâce à l électrode de verre qui a la particularité de prendre un potentiel électrique qui dépend de la concentration (plus rigoureusement l activité) en ions oxonium H 3 O + qu elle contient. Par conséquent, 4 Titrage d un produit ménager 6 5 Titrage des ions hydrogénocarbonate d une eau minérale 7 6 Titrage d un polyacide 10 7 Bibliographie 10 Leçons concernées à coup sûr : LC 7 : Constante d acidité ; applications. (Terminale scientifique) LC 8 : Indicateurs colorés acido-basiques : étude, choix pour un dosage acide-base. (Terminale scientifique) LC 13 : L aspirine : synthèse, dosage, formulations. (Terminale scientifique et Terminale scientifique - Spécialité) LC 16 : Étude qualitative et quantitative des espèces acido-basiques dans les liquides alimentaires et ménagers. (Terminale scientifique - Spécialité) Leçons éventuellement concernées : LC 17 : Contrôle de qualité de l eau. (Terminale scientifique - Spécialité) LC 18 : Contrôle de qualité du vin. (Terminale scientifique - Spécialité) LC 20 : Arômes et conservateurs : extraction, synthèse, dosage. (Terminale scientifique - Spécialité) LC 21 : Dosages directs. (Terminale scientifique et Terminale scientifique - Spécialité) une mesure de ph est en fait une mesure de potentiométrie 1.2 Description simplifiée de l électrode de verre L électrode de verre est constituée par une sphère en verre de faible épaisseur. Le verre contient des ions sodium, et des lacunes (des «trous»). Lorsque l électrode est plongée dans une solution aqueuse, deux équilibres sont en compétition : Na + (verre) = Na + (aq) + (verre) H 3 O + (aq) + (verre) = H 3 O + (verre) où (verre) représente une lacune dans le verre. Lorsqu une électrode de verre remplie d un liquide de ph 0 plonge dans une solution de ph = ph x, les lacunes situées sur les parois intérieures et extérieures se peuplent différemment en protons si ph 0 ph x, ce qui crée une différence de potentiel entre les deux parois (figure 1). 1

2 solution de ph x à mesurer verre solution de ph 0 électrode de verre ion H 3 O + lacune du verre lacune du verre occupée par un ion H 3 O + Figure 1 principe de fonctionnement de l électrode de verre L électrode de verre prend un potentiel fonction du ph de la solution. Propriété : le ph est une fonction affine du potentiel de l electrode de verre : ph = a + beélectrode Rappel : on ne sait mesurer que des différences de potentiel! Il faut donc associer à cette électrode une électrode de référence, en général l électrode au calomel saturée. L appareil va mesurer On a donc E = Eélectrode E référence ph = a + b E Un ph-mètre ne fait que mesurer des différences de potentiel : Un ph-mètre est un voltmètre Les constantes a et b dépendent de l électrode (âge, qualité du tampon de remplissage,...) et de la température. Pour que l appareil vous permette de lire directement le ph (et pas E), il faut donc régler les deux constantes a et b, ce que l on réalise par deux solutions tampons de ph différents : c est l étalonnage du ph-mètre. Remarque pratique : afin que l équilibre d adsorption des ions oxoniums sur le verre s établisse sans avoir à se soucier de la diffusion des particules dans la solution, il faut en permanence agiter le milieu réactionnel lors des mesures de ph. Précaution : le matériau de l électrode ne doit jamais sécher, sous peine de dégradation : les électrodes sont conservées dans des solutions aqueuses. Il est préférable de garder toujours à proximité un bécher d eau distillée pour y plonger les électrodes quand on ne fait pas d expérience (période de calcul studieuse par exemple). À la fin de chaque séance de TP, replacer sur les électrodes leurs capuchons respectifs : eau distillée pour l électrode de verre et solution saturée de chlorure de potassium pour l électrode au calomel saturée. 1.3 La sonde de ph Pour des raisons pratiques, vous pourrez rencontrer des sondes de ph qui réunissent dans une seule enceinte de verre les deux électrodes (électrode de verre et électrode de référence). 1.4 Étalonnage du ph-mètre Le document ci-après est une copie de la référence [4], page 335. Notez qu il y a une erreur (corrigée à la main : il faut toujours commencer l étalonnage par la solution tampon de ph = 7, 0. 2

3 3

4 V. Prévost, Agrégatifs de physique 2 TP 02 de chimie Titrage d un acide fort ENS de Cachan, Question 2 : utiliser le logiciel Simulwin afin de tracer un réseau de courbes pour lesquelles on fait varier la concentration en acide titrée et base titrante : à partir de quelle concentration le saut de ph n est pas assez élevé pour déterminer le volume équivalent? Du protocole suivant (référence [4] page 164), ne faire que le titrage de l acide chlorhydrique. Question 1 : utiliser un tableur pour traiter les données. Critiquer la méthode de la dérivée. 4

5 V. Prévost, Agrégatifs de physique 3 TP 02 de chimie Titrage d un acide faible ENS de Cachan, courbe de titrage d un acide fort? Question 4 : utiliser le logiciel Simulwin afin de tracer un réseau de courbes pour lesquelles on fait varier la concentration en acide titrée et base titrante. Notez-vous une grosse différence avec le réseau de courbes précédent? Réaliser le titrage du protocole ci-après (référence [4] pages ). Question 3 : quelle est la principale différence avec la 5

6 Question 6 : utiliser le logiciel Simulwin afin de tracer un réseau de courbes pour lesquelles on fait varier la concentration en acide titrée et base titrante. Notez-vous une grosse différence avec le réseau de courbes précédent? Question 7 : quelle est la différence entre un titrage et un dosage? Question 8 : vocabulaire dans les classes du secondaire : l énoncé parle de «concentration en acide éthanoïque apporté». Pourquoi cette précision de vocabulaire? Question 5 : quelle est la principale différence avec la courbe de titrage d un acide fort? Question 9 : quelle différence fait-on en terminale entre la notation c et [.] pour désigner une concentration? Question 10 : dans quel cas la méthode des tangentes est-elle valide en théorie. Dans quel cas est-elle valide en pratique. 4 Titrage d un produit ménager Réaliser le protocole du document ci-après (référence [2] page 111 ; notez qu il s agit d un ouvrage avec les anciens programmes). Réaliser un titrage ph-métrique et non colorimétrique. Question 11 : pourquoi le titrage des bases donne de moins bons résultats par ph-métrie que par colorimétrie? Question 12 : quelle autre base rencontre-t-on souvent dans les produits ménagers? 6

7 V. Prévost, Agrégatifs de physique 5 TP 02 de chimie Titrage des ions hydrogénocarbonate d une eau minérale Réaliser le protocole suivant (référence [5] pages 95-97). Consulter les pages précédentes pour vous informer sur le TP. 7 ENS de Cachan,

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10 6 Titrage d un polyacide Réaliser le protocole suivant (Référence [1] pages 79-80, que le titrage sans nitrate d argent). Rappel : les polyacides et polybases ne sont pas au programme du secondaire. Question 13 : comment faire alors pour justifier le dosage des ions hydrogénocarbonate de l eau minérale devant le jury? 7 Bibliographie [1] Bruno Fosset, Christine Lefrou, Arlette Masson, Christophe Mingotaud, Chimie physique expérimentale, Hermann 2000, 410 pages. [2] Collection Durupthy, Chimie, T erm S, programmes 1988, Hachette 1995, 352 pages. [3] Jean-Bernard Baudin et al. Collection Sirius, Physique chimie, première S, programme 2001, Nathan 2005, 272 pages. [4] Jean-Bernard Baudin et al. Collection Sirius, Physique chimie, terminale S, programme 2002, Nathan 2006, 352 pages. [5] Odile Carrier, Laure Faure, Chimie, Terminale spécialité, Quelques espèces chimiques du monde de l alimentation et des boissons, Ellipses 1995,

11 Date : jeudi 13 septembre 2007 Nombre de postes : 7 Titre : ph-métrie 1 Matériel par paillasse quantité contenance matériel fait 1 ph-mètre + électrode de verre + électrode calomel 1 agitateur magnétique + barreau + statif 1 50 ml pipette jaugée 1 20 ml pipette jaugée 1 10 ml pipette jaugée 1 5 ml pipette jaugée 1 25 ml burette ml bécher ml bécher 1 grand verre à pied pour les pipettes ml fiole jaugée 1 récipient poubelle (tous les TP) Produits par paillasse quantité minimale concentration produit fait 1 tampons ph 4 et 7 10 ml 1, mol.l 1 acide chlorhydrique (H + (aq) + Cl (aq)) 40 ml 2, mol.l 1 TITRE PRÉCIS acide chlorhydrique (H + (aq) + Cl (aq)) 40 ml 1, mol.l 1 TITRE PRÉCIS acide chlorhydrique (H + (aq) + Cl (aq)) 20 ml 5, mol.l 1 acide phosphorique (H 3 PO 4 (aq)) 40 ml 1, mol.l 1 TITRE PRÉCIS hydroxyde de sodium (Na + (aq) + HO (aq)) 120 ml 1, mol.l 1 TITRE PRÉCIS hydroxyde de sodium (Na + (aq) + HO (aq)) 10 ml vinaigre blanc 5 ml destop Matériel pour le groupe Volvic, Évian, Badoit,... quantité minimale contenance matériel fait 2 si possible ordinateur avec Simulwin + tableur 11

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