Physique & Chimie au lycée

Cours de physique-chimie pour les classes de 1ère et Terminale

Sommaire
SP-1 ES-1
SP-T ES-T
3e SNT
Divers Annales

C5. Titrages

Titrer, en chimie, c’est déterminer la concentration d’une solution en utilisant une réaction chimique. Un titrage est donc une catégorie de dosage : il s’agit d’un dosage qui implique l’utilisation d’une réaction, appelée « réaction de titrage ».
Ce chapitre est court, mais il est extrêmement important pour le reste de votre scolarité.

Titrage du diiode

  • Réaliser un titrage direct avec repérage colorimétrique de l’équivalence pour déterminer la quantité de matière d’une espèce dans un échantillon.
  • Mettre en œuvre des transformations modélisées par des réactions d’oxydoréduction.

Objectif du TP : titrer une solution de diiode $*\ce{I2(aq)}*$ par une solution de thiosulfate de sodium ($*\ce{2Na^+(aq) + S2O3^2-(aq)}*$)

Question préliminaire

Un titrage implique la réaction entre un réactif titré (celui dont on cherche à trouver la concentration) qui est ici le diiode, et un réactif titrant, qui est ici l’ion thiosulfate $*\ce{S2O3^2-}*$.

Sachant que cette réaction est une réaction d’oxydoréduction, que le diiode appartient au couple $*\ce{I2/I^-}*$ et que l’ion thiosulfate appartient au couple $*\ce{S4O6^2-/S2O3^2-}*$, trouver l’équation-bilan de la réaction de titrage.

Matériel disponible

  • Solution de diiode $*\ce{I2(aq)}*$ de concentration inconnue $*C_1*$
  • Solution de thiosulfate de sodium ($*\ce{2Na^+ + S2O3^2-}*$), $*C_2*$ = 4,8 mmol/L
  • Iodex : indicateur coloré devient bleu en présence de diiode. Sa coloration est très intense, contrairement à celle du diiode.
  • Dispositif de titrage ci-dessous
Schéma du montage utilisé

Tableau d’avancement de la réaction

1. Compléter le tableau d’avancement ci-dessous.

Av. $*\ce{\quad \ldots I_2 \qquad + \; \ldots S2O3^2- \quad \rightarrow \qquad \ldots \qquad + \qquad \ldots \qquad}*$
0 $*C_1V_1*$ $*C_2V_2*$ 0 0
$*x_\max*$

2. Quelle relation doit-on avoir entre $*C_1*$ , $*V_1*$ , $*C_2*$ et $*V_2*$ pour que le mélange soit stœchiométrique ?

Protocole

  • Mettre 10,0 mL de solution de $*\ce{I2}*$ dans un bécher propre avec une pipette jaugée.
  • Préparer la burette avec la solution de thiosulfate de sodium.
  • Mettre l’agitateur magnétique dans le bécher et démarrer l’agitation douce.
  • Verser petit à petit la solution de thiosulfate de sodium dans le bécher.
  • Quand le mélange dans le bécher devient très peu coloré, ajouter une pointe de spatule de Iodex.
  • Continuer à verser le thiosulfate de sodium en vous arrêtant dès que la coloration disparaît. Noter le volume $*V_{2E}*$ de solution de thiosulfate versé.

Exploitation du titrage

3. Qu’y a-t-il de particulier lorsque vous avez atteint le volume $*V_{2E}*$ du point de vue des quantités de matières de réactifs ?

4. Calculer la concentration $*C_1*$ de la solution de diiode ?

5. Estimer l’incertitude sur la valeur de $*C_1*$

Principe et montage expérimental

Définitions

Dosage : méthode permettant de déterminer une quantité de matière ou une concentration d’une espèce chimique donnée. Exemple : dosage spectrophotométrique vu au chapitre C2.

Titrage : méthode de dosage qui implique une réaction chimique entre le réactif à titrer (appelé réactif titré ou titré) et une autre espèce chimique (le réactif titrant ou titrant).

Montage expérimental

Principe

On ajoute peu à peu le titrant de concentration connue dans le bécher contenant le titré de volume connu.

On s’arrête lorsqu’on a introduit le titrant en proportions stœchiométriques avec le titré (c’est l’équivalence, voir plus loin).

Grâce au volume de réactif titrant versé à l’équivalence déterminé par l’expérience et connaissant l’équation-bilan de la réaction de titrage, on en déduit la concentration du titré.

Réaction de titrage

  • Relier qualitativement l’évolution des quantités de matière de réactifs et de produits à l’état final au volume de solution titrante ajoutée.

Pour servir à un titrage, la réaction chimique entre le titrant et le titré doit respecter plusieurs critères.

  • Elle doit être rapide (sinon, on ne sait pas quand arrêter l’ajout d’espèce titrante).
  • Elle doit être totale (sinon, on ne dosera pas toute l’espèce à titrer mais seulement une partie).
  • Elle doit être spécifique de l’espèce à titrer (si elle réagit une autre espèce, on ne peut pas déterminer la quantité de matière de l’espèce à titrer).
  • L’équivalence doit être repérable (sinon on ne sait pas quand on est arrivé aux proportions stœchiométriques).

Équivalence

  • Relier l’équivalence au changement de réactif limitant et à l’introduction des réactifs en proportions stœchiométriques.
  • Établir la relation entre les quantités de matière de réactifs introduites pour atteindre l’équivalence.
  • Expliquer ou prévoir le changement de couleur observé à l’équivalence d’un titrage mettant en jeu une espèce colorée.

Définition

L’équivalence est le moment ou le titrant et le titré ont été introduit en proportions stœchiométriques. Tout le titré a réagi et il n’y a pas de titrant introduit en excès.

Repérer l’équivalence

Il faut que ce moment soit parfaitement repérable. Pour cela, plusieurs techniques existent, qui dépendent de la nature de la réaction de titrage.
En première, on n’en voit qu’une seule : l’équivalence est repérée par un changement de couleur. Pour cela, on utilise généralement un indicateur coloré qui va changer la couleur du mélange réactionnel dans le bécher au moment où l’équivalence est atteinte.

Relation entre les quantité de matière à l’équivalence

Pour une réaction de titrage de la forme $*\ce{$a$A + $b$B \rightarrow $c$C + $d$D}*$, lorsque l’équivalence est atteinte, la relation entre la quantité initiale du réactif titré A, notée $*n_{0A}*$ et la quantité ajoutée à l’équivalence de titrant B notée $*n_{0B}*$ est : $µ \frac {n_{0A}}a = \frac {n_{0B}}b µ$

Révision & entraînement

Titrage de l’eau oxygénée

On réalise le titrage d’un volume $*V_1*$ = 20,0 mL d’une solution d’eau oxygénée $*\ce{H2O2}*$ par une solution de permanganate de potassium ($*\ce{K^+ + MnO4^–}*$) de concentration $*C_2*$ = 5,0 mmol·L-1.

Le volume de solution de permanganate versé à l’équivalence vaut $*V_{2E}*$ = 12,7 mL.

Données

• L’eau oxygénée appartient au couple $*\ce{O2/H2O2}*$
• L’ion permanganate appartient au couple $*\ce{MnO4^-/Mn^2+}*$
• Seul l’ion permanganate est coloré (coloration violette très intense).

1. Écrire la réaction de titrage.
2. Faire le schéma du montage.
3. Expliquer comment repérer l’équivalence pour ce titrage.
4. Déterminer la concentration de la solution d’eau oxygénée.

Titrage du dioxyde de soufre

On réalise le titrage d’un volume $*V_1*$ = 15 mL de solution de dioxyde de soufre par une solution de diiode de concentration $*C_2*$ = 2,5 mmol·L-1. Le volume à l’équivalence vaut $*V_{2E}*$ = 18,3 mL.

Données

• Couples rédox : $*\ce{SO4^2-/SO2}*$ et $*\ce{I2/I–}*$
• La seule espèce colorée est le diiode, mais sa coloration est très faible. En présence d’un indicateur coloré appelé Iodex, le diiode prend une coloration bleu foncé très intense.

1. Donner la réaction de titrage.
2. Que faut-il faire pour bien repérer l’équivalence ? Justifier.
3. Calculer la concentration de la solution de $*\ce{SO2}*$.

Dosage indirect de l’eau de Javel

L’eau de Javel contient des ions hypochlorite $*\ce{ClO^–}*$ qui ont un caractère oxydant. Le dosage des ions hypochlorite se fait en deux étapes.

1e étape : on verse d’abord dans l’eau de Javel une solution contenant des ions iodures en excès. Il se forme du diiode, mais la réaction est lente et donc ne peut pas être utilisée comme réaction de titrage.

2e étape : on dose ensuite le diiode formé par des ions thiosulfate $*\ce{S2O3^2–}*$. On en déduit ensuite la quantité d’hypochlorite qui a réagi pour former le diiode titré.

Données

• L’eau de Javel dosée est supposée contenir des ions hypochlorite à une concentration $*C_0*$ ≈ 0,5 à 0,6 mol·L-1.
• Couples rédox : $*\ce{ClO^–/Cl^–}*$ ; $*\ce{I2/I^–}*$ ; $*\ce{S4O6^2–/S2O3^2-}*$
• La seule espèce colorée est le diiode, qui a une couleur orange-brun. En présence d’un indicateur coloré appelé Iodex, le diiode prend une coloration bleu foncé très intense.

Remarque : il est recommandé de schématiser l’énoncé afin de bien faire le lien entre les différentes étapes.

Questions

L’eau de Javel du commerce est très concentrée. On réalise donc d’abord 50,0 mL d’une solution d’eau de Javel diluée au 10e notée S.

1. Donner le protocole permettant de réaliser cette solution.

Dans un bécher, on introduit $*V_0*$ = 10,0 mL de S puis $*V_1*$ = 10 mL d’une solution d’iodure de potassium ($*\ce{K^+ + I^–}*$) acidifiée (c’est-_à-dire contenant des ions $*\ce{H+}*$) de concentration $*C_1*$ = 0,20 mol·L-1.

2.a. Quelle verrerie doit-on utiliser pour introduire les 10,0 mL de S ? Et les 10 mL de solution d’iodure de potassium ?
2.b. Écrire l’équation-bilan de la réaction qui a lieu entre les ions hypochlorite et les ions iodure. Quelle relation a-t-on entre la qdm initiale d’ions hypochlorite et la qdm de $*\ce{I2}*$ produite ?
2.c. Montrer que l’on a bien introduit les ions $*\ce{I^–}*$ en excès.
2.d. Comment évolue la coloration du mélange ? Justifier.

À la fin de la réaction, on dose la totalité du mélange obtenu avec une solution de thiosulfate de sodium de concentration $*C_2*$ = 0,10 mol·L-1. Le volume à l’équivalence vaut alors $*V_{2E}*$ = 10,9 mL.

3.a. Faire le schéma du titrage.
3.b. Écrire la réaction de titrage.
3.c. Déterminer la quantité de matière de diiode formée.
3.d. En déduire la concentration de S en ions hypochlorite, puis celle de l’eau de Javel. Le résultat est-il compatible avec la valeur attendue ?