Dosage de l’Acide Chlorhydrique

Exercice : Dosage de l’Acide Chlorhydrique

Dosage de l’Acide Chlorhydrique par Titrage

Contexte : Le titrage acido-basiqueTechnique de laboratoire permettant de déterminer la concentration d'une solution acide ou basique en la faisant réagir avec une autre solution de concentration connue..

En chimie, il est souvent nécessaire de connaître la concentration précise d'une solution. L'une des méthodes les plus courantes pour y parvenir est le titrage. Cet exercice se concentre sur le dosage d'une solution d'acide chlorhydrique (HCl), un acide fort, par une solution d'hydroxyde de sodium (NaOH), une base forte, de concentration connue. Nous utiliserons un indicateur coloré pour visualiser le moment précis où l'acide a été complètement neutralisé par la base.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous permettra de maîtriser la méthode du titrage, d'écrire et d'interpréter une équation de réaction acido-basique, et d'appliquer la relation à l'équivalence pour calculer une concentration inconnue, une compétence fondamentale en chimie analytique.

Objectifs Pédagogiques

Comprendre le principe d'un titrage acido-basique.
Savoir écrire l'équation de la réaction de titrage entre un acide fort et une base forte.
Déterminer graphiquement ou par indicateur le point d'équivalenceLe point dans un titrage où la quantité de titrant ajoutée est juste suffisante pour réagir complètement avec la substance titrée..
Calculer une concentration molaire à partir des résultats d'un titrage.

Données de l'étude

On souhaite déterminer la concentration molaire \(C_A\) d'une solution d'acide chlorhydrique (HCl). Pour cela, on réalise le titrage d'un volume \(V_A = 20,0 \text{ mL}\) de cette solution par une solution d'hydroxyde de sodium (NaOH) de concentration molaire \(C_B = 0,100 \text{ mol/L}\). Le changement de couleur de l'indicateur (bleu de bromothymol) est observé lorsqu'on a versé un volume \(V_{B,E} = 15,0 \text{ mL}\) de la solution d'hydroxyde de sodium.

Schéma du Montage de Titrage

Visualisation 3D de l'Expérience

Volume Versé: 0.0 mL

État: Acide

Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Volume d'acide chlorhydrique	\(V_A\)	20,0	\(\text{mL}\)
Concentration d'hydroxyde de sodium	\(C_B\)	0,100	\(\text{mol/L}\)
Volume de base versé à l'équivalence	\(V_{B,E}\)	15,0	\(\text{mL}\)

Questions à traiter

Écrire l'équation de la réaction de titrage entre l'acide chlorhydrique et l'hydroxyde de sodium.
Définir le point d'équivalence d'un titrage.
Établir la relation entre les quantités de matière des réactifs à l'équivalence.
Calculer la concentration molaire \(C_A\) de la solution d'acide chlorhydrique.

Les bases sur le Titrage Acido-Basique

Un titrage acido-basique est une technique d'analyse quantitative qui vise à déterminer la concentration d'une solution d'acide ou de base. Le principe est de faire réagir cette solution avec une autre solution (le titrant) de concentration connue jusqu'à neutralisation complète.

1. La Réaction de Titrage
La réaction entre un acide fort (comme HCl) et une base forte (comme NaOH) est une réaction de neutralisation. Elle est totale, rapide et unique. Les ions spectateurs (\(Na^+\) et \(Cl^-\)) ne participent pas à la réaction. L'équation bilan se simplifie en une réaction entre les ions hydronium \(H_3O^+\) (provenant de l'acide) et les ions hydroxyde \(OH^-\) (provenant de la base) : \[ H_3O^+_{\text{(aq)}} + OH^-_{\text{(aq)}} \rightarrow 2 H_2O_{\text{(l)}} \]

2. L'Équivalence Acido-Basique
L'équivalence est le point du titrage où les réactifs (l'acide et la base) ont été introduits dans les proportions stœchiométriques de l'équation de la réaction. À ce point précis, il n'y a plus de réactif limitant ; les deux ont été entièrement consommés. Pour la réaction ci-dessus, cela signifie que : \[ n(H_3O^+)_{\text{initial}} = n(OH^-)_{\text{versé}} \]

Correction : Dosage de l’Acide Chlorhydrique par Titrage

Question 1 : Équation de la réaction

Principe

La réaction de titrage est une réaction de neutralisation entre l'espèce acide présente dans le bécher (ions hydronium \(H_3O^+\) issus de l'acide chlorhydrique) et l'espèce basique versée depuis la burette (ions hydroxyde \(OH^-\) issus de l'hydroxyde de sodium).

Mini-Cours

L'acide chlorhydrique (HCl) est un acide fort, il se dissocie totalement dans l'eau : \(HCl + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^-\). De même, l'hydroxyde de sodium (NaOH) est une base forte : \(NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-\). Les ions \(Cl^-\) et \(Na^+\) sont des "ions spectateurs" : ils sont présents mais ne participent pas à la réaction de neutralisation. On peut donc les omettre pour obtenir l'équation ionique nette.

Remarque Pédagogique

Commencez toujours par identifier toutes les espèces chimiques présentes en solution. Ensuite, déterminez lesquelles sont les plus réactives (ici, l'acide le plus fort et la base la plus forte) pour écrire l'équation de la réaction principale.

Normes

On suit la nomenclature de l'IUPAC (Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée) pour nommer les composés. On indique également l'état physique de chaque espèce : \(\text{(aq)}\) pour aqueux (dissous dans l'eau) et \(\text{(l)}\) pour liquide.

Formule(s)

L'outil mathématique ici est l'équation chimique elle-même, qui doit être équilibrée en atomes et en charges.

H_3O^+_{\text{(aq)}} + OH^-_{\text{(aq)}} \rightarrow 2 H_2O_{\text{(l)}}

Hypothèses

On suppose que la réaction est totale (elle se poursuit jusqu'à épuisement d'un des réactifs), rapide et unique (il n'y a pas d'autres réactions parasites).

Donnée(s)

Les réactifs sont l'acide chlorhydrique (HCl) et l'hydroxyde de sodium (NaOH).

Astuces

Pour une réaction acido-basique, identifiez le donneur de proton (l'acide, \(H_3O^+\)) et l'accepteur de proton (la base, \(OH^-\)). La réaction forme la base conjuguée de l'acide (\(H_2O\)) et l'acide conjugué de la base (\(H_2O\)).

Schéma (Avant les calculs)

Espèces chimiques avant la réaction

Calcul(s)

Cette question ne nécessite pas de calcul numérique, mais l'établissement de l'équation de la réaction.

Schéma (Après les calculs)

Espèces chimiques à l'équivalence

Réflexions

La réaction produit de l'eau, une molécule neutre. Les ions spectateurs forment du chlorure de sodium (\(NaCl\)) en solution, un sel neutre. Le milieu est donc neutre (\(\text{pH}=7\) à 25°C) à l'équivalence.

Points de vigilance

Veillez à bien équilibrer l'équation. Ici, un ion \(H_3O^+\) réagit avec un ion \(OH^-\) pour former deux molécules d'eau. Ne pas oublier les états physiques est également une marque de rigueur.

Points à retenir

L'équation de la réaction de neutralisation entre n'importe quel acide fort et n'importe quelle base forte est toujours : \(H_3O^+_{\text{(aq)}} + OH^-_{\text{(aq)}} \rightarrow 2 H_2O_{\text{(l)}}\).

Le saviez-vous ?

Le concept d'acide et de base a été défini plus largement par Brønsted et Lowry en 1923. Pour eux, un acide est une espèce capable de céder un proton, et une base une espèce capable d'en capter. Cette définition est plus générale que celle d'Arrhenius et s'applique même en l'absence d'eau.

FAQ

Résultat Final

L'équation de la réaction de titrage est : \[ H_3O^+_{\text{(aq)}} + OH^-_{\text{(aq)}} \rightarrow 2 H_2O_{\text{(l)}} \]

A vous de jouer

Quelle serait l'équation de la réaction de titrage de l'acide nitrique (\(HNO_3\), un acide fort) par l'hydroxyde de potassium (\(KOH\), une base forte) ?

Question 2 : Définition de l'équivalence

Principe

L'équivalence est le point central du titrage. C'est le moment précis où l'on a versé la quantité exacte de réactif titrant (la base) pour neutraliser complètement le réactif à titrer (l'acide) qui était initialement dans le bécher.

Mini-Cours

En termes de quantités de matière, l'équivalence est atteinte lorsque les réactifs ont été mélangés dans les proportions données par les coefficients stœchiométriques de l'équation de la réaction. Pour la réaction \(aA + bB \rightarrow cC + dD\), l'équivalence est atteinte quand \(\frac{n(A)}{a} = \frac{n(B)}{b}\).

Remarque Pédagogique

L'équivalence est un point théorique. En pratique, on repère le "point de fin de titrage" (ou "virage de l'indicateur"), qui est le moment où l'indicateur coloré change de couleur. On choisit un indicateur dont la zone de virage coïncide avec le pH à l'équivalence pour que le point de fin de titrage soit le plus proche possible du point d'équivalence.

Normes

Les Bonnes Pratiques de Laboratoire (BPL) exigent que le repérage de l'équivalence soit fait avec soin, par exemple en ajoutant le titrant goutte à goutte près du point de virage et en notant précisément le volume à la première goutte qui provoque un changement de couleur persistant.

Schéma (Avant les calculs)

Repérage de l'équivalence

Calcul(s)

Cette question est une définition et ne requiert pas de calcul.

Schéma (Après les calculs)

État du bécher à l'équivalence

Astuces

Imaginez que vous avez une pile de briques rouges (l'acide) et que vous voulez la recouvrir exactement avec des briques bleues (la base). L'équivalence, c'est le moment où vous avez posé la dernière brique bleue et où toutes les briques rouges sont couvertes, sans qu'il ne reste de briques bleues en trop.

Réflexions

Le repérage précis du volume à l'équivalence est l'étape la plus critique du titrage, car toute l'exactitude du calcul de concentration final en dépend.

Points de vigilance

Il ne faut pas confondre le point d'équivalence (où les réactifs sont en proportions stœchiométriques) et le point de neutralité (où le pH est de 7). Pour un titrage acide fort-base forte, les deux coïncident. Mais pour un titrage d'acide faible, le pH à l'équivalence est basique !

Points à retenir

À l'équivalence, il y a changement de réactif limitant. Avant, c'était la base versée. Après, c'est l'acide dans le bécher.

Le saviez-vous ?

Le pH-mètre, qui permet de suivre la courbe de titrage et de déterminer l'équivalence de manière très précise (méthode des tangentes), a été inventé en 1934 par le chimiste américain Arnold Beckman. Son invention a révolutionné la chimie analytique.

FAQ

Résultat Final

L'équivalence d'un titrage est le point où les réactifs ont été mélangés dans les proportions stœchiométriques de l'équation de la réaction.

A vous de jouer

Pour le titrage d'un acide faible par une base forte, le pH à l'équivalence est-il acide, neutre ou basique ?

Question 3 : Relation à l'équivalence

Principe

Cette étape consiste à traduire la définition littérale de l'équivalence en une égalité mathématique. Puisque les réactifs sont en proportions stœchiométriques, il existe une relation simple entre leurs quantités de matière.

Mini-Cours

La quantité de matière \(n\) (en moles) d'une espèce en solution est liée à sa concentration molaire \(C\) (en \(\text{mol/L}\)) et au volume de la solution \(V\) (en \(\text{L}\)) par la relation fondamentale : \(n = C \times V\). Nous allons utiliser cette relation pour les deux réactifs.

Remarque Pédagogique

Cette formule, \(C_A V_A = C_B V_{B,E}\), est le cœur de la résolution de l'exercice. Assurez-vous de bien comprendre d'où elle vient (l'égalité des quantités de matière à l'équivalence) pour pouvoir l'adapter à d'autres situations (par exemple avec des polyacides).

Formule(s)

À l'équivalence, la quantité de matière d'acide initialement présente est égale à la quantité de matière de base versée.

n_{A, \text{initial}} = n_{B, \text{versé}}

En remplaçant chaque quantité de matière par l'expression \(C \times V\), on obtient :

C_A \times V_A = C_B \times V_{B,E}

Hypothèses

On suppose que les volumes \(V_A\) et \(V_{B,E}\) ainsi que la concentration \(C_B\) sont connus avec une bonne précision, car la précision du résultat final \(C_A\) en dépend directement.

Schéma (Avant les calculs)

Balance des quantités de matière

Calcul(s)

Cette question ne demande que d'établir la relation littérale, pas de faire une application numérique.

Schéma (Après les calculs)

Formule établie

Astuces

Vous n'êtes pas obligé de convertir les volumes en Litres à cette étape, à condition d'utiliser la même unité (par exemple, \(\text{mL}\)) pour \(V_A\) et \(V_{B,E}\). Les unités s'annuleront lors du calcul du rapport. C'est une astuce pratique pour aller plus vite, mais attention à être rigoureux !

Points de vigilance

Cette relation simple n'est valable que parce que les coefficients stœchiométriques de l'acide et de la base sont tous les deux égaux à 1. Si la réaction était, par exemple, \(2A + B \rightarrow \dots\), la relation à l'équivalence serait \(\frac{n_A}{2} = \frac{n_B}{1}\), soit \(\frac{C_A V_A}{2} = C_B V_{B,E}\).

Points à retenir

La relation à retenir pour le titrage d'un monoacide fort par une monobase forte est : \(C_A V_A = C_B V_{B,E}\).

Le saviez-vous ?

Le mot "stœchiométrie" a été inventé par le chimiste allemand Jeremias Richter en 1792. Il vient du grec "stoikheion" (élément) et "metron" (mesure). La stœchiométrie est littéralement la "mesure des éléments" dans les réactions chimiques.

Résultat Final

La relation à l'équivalence est : \[ C_A V_A = C_B V_{B,E} \]

A vous de jouer

Quelle serait la relation à l'équivalence pour le titrage de l'acide sulfurique (\(H_2SO_4\)) par l'hydroxyde de sodium (NaOH) ? L'équation est : \(H_2SO_4 + 2 NaOH \rightarrow \dots\)

Question 4 : Calcul de la concentration \(C_A\)

Principe

Maintenant que nous avons établi la relation mathématique qui lie toutes les grandeurs, il ne reste plus qu'à l'utiliser. Nous allons isoler la grandeur que nous cherchons (\(C_A\)) et la calculer en utilisant les données numériques de l'énoncé.

Remarque Pédagogique

Une résolution rigoureuse se fait en trois temps : 1. Isoler la variable littéralement (l'expression avec les lettres). 2. Faire l'application numérique en incluant les unités. 3. Donner le résultat final avec le bon nombre de chiffres significatifs et l'unité. Cette méthode limite les erreurs de calcul et de raisonnement.

Formule(s)

On part de la relation à l'équivalence et on isole \(C_A\) en divisant les deux côtés par \(V_A\) :

\begin{aligned} C_A V_A &= C_B V_{B,E} \\ \Rightarrow C_A &= \frac{C_B \times V_{B,E}}{V_A} \end{aligned}

Donnée(s)

Concentration de la base, \(C_B = 0,100 \text{ mol/L}\)
Volume de l'acide, \(V_A = 20,0 \text{ mL}\)
Volume de base à l'équivalence, \(V_{B,E} = 15,0 \text{ mL}\)

Astuces

Avant de calculer, faites une estimation rapide. Le volume de base versé (\(15,0 \text{ mL}\)) est plus petit que le volume d'acide (\(20,0 \text{ mL}\)). Pour atteindre l'équivalence, cela signifie que la solution d'acide doit être moins concentrée que la solution de base. On s'attend donc à trouver \(C_A < 0,100 \text{ mol/L}\). C'est un bon moyen de vérifier la cohérence de son résultat.

Schéma (Avant les calculs)

Organisation du calcul

Calcul(s)

On remplace les lettres par leurs valeurs numériques. Comme \(V_A\) et \(V_{B,E}\) sont tous les deux en \(\text{mL}\), les unités s'annulent et il n'est pas nécessaire de les convertir en \(\text{L}\).

\begin{aligned} C_A &= \frac{0,100 \text{ mol/L} \times 15,0 \text{ mL}}{20,0 \text{ mL}} \\ &= 0,0750 \text{ mol/L} \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Comparaison des Concentrations

Réflexions

Le résultat \(C_A = 0,0750 \text{ mol/L}\) est bien inférieur à \(C_B = 0,100 \text{ mol/L}\), ce qui est cohérent avec notre estimation. La méthode du titrage nous a permis de déterminer avec une bonne précision (3 chiffres significatifs) la concentration de la solution inconnue.

Points de vigilance

L'erreur la plus fréquente est d'inverser \(V_A\) et \(V_{B,E}\) dans la formule. Prenez toujours le temps de bien identifier chaque grandeur. Une autre erreur classique est de mal recopier les chiffres ou de se tromper dans le calcul. Utilisez une calculatrice et vérifiez votre opération.

Points à retenir

La méthode pour trouver une concentration par titrage est toujours la même : 1. Écrire l'équation de la réaction. 2. Établir la relation à l'équivalence. 3. Isoler l'inconnue et calculer. Maîtrisez ces trois étapes et vous saurez résoudre tous les exercices de titrage !

FAQ

Résultat Final

La concentration molaire de la solution d'acide chlorhydrique est \(C_A = 0,0750 \text{ mol/L}\).

A vous de jouer

Un élève a refait le titrage mais a trouvé un volume à l'équivalence de \(V_{B,E} = 15,5 \text{ mL}\). Quelle concentration \(C_A\) va-t-il calculer ?

Outil Interactif : Simulateur de Titrage

Utilisez les curseurs pour modifier la concentration de la base ou le volume initial d'acide et observez comment le volume à l'équivalence change. Le graphique montre l'évolution du volume équivalent en fonction de la concentration de l'acide.

Paramètres d'Entrée

Concentration NaOH (\(C_B\), en mol/L) 0.10 mol/L

Volume HCl (\(V_A\), en mL) 20 mL

Résultats Clés (pour \(C_A = 0.075\) mol/L)

Volume Équivalent (\(V_{B,E}\)) - mL

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. À l'équivalence d'un titrage acido-basique, le nombre de moles d'acide initialement présent est...

Supérieur au nombre de moles de base ajoutées.
Égal au nombre de moles de base ajoutées.
Inférieur au nombre de moles de base ajoutées.

2. Si on double la concentration de la solution titrante (NaOH), le volume à l'équivalence sera...

Doublé.
Inchangé.
Divisé par deux.

Titrage: Une méthode d'analyse chimique quantitative utilisée pour déterminer la concentration d'une substance (l'analyte) en la faisant réagir avec une solution de concentration connue (le titrant).
Point d'équivalence: Le point d'un titrage où la quantité de titrant ajoutée est stœchiométriquement égale à la quantité d'analyte dans l'échantillon. C'est le point de neutralisation complète.
Indicateur coloré: Une substance qui change de couleur en réponse à un changement chimique, comme une variation de pH, permettant de repérer visuellement le point d'équivalence.
Concentration Molaire (Molarité): Une mesure de la concentration d'une solution, exprimée en nombre de moles de soluté par litre de solution (mol/L).

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