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Transformations chimiques · Acides et bases

Neutralisation et titrages

Un laboratoire de contrôle doit savoir combien d'acide éthanoïque contient un vinaigre blanc, ou combien de soude reste dans un bidon de déboucheur ouvert depuis longtemps. Pas question de compter les molécules une à une : on les fait réagir, goutte à goutte, avec une solution dont la concentration est connue avec précision, et on note le volume nécessaire. C'est le principe du titrage acido-basique.

Réaction support et équivalence

Un pH-mètre plongé dans un jus de citron indique $\mathrm{pH} = 2{,}4$. Mais cette valeur ne renseigne que sur les ions oxonium déjà libres, pas sur la quantité totale d'acide présent. Comment forcer toutes les molécules d'acide à réagir pour les dénombrer ?

La réaction support d'un titrage doit être totale, rapide et unique. La réaction acide-base entre un acide fort et une base forte vérifie ces trois conditions.

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Au laboratoire, on réalise la neutralisation de $40{,}0\,\text{mL}$ d'une solution aqueuse d'hydroxyde de baryum, $\mathrm{Ba(OH)2}$, de concentration…

Au laboratoire, on réalise la neutralisation de $40{,}0\,\text{mL}$ d'une solution aqueuse d'hydroxyde de baryum, $\mathrm{Ba(OH)_2}$, de concentration $0{,}050\,\text{M}$, en utilisant comme réactif titrant une solution aqueuse d'acide chlorhydrique, $\mathrm{HCl}$, de concentration $0{,}125\,\text{M}$ à la température de $25\,^\circ\text{C}$.

  1. a) Écrire l'équation chimique équilibrée de la réaction de neutralisation qui a lieu.
  2. b) Calculer le volume de solution de $\mathrm{HCl}$, exprimé en millilitres, qu'il faut ajouter pour atteindre exactement l'équivalence.
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Dans un laboratoire de contrôle chimique, on titre $50{,}0\,\text{mL}$ d'une solution aqueuse d'acide nitrique, $\mathrm{HNO_3}$, $0{,}0400\,\text{M}$ par ajout contrôlé…

Dans un laboratoire de contrôle chimique, on titre $50{,}0\,\text{mL}$ d'une solution aqueuse d'acide nitrique, $\mathrm{HNO_3}$, $0{,}0400\,\text{M}$ par ajout contrôlé d'une solution étalon d'hydroxyde de sodium, $\mathrm{NaOH}$, de concentration $0{,}0500\,\text{M}$ à $25\,^\circ\text{C}$.

Donnée : $K_\mathrm{w} = 1{,}00 \cdot 10^{-14}$ à $25\,^\circ\text{C}$. On suppose les volumes strictement additifs.

  1. a) Déterminer le $\mathrm{pH}$ du mélange obtenu après avoir ajouté $30{,}0\,\text{mL}$ de la solution de $\mathrm{NaOH}$. Calculer également le volume de réactif titrant nécessaire pour atteindre l'équivalence et justifier la valeur du $\mathrm{pH}$ en ce point.
  2. b) Calculer la nouvelle valeur du $\mathrm{pH}$ de la solution après ajout d'un volume cumulé de $45{,}0\,\text{mL}$ de $\mathrm{NaOH}$ (en excès par rapport à l'équivalence). On considère les solutions comme idéales et les volumes comme additifs.
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Équivalence, indicateur coloré et suivi pH-métrique

Comment repérer l'équivalence quand on ne voit rien changer dans l'erlenmeyer ? Deux méthodes : un indicateur coloré, ou un suivi pH-métrique.

Avec un suivi pH-métrique, on trace la courbe $\mathrm{pH} = f(V)$ : l'équivalence correspond à un saut de pH, repéré par la méthode des tangentes ou par le maximum de la dérivée $\dfrac{\mathrm{d}\,\mathrm{pH}}{\mathrm{d}V}$.

Courbe pH = f(V) du titrage d'un acide fort par une base forte : saut de pH autour de 7 et équivalence repérée par la méthode des tangentes parallèles.
Titrage de l'acide chlorhydrique par la soude

On verse de la soude dans de l'acide chlorhydrique. On donne $\lambda(\mathrm{H_3O^+}) = 35{,}0$, $\lambda(\mathrm{Na^+}) = 5{,}0$, $\lambda(\mathrm{HO^-}) = 19{,}9$ et $\lambda(\mathrm{Cl^-}) = 7{,}6$ (en $\mathrm{mS\cdot m^2\cdot mol^{-1}}$).

Avant l'équivalence, chaque ion $\mathrm{HO^-}$ versé consomme un ion $\mathrm{H_3O^+}$ et apporte un ion $\mathrm{Na^+}$ : on remplace un ion très conducteur ($35{,}0$) par un ion peu conducteur ($5{,}0$). $\sigma$ diminue.

Après l'équivalence, les ions $\mathrm{Na^+}$ et $\mathrm{HO^-}$ s'accumulent sans réagir : $\sigma$ augmente, avec une pente plus forte car $\lambda(\mathrm{HO^-})$ est grande.

Le minimum de $\sigma$, à l'intersection des deux droites, donne $V_E$.

```svg Échelle de pH de 0 à 14 comparant les zones de virage du rouge de méthyle, en milieu acide, et de la phénolphtaléine, en milieu basique. 0 2 4 6 8 10 12 14 rouge de méthyle (4,4 – 6,2) phénolphtaléine (8,2 – 10,0) pH acide basique équivalence acide faible + base forte (pH ≈ 8,8)
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Lors du titrage de $25{,}0\,\text{mL}$ d'acide acétique, $\mathrm{CH_3COOH}$ (acide faible), par une solution d'hydroxyde de sodium, $\mathrm{NaOH}$ (base forte),…

Lors du titrage de $25{,}0\,\text{mL}$ d'acide acétique, $\mathrm{CH_3COOH}$ (acide faible), par une solution d'hydroxyde de sodium, $\mathrm{NaOH}$ (base forte), l'équivalence est atteinte théoriquement à $\mathrm{pH} \approx 8{,}8$. Au laboratoire, on dispose de deux indicateurs colorés acido-basiques : le rouge de méthyle (zone de virage de $\mathrm{pH}$ entre $4{,}4$ et $6{,}2$, du rouge au jaune) et la phénolphtaléine (zone de virage de $\mathrm{pH}$ entre $8{,}2$ et $10{,}0$, d'incolore à rose).

  1. a) Définir et différencier de façon concise l'équivalence et le point final d'un titrage.
  2. b) Justifier lequel des deux indicateurs est le plus adapté pour minimiser l'erreur expérimentale dans ce titrage.
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Acides et bases faibles : pH le long du titrage

Titrons $25{,}0\,\text{mL}$ d'acide chlorhydrique à $0{,}10\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ par de la soude de même concentration : à l'équivalence, $\mathrm{pH} = 7{,}0$. Avec de l'acide éthanoïque, le pH à l'équivalence est d'environ $8{,}8$. Pourquoi une neutralisation « complète » ne donne-t-elle pas toujours un pH neutre ?

Courbe de titrage d'un acide faible par une base forte, avec le saut de pH et l'équivalence située au-dessus de 7. équivalence (pH > 7) pH V versé
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On titre $25{,}0\,\text{mL}$ d'une solution aqueuse d'acide benzoïque, $\mathrm{C_6H_5COOH}$ (acide faible monoprotique), de concentration $0{,}0100\,\text{M}$ par une…

On titre $25{,}0\,\text{mL}$ d'une solution aqueuse d'acide benzoïque, $\mathrm{C_6H_5COOH}$ (acide faible monoprotique), de concentration $0{,}0100\,\text{M}$ par une solution étalon d'hydroxyde de potassium, $\mathrm{KOH}$, $0{,}0100\,\text{M}$ à $25\,^\circ\text{C}$.

Données à $25\,^\circ\text{C}$ : $K_\mathrm{a}(\mathrm{C_6H_5COOH}) = 6{,}30 \cdot 10^{-5}$ ; $K_\mathrm{w} = 1{,}00 \cdot 10^{-14}$.

  1. a) Calculer le $\mathrm{pH}$ initial de la solution acide avant le début de l'ajout de base et calculer le $\mathrm{pH}$ après avoir ajouté exactement $12{,}5\,\text{mL}$ de la solution de $\mathrm{KOH}$.
  2. b) Déterminer le volume de solution de $\mathrm{KOH}$ nécessaire pour atteindre l'équivalence et calculer en justifiant la valeur du $\mathrm{pH}$ en ce point, en écrivant les réactions correspondantes. On considère les solutions comme idéales et les volumes comme additifs.
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On titre $30{,}0\,\text{mL}$ d'une solution aqueuse d'ammoniac, $\mathrm{NH_3}$, de concentration $0{,}150\,\text{M}$ par une solution d'acide chlorhydrique,…

On titre $30{,}0\,\text{mL}$ d'une solution aqueuse d'ammoniac, $\mathrm{NH_3}$, de concentration $0{,}150\,\text{M}$ par une solution d'acide chlorhydrique, $\mathrm{HCl}$, $0{,}100\,\text{M}$ à $25\,^\circ\text{C}$.

Données à $25\,^\circ\text{C}$ : $K_\mathrm{b}(\mathrm{NH_3}) = 1{,}80 \cdot 10^{-5}$ ; $K_\mathrm{w} = 1{,}00 \cdot 10^{-14}$.

Indicateurs disponibles (nom, zone de virage, couleur de la forme acide/couleur de la forme basique) : vert de bromocrésol ($3{,}8 - 5{,}4$, jaune/bleu) ; rouge de méthyle ($4{,}4 - 6{,}2$, rouge/jaune) ; thymolphtaléine ($9{,}3 - 10{,}5$, incolore/bleu).

  1. a) Calculer le volume de solution de $\mathrm{HCl}$ versé à l'équivalence et le $\mathrm{pH}$ de la solution en ce point, en justifiant chimiquement son acidité.
  2. b) Choisir en justifiant un indicateur adapté parmi les trois proposés et expliquer en détail la conséquence analytique d'une utilisation erronée de la thymolphtaléine dans ce titrage. On considère les solutions comme idéales et les volumes comme additifs.
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Titrer un produit commercial : dilution, titre, incertitude

Schéma du calcul d'un titrage : du volume et de la concentration du titrant on déduit, par la stœchiométrie, la quantité de matière de l'espèce titrée, puis la masse et le titre massique. VE et c du titrant n titrée (stœchiométrie) masse, titre massique
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Pour déterminer la concentration inconnue d'une solution aqueuse d'acide chlorhydrique, $\mathrm{HCl}$, on prélève une prise d'essai de $25{,}0\,\text{mL}$ avec une…

Pour déterminer la concentration inconnue d'une solution aqueuse d'acide chlorhydrique, $\mathrm{HCl}$, on prélève une prise d'essai de $25{,}0\,\text{mL}$ avec une pipette jaugée et on la verse dans un erlenmeyer, puis on ajoute deux gouttes de phénolphtaléine. On remplit une burette graduée de $50{,}0\,\text{mL}$ (incertitude de lecture de $\pm 0{,}05\,\text{mL}$ par affleurement) avec une solution étalon d'hydroxyde de sodium, $\mathrm{NaOH}$, $0{,}100\,\text{M}$. La figure détaille le montage expérimental ainsi que la lecture initiale de la burette et la lecture finale à l'instant du virage.

250 mL Lecture initiale (NaOH 0,100 M) 0 1 2 3 Ménisque Lecture finale (point de virage) 23 24 25 26 Ménisque 25,0 mL HCl + phénolphtaléine

La lecture initiale du ménisque est de $1{,}20\,\text{mL}$ et la lecture finale au virage persistant est de $24{,}60\,\text{mL}$.

  1. a) Déterminer le volume net de solution de $\mathrm{NaOH}$ versé lors du titrage et calculer l'incertitude absolue associée à cette mesure de volume.
  2. b) Calculer la concentration en quantité de matière de la solution de $\mathrm{HCl}$ analysée, en exprimant le résultat avec le nombre de chiffres significatifs approprié. Estimer de façon prudente l'incertitude du volume versé en additionnant les deux incertitudes maximales de lecture.
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On analyse la teneur en acide acétique, $\mathrm{CH_3COOH}$, d'un vinaigre commercial de masse volumique $1{,}01\,\text{g/mL}$. Pour cela, on prélève $10{,}0\,\text{mL}$…

On analyse la teneur en acide acétique, $\mathrm{CH_3COOH}$, d'un vinaigre commercial de masse volumique $1{,}01\,\text{g/mL}$. Pour cela, on prélève $10{,}0\,\text{mL}$ de vinaigre avec une pipette jaugée, on les introduit dans une fiole jaugée de $100{,}0\,\text{mL}$, on complète avec de l'eau déionisée jusqu'au trait de jauge et on homogénéise. On prélève ensuite une prise d'essai de $20{,}0\,\text{mL}$ de la solution diluée et on la titre avec une solution aqueuse de $\mathrm{NaOH}$ de concentration $0{,}120\,\text{M}$ en présence de phénolphtaléine. Pour atteindre le point final, on verse exactement $16{,}5\,\text{mL}$ de solution titrante.

Données : masses atomiques relatives : $\mathrm{C}=12{,}0$ ; $\mathrm{H}=1{,}0$ ; $\mathrm{O}=16{,}0$.

  1. a) Écrire l'équation équilibrée de la réaction de neutralisation.
  2. b) Calculer la concentration en quantité de matière de l'acide acétique dans le vinaigre d'origine et déterminer son pourcentage en masse ($\%\,\text{m/m}$).
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On souhaite quantifier la teneur en carbonate de calcium, $\mathrm{CaCO_3}$, d'un comprimé antiacide commercial de masse totale $1{,}20\,\text{g}$. L'échantillon…

On souhaite quantifier la teneur en carbonate de calcium, $\mathrm{CaCO_3}$, d'un comprimé antiacide commercial de masse totale $1{,}20\,\text{g}$. L'échantillon pulvérisé est mis à réagir avec $50{,}0\,\text{mL}$ de solution aqueuse de $\mathrm{HCl}$ $0{,}600\,\text{M}$, ce qui produit du dioxyde de carbone selon la transformation :

$\mathrm{CaCO_3\,(s) + 2\,HCl\,(aq) \rightarrow CaCl_2\,(aq) + CO_2\,(g) + H_2O\,(l)}$.

Une fois tout le gaz formé expulsé, l'excès d'acide chlorhydrique restant est dosé en retour par une solution de $\mathrm{NaOH}$ $0{,}250\,\text{M}$, un volume de $44{,}0\,\text{mL}$ de la base étant nécessaire pour atteindre le virage.

Données : masses atomiques : $\mathrm{Ca}=40{,}1$ ; $\mathrm{C}=12{,}0$ ; $\mathrm{O}=16{,}0$.

  1. a) Calculer la quantité de matière de $\mathrm{HCl}$, en moles, qui a réagi avec le $\mathrm{CaCO_3}$.
  2. b) Déterminer la masse de $\mathrm{CaCO_3}$ présente dans le comprimé et son pourcentage en masse dans le médicament. On suppose que les autres composants du comprimé ne réagissent pas avec l'acide et qu'aucune quantité de HCl n'est perdue lors de l'expulsion du gaz.
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Sécurité au laboratoire : acides et bases concentrés

Avertissement de sécurité : ne jamais mélanger directement un acide concentré et une base concentrée ; neutraliser lentement et de façon contrôlée. acide concentré base concentrée ⚠ jamais de mélange direct neutralisation lente et contrôlée
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Dans un laboratoire d'enseignement, il reste de l'acide sulfurique concentré, $\mathrm{H_2SO_4}$, et une solution concentrée d'hydroxyde de sodium, $\mathrm{NaOH}$, tous…

Dans un laboratoire d'enseignement, il reste de l'acide sulfurique concentré, $\mathrm{H_2SO_4}$, et une solution concentrée d'hydroxyde de sodium, $\mathrm{NaOH}$, tous deux étiquetés comme corrosifs. Un élève propose de les mélanger directement dans un bécher et de verser le résultat à l'évier. a) Identifier deux risques de cette proposition et expliquer quelle protection des yeux, de la peau et des vêtements exige un travail encadré avec des réactifs corrosifs. b) Proposer comment identifier, séparer et signaler ces déchets au responsable du laboratoire pour leur gestion conformément à la procédure de l'établissement. Justifier pourquoi l'éventuelle neutralisation doit être une opération contrôlée et non un mélange improvisé de produits concentrés.

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Retour au début : le vinaigre blanc contient $5{,}88\,\%$ en masse d'acide éthanoïque ($0{,}990\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$), obtenu en repérant l'équivalence par le virage de la phénolphtaléine ; pour le bidon de soude, on titrerait une masse connue par de l'acide chlorhydrique de concentration connue.

L'essentiel

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