Luca MAILLARD Quentin VEROLET 076/2057418 076/4821446 maillal7@etu.unige.ch verolet0@etu.unige.ch TP 3!: Acides et Bases 1. RESUME Ce TP nous a permis d analyser les propriétés fondamentales des acides et des bases (ph, équilibre ionique, réactions de neutralisation) et d effectuer le titrage de l acide acétique contenu dans un échantillon de vinaigre afin d en connaître sa concentration molaire précise. 2. INTRODUCTION Ce travail pratique porte sur les réactions entre acides et bases et se compose de trois parties. Elles permettant la bonne compréhension des propriétés de ces réactions et aboutissent à une expérience essentielle en chimie!: le titrage d une solution. La première partie consiste en l élaboration de solutions «!diluées!» d acides et de bases en partant de leur solution concentrée ou de leur sel. Une analyse des propriétés physico-chimiques de ces solutions est établie (ph, réaction/équilibre ionique, gaz produit). La seconde partie est consacrée aux solutions tampons et à leur action sur les acides et les bases. Les réactions et leurs propriétés sont analysées grâce à des indicateurs synthétiques ou naturels. Enfin, la troisième partie est le titrage de l acide acétique en solution diluée et de l acide acétique contenu dans un échantillon de vinaigre. Ces titrages ne sont réalisables de façon précise qu après avoir effectué la standardisation de l acide chlorhydrique avec une solution de borax (étalon primaire) de molarité très précise permettant la standardisation postérieure (connaissance exacte de la molarité) de l hydroxyde de sodium utilisé dans le titrage de l acide acétique. 3. MANIPULATIONS 3.1 Comportement des acides et bases 3.1.1. Préparations d acides et de bases «!diluées!» à une molarité désirée -NaOH Préparation d 1L d hydroxyde de sodium NaOH environ 0.1M par dilution du NaOH 4.14M mis à disposition. c final Calcul du volume à prélever!: V initial = V final = = 0.02415 L = 24.15 ml cinitial Volume prélevé = 25 ml car utilisation d une pipette jaugée 25 ml et la molarité réelle sera titrée précisément ultérieurement. - 1 -
Nous pouvons donc utiliser une pipette de 25 ml pour prélever en une fois le volume de NaOH concentré. Ensuite l introduire dans un ballon jaugé déjà à moitié rempli d eau déminéralisée pour enfin compléter le volume de celui-ci à 1L et obtenir du NaOH «!dilué!» à 0.1M. Le produit est ensuite transvasé dans un flacon plastique étiqueté pour une utilisation ultérieure. -HCl Préparation d 1L de chlorure d hydrogène HCl environ 0.1M par dilution du HCl 4.06M mis à disposition. Volume prélevé = 25 ml N.b. Les mêmes méthodes de pipetage et de ballon jaugé pour le NaOH sont appliquées pour toutes les solutions d acides et de bases. Seuls les quantités prélevées et les volumes des ballons changent. -CH 3 COOH Préparation de 250 ml de solution 0.08M par dilution de l acide acétique 4M Volume prélevé =!5 ml -NH 3 Préparation de 100 ml d une solution d ammoniac NH 3 0.1M partir du NH 4 OH 6.5M mis à disposition. Volume prélevé =!1.54 ml -Na 2 CO 3 Préparation de 10 ml d une solution de carbonate de sodium Na 2 CO 3 0.1 M à partir du solide fourni. Ici un calcul avec la Masse Molaire du Na 2 CO 3 doit être fait Masse à prélever =!0.106 g Masse prélevée = 0.1065 g -Na 2 S Préparation de 20 ml d une solution de Na 2 S 0.01M à partir de la solution 0.2M mis à disposition. Volume prélevé = 1 ml 3.1.2 Test ph Ces 6 solutions nouvelles sont testées avec du papier indicateur afin d avoir une mesure approximative de leur ph respectif. Nous avons donc appliqué (au moyen d une baguette de verre) quelques gouttes de chaque solution sur un bout de papier indicateur. Une analyse olfactive des gaz s échappant des solutions a été tentée. - 2 -
«!Tableau des ph!» Solutions ph Gaz NaOH 0.1M 13 / HCl 0.1M 2 chlore CH 3 COOH 0.08M 4 vinaigre NH 3 O.1M 10 fort Na 2 CO 3 0.1M 10 / Na 2 S 0,01M 12 / 3.1.3. Eprouvettes Environ 2 ml de chaque solution (sauf NaOH) a été introduit dans des érpouvettes et laissé pur ou complété par du HCl ou du NaOH (acide et base forts) à des volumes divers notés dans le tableau ci-dessous. Sous chapelle, nous avons pu chauffer les éprouvettes afin de faciliter la diffusion gazeuse des solutions. Pour chaque éprouvette un test ph du gaz libéré a été effectué et relevé si échéant. «!Tableau des éprouvettes!» Eprouvettes Solutions de départ Ajout de solution en ml 1 HCl 2mL 2 CH 3 COOH 2mL 3 Na 2 CO 3 2mL 4 NH 3 2mL 5 Na 2 S 2mL ph gaz ph solution rien / 2 NaOH 1mL / 2 NaOH 3mL / 12 rien / 4 HCl 3mL / 1 NaOH 3mL / 12 rien / 10 HCl 1mL / 9 HCl 3mL / 3 rien 9 10 HCl 3mL / / NaOH 3mL 10 12 rien / 12 HCl 1mL / / HCl 3mL / / 3.2 Les solutions tampon et les indicateurs 3.2.1 Préparation de 3 solutions tampons Tampon de phosphate!: Préparation de 100 ml d une solution de dihydrogénophosphate de sodium NaH 2 PO4 0.01M et hydrogénate de sodium Na 2 HPO4 0.01M par dissolution des deux sels dans un même ballon jaugé de 100 ml. - 3 -
Sel1 = NaH 2 PO 4 * 2H 2 O Sel2 = Na 2 HPO 4 * 12H 2 O msel1 = c*v*mm = 0.01*0.1*156 = 0.156 g masse pesée = 0.1564 g msel2 = 0.01*0.1*334 = 0.334 g masse pesée = 0.3347g Tampon acétate!: Préparation de 100 ml d une solution de NaOH 0.1M et de CH 3 COOH 0.02M. Volume à prélever!: = 10 ml NaOH = 20 ml CH3COOH Tampon ammoniacal!: Préparation de 100 ml d une solution de HCl 0.01M et d ammoniac NH 3 0.02M Volume à prélever!: = 10 ml HCl = 20 ml NH3 Tableau des ph Solution ph Tampon phosphate 7 Tampon acétate 5 Tampon ammoniacal 9 Eau du robinet 7 HCl 0.1M 1 NaOH 0.1M 13 3.2.2 Comportement d une solution tampon (phosphate) On prend quelques ml de tampon phosphate et d eau du robinet auxquels on ajoute 1 goutte de HCl et de NaOH Comportement d une solution tampon Mélange de deux solutions Tampon phosphate 5mL HCl 0.1M (1goutte) 7 Tampon phosphate 5mL NaOH 0.1M (1goutte) 7 Eau du robinet 5mL HCl 0.1M (1goutte) 6 Eau du robinet 5mL NaOH 0.1M (1goutte) 9 ph - 4 -
3.2.3 Indicateurs synthétiques Ici nous testons quatre indicateurs synthétiques avec à chaque fois 5 solutions!: une fortement acide (HCl), une faiblement acide (tampon acétate), une neutre (tampon phosphate), une faiblement basique (tampon ammoniacal), une fortement basique (NaOH). Méthylorange Solutions 5mL HCl 0.1M Tampon Tampon Tampon NaOH 0.1M acétate phosphate ammoniacal Couleurs rose orange orange orange orange Phénolphtaléine Solutions 5mL HCl 0.1M Tampon acétate Tampon phosphate Tampon ammoniacal NaOH 0.1M Couleurs transparent transparent transparent rose claire rose foncé - 5 -
Bleu de bromothymol Solutions 5mL HCl 0.1M Tampon Tampon Tampon NaOH 0.1M acétate phosphate ammoniacal Couleurs jaune jaune vert bleu Bleu Bleu de thymol Solutions 5mL HCl 0.1M Tampon Tampon Tampon NaOH 0.1M acétate phosphate ammoniacal Couleurs rose Jaune claire jaune Bleu claire bleu 3.2.4Indicateurs naturels En faisant bouillir du chou et en le filtrant, nous avons obtenu un extrait de celui-ci. En faisant bouillir du thé, nous avons obtenu du thé. Ces deux solutions ont été utilisées comme indicateurs de la même façon que les indicateurs synthétiques. - 6 -
Chou rouge Solutions 5mL HCl 0.1M Tampon Tampon Tampon NaOH 0.1M acétate phosphate ammoniacal Couleurs rose violet bleu vert Jaune Thé noir Solutions 5mL HCl 0.1M Tampon acétate Tampon phosphate Tampon ammoniacal NaOH 0.1M Couleurs Dégrades de brun de clair au foncé 3.3 Solutions étalons et titrage quantitatif 3.3.1 Préparation de la solution de borax Préparation de 100 ml d une solution de borax environ 0.1M à partir de son sel hydraté! (Na 2 B 4 O 7 * 10 H 2 O, MM = 381.2 g/mol) Masse théorique!: m = c*v*mm = 3.812 g Masse prélevée!: 3.6110 g (en raison d une erreur de calcul, la masse théorique trouvée d abord était 3.612 g) Le borax été dissout dans un peu d eau chauffée puis dilué à 100 ml dans un ballon jaugé. Concentration : c borax = m/(v*mm) = 0.0947 mol/l ph!: 9-7 -
3.3.2 Standardisation du chlorure d hydrogène Avec une burette de 50 ml remplie d acide chlorhydrique environ 0.1M, il est possible d effectuer son titrage précis en atteignant le point de virage de l indicateur (ici!: quelques gouttes de bleu de bromothymol) introduit dans un échantillon d exactement 10 ml de solution de borax de concentration connue très précisément comme vu précédemment et dilué avec 20 ml d eau environ. Cette opération est répétée 5 fois et une moyenne avec calcul du coefficient de variance est établie.! a V = c (Où a et b sont les coefficients de stœchiométrie) b c A * * b Va b c HCl = 0.1020 mol/l CV = 0.0048 Cette molarité établie, nous pouvons effectuer le titrage de l hydroxyde de sodium par cette solution de HCl 0.1020M 3.3.3 Standardisation de l hydroxyde de sodium Le titrage du NaOH est effectué en pipetant exactement 25 ml de sa solution env. 0.1M, en y ajoutant environ 20 ml d eau et quelques gouttes de bleu de bromothymol. c NaOH = 0.1027 mol/l CV = 0.0032 3.3.4 Titrage d une solution connue d acide acétique Le titrage du CH 3 COOH est effectué en pipetant exactement 25 ml de sa solution env. 008M, en y ajoutant environ 20 ml d eau et 2 gouttes de phénolphtaléine comme indicateur. La procédure est exécutée deux fois en tout. c CH3COOH = 0.0792 mol/l CV = 0.0010 3.3.5 Titrage de l acide acétique contenu dans du vinaigre Il s agit de déterminer la concentration d acide acétique contenu dans un échantillon de vinaigre. Le titrage du CH 3 COOH est effectué en pipetant exactement 2 ml de l échantillon, en y ajoutant environ 20 ml d eau et 2 gouttes de phénolphtaléine comme indicateur. La procédure est exécutée deux fois en tout. c CH3COOH = 0.5939 mol/l CV = 0.0010 c volumique CH3COOH = c*mm = 3.564*10 1 g/l = 35.64 g/l fraction massique CH3COOH = c volumique CH3COOH / m volumique vinaigrer = 35.64/1000 = 3.564% - 8 -
4. DISCUSSION Préparations d acides et de bases «!diluées!» à une molarité désirée Ces préparations n ont pas posé beaucoup de problème. L utilisation d une pipette précise (p.ex de 25 ml) pour certaines préparations (p.ex NaOH) était parfois préférable au pipetage plus approximatif du volume (24.15 ml ici) qui donnera la concentration prescrite (0.1M ici) Cela n est pas très grave car leurs concentrations réelles ont été déterminée dans un deuxième temps par étalonnage. Test ph Ces solutions préparées ont été testées avec un papier indicateur afin d en connaître leur ph approximatif, cela pour deux choses. Premièrement afin de détecter une éventuelle grosse erreur de manipulation. Deuxièmement, afin de prédire approximativement le ph de certaines réactions et leur point d équivalence. Connaître le ph d une solution est aussi utile afin de savoir quel tampon et quel indicateur utiliser. Le test olfactif nous a permis de reconnaître l odeur caractéristique de certains composé et de voir que leur odeur plus ou moins détectable et forte ne dépendait pas de leur ph. Eprouvettes On peut imaginer dans certain cas où se situera à peu près le point d équivalence dans le cas des solutions tester avec un acide et une base. On verra par la suite une technique plus précise. Quand les éprouvettes sont chauffées, seul le gaz de la solution de NH 3 et de NH 3 + NaOH donne un résultat (basique). Réactions!: HCl + NaOH HCl + NaOH _ Na + +Cl - +H 2 O CH 3 COOH + HCl CH 3 COOH + HCl + 2H 2O _ CH 3 COO - + Cl - + 2H 3O + CH 3 COOH + NaOH Na 2 CO 3 +HCl NH 3 + HCl NH 3 + NaOH CH 3 COOH + NaOH + H 2O _ CH 3 COO - + Na + + H 2O Na 2 CO 3 + H 2 O _! 2Na + + HCO 3 -- + OH - Na 2 CO 3 + HCl + H 2 O _! 2Na + + HCO 3 - + Cl - + H 2 O NH 3 + HCl + H 2 O _ NH 4 + + Cl - +H 2 O NH 3 + NaOH + H 2 O_ NH 4 + + Na + + 2OH - + - 9 -
Na 2 S + HCl Na 2 S + H2O_ 2Na + + HS - + OH - HCl + H 2 0 _ H 3 O + + Cl - Na 2 S + HCl + 2H 2 O_ 2Na + + HS 2- + Cl - + H 3 O + + OH - Préparation de 3 solutions tampons La préparation de ces trois tampons ne pose pas trop de problème et leur précision n est pas primordiale car ils ne serviront qu à mettre en évidence des indicateurs. Comportement d une solution tampon Cette expérience nous montre comment réagit un tampon si on lui ajoute soit une base soit un acide et on compare cela a un témoin qui est de l eau du robinet (ph=7) à qui on ajoute le même acide et la même base. On remarque que le ph de la solution tampon na pas bougé alors que celui de l eau a subit l influence de l acide ou de la base. Indicateurs synthétiques et naturels En testant ces six indicateurs avec cinq solutions connues allant du plus acide au plus basique on a pu mettre en évidence leur propre domaine de réaction. Ils n interviennent pas non plus dans la stoechiométrie de la réaction. Il appartient donc au chimiste de connaître à peu près la valeur du ph au point d équivalence de sa réaction de titrage pour utiliser le bon indicateur. Préparation de la solution de borax Cette préparation et sa précision est très importante car elle va être l étalon de base de toutes les réactions qui vont suivre. Même si l on a fait une erreur de calcul et que notre masse prélevée est moindre de 0.201 g que la masse théorique, cela n a pas de répercutions sur la suite car la masse ayant été pesée très précisément, il a alors été possible de calculer la concentration pratique exacte. Standardisation du chlorure d hydrogène, de l hydroxyde de sodium, d acide acétique connue et inconnue Grâce à un bon indicateur il est possible de titrer ces solutions très précisément. Pour une plus grande précision l expérience est répétée plusieurs fois ce qui permet de faire une moyenne des concentrations ainsi qu un écart type qui valide notre expérience s il ne dépasse pas 1. Le titrage du borax par le HCl permet de connaître exactement la concentration du HCl qui servira à son tour d étalon secondaire pour titrer les autres solutions. Il est donc ensuite possible de mesurer la concentration d acide acétique d une solution de composition inconnue de vinaigre. N.b. Pour améliorer la facilité de lecture et le calcul des résultats, une feuille excel a été élaborée où l on retrouve toutes formules et les résultats de façon synoptique. (voir annexe) - 10 -
5. CONCLUSION Ce travail pratique nous a permis de nous familiariser avec les propriétés des acides et des bases et de leurs réactions. Les notions de ph, de la force des acides/bases et de leur neutralisation ont été bien développées. Le pouvoir tampon de certaines solutions a pu être testé et par là nous avons pu mettre en avant leur fonctionnement et leur zone d efficacité. Ces notions intégrées, l utilisation d indicateurs adaptés nous a permis d effectuer un titrage d acide, dont la précision a été accrue par deux étalonnage successifs dont le premier en partant d un sel solide pesé précisément. - 11 -