Exercices et corrigés

Exercices Physique Chimie

Dosage de l’eau de Javel

Dosage de l’Eau de Javel par Titrage Iodométrique

Dosage de l’Eau de Javel par Titrage Iodométrique

Comprendre le Dosage de l'Eau de Javel

L'eau de Javel est une solution aqueuse d'hypochlorite de sodium (\(\text{NaClO}\)). Son principe actif est l'ion hypochlorite (\(\text{ClO}^-\)), qui possède des propriétés oxydantes et désinfectantes. La concentration en "chlore actif" de l'eau de Javel est une mesure importante de son efficacité. Une méthode courante pour déterminer cette concentration est le titrage iodométrique. Il s'agit d'un titrage indirect en deux étapes : d'abord, les ions hypochlorite réagissent en milieu acide avec un excès d'ions iodure (\(\text{I}^-\)) pour libérer du diiode (\(\text{I}_2\)). Ensuite, le diiode formé est titré par une solution de thiosulfate de sodium (\(\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3\)) de concentration connue. La quantité de thiosulfate utilisée permet de remonter à la quantité d'iode, puis à la quantité d'hypochlorite initialement présente.

Données de l'étude

On souhaite déterminer la concentration en ions hypochlorite (\(\text{ClO}^-\)) d'une solution d'eau de Javel commerciale.

Protocole expérimental :

  1. On prélève \(V_0 = 10,0 \, \text{mL}\) d'eau de Javel commerciale que l'on dilue 10 fois en la complétant à \(V_{\text{dil}} = 100,0 \, \text{mL}\) avec de l'eau distillée. Soit \(S_{\text{dil}}\) cette solution diluée.
  2. On prélève un volume \(V_A = 20,0 \, \text{mL}\) de la solution diluée \(S_{\text{dil}}\).
  3. On ajoute à cette prise d'essai un excès d'iodure de potassium (\(\text{KI}\)) et quelques gouttes d'acide sulfurique (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) pour acidifier le milieu. Il se forme du diiode (\(\text{I}_2\)).
  4. Le diiode formé est ensuite titré par une solution de thiosulfate de sodium (\(\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3\)) de concentration molaire \(C_B = 0,0500 \, \text{mol/L}\).
  5. Le volume de solution de thiosulfate versé à l'équivalence est \(V_{B,eq} = 16,40 \, \text{mL}\). On utilise de l'empois d'amidon comme indicateur de fin de réaction (disparition de la couleur bleu-nuit).

Données utiles :

  • Masses molaires atomiques : \(M(\text{Na}) = 23,0 \, \text{g/mol}\) ; \(M(\text{Cl}) = 35,5 \, \text{g/mol}\) ; \(M(\text{O}) = 16,0 \, \text{g/mol}\)
  • Volume molaire des gaz dans les Conditions Normales de Température et de Pression (CNTP) : \(V_m = 22,4 \, \text{L/mol}\) (pour la question bonus).
Schéma : Montage de titrage iodométrique
Burette (S₂O₃²⁻) V_B Bécher (I₂ + empois) Titrage iodométrique.

Montage typique pour un titrage iodométrique.

Questions à traiter

  1. Écrire les équations des deux réactions chimiques mises en jeu lors de ce dosage.
    1. Réaction entre les ions hypochlorite (\(\text{ClO}^-\)) et les ions iodure (\(\text{I}^-\)) en milieu acide.
    2. Réaction entre le diiode (\(\text{I}_2\)) et les ions thiosulfate (\(\text{S}_2\text{O}_3^{2-}\)).
  2. Calculer la quantité de matière d'ions thiosulfate (\(n_{\text{S}_2\text{O}_3^{2-}}\)) versée à l'équivalence.
  3. En utilisant la stœchiométrie de la deuxième réaction, déterminer la quantité de matière de diiode (\(n_{\text{I}_2}\)) qui a réagi.
  4. En utilisant la stœchiométrie de la première réaction, déterminer la quantité de matière d'ions hypochlorite (\(n_{\text{ClO}^-}\)) présente dans la prise d'essai de \(20,0 \, \text{mL}\) de la solution d'eau de Javel diluée (\(S_{\text{dil}}\)).
  5. Calculer la concentration molaire (\(C_{\text{dil}}\)) en ions hypochlorite dans la solution d'eau de Javel diluée (\(S_{\text{dil}}\)).
  6. En déduire la concentration molaire (\(C_0\)) en ions hypochlorite dans la solution d'eau de Javel commerciale.
  7. Calculer la masse molaire de l'hypochlorite de sodium (\(\text{NaClO}\)).
  8. Calculer la concentration massique (\(C_{m,0}\)) en hypochlorite de sodium dans l'eau de Javel commerciale.
  9. (Bonus) Calculer le degré chlorométrique (\(^{\circ}\text{chl}\)) de l'eau de Javel commerciale. (Le degré chlorométrique est le volume de dichlore \(\text{Cl}_2\text{(g)}\), mesuré dans les CNTP, que peut libérer un litre d'eau de Javel selon la réaction : \(\text{ClO}^-\text{(aq)} + \text{Cl}^-\text{(aq)} + 2\text{H}^+\text{(aq)} \rightarrow \text{Cl}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)}\)).

Correction : Dosage de l’Eau de Javel par Titrage Iodométrique

Question 1 : Équations des réactions

Principe :

Il s'agit d'écrire les équations bilan équilibrées pour les deux étapes du titrage iodométrique.

a) Réaction entre les ions hypochlorite (\(\text{ClO}^-\)) et les ions iodure (\(\text{I}^-\)) en milieu acide :
Les ions hypochlorite oxydent les ions iodure en diiode, tout en étant réduits en ions chlorure.

\[ \text{ClO}^-\text{(aq)} + 2\text{I}^-\text{(aq)} + 2\text{H}^+\text{(aq)} \rightarrow \text{I}_2\text{(aq)} + \text{Cl}^-\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \]

b) Réaction entre le diiode (\(\text{I}_2\)) et les ions thiosulfate (\(\text{S}_2\text{O}_3^{2-}\)) :
Le diiode oxyde les ions thiosulfate en ions tétrathionate (\(\text{S}_4\text{O}_6^{2-}\)), tout en étant réduit en ions iodure.

\[ \text{I}_2\text{(aq)} + 2\text{S}_2\text{O}_3^{2-}\text{(aq)} \rightarrow 2\text{I}^-\text{(aq)} + \text{S}_4\text{O}_6^{2-}\text{(aq)} \]
Résultat Question 1 : Les équations des réactions sont :
  • a) \(\text{ClO}^-\text{(aq)} + 2\text{I}^-\text{(aq)} + 2\text{H}^+\text{(aq)} \rightarrow \text{I}_2\text{(aq)} + \text{Cl}^-\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)}\)
  • b) \(\text{I}_2\text{(aq)} + 2\text{S}_2\text{O}_3^{2-}\text{(aq)} \rightarrow 2\text{I}^-\text{(aq)} + \text{S}_4\text{O}_6^{2-}\text{(aq)}\)

Question 2 : Quantité de matière d'ions thiosulfate (\(n_{\text{S}_2\text{O}_3^{2-}}\))

Principe :

La quantité de matière \(n\) est le produit de la concentration molaire \(C\) par le volume \(V\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[n = C \times V\]
Données spécifiques et Calculs :
  • \(C_B = C_{\text{S}_2\text{O}_3^{2-}} = 0,0500 \, \text{mol/L}\)
  • \(V_{B,eq} = 16,40 \, \text{mL} = 16,40 \times 10^{-3} \, \text{L} = 0,01640 \, \text{L}\)
\[ \begin{aligned} n_{\text{S}_2\text{O}_3^{2-}} &= C_B \times V_{B,eq} \\ &= (0,0500 \, \text{mol/L}) \times (0,01640 \, \text{L}) \\ &= 0,0008200 \, \text{mol} \\ &= 8,20 \times 10^{-4} \, \text{mol} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La quantité de matière d'ions thiosulfate versée à l'équivalence est \(n_{\text{S}_2\text{O}_3^{2-}} = 8,20 \times 10^{-4} \, \text{mol}\).

Question 3 : Quantité de matière de diiode (\(n_{\text{I}_2}\)) qui a réagi

Principe :

D'après l'équation de la réaction (b) : \(\text{I}_2 + 2\text{S}_2\text{O}_3^{2-} \rightarrow \text{Produits}\), 1 mole de diiode réagit avec 2 moles d'ions thiosulfate.

Relation stœchiométrique :
\[\frac{n_{\text{I}_2}}{1} = \frac{n_{\text{S}_2\text{O}_3^{2-}}}{2}\]

Donc, \(n_{\text{I}_2} = \frac{1}{2} n_{\text{S}_2\text{O}_3^{2-}}\).

Calcul :
  • \(n_{\text{S}_2\text{O}_3^{2-}} = 8,20 \times 10^{-4} \, \text{mol}\)
\[ \begin{aligned} n_{\text{I}_2} &= \frac{1}{2} \times (8,20 \times 10^{-4} \, \text{mol}) \\ &= 4,10 \times 10^{-4} \, \text{mol} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La quantité de matière de diiode qui a réagi est \(n_{\text{I}_2} = 4,10 \times 10^{-4} \, \text{mol}\).

Question 4 : Quantité de matière d'ions hypochlorite (\(n_{\text{ClO}^-}\)) dans la prise d'essai

Principe :

D'après l'équation de la réaction (a) : \(\text{ClO}^- + 2\text{I}^- + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{I}_2 + \text{Cl}^- + \text{H}_2\text{O}\), 1 mole d'ions hypochlorite produit 1 mole de diiode.

Relation stœchiométrique :
\[\frac{n_{\text{ClO}^-}}{1} = \frac{n_{\text{I}_2}}{1}\]

Donc, \(n_{\text{ClO}^-} = n_{\text{I}_2}\).

Calcul :
  • \(n_{\text{I}_2} = 4,10 \times 10^{-4} \, \text{mol}\)
\[ n_{\text{ClO}^-} = 4,10 \times 10^{-4} \, \text{mol} \]

Cette quantité est présente dans les \(V_A = 20,0 \, \text{mL}\) de la solution diluée \(S_{\text{dil}}\).

Résultat Question 4 : La quantité de matière d'ions hypochlorite dans la prise d'essai de \(20,0 \, \text{mL}\) de solution diluée est \(n_{\text{ClO}^-} = 4,10 \times 10^{-4} \, \text{mol}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si 0,05 mol de \(\text{I}_2\) sont formées par la réaction \(\text{Ox} + n\text{I}^- \rightarrow \text{I}_2 + \text{Red}\), et que le coefficient stœchiométrique de \(\text{I}_2\) est 1, alors la quantité de \(\text{Ox}\) qui a réagi est :

Question 5 : Concentration molaire (\(C_{\text{dil}}\)) en ions hypochlorite dans \(S_{\text{dil}}\)

Principe :

La concentration molaire \(C_{\text{dil}}\) est la quantité de matière \(n_{\text{ClO}^-}\) divisée par le volume \(V_A\) de la prise d'essai de la solution diluée.

Formule(s) utilisée(s) :
\[C_{\text{dil}} = \frac{n_{\text{ClO}^-}}{V_A}\]
Données spécifiques et Calculs :
  • \(n_{\text{ClO}^-} = 4,10 \times 10^{-4} \, \text{mol}\)
  • \(V_A = 20,0 \, \text{mL} = 0,0200 \, \text{L}\)
\[ \begin{aligned} C_{\text{dil}} &= \frac{4,10 \times 10^{-4} \, \text{mol}}{0,0200 \, \text{L}} \\ &= 0,0205 \, \text{mol/L} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : La concentration molaire en ions hypochlorite dans la solution d'eau de Javel diluée est \(C_{\text{dil}} = 0,0205 \, \text{mol/L}\).

Question 6 : Concentration molaire (\(C_0\)) dans l'eau de Javel commerciale

Principe :

La solution commerciale a été diluée 10 fois pour obtenir la solution \(S_{\text{dil}}\) (\(V_0 = 10,0 \, \text{mL}\) dilué à \(V_{\text{dil}} = 100,0 \, \text{mL}\)). Le facteur de dilution est \(F = V_{\text{dil}} / V_0 = 100,0 / 10,0 = 10\).
La concentration de la solution commerciale \(C_0\) est donc 10 fois plus élevée que celle de la solution diluée \(C_{\text{dil}}\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[C_0 = C_{\text{dil}} \times F \quad \text{où } F = \frac{V_{\text{dil}}}{V_0}\]
Données spécifiques et Calculs :
  • \(C_{\text{dil}} = 0,0205 \, \text{mol/L}\)
  • Facteur de dilution \(F = 10\)
\[ \begin{aligned} C_0 &= 0,0205 \, \text{mol/L} \times 10 \\ &= 0,205 \, \text{mol/L} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : La concentration molaire en ions hypochlorite dans l'eau de Javel commerciale est \(C_0 = 0,205 \, \text{mol/L}\).

Question 7 : Masse molaire de l'hypochlorite de sodium (\(M(\text{NaClO})\))

Principe :

La masse molaire de \(\text{NaClO}\) est la somme des masses molaires atomiques de Na, Cl et O.

Formule(s) utilisée(s) :
\[M(\text{NaClO}) = M(\text{Na}) + M(\text{Cl}) + M(\text{O})\]
Données spécifiques et Calculs :
  • \(M(\text{Na}) = 23,0 \, \text{g/mol}\)
  • \(M(\text{Cl}) = 35,5 \, \text{g/mol}\)
  • \(M(\text{O}) = 16,0 \, \text{g/mol}\)
\[ \begin{aligned} M(\text{NaClO}) &= 23,0 + 35,5 + 16,0 \, \text{g/mol} \\ &= 74,5 \, \text{g/mol} \end{aligned} \]
Résultat Question 7 : La masse molaire de l'hypochlorite de sodium est \(M(\text{NaClO}) = 74,5 \, \text{g/mol}\).

Question 8 : Concentration massique (\(C_{m,0}\)) en \(\text{NaClO}\) dans l'eau de Javel commerciale

Principe :

La concentration massique \(C_{m,0}\) est le produit de la concentration molaire \(C_0\) par la masse molaire \(M(\text{NaClO})\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[C_{m,0} = C_0 \times M(\text{NaClO})\]
Données spécifiques et Calculs :
  • \(C_0 = 0,205 \, \text{mol/L}\)
  • \(M(\text{NaClO}) = 74,5 \, \text{g/mol}\)
\[ \begin{aligned} C_{m,0} &= 0,205 \, \text{mol/L} \times 74,5 \, \text{g/mol} \\ &\approx 15,2725 \, \text{g/L} \end{aligned} \]

Arrondi à 3 chiffres significatifs : \(C_{m,0} \approx 15,3 \, \text{g/L}\).

Résultat Question 8 : La concentration massique en hypochlorite de sodium dans l'eau de Javel commerciale est \(C_{m,0} \approx 15,3 \, \text{g/L}\).

Quiz Intermédiaire 2 : Si une solution a une concentration molaire de 0,1 mol/L en un soluté de masse molaire 50 g/mol, sa concentration massique est :

Question 9 : (Bonus) Degré chlorométrique (\(^{\circ}\text{chl}\))

Principe :

Le degré chlorométrique (\(^{\circ}\text{chl}\)) est le volume (en L) de dichlore \(\text{Cl}_2\text{(g)}\) (mesuré dans les CNTP) que peut libérer un litre d'eau de Javel selon la réaction : \(\text{ClO}^-\text{(aq)} + \text{Cl}^-\text{(aq)} + 2\text{H}^+\text{(aq)} \rightarrow \text{Cl}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)}\).
D'après cette équation, 1 mole de \(\text{ClO}^-\) libère 1 mole de \(\text{Cl}_2\).
La quantité de matière de \(\text{ClO}^-\) dans 1 L d'eau de Javel commerciale est \(C_0\). Cette quantité produira donc \(C_0\) moles de \(\text{Cl}_2\).
Le volume de \(\text{Cl}_2\) libéré est \(V_{\text{Cl}_2} = n_{\text{Cl}_2} \times V_m = C_0 \times V_m\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[^{\circ}\text{chl} = C_0 \times V_m\]
Données spécifiques et Calculs :
  • \(C_0 = 0,205 \, \text{mol/L}\)
  • \(V_m = 22,4 \, \text{L/mol}\) (dans les CNTP)
\[ \begin{aligned} ^{\circ}\text{chl} &= (0,205 \, \text{mol/L}) \times (22,4 \, \text{L/mol}) \\ &\approx 4,592 \end{aligned} \]

Arrondi à 3 chiffres significatifs : \(^{\circ}\text{chl} \approx 4,59\).

Résultat Question 9 : Le degré chlorométrique de l'eau de Javel commerciale est d'environ \(4,59^{\circ}\text{chl}\).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

10. L'ion hypochlorite (\(\text{ClO}^-\)) dans l'eau de Javel agit principalement comme un :

11. Dans un titrage iodométrique du \(\text{ClO}^-\), le diiode (\(\text{I}_2\)) est :

12. Le degré chlorométrique d'une eau de Javel est une mesure de :

Glossaire

Eau de Javel
Solution aqueuse d'hypochlorite de sodium (\(\text{NaClO}\)), utilisée comme désinfectant et agent de blanchiment.
Ion Hypochlorite (\(\text{ClO}^-\))
Espèce chimique active de l'eau de Javel, responsable de ses propriétés oxydantes.
Titrage Iodométrique
Type de titrage par oxydo-réduction indirect où l'on dose le diiode (\(\text{I}_2\)) formé ou consommé lors d'une réaction préalable. Le diiode est souvent titré par une solution de thiosulfate.
Ion Iodure (\(\text{I}^-\))
Ion halogénure, réducteur, qui peut être oxydé en diiode (\(\text{I}_2\)).
Diiode (\(\text{I}_2\))
Molécule diatomique, oxydant, qui peut être réduite en ions iodure. En présence d'empois d'amidon, il donne une coloration bleu-nuit intense.
Ion Thiosulfate (\(\text{S}_2\text{O}_3^{2-}\))
Réducteur utilisé pour titrer le diiode. Il est oxydé en ion tétrathionate (\(\text{S}_4\text{O}_6^{2-}\)).
Équivalence (Titrage)
Point où les réactifs ont été mélangés dans les proportions stœchiométriques de la réaction de titrage.
Empois d'amidon
Indicateur coloré spécifique du diiode, formant un complexe bleu-nuit en sa présence.
Concentration Molaire (C)
Quantité de matière de soluté par litre de solution (mol/L).
Concentration Massique (\(C_m\))
Masse de soluté par litre de solution (g/L).
Degré Chlorométrique (\(^{\circ}\text{chl}\))
Unité historique de concentration de l'eau de Javel, correspondant au volume (en litres) de dichlore (\(\text{Cl}_2\text{(g)}\)) gazeux, mesuré dans les CNTP, que peut libérer un litre d'eau de Javel.
CNTP
Conditions Normales de Température et de Pression (0°C et 1 atm ou 101325 Pa). Dans ces conditions, le volume molaire d'un gaz parfait est d'environ \(22,4 \, \text{L/mol}\).
Dosage de l’Eau de Javel - Exercice d'Application (Niveau Université)

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