Supposons que tu présentes un acide et une base. Tu connais la concentration de l'acide, mais celle de la base est un mystère : elle pourrait être de n'importe quelle concentration, pour autant que tu le saches. Pour connaître cette concentration inconnue, tu peux effectuer un type de réaction appelé titrage pH-métrique.
Dans ce résumé de cours, nous allons découvrir le titrage pH-métrique.
- Ce résumé de cours porte sur le titrage pH-métrique.
- Nous commencerons par définir le titrage avant d'examiner son principe.
- Nous allons définir le pH d'une solution aqueuse.
- Ensuite, nous verrons comment réaliser un titrage avec un suivi pH-métrique.
- Nous examinerons ensuite les types de courbes de pH pour différentes combinaisons d'acides et de bases forts et faibles.
- Nous présenterons le réactif titré et titrant ainsi que l'équivalence.
- Nous nous entraînerons ensuite à calculer les concentrations à l'aide des courbes de pH.
- Enfin, nous explorerons le titrage colorimétrique et le titrage conductimétrique.
Titrage : Réaction chimique
Un titrage est une réaction utilisée pour déterminer la concentration inconnue d'une solution, appelée le réactif de titrage, en l'ajoutant progressivement à une solution de concentration connue jusqu'à ce qu'un changement perceptible se produise.
Le titrage acide-base est une méthode d'analyse chimique qui permet de déterminer la concentration des acides et des bases.
Dans le cas du titrage pH-métrique, nous utilisons des titrages pour déterminer la concentration d'un acide ou d'une base inconnue. Afin d'obtenir des mesures plus précises du pH à des points spécifiques, nous pouvons utiliser un pH-mètre. Il s'agit d'un appareil numérique qui mesure le pH avec une grande précision. Nous pouvons utiliser nos données pour tracer une courbe de pH.
Une courbe de pH, également appelée courbe de titrage, est un graphique qui montre comment le pH d'une solution change lorsqu'on lui ajoute un acide ou une base.
pH d'une solution aqueuse
Le pH est une mesure de la concentration en ions hydrogène d'une solution aqueuse.
Pour plus d'informations sur le pH, veuille consulter notre résumé de cours "pH" !
Ne t'inquiète pas ! Nous allons commenter comment interpréter et utiliser ces graphiques dans une minute. Mais d'abord, comment réaliser un titrage afin de collecter les données nécessaires au tracé d'une courbe de pH.
Quel est le principe du titrage acide-base ?
Lors du titrage acide-base, tu ajoutes à une solution d'essai de concentration inconnue une solution étalon dont tu connais la concentration. La solution étalon est un acide ou une base.
Il se produit une réaction chimique au cours de laquelle les ions oxonium \( H_3O^+ \) et les ions hydroxyde \( OH^- \) correspondants sont neutralisés et de l'eau se forme. Lorsque la solution a été neutralisée, tu peux calculer la concentration de la solution d'essai à partir du volume de solution de mesure utilisé.
$$H_3O^+ + OH^- \rightarrow 2H_2O $$
Les ions \( H_3O^+ \) de l'acide sont neutralisés par les ions \( OH^- \) de la base et le pH de la solution se rapproche de la valeur neutre \( 7 \) . Par conséquent, à ce point, les quantités de matière \(n \) de la solution étalon et de la solution d'essai sont identiques.
$$ C_A.V_A = C_b.V_b $$
On appelle point d'équivalence le point du processus de titrage où il y a exactement autant d'ions hydroxyde que d'ions oxonium dans la solution. Une certaine quantité d'acide a été neutralisée par la quantité correspondante de base. Il s'agit du point final.
Comment réaliser un titrage avec un suivi pH-métrique ?
Supposons que nous présentons une solution d'acide chlorhydrique \( HCl \) de \( 0,100 mol dm^{-3} \) . Nous présentons également une solution d'hydroxyde de sodium \( NaOH \) , dont nous voulons déterminer la concentration. Pour ce faire, nous effectuons un titrage pH-métrique. Cela implique les étapes suivantes :
- Mesure \( 30 cm^3 \) de ta solution de concentration connue à l'aide d'une fiole jaugée. Dans ce cas, nous utilisons du \( HCl \) . Verse la solution dans une fiole conique.
- Rince une burette d'abord avec de l'eau distillée, puis avec la solution de concentration inconnue, qui est ton titrant. Dans ce cas, nous utilisons du \( NaOH \) . Utilise un support et une pince pour installer la burette de façon à ce qu'elle soit suspendue au-dessus de la fiole conique.
- Remplis la burette avec ton réactif de titrage. Note le volume de cette solution, que tu peux lire sur la burette. C'est ton volume de départ.
- Ajoute le réactif de titrage dans la fiole conique par intervalles de \( 1 cm^3 \)
- Mesurer le pH de la solution dans la fiole conique avec une sonde de pH après chaque ajout de réactif titrant.
- Note la valeur indiquée sur la burette. C'est ton volume final.
- Pour calculer le titre, soustraie ton volume final de ton volume de départ. Tu obtiendras ainsi le volume de réactif titrant ajouté à la fiole.
- Répète l'expérience jusqu'à ce que tu présentais trois valeurs de titre à moins de \( 0,1 cm^3 \) l'une de l'autre. Ces résultats sont dits concordants. Cependant, lorsque tu arrives à la fin du titrage (c'est-à-dire lorsque tu t'approches du point de changement de couleur), ajoute le réactif titrant goutte à goutte.
Nous te montrons ci-dessous le montage d'un titrage typique.
Fig.1- Montage d'un titrage avec un suivi pH-métrique
Courbe de titrage
Supposons que tu aies effectué le titrage que nous avons décrit ci-dessus, en ajoutant du \( NaOH \) à du \( HCl \) . Tu pourrais alors produire une courbe de pH (titrage) qui ressemblerait un peu à ceci (note qu'il s'agit de la courbe de pH que nous avons montrée précédemment)
Que peux-tu dire de ce graphique ? Eh bien, l'augmentation du pH n'est pas linéaire.
- Lorsque tu commences à ajouter la base, le pH augmente d'abord lentement. L'ajout d'une grande quantité de base présente un faible effet sur la valeur du pH.
- Puis le pH augmente rapidement dans une petite plage de volume, créant une section verticale abrupte. L'ajout d'une petite quantité de base présente un effet important sur la valeur du pH.
- Ensuite, le pH se stabilise et augmente à nouveau lentement. Une fois de plus, l'ajout d'une grande quantité de base présente un faible effet sur la valeur du pH.
Tu remarqueras la section abrupte, presque verticale, du graphique où le pH change rapidement. Dans ce titrage, cela se produit après que nous aillons ajouté environ \( 25 cm^3 \) de notre base \( NaOH \) .
Rappelle-toi qu'un alcali est une base aqueuse. Cela signifie que le \( NaOH \) est à la fois un alcali et une base. Tous les alcalins sont des bases - mais toutes les bases ne sont pas des alcalins !
Qu'est-ce qu'un point d'équivalence ?
Le point d'équivalence est le point où l'on présente juste assez de bases pour neutraliser l'acide dans une réaction de titrage ou vice versa.
Dans cette réaction, le point d'équivalence se situe à un pH d'environ \( 7 \) .
Comment déterminer le volume équivalent ?
Le volume équivalent peut être déterminé en utilisant la méthode des tangentes parallèles :
- On commence par tracer deux tangentes à la courbe avant et après l'équivalence, en s'assurant que les deux tangentes sont parallèles ;
- Ensuite, nous traçons une troisième ligne parallèle aux deux tangentes et à équidistance de celles-ci ;
- Pour cela, il faut tracer une droite perpendiculaire aux deux tangentes, je repère le milieu de cette droite et je trace la droite parallèle aux deux tangentes ;
- Cette troisième droite coupe la courbe de titrage en un point d'abscisse correspondant au volume à l'équivalence que je note ici \( V_E \) .
Fig.2-Le point d'équivalence sur notre courbe de pH.
Bien que chaque courbe de pH présente une forme similaire, elles sont toutes uniques. Dans la section suivante, nous allons explorer différents types de courbes de pH pour les acides et les bases forts et faibles.
Types de courbes de titrage
Les courbes de titrage avec différentes combinaisons d'acides et de bases faibles et forts ont un aspect légèrement différent. Cela peut sembler être beaucoup d'informations à retenir, mais déterminer la forme d'une courbe de titrage est en fait assez simple. Tout est basé sur les valeurs de pH relatives des acides et des bases forts et faibles :
- Les acides forts présentent des valeurs de pH très faibles.
- Les acides faibles présentent des valeurs de pH faibles.
- Les bases faibles présentent des valeurs de pH élevées.
- Les bases fortes présentent des valeurs de pH très élevées.
N'oublie pas que les acides et les bases forts se dissocient complètement en solution, alors que les acides et les bases faibles ne se dissocient que partiellement. Consulte les résumés de cours Acide faible et base faible pour en savoir plus.
Voici une échelle de pH, qui te montre ce que nous voulons dire.
Fig.3-Les valeurs de pH typiques des acides et des bases forts et faibles.
Prenons maintenant le temps d'examiner différents exemples de courbes de pH.
Dans tous nos exemples, nous ajoutons une base à un acide. Cependant, il est parfaitement possible d'ajouter un acide à une base - cela signifie simplement que le graphique commence par un pH plus élevé et se termine par un pH plus faible. Réfléchis simplement la courbe dans la direction des ordonnées, et tu obtiendras la bonne forme.
Acide fort et base forte
Nous avons déjà vu la courbe de pH d'un acide fort et d'une base forte dans l'exemple de réaction ci-dessus. Elle présente une section verticale importante et se termine par un pH très élevé.
Fig.4- La courbe de pH pour la réaction entre un acide fort et une base forte.
Acide fort et base faible
Les bases faibles présentent un pH plus faible que les bases fortes à la même concentration. Par conséquent, le graphique se termine par un pH élevé, au lieu du pH très élevé observé sur la courbe entre un acide fort et une base forte. La section verticale est donc plus courte.
Fig.5- La courbe de pH pour la réaction entre un acide fort et une base faible.
Acide faible et base forte
Les acides faibles présentent un pH légèrement plus élevé que les acides forts. Ce graphique est l'inverse de celui ci-dessus, avec un pH de départ faible, mais un pH final très élevé.
Fig.6- La courbe de pH pour la réaction entre un acide faible et une base forte.
Tu as peut-être présenté le fait que le pH augmente fortement au début lorsque nous ajoutons une partie de l'alcali.
Cette augmentation est due à la réaction de l'acide faible avec l'alcali pour former une solution tampon.
Tu trouveras plus d'informations à ce sujet dans Solution tampon.
Acide faible et base faible
La courbe de pH d'un acide faible et d'une base faible présente une courte section verticale. Elle commence par un pH faible et se termine par un pH élevé. Compare cela à la courbe de pH de la réaction entre un acide fort et une base forte, qui présente un pH initial très bas et un pH final très élevé.
Fig.7-La courbe de pH de la réaction entre un acide faible et une base faible.
Résumé des types de courbes de titrage
Voici un tableau résumant les caractéristiques des courbes de pH (titrage) entre différentes combinaisons d'acides et de bases forts et faibles.
| Base forte | Base faible |
| Acide fort | - pH de départ très bas
- Grande section verticale
- pH final très élevé
| - pH de départ très faible
- Section verticale moyenne
- pH final élevé
|
| Acide faible | - pH initial faible
- Section verticale moyenne
- pH final très élevé
| - pH initial faible
- Section verticale courte
- pH final élevé
|
Calculs de la courbe de titrage
Au début de ce résumé, nous avons effectué un titrage entre l'acide chlorhydrique \( HCl \) et l'hydroxyde de sodium \( NaOH \) pour trouver la concentration de la solution d'hydroxyde de sodium. Nous obtenons un ensemble de valeurs qui nous indiquent le volume de \( NaOH \) que nous avons ajouté dans chaque titrage avant d'atteindre le point d'équivalence, c'est-à-dire lorsque nous avons ajouté juste assez de \( NaOH \) pour neutraliser tout le \( HCl \) . Voyons comment utiliser ces résultats pour calculer la concentration de \( NaOH \) .
Nous devons suivre les étapes suivantes :
- Identifier les résultats concordants ;
- Utilise les résultats concordants pour calculer le titre moyen. Rappelle-toi que ce titre moyen est simplement le volume moyen de \( NaOH \) (la solution inconnue) ajouté dans chaque titrage ;
- Utilise le volume et la concentration de \( HCl \) (la solution connue) pour calculer le nombre de moles de \( HCl \) utilisées dans chaque titrage ;
- Utilise l'équation chimique équilibrée pour trouver le nombre de moles de \( NaOH \) qui réagit dans chaque titrage ;
- Utilise ce nombre de moles, ainsi que le titre moyen que tu as calculé précédemment pour calculer la concentration de \( NaOH \) .
Tu effectues une réaction de titrage entre \( HCl \) et \( NaOH \) , en utilisant \( 30 \space cm^3 \ 0{,}100 \space mol .dm^{-3} \) de \( HCl \) dans chaque titrage et une solution de \( NaOH \) comme réactif de titrage.
Utilise les résultats suivants pour calculer la concentration de la solution de \( NaOH \) .
| Titre 1 | Titre 2 | Titre 3 |
Volume de NaOH ajouté \( cm^3 \) | \( 24.9 \) | \( 25.2 \) | \( 25.0 \) |
Tout d'abord, nous devons identifier les résultats concordants. Pour les réactions de titrage, ces résultats sont généralement définis comme étant à moins de \( 0,1 \ cm^3 \) les uns des autres. Tu peux voir que les titres \( 1 \) et \( 3 \) ont donné des résultats concordants. Nous les mettons en évidence et calculons le titre moyen :
$$ (24,9 + 25,0) \div 2 = 24,95 \space cm^3 $$
Concordant signifie généralement "d'accord". Tu peux considérer que ces résultats sont "d'accord" sur le volume de titrant nécessaire pour neutraliser ta solution.
Mettons maintenant de côté ce titre moyen pour une seconde et calculons le nombre de moles de \( HCl \) dans chaque titrage. Pour ce faire, nous utilisons les informations données dans la question et l'équation reliant les moles, la concentration et le volume. Notre \( HCl \) présente une concentration de \( 0,100 \ mol \ dm^{-3} \) et nous en avons utilisé \( 30 \ cm^3 \) dans chaque titrage.
N'oublie pas de convertir tous les volumes en \( dm^3 \) . Dans ce cas, nous convertissons les \( cm^3 \) en \( dm^3 \) en les divisant par \( 1000 \) .
$$ moles = concentration \times volume $$
$$ moles = 0,100 \times 0,03 = 0,003 \space mol $$
Si nous écrivons une équation pour la réaction entre \( HCl \) et \( NaOH \) , nous pouvons voir qu'ils réagissent dans un rapport de \( 1:1 \) :
$$ HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O $
Cela signifie que nous avons besoin du même nombre de moles de \( NaOH \) que de \( HCl \) , afin de neutraliser complètement le \( HCl \) . Par conséquent, nous avons dû présenter \( 0,003 \space moles de \space NaOH \) . Nous pouvons maintenant utiliser le volume du titre moyen (converti en \( dm^3 \) , bien sûr) pour calculer la concentration de \( NaOH \) :
$$ Concentration = moles \div volumes $$
$$ Concentration = 0,003 \div 0,02495 = 0,012 \space mol.dm^{-3} $$
Faites attention au nombre de décimales indiqué dans la question. Tu dois arrondir ta réponse à ce nombre.
Titrage PH-métrique & équivalence
Il s'agit du moment où la réaction s'achève. Le point final ou point d'équivalence peut également être défini comme un point dans les réactions où le nombre d'équivalents de réactif titrant et réactif titré devient égal.
Pour détecter l'équivalence, un indicateur est utilisé pour chaque type de réaction.
Indicateur coloré
L'indicateur coloré est une substance utilisée pour indiquer le point d'équivalence d'un titrage. Les indicateurs colorés sont généralement choisis en fonction de leur capacité à subir un changement de couleur visible à un pH spécifique.
Lorsque nous ajoutons une base à un acide ou vice versa, le pH change. Par exemple, le pH augmente lorsque nous ajoutons de l'hydroxyde de sodium à l'acide chlorhydrique. Lorsque le pH atteint un certain niveau, l'indicateur change de couleur. C'est ce que l'on appelle le point final du titrage.
Le point final est le point à partir duquel l'indicateur change de couleur.
Nous pouvons utiliser les points finaux pour déterminer les points d'équivalence de combinaisons acide-base spécifiques. Rappelle-toi que le point d'équivalence se trouve au milieu d'une section presque verticale de la courbe de pH. Cette section couvre une large gamme de valeurs de pH, et l'ajout d'un peu plus de titrant modifie radicalement le pH. Cela signifie que lorsque tu atteins le point d'équivalence de la réaction, tu atteins également son point final. Afin de déterminer avec précision le point d'équivalence d'un titrage, nous devons utiliser des indicateurs dont les points finaux se situent dans la vaste gamme de pH de cette section presque verticale.
Pour être adapté au titrage, un indicateur doit remplir plusieurs critères.
- Le changement de couleur doit être distinct.
- Le changement de couleur doit être brusque et ne pas se produire dans une large gamme de valeurs de pH.
- Le point final de l'indicateur doit correspondre au point d'équivalence du titrage.
Voir un exemple ci-dessous.
Utilise la courbe de pH donnée pour déterminer quel indicateur conviendrait pour le titrage suivant.
Les points terminaux des deux indicateurs possibles sont représentés par une ligne au pH approprié, montrant le changement de couleur.
Fig.8- Une courbe de pH pour la réaction entre un acide fort et une base faible, montrée avec les extrémités de deux indicateurs.
Dans ce cas, la phénolphtaléine ne serait pas un indicateur approprié, car son point final, auquel elle change de couleur, ne se situe pas dans la section verticale de la courbe de pH. Par conséquent, son point final ne coïncide pas avec le point d'équivalence du titrage. Cependant, le point final du méthyl orange se situe dans la section verticale de la courbe de pH, et le méthyl orange serait donc un indicateur approprié.
Titrage pH-métrique - Points clés
- Un titrage est une réaction chimique dans laquelle nous trouvons la concentration inconnue d'une solution, appelée le réactif de titrage, en l'ajoutant progressivement à une solution de concentration connue jusqu'à ce qu'un changement perceptible se produise.
- Le principe du titrage acide-base, est d'ajouter à une solution d'essai de concentration inconnue une solution étalon dont nous connaissons la concentration. Lorsque la solution a été neutralisée, tu peux calculer la concentration de la solution d'essai à partir du volume de solution de mesure utilisé.
- Le pH est une mesure de la concentration en ions hydrogène d'une solution aqueuse.
- Une courbe de pH est un graphique produit à partir d'un titrage qui commente la variation du pH d'une solution lorsque nous y ajoutons un acide ou un alcali.
- Le point d'équivalence d'un titrage est le moment où une base suffisante a été présentée pour neutraliser l'acide ou vice versa.
- Le point final d'un titrage est le point auquel l'indicateur change de couleur.
- Un titrage colorimétrique est un titrage basé sur le changement de couleur du mélange réactionnel pour déterminer l'équivalence.
- Le réactif titré est la substance dont la concentration est déterminée dans un titrage colorimétrique.
- Le réactif titrant est la solution de concentration connue qui est ajoutée au réactif titré dans un titrage colorimétrique.
- Nous pouvons faire un titrage acide-base avec un suivi conductimétrique.
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