Les dosages

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Tests
Dans le chapitre 4, nous avons présenté la conductimétrie comme une méthode permettant de déterminer la concentration d'un ion en solution. Nous avons aussi vu les limites de cette méthode.
Les dosages sont un autre moyen d'accéder à la quantité de matière d'un échantillon.
Ce chapitre réalise la synthèse des chapitres précédents ; il ne peut être abordé si l'on ne maîtrise pas complètement les acquis des chapitres « Réaction chimique et avancement », « Conductimétrie », « Réactions acido-basiques » et « Réactions d'oxydo-réduction ».
1. Méthodes de dosage
Doser une espèce chimique X, c'est déterminer :
  • soit la quantité de matière nX dans un échantillon ;
  • soit la concentration [X] ou CX d'une solution.
Il existe deux grandes familles de méthodes de dosage.
• Les méthodes physiques, non destructives
On mesure une grandeur physique directement liée à [X] ou à CX.
La solution n'est pas modifiée par la mesure.
Exemples de grandeurs physiques mesurables :
  • conductance G ou conductivité σ ;
  • absorbance A (absorption de certaines radiations lumineuses) ;
  • pH ;
  • indice de réfraction n (réfraction de la lumière).
• Les méthodes chimiques, destructives : les titrages
Lors d'un titrage, on utilise une réaction chimique entre l'espèce à doser (réactif titré) et une autre espèce (réactif titrant) ; cette réaction dénature la solution à analyser.
Pour exploiter cette réaction, il est nécessaire de repérer l'équivalence, et ce repérage fera intervenir une méthode… physique ! (Voir paragraphe 4.)
Test n°1
2. La réaction de dosage
• Pour qu'une réaction chimique puisse être utilisée comme réaction de dosage, il faut qu'elle soit :
  • totale (la réaction a lieu jusqu'à épuisement du réactif limitant) ;
  • rapide (la réaction atteint son état final quasi-instantanément) ;
  • unique, ou univoque (il n'existe pas de réaction chimique « parasite »).
• En pratique, la solution contenant la réactif titré (dont on cherche à déterminer la concentration) est généralement placée dans un bécher, et la solution contenant le réactif titrant (de concentration connue) dans une burette.
La réaction a lieu dans le bécher à mesure que l'on introduit le réactif titrant ; il est donc indispensable d'agiter de façon continue pour homogénéiser le contenu du bécher. On utilise pour cela un agitateur magnétique qui met en rotation un petit barreau aimanté (aussi appelé « turbulent magnétique ») que l'on place dans le bécher.
On peut également inverser la position des deux solutions.
3. L'équivalence du dosage
• Considérons tout d'abord un cas simple : celui du dosage d'une espèce A (réactif titré) par une espèce B, les coefficients stœchiométriques de ces deux espèces dans l'équation chimique étant égaux à 1 (ce qui est le cas de la plupart des réactions de dosage acido-basiques).
L'objectif est donc de déterminer nA, quantité de matière du réactif A présente dans la solution titrée.
Voyons le tableau d'évolution de cette réaction :
• L'état final dépend bien sûr de la quantité de réactif titrant ajouté.
Dans le cas 1, le réactif limitant est B (réactif titrant) ; la réaction s'arrête parce que B est épuisé, mais si l'on rajoute de la solution titrante (contenant B) elle reprend puisqu'il reste du réactif A.
Dans le cas 2, les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques ; A et B sont épuisés. Si l'on continue à rajouter de la solution titrante, la réaction ne peut pas reprendre car il n'y a plus de réactif A. Le cas 2 marque donc la fin de la réaction de dosage.
Dans le cas 3, on a ajouté plus de B mais la réaction n'a pas continué : les quantités de produits formés sont identiques au cas 2, mais il reste aussi du réactif B non consommé.
L'objectif du dosage est de déterminer à quel moment on atteint la situation 2, car à ce moment-là la connaissance de nB (facilement déterminé à partir du volume de solution titrante ajoutée) permet de déterminer nA, puisque nB = nA.
Connaissant le volume VA de solution titrée utilisé, on peut alors déterminer [A] puisque nA = [A] \cdot VA
La situation 2 correspond à ce qu'on appelle l'équivalence du dosage : c'est le moment où les réactifs (titré et titrant) ont été introduits dans les proportions stœchiométriques.
Si les coefficients stœchiométriques sont égaux à 1, « proportions stœchiométriques » se traduit par nA = nB.
Par contre, si les coefficient stœchiométriques de A et B ne sont pas égaux à 1 (ce qui est fréquent pour les dosages d'oxydoréduction) mais à « a » et « b », alors « proportions stœchiométriques » se traduira par \frac{n_{\mathrm{A}}}{a}=\frac{n_{\mathrm{B}}}{b}.
Test n°4Test n°5
4. Repérage de l'équivalence
Le déroulement expérimental du dosage vise à repérer le plus précisément possible l'équivalence.
Il existe un grand nombre de méthodes, mais les deux seules que nous rencontrerons dans le cadre du programme de Première S sont :
  • le dosage colorimétrique, où l'équivalence est repérée grâce à un changement de couleur du milieu réactionnel (dû aux colorations des réactifs et des produits de la réaction de dosage, ou à l'ajout d'un indicateur coloré) ;
  • le dosage conductimétrique, au cours duquel on mesure la conductivité σ (ou bien la conductance G) de la solution dans le bécher afin de tracer le graphe σ = f(V), V étant le volume de solution titrante ajouté. La variation de la conductivité du milieu étant différente avant et après l'équivalence, on repère l'équivalence par une rupture dans la pente de la courbe (intersection de deux portions de droites, voir exemple ci-dessous).
À retenir
Doser une espèce chimique en solution, c'est déterminer sa concentration molaire.
• Lors d'un titrage on utilise une réaction chimique (la réaction de dosage) entre l'espèce à doser (réactif titré) et une autre espèce (réactif titrant).
• L'équivalence du dosage est le moment où les réactifs (titré et titrant) ont été introduits dans les proportions stœchiométriques.
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