Titrage PH-métrique

Titrage : Réaction chimique

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.

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 :

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Ajoute le réactif de titrage dans la fiole conique par intervalles de \( 1 cm^3 \)
5. Mesurer le pH de la solution dans la fiole conique avec une sonde de pH après chaque ajout de réactif titrant.
6. Note la valeur indiquée sur la burette. C'est ton volume final.
7. 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.
8. 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 \( NaOH \) .

Qu'est-ce qu'un point d'équivalence ?

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 :

1. On commence par tracer deux tangentes à la courbe avant et après l'équivalence, en s'assurant que les deux tangentes sont parallèles ;
2. Ensuite, nous traçons une troisième ligne parallèle aux deux tangentes et à équidistance de celles-ci ;
3. 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 ;
4. 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.

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.

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.

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.

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 \( NaOH \) .

Indicateur coloré

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.

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.