Lors de la détermination de la concentration de substances, le résultat doit être aussi précis que possible. Un résultat exact dépend à la fois de la précision du travail et de la méthode utilisée. Une méthode qui permet de déterminer très précisément la concentration d'un acide, d'une base ou d'un sel en mesurant sa conductivité. Cette méthode est appelée la conductimétrie.
Dans ce résumé de cours, nous allons examiner de plus près la conductimétrie et la façon dont nous appliquons dans le titrage conductimétrique.
- Ce résumé de cours porte sur la conductimétrie.
- Tout d'abord, nous aborderons le principe de la conductimétrie, la solution ionique et l'électrolyte.
- Ensuite, nous définirons la conductance et la conductivité.
- Nous présenterons la conductivité molaire ionique et la conductivité d'une solution.
- Nous allons découvrir le dosage conductimétrique,la cellule de la conductimétrie et l'électrode.
- Nous verrons le point d'équivalence et le dosage par étalonnage.
- Nous examinerons l'évaluation de la conductimétrie ainsi que quelques applications de la conductimétrie.
- Enfin, nous terminerons par des exemples sur la conductimétrie.
Conductimétrie : Principe
La conductimétrie est une méthode d'analyse quantitative. Elle est liée à la capacité d'une solution à conduire le courant électrique. Cela signifie que tu peux déterminer la concentration d'un acide, d'une base ou d'un sel de manière très précise.
La conductimétrie est l'une des méthodes de titrage. Dans le cas d'un titrage acide-base, si la concentration est déterminée à l'aide d'un indicateur, une méthode différente est utilisée en conductimétrie.
La conductimétrie permet de déterminer la concentration d'une solution d'acide, de base ou de sel à l'aide de la conductance électrique \( G \) de la solution. Pour cette raison, la conductimétrie est également appelée titrage par conductivité.
Solution ionique : électrolyte
Lorsqu’un composé ionique est dissous dans l'eau, le composé se dissocie en ions positifs et négatifs. Si tu introduis dans la solution deux plaques métalliques reliées à un générateur et une lampe, la lampe s'allume si le circuit est fermé. Grâce aux ions présents dans la solution, le courant peut circuler.
La mesure de la conductivité est effectuée quand nous avons une solution électrolytique.
Une solution électrolytique est une solution qui contient des ions.
Conductance
La conductance \( G \) est la capacité d'une solution à conduire le courant électrique.
La conductance s'exprime en siemens \( S \) .
La conductance \( G \) d'un échantillon de solution est calculée à partir de la résistance électrique de la solution. Tu obtiens la conductance en formant la fraction réciproque de la résistance mesurée \( G = \frac {1}{R} \) .
La conductimétrie ne peut être utilisée que pour examiner les acides, les bases et les sels, car ces substances forment des ions en solution aqueuse. Ces ions qui se déplacent librement permettent à la solution de conduire l'électricité.
Pour des informations plus détaillées sur la conductance, consulte notre résumé Conductance.
Qu'est-ce que la conductivité ?
La conductivité d'une solution, notée \( \sigma \) est une grandeur physique qui représente la capacité d'une solution à conduire le courant électrique.
La conductivité est exprimée en siemens par mètre \( S.m^{-1} \) .
La conductivité d'une solution dépend des facteurs suivants :
- La nature des ions présents ;
- La concentration de la solution ;
- L'indice de charge ionique ;
- La mobilité des ions ;
- La température de la solution.
La conductivité de la solution d'échantillon dépend, entre autres, de la concentration de la solution d'échantillon. Avec une concentration plus élevée, il y a plus d'ions dissous par volume dans la solution qui peut conduire le courant électrique. Si la concentration de la solution échantillon est plus faible, elle contient moins d'ions dissous par volume, ce qui signifie que la conductivité de la solution est plus faible.
Pour des informations plus détaillées sur la conductivité, consulte notre résumé Conductivité.
Conductivité molaire ionique
La vitesse à laquelle un ion peut se déplacer dans une solution aqueuse comment également la conductivité. La vitesse de déplacement des ions est également connue sous le nom de conductivité équivalente des ions \( \lambda \) (prononcé "lambda"). Les ions hydroxyde et les ions oxonium peuvent se déplacer particulièrement rapidement dans l'eau.
Les ions (sauf les ions oxonium et les ions hydroxyde) sont attirés par le pôle négatif ou positif des électrodes en raison de leur charge. Comme ils sont libres de se déplacer, ils se frayent un chemin à travers la solution jusqu'au pôle correspondant. Au contraire, la charge des ions oxonium et des ions hydroxyde se déplace à travers une chaîne de molécules d'eau. Tu peux voir dans le tableau suivant à quel point la conductivité équivalente des deux ions diffère de celle des autres ions à une température de \( 25 ° \) Celsius.
| Cation | \( \lambda ^+ \) | Anion | \( \lambda ^- \) |
| \( H^+ \) | \( 349,8 \) | \( OH^- \) | \( 198,6 \) |
| \( Li^+ \) | \( 38,7 \) | \( F^- \) | \( 55,4 \) |
| \( Na^+ \) | \( 50,1 \) | \( Cl^- \) | \( 76,4 \) |
| \( NH_4 ^+ \) | \( 73.4 \) | \( CH_3COO^- \) | \( 40.9 \) |
| \( Ca^{2+} \) | \( 59,5 \) | \( SO_4^{2-} \) | \( 80,0 \) |
Au cours du "mouvement" d'un ion oxonium, un proton est séparé une fois d'un ion oxonium et pris en charge par la molécule d'eau suivante. Cette molécule d'eau abandonne à son tour un proton et le transfère à la molécule d'eau suivante.
La mobilité ionique d'un ion hydroxyde ressemble au mouvement d'un ion oxonium. Cependant, l'ion hydroxyde accepte un proton de la molécule d'eau la plus proche, le transformant en un ion hydroxyde chargé négativement. Cet ion hydroxyde, à son tour, accepte un proton de la molécule d'eau la plus proche, et ainsi de suite. Contrairement à l'ion oxonium, cette réaction en chaîne se déroule en direction de l'électrode chargée positivement, également appelée anode.
Conductivité d'une solution
La conductivité d'une solution contenant des ions \( X_1, X_2, X_3 ... \) de concentration molaire \( [X_i] \) et de conductivité ionique molaire \( \lambda _i \) est donnée par la relation suivante :
$$ \sigma = \sum _i \lambda _i .[X_i] $$
Cette relation constitue la loi de kohlraush. Il faut noter que cette loi est uniquement valable pour les faibles concentrations.
Pour des informations plus détaillées sur la loi de Kohlraush, consulte notre résumé Loi De Kohlraush.
Dosage conductimétrique
Le dosage conductimétrique est une technique expérimentale basée sur une réaction chimique au cours de laquelle des ions disparaissent ou apparaissent.
La structure de la conductimétrie ne diffère pas trop de celle d'autres méthodes de titrage, comme le titrage acide-base. Avec la conductimétrie, tu trouveras également un récipient dans lequel la substance à examiner est sous forme dissoute. Le récipient peut être un bécher ou un erlenmeyer. La concentration de la substance est inconnue.
Figure 1 : Montage expérimental d'un titrage conductimétrique
À l'aide d'une burette, tu peux ajouter goutte à goutte la solution standard appropriée à la solution d'échantillon. La quantité utilisée peut être lue sur l'échelle de la burette. Contrairement à la solution d'échantillon, la concentration de la solution étalon est connue. En outre, la solution d'échantillon peut être mélangée en permanence à l'aide d'un agitateur magnétique et d'une barre d'agitation magnétique, de sorte que la solution standard soit répartie de manière homogène dans la solution d'échantillon et que les résultats de la mesure ne soient pas faussés.
Cellule de la conductimétrie
Contrairement au titrage acide-base, on n'utilise pas la solution d'échantillon avec un indicateur décalé. Au lieu de cela, tu mets une cellule d'immersion, également appelée cellule de la conductimétrie ou conductimètre, dans la solution d'échantillon.
Un conductimètre, également appelé cellule à immersion, utilise deux électrodes pour mesurer la résistance de la solution d'échantillon.
Qu'est-ce qu'une électrode ?
Le conductimètre mesure la conductivité au moyen d'une électrode.
L'électrode de mesure est constituée de deux plaques métalliques rectangulaires séparées par une distance définie.
Celle-ci se compose d'une anode et d'une cathode qui sont reliées à une source d'alimentation en courant alternatif et disposées en parallèle l'une par rapport à l'autre.
Le conductimètre peut mesurer la résistance de la solution d'échantillon.
La conductimétrie ne fonctionne pas avec un courant continu ; l'électrolyse. L'électrolyse est une réaction chimique forcée par l'électricité à courant continu, dans laquelle l'énergie électrique est convertie en énergie chimique.
Point d'équivalence
Avec la conductimétrie, tu ajoutes continuellement la solution standard à la solution d'échantillon. Tu peux surveiller la variation de la conductance à l'aide du conductimètre. Au fur et à mesure de l'ajout de la solution étalon, celle-ci diminue continuellement jusqu'à ce qu'elle présente un minimum. Ce point est également connu sous le nom de point d'équivalence. Si l'on présente plus de solutions étalon à la solution d'échantillon après avoir atteint le point d'équivalence, la conductance de la solution d'échantillon augmente à nouveau.
La raison pour laquelle la conductance d'une conductimétrie diminue d'abord puis augmente à nouveau est expliquée en détail dans le paragraphe suivant de ce résumé de cours.
Le point d'équivalence décrit le point d'une réaction de titrage auquel la quantité de substance dans la solution étalon est égale à la quantité de substance dans la solution d'échantillon. Il y a un équilibre des quantités de matière.
Important : la température de la solution d'échantillon ne doit pas changer au cours de l'expérience, car la conductivité change d'environ deux pour cent avec un changement de température de seulement \( 1 °C \) . Ce problème n'existe pas avec les conductimètres plus professionnels, comme ils présentent une compensation de température intégrée.
Conductimétrie : Dosage par étalonnage
Des ions sont présents dans la solution d'échantillon, qui conduisent le courant alternatif du conductimètre. L'ajout de la solution étalon réduit le nombre d'ions dans la solution d'échantillon, car les ions de la solution étalon réagissent avec les ions de la solution d'échantillon et la solution d'échantillon est ainsi neutralisée. C'est la raison pour laquelle la conductance de la solution d'échantillon diminue avec l'ajout continu de la solution standard. La quantité de solution étalon qui doit être présentée à la solution d'échantillon pour atteindre le point d'équivalence dépend de la concentration de la solution d'échantillon et de la solution étalon. Le point d'équivalence doit donc d'abord être établi.
Bien entendu, la concentration en ions n'est minimisée que si les ions présents dans la solution échantillon réagissent également avec les ions de la solution étalon. Si ce n'est pas le cas, la conductance de la solution d'échantillon ne diminue jamais.
Au point d'équivalence, tous les ions de la solution d'échantillon sont neutralisés, ce qui fait que la conductance atteint son minimum. Si tu ajoutes davantage de solutions étalon à la solution d'échantillon, la conductance augmente à nouveau. La raison en est que les ions de la solution d'échantillon sont maintenant manquants, ce qui signifie que les ions de la solution standard ne peuvent plus être neutralisés. La concentration d'ions augmente donc à nouveau.
Évaluation de la conductimétrie
Le point d'équivalence d'une conductimétrie doit être déterminé graphiquement à l'aide de ce que l'on appelle une extrapolation. Un diagramme est créé à partir des valeurs de conductance mesurées et les différents points sont reliés entre eux. Ce graphique représente la conductivité en fonction du volume de solution standard ajoutée. L'évolution d'un titrage de conductivité présente généralement une forme en V. Tu peux relier les différents points de mesure par deux lignes droites. Le point bas des "V" est le point d'équivalence du titrage.
Conductimétrie : Applications
La conductimétrie est d'une grande importance pour les titrages acide-base et les titrages de précipitation. Le point d'équivalence des acides et des bases fortes peut être déterminé très précisément, même avec de très grandes dilutions. Ceci est le cas avec d'autres méthodes de titrage comme le titrage acide-base difficile. La conductimétrie joue un rôle important dans les titrages de précipitation, car il n'y a parfois pas d'indicateurs appropriés pour déterminer le point d'équivalence avec d'autres méthodes.
Conductimétrie : Exemples
Cet exemple est un titrage conductimétrique acide-base, dans lequel un acide fort est neutralisé par une base forte. Dans ce cas, dans \( 50 ml \) d'acide chlorhydrique \( HCl \) \( mol/L \) avec de l'hydroxyde de sodium de concentration \( 1 \) .
Solution étalon : \( H_3O^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)} \)
Solution échantillon : \( OH^-_{(aq)} + Na^+){(aq)} \)
Réaction de neutralisation d'un titrage conductimétrique : $$ H_3O^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)} + OH^-_{(aq)} + Na^+_{(aq)} \rightarrow 2H_2O_{(aq)} + Cl^-_{(aq)} + Na^+_{(aq)} $$
Avant d'atteindre le point d'équivalence
Les ions oxonium \( H_3O^+ \) sont neutralisés par les ions hydroxyde \( OH^- \) contenus dans la solution étalon avant que le point d'équivalence ne soit atteint. Comme tu peux le voir dans l'équation de réaction, la solution d'échantillon contient également des ions sodium en raison de l'ajout de la solution standard. Cependant, comme ceux-ci n'affectent pas la conductivité de la solution d'échantillon autant que les ions oxonium et hydroxyde, la conductivité diminue malgré la concentration croissante d'ions sodium.
Dans le tableau de conductivité ionique équivalente, qui figure au début du résumé de cours, tu peux constater que la conductivité ionique équivalente des ions sodium est nettement inférieure à la conductivité ionique équivalente des protons libres \( H^+ \) .
À l'équivalence
Une fois le point d'équivalence atteint, la solution d'échantillon présente une solution pure de chlorure de sodium \( NaCl_{(aq)} \) . Comme on peut le voir dans l'équation de réaction présentée ci-dessus.
Après avoir atteint le point d'équivalence
Si l'on ajoute de la soude caustique à la solution d'échantillon après avoir atteint le point d'équivalence, le nombre d'ions hydroxyde dans la solution d'échantillon augmente. Une fois le point d'équivalence atteint, les ions hydroxyde ne peuvent plus être neutralisés, car il n'y a plus d'ions oxonium disponibles. La conductivité de la solution d'échantillon augmente alors à nouveau.
Conductimétrie - Points clés
- La conductimétrie est une méthode d'analyse chimique quantitative qui peut être utilisée pour déterminer la concentration de la solution d'échantillon à l'aide d'une méthode de titrage.
- Une solution ionique est une solution qui conduit le courant électrique.
- L'électrolyte est une solution qui contient des ions et qui permet le passage d'un courant électrique.
- La conductance est la capacité d'une solution à conduire le courant électrique.
- La conductivité d'une solution est une grandeur qui représente la capacité d'une solution à conduire le courant.
- La conductivité molaire ionique est une mesure de la quantité d'ions libres dans une solution.
- La conductivité d'une solution est donnée par la relation suivante :
$$ \sigma = \sum _i \lambda _i .[X_i] $$
Cette relation constitue la loi de kohlraush.
- Celle-ci est ensuite convertie en conductance \( G \) ( \( G \) = fraction réciproque de la résistance).
Le dosage conductimétrique est une technique expérimentale basée sur une réaction chimique au cours de laquelle des ions disparaissent ou apparaissent.
- La cellule de la conductimétrie utilise deux électrodes pour mesurer la résistance de la solution d'échantillon.
- Le point d'équivalence décrit le point d'une réaction de titrage auquel la quantité de substance dans la solution étalon est égale à la quantité de substance dans la solution d'échantillon. Il y a un équilibre des quantités de matière.
- En utilisant les principes directeurs de la conductimétrie, le point d'équivalence du titrage peut être déterminé graphiquement.
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