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Première (spé maths) · Physique-chimie
Transformations chimiques · Oxydation et réduction

Stœchiométrie et titrages redox

Le vinaigre, l'eau oxygénée ou l'eau de Javel du supermarché affichent une teneur sur l'étiquette. Comment un laboratoire la vérifie-t-il ? En faisant réagir, goutte à goutte depuis une burette, une solution de concentration connue avec l'espèce à doser, jusqu'à un changement de couleur : c'est un titrage.

Quantités de matière et tableau d'avancement

Quand on verse la solution violette de permanganate de potassium sur une solution de fer(II) acidifiée, le violet disparaît instantanément. Tant que du fer(II) reste, chaque goutte est décolorée et le permanganate versé est le réactif limitant ; quand le fer(II) est entièrement consommé, la goutte suivante laisse la solution rose. Combien de moles de fer(II) ont réagi ?

Le réactif limitant est celui qui conduit à la plus petite valeur de $\dfrac{n_0}{\text{coefficient}}$.

Écrire l'équation avec les demi-équations

Un couple oxydant/réducteur s'écrit $\mathrm{Ox} + n\,\mathrm{e^-} = \mathrm{Red}$. Pour obtenir l'équation d'une réaction, on écrit la demi-équation de chaque couple, on multiplie pour que le nombre d'électrons échangés soit le même, puis on additionne en simplifiant les électrons.

Schéma de calcul reliant la quantité d'ions permanganate versés à la quantité d'ions fer(II) titrés par le facteur 5 de l'équation. MnO₄⁻ + 5 Fe²⁺ + 8 H⁺ → Mn²⁺ + 5 Fe³⁺ + 4 H₂O n(MnO₄⁻) versée = c · V × 5 n(Fe²⁺) dans la prise d'essai le coefficient est le facteur de conversion entre quantités
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Lors du dosage par manganimétrie du fer dissous, l'ion permanganate oxyde quantitativement le cation fer(II) en milieu fortement acide obtenu avec un excès d'acide…

Lors du dosage par manganimétrie du fer dissous, l'ion permanganate oxyde quantitativement le cation fer(II) en milieu fortement acide obtenu avec un excès d'acide sulfurique, en se réduisant en ion manganèse(II), tandis que le fer est oxydé en ion fer(III).

  1. a) Équilibrer par la méthode des demi-équations l'équation ionique globale correspondant à cette transformation redox.
  2. b) Si, pour titrer un échantillon, on utilise exactement $12{,}50\,\mathrm{mL}$ d'une solution aqueuse de permanganate de potassium $0{,}0200\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$, déterminer la quantité de matière (en moles) d'ions $\mathrm{Fe^{2+}}$ présents dans l'échantillon analysé.
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Titrage direct et équivalence

Évolution des quantités selon le volume versé

  • Avant l'équivalence ($V < V_E$) : le titrant versé est entièrement consommé, il est limitant ; l'espèce titrée est en excès et la solution garde la couleur de la prise d'essai (ici, pas de rose).

  • À l'équivalence ($V = V_E$) : les deux réactifs sont entièrement consommés ; le réactif limitant change.

  • Après l'équivalence ($V > V_E$) : l'espèce titrée est limitante, le titrant versé s'accumule en excès et la solution devient rose persistant.

Pour la réaction $a\,A + b\,B \rightarrow \dots$ (A titrée, B titrante) : $$\frac{n(A)_{\text{initiale}}}{a} = \frac{n(B)_{\text{versée à }V_E}}{b} \quad\text{soit}\quad \frac{c_A V_A}{a} = \frac{c_B V_E}{b}$$

Pourquoi ? À l'équivalence, les deux réactifs sont entièrement consommés, donc $x_{\max}$ vaut la même chose calculée avec A ou avec B.

Dans la manganimétrie, l'ion permanganate $\mathrm{MnO_4^-}$ est violet alors que $\mathrm{Mn^{2+}}$ est quasi incolore. Avant l'équivalence, chaque goutte se décolore : le titrant est limitant. Après l'équivalence, le permanganate n'est plus consommé et la solution devient rose persistant : le titrant est en excès. Le permanganate joue donc le rôle d'indicateur de fin de titrage.

Montage de titrage : burette contenant la solution titrante violette au-dessus d'un erlenmeyer contenant la prise d'essai acidifiée. solution titrante (burette graduée) erlenmeyer : espèce titrée
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Le titrage de l'acide oxalique par le permanganate de potassium nécessite un chauffage préalable contrôlé de l'erlenmeyer à environ $60\,^\circ\mathrm{C}$ afin…

Le titrage de l'acide oxalique par le permanganate de potassium nécessite un chauffage préalable contrôlé de l'erlenmeyer à environ $60\,^\circ\mathrm{C}$ afin d'accélérer la cinétique initiale lente, avant que l'ion $\mathrm{Mn^{2+}}$ formé n'agisse comme autocatalyseur. L'équation de la réaction est :

$2\,\mathrm{MnO_4^-} + 5\,\mathrm{H_2C_2O_4} + 6\,\mathrm{H^+} \rightarrow 2\,\mathrm{Mn^{2+}} + 10\,\mathrm{CO_2} + 8\,\mathrm{H_2O}$

On titre $20{,}00\,\mathrm{mL}$ d'une solution étalon de $\mathrm{H_2C_2O_4}$ $0{,}0500\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ en versant $16{,}00\,\mathrm{mL}$ de solution de $\mathrm{KMnO_4}$. Calculer la concentration en quantité de matière de la solution de permanganate de potassium utilisée.

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On dispose d'une prise d'essai de $25{,}0\,\mathrm{mL}$ d'une solution aqueuse contenant $\mathrm{Fe^{2+}}$, traitée avec un excès d'acide sulfurique. On la titre par…

On dispose d'une prise d'essai de $25{,}0\,\mathrm{mL}$ d'une solution aqueuse contenant $\mathrm{Fe^{2+}}$, traitée avec un excès d'acide sulfurique. On la titre par manganimétrie avec une solution étalon de $\mathrm{KMnO_4}$ $0{,}0200\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$. Sur le schéma expérimental suivant, on observe les lectures initiale et finale du ménisque de la solution dans la burette, correspondant respectivement à $3{,}10\,\mathrm{mL}$ et $18{,}10\,\mathrm{mL}$ :

DÉBUT DU TITRAGE 2 3 4 5 Lecture initiale 3,10 mL 25,0 mL Échantillon initial POINT FINAL 17 18 19 20 Lecture finale 18,10 mL Solution finale

Considérer l'équation ionique équilibrée :

$\mathrm{MnO_4^-} + 5\,\mathrm{Fe^{2+}} + 8\,\mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{Mn^{2+}} + 5\,\mathrm{Fe^{3+}} + 4\,\mathrm{H_2O}$

  1. a) Déterminer la concentration en quantité de matière des ions $\mathrm{Fe^{2+}}$ dans la solution analysée.
  2. b) Justifier le critère expérimental qui définit l'équivalence dans ce titrage manganimétrique et indiquer pourquoi il ne faut pas utiliser l'acide chlorhydrique à la place de l'acide sulfurique pour acidifier le milieu.
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Titrage indirect : l'iodométrie

L'eau de Javel (ion hypochlorite $\mathrm{ClO^-}$) est incolore. Mélangée à des ions iodure incolores, elle donne immédiatement un liquide brun : du diiode se forme. Peut-on s'en servir pour doser l'hypochlorite sans le titrer directement ?

Schéma d'un titrage indirect : l'espèce oxydante à doser forme du diiode avec les ions iodure, puis ce diiode est titré par les ions thiosulfate. espèce à doser (oxydant) I₂ formé (brun) S₂O₃²⁻ (thiosulfate) + I⁻ en excès titrage

On enchaîne deux relations stœchiométriques : $n(\text{espèce à doser}) \to n(\mathrm{I_2}) \to n(\mathrm{S_2O_3^{2-}})$.

Le diiode peut aussi se former à partir de deux espèces d'un même élément qui réagissent ensemble (réaction inverse d'une dismutation, appelée « rétrodismutation ») : par exemple $\mathrm{IO_3^-} + 5\,\mathrm{I^-} + 6\,\mathrm{H^+} \rightarrow 3\,\mathrm{I_2} + 3\,\mathrm{H_2O}$. Il suffit alors d'appliquer la même chaîne : on utilise le coefficient de cette équation pour passer de $n(\mathrm{IO_3^-})$ à $n(\mathrm{I_2})$ (ici $n(\mathrm{I_2}) = 3\,n(\mathrm{IO_3^-})$), puis celui du thiosulfate.

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En analyse chimique quantitative, on réalise fréquemment un « essai à blanc » pour corriger le volume de réactif consommé par les impuretés des solvants ou par la…

En analyse chimique quantitative, on réalise fréquemment un « essai à blanc » pour corriger le volume de réactif consommé par les impuretés des solvants ou par la matrice elle-même.

Lors d'un titrage iodométrique par le thiosulfate de sodium selon la réaction :

$\mathrm{I_2} + 2\,\mathrm{S_2O_3^{2-}} \rightarrow 2\,\mathrm{I^-} + \mathrm{S_4O_6^{2-}}$

on titre une solution à analyser en versant $24{,}35\,\mathrm{mL}$ de $\mathrm{Na_2S_2O_3}$ $0{,}0100\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$. Un essai à blanc avec tous les réactifs sauf l'espèce à doser nécessite $0{,}15\,\mathrm{mL}$ de la même solution titrante.

  1. a) Justifier la nécessité de soustraire le volume du blanc au volume total mesuré.
  2. b) Calculer la masse de diiode ($\mathrm{I_2}$) présente dans l'échantillon à analyser. Donnée : $M(\mathrm{I}) = 126{,}9\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.
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On analyse la teneur en hypochlorite de sodium ($\mathrm{NaClO}$) d'un produit blanchissant du commerce par iodométrie indirecte. Un échantillon de $5{,}00\,\mathrm{mL}$…

On analyse la teneur en hypochlorite de sodium ($\mathrm{NaClO}$) d'un produit blanchissant du commerce par iodométrie indirecte. Un échantillon de $5{,}00\,\mathrm{mL}$ de produit blanchissant est dilué à $250{,}0\,\mathrm{mL}$ avec de l'eau distillée. Une prise de $20{,}00\,\mathrm{mL}$ de cette solution diluée est acidifiée avec de l'acide acétique et additionnée d'un excès d'iodure de potassium, ce qui donne la réaction quantitative :

$\mathrm{ClO^-} + 2\,\mathrm{I^-} + 2\,\mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{I_2} + \mathrm{Cl^-} + \mathrm{H_2O}$

Le diiode formé est titré par du thiosulfate de sodium $0{,}0400\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$, dont il faut $18{,}50\,\mathrm{mL}$ jusqu'à la décoloration du complexe iode-amidon :

$\mathrm{I_2} + 2\,\mathrm{S_2O_3^{2-}} \rightarrow 2\,\mathrm{I^-} + \mathrm{S_4O_6^{2-}}$

  1. a) Calculer la quantité de matière d'hypochlorite de sodium dans la prise d'essai titrée.
  2. b) Déterminer la concentration en masse d'hypochlorite de sodium dans la solution commerciale d'origine, en grammes par litre. Données : masses molaires atomiques en $\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$ : $\mathrm{Na} = 23{,}0$ ; $\mathrm{Cl} = 35{,}5$ ; $\mathrm{O} = 16{,}0$.
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Teneur d'un produit commercial : remonter les dilutions

Une eau oxygénée du commerce est trop concentrée pour être titrée telle quelle. On la dilue d'abord, puis on titre une partie de la solution diluée.

Schéma d'une dilution avant titrage : prélèvement du produit commercial, dilution en fiole jaugée, puis prélèvement d'une prise d'essai à titrer. produit commercial 2,00 mL fiole jaugée 100,0 mL à titrer 20,00 mL dilution prélèvement
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Le peroxyde d'hydrogène se comporte comme un réducteur vis-à-vis du permanganate de potassium en milieu acide sulfurique. Pour déterminer la teneur d'une eau oxygénée…

Le peroxyde d'hydrogène se comporte comme un réducteur vis-à-vis du permanganate de potassium en milieu acide sulfurique. Pour déterminer la teneur d'une eau oxygénée commerciale de masse volumique $1{,}015\,\mathrm{g\cdot mL^{-1}}$, on prélève $2{,}00\,\mathrm{mL}$ de l'échantillon et on les dilue dans une fiole jaugée jusqu'à $100{,}0\,\mathrm{mL}$. On titre ensuite une prise de $20{,}00\,\mathrm{mL}$ de cette solution avec $\mathrm{KMnO_4}$ $0{,}0150\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$, et l'on verse $19{,}60\,\mathrm{mL}$ de solution titrante.

Réaction : $2\,\mathrm{MnO_4^-} + 5\,\mathrm{H_2O_2} + 6\,\mathrm{H^+} \rightarrow 2\,\mathrm{Mn^{2+}} + 5\,\mathrm{O_2} + 8\,\mathrm{H_2O}$

  1. a) Calculer la concentration en quantité de matière de $\mathrm{H_2O_2}$ dans l'eau oxygénée commerciale.
  2. b) Déterminer le pourcentage en masse de $\mathrm{H_2O_2}$ dans cet échantillon commercial. Données : masses molaires atomiques en $\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$ : $\mathrm{H} = 1{,}0$ ; $\mathrm{O} = 16{,}0$.
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Titrage en retour et essai à blanc

Certains solides réagissent trop lentement pour être titrés directement : le changement de couleur n'est pas net. Comment doser quand même ?

Principe du titrage en retour : la quantité d'espèce à doser est la différence entre la quantité de réactif introduit en excès et la quantité restante titrée. réactif introduit en excès (n₀) − réactif restant (titré) = espèce à doser
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On analyse la pureté d'un minerai contenant de la pyrolusite ($\mathrm{MnO_2}$) par un titrage redox en retour. On pèse $0{,}2450\,\mathrm{g}$ de minerai pulvérisé et on…

On analyse la pureté d'un minerai contenant de la pyrolusite ($\mathrm{MnO_2}$) par un titrage redox en retour. On pèse $0{,}2450\,\mathrm{g}$ de minerai pulvérisé et on les traite à chaud avec $50{,}00\,\mathrm{mL}$ d'une solution étalon d'oxalate de sodium ($\mathrm{Na_2C_2O_4}$) $0{,}0500\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ en milieu acide sulfurique en excès, ce qui entraîne la dissolution totale du dioxyde de manganèse selon la réaction :

$\mathrm{MnO_2} + \mathrm{C_2O_4^{2-}} + 4\,\mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{Mn^{2+}} + 2\,\mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{H_2O}$

L'excès d'oxalate qui n'a pas réagi est titré à chaud à $60\,^\circ\mathrm{C}$ avec $\mathrm{KMnO_4}$ $0{,}0200\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$, dont on utilise $17{,}85\,\mathrm{mL}$. Un essai à blanc des réactifs auxiliaires, dans le même milieu acide mais sans minerai ni oxalate ajouté, nécessite $0{,}35\,\mathrm{mL}$ de $\mathrm{KMnO_4}$.

Réaction de titrage : $2\,\mathrm{MnO_4^-} + 5\,\mathrm{C_2O_4^{2-}} + 16\,\mathrm{H^+} \rightarrow 2\,\mathrm{Mn^{2+}} + 10\,\mathrm{CO_2} + 8\,\mathrm{H_2O}$

  1. a) Calculer la quantité de matière nette d'oxalate qui a effectivement réagi avec le dioxyde de manganèse du minerai.
  2. b) Déterminer le pourcentage en masse de $\mathrm{MnO_2}$ dans le minerai analysé. Données : masses molaires atomiques en $\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$ : $\mathrm{Mn} = 54{,}94$ ; $\mathrm{O} = 16{,}00$. Supposer que la gangue est inerte et que la consommation du blanc correspond exclusivement à des impuretés réductrices des réactifs auxiliaires.
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Lors de la synthèse d'un produit inorganique, on obtient une solution contenant des ions iodate ($\mathrm{IO_3^-}$) et iodure ($\mathrm{I^-}$). Par forte acidification…

Lors de la synthèse d'un produit inorganique, on obtient une solution contenant des ions iodate ($\mathrm{IO_3^-}$) et iodure ($\mathrm{I^-}$). Par forte acidification avec de l'acide sulfurique, ces deux ions réagissent par médiamutation pour former du diiode moléculaire ($\mathrm{I_2}$) :

$\mathrm{IO_3^-} + 5\,\mathrm{I^-} + 6\,\mathrm{H^+} \rightarrow 3\,\mathrm{I_2} + 3\,\mathrm{H_2O}$

On part d'une solution contenant initialement $1{,}200\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{KIO_3}$ et un excès de $\mathrm{KI}$. Après avoir recueilli quantitativement le diiode récupéré, on le titre avec du thiosulfate de sodium selon :

$\mathrm{I_2} + 2\,\mathrm{S_2O_3^{2-}} \rightarrow 2\,\mathrm{I^-} + \mathrm{S_4O_6^{2-}}$

Sachant que l'on a utilisé une solution de $\mathrm{Na_2S_2O_3}$ $0{,}1500\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ et que le volume net versé a été de $43{,}20\,\mathrm{mL}$ :

  1. a) Calculer la quantité théorique de $\mathrm{I_2}$ qui a dû se former, en supposant un rendement de $100\,\%$ pour la réaction de médiamutation.
  2. b) Déterminer la quantité de matière réelle de $\mathrm{I_2}$ obtenue à partir du titrage et en déduire le rendement global, en pourcentage, de formation et de récupération du diiode.
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On dispose d'un sel pur contenant exclusivement de l'oxalate de fer(II) dihydraté, de formule $\mathrm{FeC_2O_4 \cdot 2\,H_2O}$. En milieu acide sulfurique dilué et…

On dispose d'un sel pur contenant exclusivement de l'oxalate de fer(II) dihydraté, de formule $\mathrm{FeC_2O_4 \cdot 2\,H_2O}$. En milieu acide sulfurique dilué et chaud, les deux ions constitutifs ($\mathrm{Fe^{2+}}$ et $\mathrm{C_2O_4^{2-}}$) sont oxydés simultanément par l'ion permanganate :

$\mathrm{Fe^{2+}} \rightarrow \mathrm{Fe^{3+}} + \mathrm{e^-}$

$\mathrm{C_2O_4^{2-}} \rightarrow 2\,\mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{e^-}$

$\mathrm{MnO_4^-} + 8\,\mathrm{H^+} + 5\,\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Mn^{2+}} + 4\,\mathrm{H_2O}$

  1. a) Déduire l'équation ionique globale équilibrée par la méthode des demi-équations et déterminer le nombre total d'électrons transférés par unité formulaire de $\mathrm{FeC_2O_4}$.
  2. b) Si l'on dissout $0{,}2159\,\mathrm{g}$ de ce sel pur en milieu acide sulfurique en excès et qu'on le titre à $60\,^\circ\mathrm{C}$, déterminer le volume (en millilitres) de solution de $\mathrm{KMnO_4}$ $0{,}0240\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ qui sera nécessaire pour atteindre le point final rose persistant. Données : masses molaires atomiques en $\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$ : $\mathrm{Fe} = 55{,}85$ ; $\mathrm{C} = 12{,}01$ ; $\mathrm{O} = 16{,}00$ ; $\mathrm{H} = 1{,}01$.
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Quand deux réducteurs sont oxydés en même temps par le titrant, on additionne leurs contributions : à l'équivalence, $n(\mathrm{e^-})$ cédés par les deux réducteurs $= 5\,n(\mathrm{MnO_4^-})$. Par exemple, si $n(\mathrm{Fe^{2+}}) = n$ (1 électron chacun) et $n(\mathrm{C_2O_4^{2-}}) = n$ (2 électrons chacun), alors $n + 2n = 3n = 5\,n(\mathrm{MnO_4^-})$.

Retour au début : le volume de la burette à l'équivalence donne la quantité de fer(II) à condition de multiplier par le coefficient 5 de l'équation.

L'essentiel

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