Chimie GCI 190 Laboratoire 1 DOSAGE DES IONS CHLORURES INTÉRÊTS : L intérêt de ce laboratoire est de se familiariser avec deux approches permettant la détermination de certaines entités chimiques, en l occurence, les ions chlorures (Cl - ) qui, présents dans une structure avec des teneurs appréciables peuvent être à l origine d un vieillissement accéléré. Ce vieillissement peut se traduire par des phénomènes de corrosion des armatures des ouvrages de génie civil. Pratiquement, ces chlorures proviennent essentiellement des sels de déglaçage (CaCl 2 ). OBJECTIFS : Le but visé par ce laboratoire est la mise en solution d ions chlorures contenus dans un mortier en faisant appel à la technique d extraction à l aide d un dispositif expérimental du type Soxlhet (voir Fig. 1). La quantification de ces ions peut-être déterminée de 2 façons, soit par titrage ou gravimétrie en utilisant une solution de nitrate d argent en se basant sur la quantité de chlorure d argent précipitée. La réaction globale de la précipitation du chlorure d argent (AgCl) est donnée selon la réaction : AgNO 3 (aq) + NaCl (aq) AgCl (s) + NaNO 3 (aq) (équation 1) Cette réaction peut être mise sous forme ionique afin de distinguer les entités en solution. Ag + + NO 3 - + Na + + Cl - AgCl (s) + Na + + NO 3 - (équation 2) Lors du titrage, afin de repérer la fin de la réaction de précipitation de AgCl, on introduit dans la solution des ions Chromate CrO 4 2- obtenus par ajout à la solution à titrer du sel de chromate de potassium (K 2 CrO 4 ). Mise à jour : janvier 2011 par TH Page 1
Quand il existe simultanément dans une solution les ions Cl - 2-, CrO 4 susceptibles de se produire sont les suivantes: et Ag +, les réactions Ag + + Cl - AgCl (s) (précipité blanc) [équation 3] 2Ag + + CrO 4 2- Ag 2 CrO 4 (s) (précipité rouge brique) [équation 4] La solubilité de AgCl est de 1,2.10-5 mol.l -1, et celle de Ag 2 CrO 4 est de 5,4.10-4 mol.l -1. Cela veut dire que l AgCl est moins soluble que l Ag 2 CrO 4, ou bien que AgCl précipite avant Ag 2 CrO 4 (phénomène de précipitation préférentielle). MATÉRIEL : Solution 0,2M (mol/l) de nitrate d argent et un mortier contenant dans sa matrice des ions chlorures. Solution 0,5M de chromates de potassium (K 2 CrO 4 ). Peroxyde d hydrogène à 30% (H 2 O 2 ) Appareil d extraction type Soxlhet et une cartouche adaptée Un ensemble pour le titrage constitué par une burette graduée destinée pour accueillir la solution de nitrate d argent. Un erlenmeyer de 125 ml avec un agitateur et barreau magnétique. Lunette de sécurité, blouse et gants. PROCÉDURE D EXTRACTION AU SOXHLET : Principe : Une quantité de mortier finement broyée est introduite dans une cartouche adaptable à un extracteur Soxlhet. Ce dernier constitué par un ballon auquel est connecté un extracteur spécifique permettant un contact intime entre les gouttelettes d eau condensées par le réfrigérant installé en bout du dispositif. Ces gouttelettes proviennent de la condensation des vapeurs d eau générées par l ébullition de l eau dans le ballon. Le retour de l eau dans le ballon est assuré par une contre - pression due à une hauteur piézométrique (additionnée à la pression atmosphérique) susceptible d engendrer le passage de l eau imprégnant le solide (mortier) contenu dans la cartouche. Après ce retour, l eau recueillie sensée contenir les ions chlorures (Cl - ) est récupérée par filtration. Le filtrat ainsi recueilli est sujet à un titrage en utilisant la méthode argentométrique faisant appel au nitrate d argent (AgNO 3 ) comme agent de quantification. Mise à jour : janvier 2011 par TH Page 2
Fig. 1 Dispositif d extraction (Soxlhet) Procédure : 1) À l aide d une balance analytique, pesez 50.0 g de mortier en poudre dans un creuset en pyrex. Cette quantité est placée dans une cartouche spécifique en minimisant les pertes. 2) Mettre 150 ml d eau déionisée (exempte d ions pour éviter toute interférence dans les résultats) dans le ballon. 3) Actionner le chauffage sur la position avoisinant les 100 o C (Température d ébullition de l eau). 4) Un cycle d extraction correspond à l évaporation d un certain volume d eau contenu dans le ballon qui après imprégnation du mortier mis en place dans la cartouche, retourne dans celui-ci (ballon) en étant chargé d ions lixiviables. Les ions libérés sont une combinaison de différents ions auxquels s adjoignent les chlorures. 5) Pour les besoins de l expérience, un circuit impliquant 03 cycles (un va-et-vient entre le ballon et l extracteur constitue un cycle) est reconnu comme étant suffisant pour extraire de façon significative l ensemble des éléments potentiellement lixiviables. Expérimentalement, la durée d extraction est estimée à environ 1 heure. 6) Le filtrat récupéré après cette série d extraction est soumis, une fois refroidis, à un titrage gravimétrique en utilisant une solution molaire de nitrate d argent (0,2M AgNO 3 ) comme agent de précipitation. Mise à jour : janvier 2011 par TH Page 3
MÉTHODES DE QUANTIFICATION DES CHLORURES 1- Méthode de titrage : Le dispositif de titrage est constitué d une burette graduée munie d un robinet permettant l ajout progressif de la solution de nitrate d argent (0,2M AgNO 3 ) contenue dans la burette (voir Fig. 2). Un erlenmeyer est placé dans la partie inférieure du dispositif et contenant 100 ml de la solution issue de l extraction et sensée contenir les ions chlorures à doser. Burette graduée contenant AgNO 3 (aq) Robinet Erlenmeyer contenant la solution à analyser Fig. 2 Montage expérimental utilisé pour la titration des chlorures 1.1 Procédure : a- Préparer 100 ml d une solution 0.2 mol/l de nitrate d argent. b- Transférer une partie de ce volume dans la burette graduée jusqu au repère tout en respectant la règle du ménisque. c- Pipeter 50 ml de la solution contenant les ions chlorures dans l erlenmeyer. Mise à jour : janvier 2011 par TH Page 4
Cette solution doit être maintenue en agitation à l aide d un barreau magnétique afin d assurer une meilleure dispersion du titrant lors de l adjonction. d- Vérifier le ph de la solution; celui-ci doit être compris entre 7 et 10, sinon l analyse n a aucune signification. Au besoin, ajuster avec une base (NaOH 1M) si le milieu présente un ph inférieur à 7. Dans la cas où le ph est supérieur à 10, ajouter une solution d acide nitrique (1M). e- Pour éviter les interférences avec les sulfates et les thiosulfates, ajouter une à deux gouttes de peroxyde d hydrogène à 30% (H 2 O 2 ) tout en maintenant l agitation. Si la teneur en sulfates et/ou en thiosulfates est importante il pourrait se produire une effervescence dans la solution suite à l ajout du nitrate d argent. Dans ce cas, la couleur de la solution vire au vert bouteille. f- Après une minute d agitation, ajoutez 1ml d une solution de chromate de potassium (0,5 M) en guise d indicateur coloré pour la fin de la réaction de précipitation. La fin de la réaction de précipitation est caractérisée par l apparition d une couleur rouge brique persistante. g- Le titrage est réalisé par ajout progressif (goutte à goutte) de la solution de nitrate d argent contenue dans la burette graduée à la solution maintenue en agitation dans le bécher. Le précipité blanc formé est un indicateur de la formation du chlorure d argent (AgCl). La fin du dosage est indiquée par la couleur rouge brique du précipité de chromate d argent (Ag 2 CrO 4 ). Notez le volume de nitrate d argent ajouté. Il est à noter que l analyse concerne en réalité les dosages des chlorures, des iodures et des bromures en même temps, cependant ces deux derniers sont considérés comme étant négligeables en terme quantitatif devant les chlorures. 1.2 Partie calcul Afin de déterminer la concentration des ions chlorures, vous devez déterminer la quantité de nitrate d argent ajoutée à la solution contenant les chlorures. Connaissant cette quantité, et en connaissant la relation stœchiométrique entre la quantité de nitrate d argent utilisée et la quantité de chlorures présents dans la solution, vous pouvez déterminer la concentration en Cl - de la solution. Connaissant cette concentration, vous pouvez déterminer la concentration en Cl - dans le mortier utilisé. Mise à jour : janvier 2011 par TH Page 5
2- Méthode gravimétrique : L objectif visé par cette procédure est la détermination des quantités des réactifs nécessaires pour réaliser une réaction de précipitation à partir de rapport stoechiométrique. Il sera question aussi de la quantification du produit de réaction mettant en jeu les nitrates d argent et le chlorure de sodium (voir équations 1 et 2). 2.1 Procédure : a- Pipeter une quantité de 50ml de solution contenant des chlorures et la mettre dans un erlenmeyer de 125ml. b- Ajouter le même volume de nitrates d argent utilisé à l étape précédente augmenté de 5%. c- Agiter durant une p`riode de 5mn. Un précipité blanc apparait, c est le chlorure d argent (AgCl). d- Le précipité est récupéré à l aide d un verre fritté dont la masse est déjà déterminée par pesée (tare). Après épuisement de la phase liquide (contenant NaNO 3 ), on procède à une série de 05 lavages avec l eau distillée afin d éliminer au maximum les traces du nitrate de sodium (NaNO 3 ) résiduelles ainsi que l excè de nitrate d argent; AgCl étant insoluble dans l eau. e- Après séparation du solide (AgCl) de la phase liquide, le verre fritté avec le précipité est installé dans une étuve maintenue à 105 O C. Le séchage est réalisé durant une nuit. L arrêt du séchage s effectue le lendemain (Le séchage et les pesées s effectueront au laboratoire de Génie de l environnement, local C2-2055. Chaque verre fritté doit être numéroté pour éviter le mélange des échantillons) f- Après refroidissement, le creuset avec l échantillon est pesé de nouveau. Connaissant la quantité réelle du solide (AgCl) obtenu, on procède à la détermination du rendement de la réaction. 2.2 Partie calcul Équilibrer la réaction de précipitation. Déterminer la quantité réelle de AgCl précipitée. Déterminer le nombre de moles d AgCl qui ont précipité. Déterminer la quantité des ions chlorure (Cl - ) présents dans la solution. Mise à jour : janvier 2011 par TH Page 6
Comparer les résultats obtenus entre la méthode par titration et la méthode par précipitation. Exprimer votre résultat sous forme d un rendement [Rendement = (Quantité réelle pesée / Quantité théorique) 100%; Supposez que la méthode par titration vous donne la concentration théorique de Cl - dans votre solution]. Si une différence notable est constatée entre le rendement réel et celui théorique, indiquez les raisons possibles mises en cause. 3- Rédaction du rapport de laboratoire : La rédaction du rapport de laboratoire doit se faire selon les consignes présentées sur le site web du cours (http://www.civil.usherbrooke.ca/cours/gci190/protocole.html). Mise à jour : janvier 2011 par TH Page 7