Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à déterminer la masse ou la composition d’un analyte à l’aide de la gravimétrie par précipitation.
La gravimétrie par précipitation est une technique analytique quantitative qui peut être utilisée pour déterminer la masse d’un analyte. L’analyte peut être éliminé de la solution en formant un précipité de composition connue. En pesant le précipité et en raisonnant en arrière, on peut déterminer la masse initiale de l’analyte présent en solution.
Une réaction de précipitation est une réaction qui forme un produit solide insoluble à partir de deux substances solubles en solution.
Le produit chimique responsable de la formation d’un précipité est appelé précipitant ou réactif de précipitation.
Définition : Gravimétrie par précipitation
La gravimétrie par précipitation est une technique d’analyse qui utilise la formation et la masse d’un précipité pour déterminer la masse d’un analyte.
Il est important que le précipité soit une substance pure ayant une composition définie et connue.
Comment : Mettre en place et effectuer une expérience de gravimétrie par précipitation
- L’échantillon d’intérêt est dissous dans un solvant, généralement de l’eau, ce qui donne une solution aqueuse.
- Un excès de précipitant est ensuite ajouté à la solution aqueuse. Un précipité doit se former.
- Pour séparer le précipité de la solution, le mélange est filtré à l’aide d’un papier filtre sans cendre.
- Quelques gouttes de précipitant sont ensuite ajoutées au filtrat, la solution filtrée, pour finir de précipiter l’analyte éventuellement restant en solution.
- La solution est de nouveau filtrée à l’aide du même papier filtre sans cendre.
- Le précipité est lavé avec de l’eau désionisée pour éliminer toute impureté.
- Le précipité et le papier filtre sont ensuite placés dans un creuset et enflammés. Cela sèche le précipité et élimine le papier filtre.
- Après refroidissement, on pèse le creuset contenant le précipité. La masse finale du précipité est alors obtenue en soustrayant la masse du creuset vide de la masse du creuset avec précipité.
L’intérêt du papier filtre sans cendre est qu’il ne laisse aucun résidu après combustion, qui fausserait les résultats. Si nécessaire, le précipité peut être mis à sécher de manière encore plus poussée dans un dessiccateur.
Lors d’une expérience de gravimétrie par précipitation, il y a d’autres considérations telles que la taille des particules, la solubilité et les impuretés. Cependant, nous supposerons ici que de telles considérations ne sont pas importantes.
Exemple 1: Expliquer l’intérêt du papier filtre sans cendre en analyse gravimétrique
Dans la méthode de gravimétrie par précipitation, pourquoi utilise-t-on du papier filtre sans cendre ?
- Parce qu’il filtre le précipité de la solution de manière efficace.
- Parce qu’on connaît sa masse, donc on peut facilement calculer la masse du précipité.
- Parce que c’est peu coûteux.
- Parce qu’il est complètement consumé sans laisser de cendre.
Réponse
Comme son nom l’indique, la méthode de gravimétrie par précipitation implique la réaction d’une solution aqueuse de notre analyte avec une autre solution aqueuse pour produire un précipité. Le précipité produit doit avoir une composition définie et connue.
Une fois le précipité formé, il doit être séparé de la solution. La meilleure technique pour cette séparation est la filtration, avec laquelle le précipité solide reste sur le papier filtre et la solution restante le traverse.
Cependant, le précipité sur le papier filtre est toujours humide. Le précipité peut ensuite être séché dans un creuset à très haute température. Le chauffage intense dans le creuset brûle complètement le papier filtre. Si le papier filtre produisait des cendres lors de sa combustion, celles-ci contamineraient le précipité. Le papier filtre sans cendre ne produit pas de cendre lorsqu’il est brûlé et, par conséquent, ne contamine pas le précipité.
La bonne réponse est donc D.
Il est essentiel que le précipité soit complètement sec car tout solvant restant donnerait une pesée incorrecte. Cette erreur se répercuterait dans le calcul et donnerait une masse inexacte de l’analyte.
La gravimétrie par précipitation peut être utilisée pour déterminer la masse de sulfate de sodium dans une solution aqueuse. Le chlorure de baryum est dans ce cas un bon réactif de précipitation, car les ions sulfate et baryum réagissent pour former le sulfate de baryum insoluble.
Le sulfate de baryum peut ensuite être isolé et séché. Une fois que la masse du précipité a été déterminée, la première étape pour les calculs consiste à écrire une équation équilibrée de la réaction chimique en jeu :
L’équation montre que le nombre de moles du sulfate de baryum est égal au nombre de moles de sulfate de sodium dans la solution d’origine. Le nombre de moles de sulfate de baryum peut être calculé en utilisant la formule où est la quantité en moles, est la masse en grammes, et est la masse molaire en grammes par mole.
Après avoir obtenu le nombre de moles de sulfate de baryum, on peut déterminer le nombre de moles de sulfate de sodium.
La masse de sulfate de sodium dans la solution d’origine peut ensuite être calculée à l’aide de la formule où est la quantité en moles, est la masse en grammes, et est la masse molaire en grammes par mole.
Grâce à ces étapes de calcul, on peut retrouver la masse de sulfate de sodium, l’analyte, dans la solution d’origine.
Exemple 2: Calcul de la masse de l’analyte à partir de la masse d’un précipité
Considérez l’équation
D’après cette équation, quelle est la masse de dans la solution d’origine si on obtient 5 g de précipité de ? Donnez la réponse au dixième près. [, , , ]
Réponse
D’après l’équation chimique équilibrée, la réaction de l’hydroxyde de sodium aqueux avec le chlorure de magnésium aqueux produit un précipité de . Nous devons utiliser la masse finale du précipité pour déterminer la masse de dans la solution initiale.
Le précipité de a une masse finale mesurée de 5 g. On peut utiliser cette masse pour calculer le nombre de moles de dans le précipité à l’aide de l’équation où est la quantité en moles, est la masse en grammes, et est la masse molaire en grammes par mole.
La masse molaire de l’hydroxyde de magnésium peut être calculée en additionnant les masses molaires moyennes des atomes le constituant :
On peut alors placer la quantité en moles et la masse molaire dans l’équation :
À partir de l’équation chimique équilibrée, on peut voir que de produisent une mole de . Par conséquent, le nombre de moles du est le double de celui du :
On peut maintenant calculer la masse de à l’aide de l’équation
On isole ,
On calcule la masse molaire de :
On peut maintenant utiliser les valeurs et pour calculer la masse de :
En arrondissant au dixième près, on trouve que la masse de est de 6,9 g.
Exemple 3: Équilibrer une équation chimique et calculer la masse d’un analyte à partir de la gravimétrie par précipitation
Un chimiste veut déterminer la masse de chlorure de calcium présent dans une solution aqueuse. Lorsqu’il ajoute un excès de nitrate d’argent, un précipité se forme. Après filtration et séchage, il trouve une masse de précipité de 0,85 g.
- Quelle est l’équation de la réaction entre le chlorure de calcium et le nitrate d’argent ?
- Quelle est la masse de chlorure de calcium dans la solution d’origine ? Donnez votre réponse à 2 décimales près. [, , ]
Réponse
Partie 1
Les formules du chlorure de calcium et du nitrate d’argent sont et . Donc, nous pouvons déjà conclure que les options B, C et E sont incorrectes.
Les solutions aqueuses de chlorure de calcium et de nitrate d’argent réagissent dans une double réaction de substitution. Les cations de chaque composé ionique s’échangent pour former du chlorure d’argent et du nitrate de calcium. La question indique qu’il se forme un précipité. Dans cette réaction, le précipité formé est du chlorure d’argent (), avec le symbole d’état physique (s). Parmi les options restantes, seul D comprend le chlorure d’argent sous forme de solide. L’équation est également équilibrée et la réponse correcte est donc D.
Partie 2
D’après l’équation chimique équilibrée, la réaction du nitrate d’argent aqueux avec le chlorure de calcium aqueux produit un précipité de . Nous devons utiliser la masse finale du précipité pour déterminer la masse de dans la solution.
Il a été trouvé que le précipité de a une masse de 0,85 g. On peut utiliser cette masse pour calculer le nombre de moles de dans le précipité, en utilisant l’équation où est la quantité en moles, est la masse en grammes, et est la masse molaire en grammes par mole.
La masse molaire du chlorure d’argent peut être calculée en additionnant les masses molaires moyennes des atomes qui le composent :
On peut alors utiliser la quantité en moles et la masse molaire dans l’équation :
À partir de l’équation chimique équilibrée, on peut voir qu'une mole de produit de . Par conséquent, le nombre de moles de est la moitié du nombre de moles de :
On peut maintenant calculer la masse de en utilisant l’équation
On isole ,
La masse molaire de est
On peut maintenant utiliser les valeurs de et pour calculer la masse de :
En arrondissant à deux décimales près, on trouve que la masse de dans la solution est 0,33 g.
La méthode gravimétrique par précipitation peut également être utilisée pour déterminer la composition d’un sel ou le pourcentage en masse d’un mélange de sels.
Exemple 4: Utiliser la gravimétrie par précipitation pour identifier l’halogène dans un composé
Un sel d’halogénure de magnésium a pour formule . Un échantillon de 0,593 g de est dissous dans 100 mL d’eau désionisée, et un excès de est ajouté. Le précipité de est filtré, lavé et séché. Le précipité est pesé et la masse mesurée est 0,187 g. Quelle est l’identité de ? [, , , , , , ]
Réponse
Dans cette question, on nous donne un sel de formule chimique et on nous demande d’identifier . Tout ce que nous savons de , c’est que c’est un halogène.
Dans l’expérience, un précipité de est formé en faisant réagir une solution aqueuse du sel inconnu avec une solution aqueuse de . On peut écrire l’équation chimique équilibrée pour cette réaction :
Bien que soit inconnu, nous savons qu’un halogène a une valence de 1 et qu’il formera donc un composé ionique avec le sodium de la forme .
La masse trouvée de précipité de est de 0,187 g. On peut utiliser cette valeur pour calculer le nombre de moles de dans le précipité, à l’aide de l’équation où est la quantité en moles, est la masse en grammes, et est la masse molaire en grammes par mole.
La masse molaire de l’hydroxyde de magnésium peut être calculée en additionnant les masses molaires moyennes des atomes le constituant :
On peut alors utiliser le nombre de moles et la masse molaire dans l’équation :
À partir de l’équation chimique équilibrée, on peut voir qu'une mole de produit une mole de . Par conséquent, le nombre de moles de est .
On peut maintenant calculer la masse molaire de en utilisant l’équation
Et en isolant , où est le nombre de moles de , que nous avons calculé, et est la masse de , qui est donnée dans la question (0,593 g). En utilisant ces valeurs dans l’équation, on obtient
La masse molaire de peut être calculée comme suit :
Nous avons calculé , et nous savons que . Nous pouvons donc réarranger l’équation et calculer : ce qui nous permet de trouver que est 80 g/mol.
Nous pouvons ensuite utiliser les valeurs données dans la question, ou un tableau périodique, pour déterminer que l’élément ayant la masse atomique la plus proche de 80 est le brome. Par conséquent, est le brome.
Exemple 5: Utiliser la gravimétrie par précipitation pour calculer le pourcentage en masse de NaCl dans un mélange
On a un échantillon de 2,45 g de cristaux blancs et on sait qu’il contient et . On dissout l’échantillon complètement dans de l’eau désionisée et on ajoute un excès de , ce qui forme un précipité de . Après filtration, lavage et séchage, on trouve que le précipité a une masse de 1,54 g. Quel est le pourcentage en masse, à l’unité près, de dans le mélange ? [, , ]
Réponse
Dans cette question, nous avons un échantillon de deux sels, et . Cependant, nous devons déterminer le pourcentage en masse de dans l’échantillon.
Les deux sels se dissoudront dans l’eau pour former une solution aqueuse. Lorsque le réactif de précipitation est ajouté à la solution, un précipité de se forme. On peut écrire une équation chimique équilibrée pour la réaction entre et :
Cependant, il n’y a pas de réaction entre et . En solution aqueuse, ces deux composés produisent les ions , , et .
La question nous dit que la masse finale du précipité de est 1,54 g. Donc, on peut calculer le nombre de moles de en utilisant l’équation où est la quantité en moles, est la masse en grammes, et est la masse molaire en grammes par mole.
La masse molaire du chlorure d’argent peut être calculée en additionnant les masses molaires moyennes des atomes qui le composent :
On peut alors substituer le nombre de moles et la masse molaire dans l’équation :
À partir de l’équation chimique équilibrée, on peut voir qu’une mole de produit une mole de . Par conséquent, le nombre de moles de est égal au nombre de moles de :
On peut maintenant calculer la masse de en utilisant l’équation
Et en isolant :
La masse molaire de est
On peut maintenant utiliser les valeurs de et pour calculer la masse de :
Maintenant que nous connaissons la masse de dans l’échantillon, nous pouvons la convertir en pourcentage de la masse totale :
En arrondissant à l’entier le plus proche, on trouve que le pourcentage en masse de est de .
Points Clés
- La gravimétrie par précipitation est une technique d’analyse qui utilise la formation et la masse d’un précipité pour déterminer la masse d’un analyte.
- La substance utilisée pour réagir et ainsi former le précipité est appelée précipitant ou réactif de précipitation.
- Le précipité doit être une substance pure ayant une composition définie et connue.
- En pratique, on utilise du papier filtre sans cendre pour éviter que l’échantillon ne soit contaminé pendant la phase de chauffage.
- À partir de la masse obtenue de précipité, on peut déterminer le nombre de moles de précipité, puis le nombre de moles de l’analyte, et en déduire enfin la masse de l’analyte dans l’échantillon.