Economiser les ressources et respecter l environnement. Chapitre 2 : LES CONTROLES DE QUALITE

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1 THEME Sous-thème AGIR Economiser les ressources et respecter l environnement Chapitre 2 : LES CONTROLES DE QUALITE NOTIONS ET CONTENUS COMPETENCES ATTENDUES Contrôle de la qualité par dosage Dosages par étalonnage : - spectrophotométrie ; loi de Beer-Lambert ; - conductimétrie ; explication qualitative de la loi de Kohlrausch, par analogie avec la loi de Beer-Lambert. Dosages par titrage direct. Réaction support de titrage ; étude quantitative. Équivalence dans un titrage ; repérage de l équivalence pour un titrage ph-métrique, conductimétrique et par utilisation d un indicateur de fin de réaction. I. La notion de dosage. - Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d une espèce à l aide de courbes d étalonnage en utilisant la spectrophotométrie et la conductimétrie, dans le domaine de la santé, de l environnement ou du contrôle de la qualité. - Établir l équation de la réaction support de titrage à partir d un protocole expérimental. - Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d une espèce chimique par titrage par le suivi d une grandeur physique et par la visualisation d un changement de couleur, dans le domaine de la santé, de l environnement ou du contrôle de la qualité. - Interpréter qualitativement un changement de pente dans un titrage conductimétrique. SOMMAIRE II. III. Dosage par étalonnage. 1. Utilisation de la conductimétrie. 2. Utilisation de la spectrophotométrie. Dosage par titrage. 1. Rappels sur les différentes réactions. a. Les réactions d oxydo-réduction. b. Les réactions acido-basiques. 2. Réaction de support et montage expérimental. 3. L équivalence. a. Définition. b. Détermination expérimentale. ACTIVITE Activité expérimentale : Titrage conductimétrique Titrage phmétrique et colorimétrique EXERCICES 18 (abs) ; 22 (σ) p (étalonnage) + 16 (ph) ; 17 (σ) p 478 (titrage) + 25 p 460 (DM) MOTS CLES Dosage par étalonnage, dosage par titrage, conductimétrie et loi de Kohlrausch, spectrophotométrie et loi de Beer-Lambert, phmétrie, colorimétrie et indicateur coloré. M.Meyniel 1/6

2 LES CONTROLES DE QUALITE Nous avons vu toute l importance que revêt la chimie dans les défis de demain que se propose de relever les Sciences. Nous savons que les espèces chimiques peuvent être naturelles (issus directement de la Nature), synthétiques (fabriquées par l Homme mais existant dans la Nature) et artificielles (inventées par l Homme). Mais quel que soit le type d espèces chimiques, la connaissance précise de la composition d un produit est indispensable (pureté d un médicament, analyse sanguine, acidité d une huile d olive ou du lait qui devient de plus en plus acide avec le temps jusqu à cailler à cause de l acide lactique, quantité de plomb dans l essence, normes dans l industrie alimentaire et dans les eaux de boisson, cosmétique, qualité des rivières (la concentration en nitrate a été multipliée par 10 dans les rivières bretonnes en un siècle!) ) pour vérifier la conformité des produits avec les réglementations de santé, d hygiène, les formulations annoncées sur les étiquetages, le respect du cahier des charges, pouvoir évaluer l impact sur la Nature Le chimiste se doit donc d être capable de mesurer les quantités (ou les concentrations) de chaque espèce chimique. Et, pour cela, il procède à des dosages. Nous allons nous y intéresser ici en réinvestissant nos connaissances dans divers domaines des sciences physiques et chimiques puisque les laboratoires utilisent aussi bien la conductimétrie, la spectrophotométrie, la colorimétrie que la phmétrie pour réaliser les contrôles de qualité. I. La notion de dosage. Un dosage permet de déterminer la concentration d une espèce présente dans une solution. Ex : Dosage du fer ou du cholestérol dans le sang, des polluants dans l air ou l eau, des ions dans une eau de boisson (dureté de l eau avec les ions Ca 2+ et Mg 2+ ), des glucides, lipides et protides d un produit alimentaire Il existe deux types de dosage : - le dosage par étalonnage : on utilise une grandeur physique (la conductivité, l absorbance, ) qui dépend de la concentration de l espèce étudiée. Des solutions étalons (c est-à-dire contenant la même espèce avec une concentration connue) permettent de tracer une courbe d étalonnage. La concentration inconnue est alors déterminée en comparant sa valeur de la grandeur physique étudiée avec celles de solutions étalons. - le dosage par titrage : on utilise une réaction chimique de l espèce étudiée avec une espèce de concentration connue. La concentration est déterminée en repérant l équivalence pour laquelle les réactifs sont introduits dans les mêmes proportions. M.Meyniel 2/6

3 II. Dosage par étalonnage. 1. Utilisation de la spectrophotométrie. Cf. page B-17 «utiliser un spectrophotomètre» Cette technique n est utilisée que dans le cas de solution ne contenant qu une seule espèce absorbant à la longueur d onde choisie. La courbe d étalonnage représente l absorbance A de la solution en fonction de la concentration C de l espèce étudiée : A = f (C) A 0 A (< 2) courbe d étalonnage Loi de Beer-Lambert : A = k.c (= ε.l.c) C (mol.l -1 ) Rq : * Cette technique ne fonctionne que dans le cas d une espèce colorée de concentration assez faible pour que le spectrophotomètre ne sature pas (A = 2,000) et qu il y ait proportionnalité entre l absorbance A et la concentration C de l espèce colorée (on obtient une fonction linéaire, une droite passant par l origine). * Une espèce chimique est de la couleur complémentaire de celle qu elle absorbe. * k dépend de la nature de l espèce chimique considéré, de la longueur d onde utilisée et de la température. * La longueur d onde est choisie de façon à ce que l espèce étudiée soit la seule espèce absorbante et en fonction de son spectre d absorption (souvent à λ max, longueur d onde pour laquelle l absorption est maximale) : A λ max C 0 λ (m) 2. Utilisation de la conductimétrie. Cf. page B-20 «utiliser un conductimètre» Cette technique n est utilisée que dans le cas de solution ne contenant qu un seul électrolyte (= soluté ionique) dont la concentration varie. La courbe d étalonnage représente la conductivité σ de la solution en fonction de la concentration C de l ion étudiée : σ = f (C) σ 0 σ (S.m -1 ) courbe d étalonnage Loi de Kohlrausch : σ = k.c (= Σ λ i [X i ]) Mettre les unités C 0 C (mol.l -1 ) Rq : * Cette technique ne fonctionne que dans le cas d un ion. La conductivité σ traduit la capacité d une solution à conduire le courant électrique. Elle dépend de la température (σ si T ), de l espèce considérée et de sa concentration (σ si C ). * La loi de Kohlrausch s explique qualitativement de la même façon que la loi de Beer-Lambert du fait des équations analogues. * Les solutions utilisées sont diluées (C < 10-2 mol.l -1 ) pour observer une proportionnalité à T constante. NB : Si la solution étudiée a été diluée, il ne faut pas oublier d en tenir compte. Il en va de même pour les solutions étalons permettant de tracer la courbe de dosage. Ces techniques physiques de dosage présentent l avantage d être non destructrice, c est-à-dire que l on peut réutiliser les solutions après les avoir dosées. Néanmoins, elle nécessite soit une espèce ionique, soit une espèce colorée. Le chimiste a donc mis au point d autres méthodes de dosage pour élargir son champ d analyse avec notamment des méthodes chimiques bien que destructrices. M.Meyniel 3/6

4 III. Dosage par titrage. 1. Rappels sur les différentes réactions. a. Les réactions d oxydo-réduction. Un oxydant est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons. Un réducteur est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs électrons. Au cours d une réaction d oxydoréduction, il y a transfert d électrons entre l oxydant d un couple et le réducteur d un autre couple. Ex : Dismutation de l eau oxygénée H 2 O 2 / H 2 O : H 2 O 2 O 2 / H 2 O 2 : Rq : L eau oxygénée (H 2O 2) est une espèce amphotère ou un ampholyte. (litté. qui se coupe dans les 2 sens) b. Les réactions acido-basiques. Un acide est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs protons. Une base est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons. Au cours d une réaction acido-basique, il y a échange d un proton entre l acide d un couple et la base d un autre couple. Ex : Dosage de l acide acétique (CH 3 COOH) par la soude (NaOH) CH 3 CO 2 H / CH 3 COO - : H 2 O / HO - : Rq : * Le produit ionique de l eau vaut : K e = [H 3O + ].[HO - ] = * La réaction d un acide avec l eau s écrit : AH (aq) + H 2 O (l) = A - (aq) + H 3 O + (aq) [ ] [ ] [ ] (pk A = - log K A K A = 10 -pka ) ph = pk A + log [ ] [ ] AH A pk A ph Cas des indicateurs colorés : Les indicateurs colorés acido-basiques sont constitués par des couples acide/base dont les espèces conjuguées ont des teintes différentes. teinte acide pk A - 1 pk A pk A + 1 teinte sensible teinte basique ph Ex : Le bleu de bromothymol (pk A = 7,0) La phénolphtaléine (pk A = 9,4) jaune incolore M.Meyniel 4/6 6,0 vert 7,6 9,4 bleu rose ph

5 2. Réaction de support et montage expérimental. Pour titrer l oxydant (ou le réducteur) d un couple, c est-à-dire déterminer sa concentration, on le fait réagir avec le réducteur (ou l oxydant) d un autre couple et on recherche l équivalence. Pour titrer l acide (ou la base) d un couple, c est-à-dire déterminer sa concentration, on le fait réagir avec la base (ou l acide) d un autre couple et on recherche l équivalence. Dans tous les cas, la réaction doit être totale, unique et rapide. Montage expérimental d un titrage: a A (aq) + b B (aq) c C (aq) + d D (aq) Burette graduée Solution B : Réactif titrant concentration connue : C B volume versé : V 2 Bécher Barreau aimanté Agitateur magnétique Solution A : Réactif titré concentration inconnue : C A volume pipeté : V 1 3. L équivalence. a. Définition. Déroulement du titrage : On introduit progressivement le réactif titrant B dans le bécher contenant la solution du réactif titré A de volume V A. * Au début du titrage, l espèce titrante B est entièrement consommée par A dont la quantité de matière de diminue progressivement ; B constitue le réactif limitant. * Si on continue de verser B, à un moment donné, on aura consommé tout le réactif A. Les deux réactifs A et B sont alors introduits dans les proportions stœchiométriques, il s agit de l équivalence. * Si on continue à verser B dans le bécher alors il devient en excès car A est déjà entièrement consommé. A constitue le réactif limitant. L équivalence correspond au changement de réactif limitant. Elle est atteinte lorsque les réactifs sont introduits en proportions stoechiométriques : (= x max ) On parle alors de mélange stœchiométrique. Rq : * Le volume de B versé pour atteindre l équivalence s appelle le volume à l équivalence V E. b. Détermination expérimentale. Elle peut être déterminée par un changement de teinte du milieu réactionnel : - si un réactif est coloré, - avec un indicateur coloré adapté : On choisit l indicateur coloré de façon à ce que sa zone de virage et doc pk A soit compris dans le saut de ph ; ainsi il aura des couleurs différentes avant et après l équivalence. Rq : * On parle de dosage colorimétrique. M.Meyniel 5/6

6 Terminale S_Thème 3_AGIR : LES DEFIS DE DEMAIN Les réactions acido-basiques se caractérisant par un échange de proton, on peut utiliser un titrage phmétrique. E L équivalence peut être déterminée par la méthode des tangentes. Cf TP 23 VE E dph dv Rq : * On peut aussi tracer avec un logiciel la dérivée ( ) de la fonction ph = f (V) dont l extremum est obtenu pour le volume équivalent. VE Dans le cas de réaction faisant intervenir des espèces ioniques, on peut réaliser un titrage conductimétrique. σ (ms.cm-1) Cf TP 24 Le volume équivalent est déterminé par une rupture de pente. Interprétation de l allure de la courbe : Les ions présents avant et après équivalence n étant pas les mêmes selon le réactif en défaut et celui en excès, l évolution de la conductivité varie différemment avant et après l équivalence (selon la conductivité molaire ionique λi). Le repérage de cette variation (rupture de pente) permet d identifier le moment où s est produite l équivalence. VB (ml) Faire compléter les axes et déterminer les points équivalents Conclusion : Le chimiste possède donc plusieurs outils pour contrôler la qualité des produits en vérifiant la quantité de chaque espèce présente dans ce produit. Compétences - Établir l équation de la réaction support de titrage à partir d un protocole expérimental. - Interpréter qualitativement un changement de pente dans un titrage conductimétrique. - Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d une espèce à l aide de courbes d étalonnage en utilisant la spectrophotométrie et la conductimétrie, dans le domaine de la santé, de l environnement ou du contrôle de la qualité. - Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d une espèce chimique par titrage par le suivi d une grandeur physique et par la visualisation d un changement de couleur, dans le domaine de la santé, de l environnement ou du contrôle de la qualité. M.Meyniel 6/6