Concentration d’une Solution par Titrage Acido-basique
Déterminer la concentration inconnue d'une solution d'acide chlorhydrique (HCl) par titrage avec une solution d'hydroxyde de sodium (NaOH) de concentration connue.
Le titrage acido-basique est une méthode d'analyse quantitative couramment utilisée en chimie pour déterminer la concentration inconnue d'un acide ou d'une base. Elle repose sur la réaction de neutralisation entre l'acide et la base.
Concepts clés :
- Réaction de Neutralisation : Réaction entre un acide et une base, produisant généralement un sel et de l'eau. Pour un acide fort (comme HCl) et une base forte (comme NaOH), la réaction est totale et rapide.
- Titrant : Solution de concentration connue (ici, NaOH) ajoutée progressivement.
- Titré : Solution de concentration inconnue (ici, HCl) à analyser.
- Point d'Équivalence : Point du titrage où la quantité de titrant ajoutée est stœchiométriquement équivalente à la quantité de titré initialement présente. Ce point est souvent détecté par un changement de couleur d'un indicateur coloré ou par suivi pH-métrique.
- Loi de la Dilution/Neutralisation à l'équivalence : Pour une réaction 1:1, \(n_{acide} = n_{base}\), ce qui se traduit par \(C_{acide}V_{acide} = C_{base}V_{base}\) à l'équivalence.
- Molarité (C) : Concentration molaire d'une solution, exprimée en moles par litre (mol/L ou M).
Données du Problème
On titre un volume d'une solution d'acide chlorhydrique (HCl) par une solution d'hydroxyde de sodium (NaOH).
- Volume de la solution de HCl à titrer : \(V_{HCl} = 20.0 \text{ mL}\)
- Concentration de la solution de NaOH (titrant) : \(C_{NaOH} = 0.100 \text{ mol/L}\)
- Volume de NaOH versé à l'équivalence : \(V_{NaOH,eq} = 15.5 \text{ mL}\)
Masses molaires atomiques (pour référence, non directement utilisées dans ce problème de titrage simple) :
- H : 1.0 g/mol
- Cl : 35.5 g/mol
- Na : 23.0 g/mol
- O : 16.0 g/mol
Questions
- Écrire l'équation équilibrée de la réaction de titrage entre HCl et NaOH.
- Calculer la quantité de matière (en moles) de NaOH (\(n_{NaOH}\)) utilisée pour atteindre le point d'équivalence.
- En utilisant la stœchiométrie de la réaction, déterminer la quantité de matière (en moles) de HCl (\(n_{HCl}\)) présente dans la prise d'essai.
- Calculer la concentration molaire (\(C_{HCl}\)) de la solution d'acide chlorhydrique.
- Quel indicateur coloré pourrait-on utiliser pour ce titrage ? Justifier brièvement. (Zone de virage typique : Bleu de Bromothymol 6.0-7.6 ; Phénolphtaléine 8.2-10.0).
- Si on avait utilisé 25.0 mL de la même solution de HCl, quel volume de NaOH (à 0.100 mol/L) aurait été nécessaire pour atteindre l'équivalence ?
Correction : Concentration d’une Solution par Titrage Acido-basique
1. Équation Équilibrée de la Réaction
L'acide chlorhydrique (HCl) est un acide fort et l'hydroxyde de sodium (NaOH) est une base forte. Ils réagissent pour former un sel (chlorure de sodium, NaCl) et de l'eau.
La stœchiométrie de la réaction est de 1:1 entre HCl et NaOH.
L'équation équilibrée est : \(HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O\).
2. Quantité de Matière de NaOH (\(n_{NaOH}\)) Utilisée
La quantité de matière (en moles) est donnée par \(n = C \times V\), où C est la concentration molaire et V est le volume en litres.
Données :
- \(C_{NaOH} = 0.100 \text{ mol/L}\)
- \(V_{NaOH,eq} = 15.5 \text{ mL} = 15.5 \times 10^{-3} \text{ L} = 0.0155 \text{ L}\)
La quantité de matière de NaOH utilisée est \(n_{NaOH} = 0.00155 \text{ mol}\).
Quiz Intermédiaire : Unités
3. Quantité de Matière de HCl (\(n_{HCl}\))
Au point d'équivalence, la quantité de matière d'acide qui a réagi est stœchiométriquement égale à la quantité de matière de base ajoutée. D'après l'équation, 1 mole de HCl réagit avec 1 mole de NaOH.
Donnée :
- \(n_{NaOH} = 0.00155 \text{ mol}\)
La quantité de matière de HCl dans la prise d'essai est \(n_{HCl} = 0.00155 \text{ mol}\).
4. Concentration Molaire (\(C_{HCl}\)) de la Solution d'Acide Chlorhydrique
La concentration molaire est \(C_{HCl} = \frac{n_{HCl}}{V_{HCl}}\). Le volume \(V_{HCl}\) doit être en litres.
Données :
- \(n_{HCl} = 0.00155 \text{ mol}\)
- \(V_{HCl} = 20.0 \text{ mL} = 20.0 \times 10^{-3} \text{ L} = 0.0200 \text{ L}\)
La concentration molaire de la solution de HCl est \(C_{HCl} = 0.0775 \text{ mol/L}\).
Quiz Intermédiaire : Point d'Équivalence
5. Choix de l'Indicateur Coloré
Pour un titrage d'un acide fort par une base forte, le pH au point d'équivalence est de 7. Il faut choisir un indicateur dont la zone de virage encadre ce pH.
Zones de virage données :
- Bleu de Bromothymol (BBT) : 6.0 - 7.6
- Phénolphtaléine : 8.2 - 10.0
Le Bleu de Bromothymol (BBT) est un bon choix car sa zone de virage (6.0 - 7.6) contient le pH de 7. La phénolphtaléine virerait après le point d'équivalence dans ce cas précis.
Le Bleu de Bromothymol (BBT) est un indicateur approprié pour ce titrage.
6. Volume de NaOH pour Titrer 25.0 mL de HCl
La concentration de HCl est maintenant connue (\(C_{HCl} \approx 0.0775 \text{ mol/L}\)). On utilise la relation à l'équivalence \(C_{HCl}V_{HCl}' = C_{NaOH}V_{NaOH,eq}'\).
Données :
- \(C_{HCl} \approx 0.0775 \text{ mol/L}\)
- \(V_{HCl}' = 25.0 \text{ mL} = 0.0250 \text{ L}\)
- \(C_{NaOH} = 0.100 \text{ mol/L}\)
Quantité de matière de HCl dans 25.0 mL :
Au point d'équivalence, \(n_{NaOH,eq}' = n_{HCl}' \approx 0.0019375 \text{ mol}\).
Volume de NaOH nécessaire :
Il faudrait environ \(19.38 \text{ mL}\) de NaOH pour titrer 25.0 mL de la solution de HCl.
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Glossaire des Termes Clés
Titrage :
Technique d'analyse chimique quantitative utilisée pour déterminer la concentration d'une solution inconnue (le titré) en la faisant réagir avec une solution de concentration connue (le titrant).
Point d'Équivalence :
Point d'un titrage où la quantité de titrant ajoutée est exactement suffisante pour réagir complètement avec toute la substance à titrer, selon la stœchiométrie de la réaction.
Indicateur Coloré :
Substance qui change de couleur en fonction du pH (pour les titrages acido-basiques) ou d'une autre propriété chimique, permettant de visualiser le point d'équivalence ou le point final du titrage.
Molarité (Concentration Molaire, C) :
Nombre de moles de soluté par litre de solution (mol/L ou M).
Acide Fort / Base Forte :
Un acide fort (ex: HCl) se dissocie complètement en solution aqueuse pour donner des ions \(H^+\) (ou \(H_3O^+\)). Une base forte (ex: NaOH) se dissocie complètement en solution aqueuse pour donner des ions \(OH^-\).
Stœchiométrie :
Étude des rapports quantitatifs entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique.
Questions d'Ouverture ou de Réflexion
1. Comment la forme de la courbe de titrage (pH en fonction du volume de titrant) diffère-t-elle entre un titrage acide fort/base forte et un titrage acide faible/base forte ?
2. Quelles sont les sources d'erreur potentielles lors d'un titrage acido-basique en laboratoire ?
3. Comment choisirait-on un indicateur approprié pour le titrage d'un acide faible par une base forte, ou d'une base faible par un acide fort ?
4. Expliquez le concept de "solution tampon" et son importance en chimie et en biologie.
5. Outre les titrages acido-basiques, citez d'autres types de titrages utilisés en chimie analytique (par exemple, titrages d'oxydo-réduction, de précipitation, complexométriques).
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