Chimie - Terminale S - Contrôle de la qualité par titrage pH-métrique
Objectifs
Voir les démarches à effectuer lors d’un titrage pH-métrique.
Décrire les résultats obtenus et expliquer comment les exploiter.
Traiter ensuite deux exemples concrets.
Décrire les résultats obtenus et expliquer comment les exploiter.
Traiter ensuite deux exemples concrets.
1. Description de la manipulation
a. Rappels
→ Un acide est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs protons. S’il n’en cède qu’un, c’est un monoacide.
Si la réaction d’un acide avec l’eau est totale, alors l’acide est fort. Exemple : acide chlorhydrique HCl.
Dans le cas contraire, l’acide est faible, comme l’acide éthanoïque
.
→ Une base est une espèce chimique susceptible de capter un ou plusieurs protons. Une monobase ne capte qu’un proton.
Une base réagissant totalement avec l’eau est une base forte, comme la soude NaOH, sinon, c’est une base faible. Ex : ion éthanoate
.
→ Un acide faible
et sa base conjuguée 
forment un couple noté 
, auquel on associe un 
.
Si la réaction d’un acide avec l’eau est totale, alors l’acide est fort. Exemple : acide chlorhydrique HCl.
Dans le cas contraire, l’acide est faible, comme l’acide éthanoïque
.→ Une base est une espèce chimique susceptible de capter un ou plusieurs protons. Une monobase ne capte qu’un proton.
Une base réagissant totalement avec l’eau est une base forte, comme la soude NaOH, sinon, c’est une base faible. Ex : ion éthanoate
.→ Un acide faible
et sa base conjuguée forment un couple noté , auquel on associe un .b. Montage expérimental
La finalité d’un titrage pH-métrique peut être de déterminer la concentration 
d’un acide en solution. Pour cela, on étudie la variation de pH de la solution étudiée au fur et à mesure qu'une solution de base titrante de concentration connue est versée. Pour le titrage d’un acide par une base, le montage est schématisé ci-dessous, où A se réfère à l’acide et B à la base. Naturellement, on peut aussi déterminer la concentration d’une base par titrage pH-métrique. Ainsi, pour titrer une base avec un acide, la base est dans le bécher et l’acide titrant dans la burette.
Dans tous les cas étudiés, la solution titrante est soit une base forte, soit un acide fort. Sauf exceptions notables, on ne titrera que des monoacides ou des monobases.
d’un acide en solution. Pour cela, on étudie la variation de pH de la solution étudiée au fur et à mesure qu'une solution de base titrante de concentration connue est versée. Pour le titrage d’un acide par une base, le montage est schématisé ci-dessous, où A se réfère à l’acide et B à la base. Naturellement, on peut aussi déterminer la concentration d’une base par titrage pH-métrique. Ainsi, pour titrer une base avec un acide, la base est dans le bécher et l’acide titrant dans la burette.Dans tous les cas étudiés, la solution titrante est soit une base forte, soit un acide fort. Sauf exceptions notables, on ne titrera que des monoacides ou des monobases.
c. Réaction support du titrage
La réaction support du titrage est la réaction qui se produit entre l’acide titré et la base titrante (ou inversement). Cette réaction doit être :
→ rapide afin que l’opérateur n’ait pas attendre que le milieu réactionnel atteigne l’équilibre chimique à chaque ajout de solution titrante. Une réaction acido-basique est toujours rapide.
→ totale, afin que la notion d’équivalence ait un sens. Dans ce cas, on dit que la réaction est quantitative. La réaction entre un acide fort et une base forte forcément totale. La réaction entre un acide faible et une base forte (ou inversement) peut être totale.
→ unique : la réaction support du titrage est la seule à se produire, ou les autres réactions qui auraient lieu durant le titrage ne modifient pas les quantités de matière de l’acide et de la base.
Exemples :
→ Titrage d’un monoacide fort par une monobase forte : les ions oxonium apportés par l’acide réagissent avec les ions hydroxyde apportés par la base. La réaction support du titrage est alors
.
→ Titrage d’un monoacide faible AH par une monobase forte :
apporté par la base réagit avec 
selon la réaction 
.
→ rapide afin que l’opérateur n’ait pas attendre que le milieu réactionnel atteigne l’équilibre chimique à chaque ajout de solution titrante. Une réaction acido-basique est toujours rapide.
→ totale, afin que la notion d’équivalence ait un sens. Dans ce cas, on dit que la réaction est quantitative. La réaction entre un acide fort et une base forte forcément totale. La réaction entre un acide faible et une base forte (ou inversement) peut être totale.
→ unique : la réaction support du titrage est la seule à se produire, ou les autres réactions qui auraient lieu durant le titrage ne modifient pas les quantités de matière de l’acide et de la base.
Exemples :
→ Titrage d’un monoacide fort par une monobase forte : les ions oxonium apportés par l’acide réagissent avec les ions hydroxyde apportés par la base. La réaction support du titrage est alors
.→ Titrage d’un monoacide faible AH par une monobase forte :
apporté par la base réagit avec selon la réaction .2. Exploitation des résultats
a. Équivalence acido-basique
Lors du titrage d’un acide, ce dernier est progressivement consommé par l’ajout de la base titrante, de manière irréversible (un titrage est une méthode de dosage destructive). Quand tout l’acide est consommé, on est à l’équivalence. Avec des monoacides/monobases, on a versé à l’équivalence une quantité de base 
égale à la quantité initiale d’acide 
, soit 
. C’est un cas particulier de réaction d’équivalence (voir fiche « Titrages directs »), avec des coefficients stœchiométriques égaux à 1 dans la réaction support du titrage.
.
égale à la quantité initiale d’acide , soit . C’est un cas particulier de réaction d’équivalence (voir fiche « Titrages directs »), avec des coefficients stœchiométriques égaux à 1 dans la réaction support du titrage.
En notant 
le volume de base versé à l’équivalence, nous avons 
, où les concentrations 
et 
sont en mol.L–1, et les volumes 
et 
sont habituellement en mL.
Pour titrer une base par un acide, le raisonnement est identique et on a le volume de base versé à l’équivalence, nous avons , où les concentrations et sont en mol.L–1, et les volumes et sont habituellement en mL..b. Déterminer l'équivalence acido-basique
Pour estimer 
, il faut déterminer 
, c'est-à-dire détecter l’équivalence. Lors du titrage pH-métrique d’un acide, le pH augmente au fur et à mesure que l’on introduit la base titrante. En outre, l’équivalence acido-basique se manifeste par un saut de pH. Le point d’équivalence a pour ordonnée le pH à l'équivalence et pour abscisse 
.
On l’obtient par exemple par la méthode des tangentes.
Une autre méthode, dite méthode de la dérivée, consiste à tracer la dérivée
. La dérivée est maximale pour 
. Pour titrer une base, la différence est que la courbe de suivi pH-métrique est décroissante.
L’équivalence peut aussi être détectée en ajoutant quelques gouttes d’un indicateur coloré dans la solution à titrer. Pour cela, il faut que le pH à l'équivalence soit inclus dans la zone de virage de l’indicateur coloré choisi. Au niveau de la zone de virage, l’indicateur prend une teinte colorée intermédiaire entre sa teinte acide et sa teinte basique.
, il faut déterminer , c'est-à-dire détecter l’équivalence. Lors du titrage pH-métrique d’un acide, le pH augmente au fur et à mesure que l’on introduit la base titrante. En outre, l’équivalence acido-basique se manifeste par un saut de pH. Le point d’équivalence a pour ordonnée le pH à l'équivalence et pour abscisse .On l’obtient par exemple par la méthode des tangentes.
Une autre méthode, dite méthode de la dérivée, consiste à tracer la dérivée
. La dérivée est maximale pour . Pour titrer une base, la différence est que la courbe de suivi pH-métrique est décroissante.L’équivalence peut aussi être détectée en ajoutant quelques gouttes d’un indicateur coloré dans la solution à titrer. Pour cela, il faut que le pH à l'équivalence soit inclus dans la zone de virage de l’indicateur coloré choisi. Au niveau de la zone de virage, l’indicateur prend une teinte colorée intermédiaire entre sa teinte acide et sa teinte basique.
3. Premier exemple : titrage d'une solution d'acide chlorhydrique
Une solution d’acide chlorhydrique HCl de volume 
est titrée par une solution de soude NaOH de concentration 
. L’acide chlorhydrique est un acide fort, et la soude une base forte. La réaction support du titrage est 
. L’évolution du pH en fonction du volume de soude versé est :
Le volume de soude versé à l’équivalence vaut
. Avec la relation d’équivalence 
, on a 
.
À l’équivalence, les ions oxonium de l’acide ont tous réagi avec les ions hydroxyde de la soude. Il ne reste plus en solution que l’eau et les ions sodium et chlorure. Le pH à l’équivalence est donc neutre :
. On peut donc utiliser le Bleu de Bromothymol (BBT) afin de détecter l’équivalence.
est titrée par une solution de soude NaOH de concentration . L’acide chlorhydrique est un acide fort, et la soude une base forte. La réaction support du titrage est . L’évolution du pH en fonction du volume de soude versé est :Le volume de soude versé à l’équivalence vaut
. Avec la relation d’équivalence , on a .À l’équivalence, les ions oxonium de l’acide ont tous réagi avec les ions hydroxyde de la soude. Il ne reste plus en solution que l’eau et les ions sodium et chlorure. Le pH à l’équivalence est donc neutre :
. On peut donc utiliser le Bleu de Bromothymol (BBT) afin de détecter l’équivalence.4. Deuxième exemple : titrage de l'acidité d'un vinaigre
Le vinaigre est assimilable à une solution d’acide éthanoïque 
, un acide faible intervenant dans le couple acide/base 
.
On dilue 20 fois un vinaigre du commerce. Ensuite, on titre un volume
de la solution fille obtenue par une solution de soude de concentration 
.
La réaction support du titrage entre l’acide éthanoïque et
est 
.
La courbe de suivi pH-métrique obtenue se présente sous la forme :
On a
. À l’équivalence, l’acide éthanoïque et la soude ont totalement réagi ensemble. Il ne reste en solution que de l’eau, des ions sodium apportés par la soude et des ions éthanoate 
. Celui-ci étant une base faible, le pH à l’équivalence est donc basique (
). L’indicateur coloré utilisable pour détecter l’équivalence est donc ici la phénolphtaléine.
nous donne 
.
La solution de vinaigre ayant été diluée 20 fois, la concentration de la solution commerciale est de
.
Donc, dans un litre, on a 1,28 moles de
. Puisque la masse molaire de cet acide est de 60 g.mol–1, cela représente 76,8 g d’acide éthanoïque dans un litre.
D’autre part, la masse volumique du vinaigre est de 1,020 kg.L-1, ce qui signifie que 1020 g de vinaigre contiennent 76,8 g d’acide éthanoïque. Par un produit en croix, on en déduit que 100 g de vinaigre contiennent 7,53 g d’acide éthanoïque. On dit que 7,53 correspond au degré du vinaigre.
, un acide faible intervenant dans le couple acide/base .On dilue 20 fois un vinaigre du commerce. Ensuite, on titre un volume
de la solution fille obtenue par une solution de soude de concentration .La réaction support du titrage entre l’acide éthanoïque et
est .La courbe de suivi pH-métrique obtenue se présente sous la forme :
On a
. À l’équivalence, l’acide éthanoïque et la soude ont totalement réagi ensemble. Il ne reste en solution que de l’eau, des ions sodium apportés par la soude et des ions éthanoate . Celui-ci étant une base faible, le pH à l’équivalence est donc basique (). L’indicateur coloré utilisable pour détecter l’équivalence est donc ici la phénolphtaléine. nous donne .La solution de vinaigre ayant été diluée 20 fois, la concentration de la solution commerciale est de
.Donc, dans un litre, on a 1,28 moles de
. Puisque la masse molaire de cet acide est de 60 g.mol–1, cela représente 76,8 g d’acide éthanoïque dans un litre.D’autre part, la masse volumique du vinaigre est de 1,020 kg.L-1, ce qui signifie que 1020 g de vinaigre contiennent 76,8 g d’acide éthanoïque. Par un produit en croix, on en déduit que 100 g de vinaigre contiennent 7,53 g d’acide éthanoïque. On dit que 7,53 correspond au degré du vinaigre.
5. Courbes pH-métriques possibles (non exigible)
Voici les quatre configurations que l’on peut rencontrer pour des monoacides ou monobases faibles/fort(e)s titré(e)s par un(e) monobase/monoacide fort(e) :
L'essentiel
Un titrage pH-métrique est une méthode pour titrer un acide ou une base.
La manipulation consiste à suivre l’évolution du pH de la solution étudiée en fonction du volume versé d’une solution de base (ou d’acide) titrant(e), de concentration connue. On manipule habituellement des monoacides ou des monobases.
À l’équivalence, on a versé autant de base (ou d’acide) qu'il y avait d’acide (ou base) à titrer. L’équivalence se manifeste par une brusque variation du pH.
La relation d’équivalence est
lors du titrage d’un acide ou 
pour le titrage d’une base.
Le volume à l’équivalence
(ou 
) est déterminé par la méthode des tangentes, de la dérivée ou éventuellement par un indicateur coloré, ce qui permet d'estimer 
(ou 
).
La manipulation consiste à suivre l’évolution du pH de la solution étudiée en fonction du volume versé d’une solution de base (ou d’acide) titrant(e), de concentration connue. On manipule habituellement des monoacides ou des monobases.
À l’équivalence, on a versé autant de base (ou d’acide) qu'il y avait d’acide (ou base) à titrer. L’équivalence se manifeste par une brusque variation du pH.
La relation d’équivalence est
lors du titrage d’un acide ou pour le titrage d’une base. Le volume à l’équivalence
(ou ) est déterminé par la méthode des tangentes, de la dérivée ou éventuellement par un indicateur coloré, ce qui permet d'estimer (ou ).
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