Vidéo de la leçon: Gravimétrie par volatilisation Chimie

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Dans cette vidéo, nous allons apprendre à utiliser la gravimétrie par volatilisation afin de calculer la quantité d’analyte dans un échantillon ou pour de déterminer la formule d’un composé hydraté.

Qu’est-ce que la gravimétrie par volatilisation ? La volatilisation vient du mot volatil et désigne la conversion d’une ou de plusieurs substances en phase gazeuse. En règle générale, un échantillon, qu’il s’agisse d’un composé ou d’un mélange, est soit chauffé, soit soumis à une réaction chimique. Les composants volatils sont alors libérés et sont ainsi séparés des autres composants de l’échantillon. La gravimétrie ou l'analyse gravimétrique est une méthode analytique utilisée pour mesurer la masse ou la variation de masse afin de quantifier un analyte. En combinant ces deux définitions, nous en obtenons une nouvelle. La gravimétrie par volatilisation est une méthode d’analyse de la masse qui utilise de l’énergie thermique ou chimique pour séparer des substances afin de mesurer leur masse.

Si la masse de l’échantillon initial avant la séparation est connue et que les composants volatils sont éliminés grâce à l’énergie thermique ou à une réaction chimique, la masse des substances restantes après la séparation peut alors être déterminée en pesant le récipient. En déterminant ensuite la différence entre ces deux masses, nous obtenons la masse des substances volatiles qui ont été libérées. Ce calcul simple constitue le principe de base de la gravimétrie par volatilisation. Des exemples de composés volatils qui peuvent être libérés lors de la décomposition chimique ou thermique d’un échantillon comprennent l’azote gazeux, le chlore gazeux, le dioxyde de carbone gazeux et la vapeur d’eau. Examinons maintenant la perte de vapeur d’eau à partir d’un sel hydraté à titre d'exemple spécifique de gravimétrie par volatilisation.

Lorsqu'un sel contient des molécules d’eau dans sa structure, nous disons qu'il s'agit d'un sel hydraté. Les molécules d’eau qui font partie de la structure du réseau cristallin du sel sont plus précisément appelées eau de cristallisation ou parfois eau d’hydratation. Par exemple, le sulfate de cuivre(II), un sel hydraté, contient des molécules d’eau dans sa structure, ce qui confère à ses cristaux une apparence bleue. La formule de ce composé est CuSO4.5H2O. Le sulfate de cuivre hydraté le plus commun contient cinq molécules d’eau dans son réseau cristallin pour chaque unité de formule de sulfate de cuivre. Le nom approprié de ce composé est donc le sulfate de cuivre(II) pentahydraté, bien que nous faisions souvent référence à ce composé comme étant simplement du sulfate de cuivre(II) hydraté. Nous pouvons déterminer la masse de l’eau de cristallisation contenue dans un sel comme celui-ci en utilisant la gravimétrie par volatilisation.

Si nous connaissons la masse du sel hydraté et que nous éliminons l’eau de cristallisation en utilisant de l’énergie thermique par chauffage, l’eau s’échappera sous forme de vapeur, tout en laissant derrière elle une poudre blanche. Cette dernière est du sulfate de cuivre(II) déshydraté ou du sulfate de cuivre(II) anhydre, où anhydre fait référence à un sel qui ne contient pas d’eau de cristallisation. Ainsi, le sulfate de cuivre(II) anhydre a la formule CuSO4. La masse de ce sel déshydraté peut être déterminée en le pesant. La masse du sel anhydre est plus petite que la masse du sel hydraté en raison de la perte d’eau. La masse de l'eau perdue peut être déterminée en calculant la différence entre la masse du sel hydraté et la masse du sel déshydraté. L’équation chimique équilibrée pour cette réaction implique que le CuSO4.5H2O solide soit chauffé pour produire du CuSO4 solide plus 5H2O gazeux.

Par ailleurs, il s’agit d’une réaction réversible dans les conditions réelles. La réaction inverse est favorisée par l’ajout d’eau et le refroidissement. Le montage expérimental pour ce processus de volatilisation est le suivant. Un anneau en fer est fixé à un support de laboratoire. Un triangle d’argile est placé sur l’anneau en fer et un creuset contenant le sel hydraté est déposé sur ce triangle d’argile. Le contenu du creuset est ensuite fortement chauffé. Le couvercle du creuset est laissé légèrement ouvert pour permettre à la vapeur d’eau de s’échapper. De façon périodique, le couvercle est remis en place, la source de chaleur est retirée et le creuset est refroidi. Le creuset et son contenu sont pesés et la masse est notée. Les chauffages et refroidissements successifs sont répétés en alternance jusqu’à ce que la masse du creuset et de son contenu demeurent constantes.

À ce moment, nous savons que toute l’eau a été retirée et que le contenu du creuset est maintenant devenu blanc plutôt que d'être bleu. Il s'agit donc de cette masse constante de sulfate de cuivre déshydraté qui sera utilisée pour les calculs. La gravimétrie par volatilisation est également utile pour déterminer le coefficient pour l’eau de cristallisation lorsque ce dernier est inconnu. Puisque nous connaissons la masse initiale de la substance hydratée et que nous pouvons déterminer la masse du sel déshydraté suite au chauffage jusqu'à l'obtention d'une masse constante, nous savons que nous pouvons déterminer la masse de la vapeur d’eau qui a été libérée au cours du chauffage et que celle-ci est égale à la masse de l’eau de cristallisation présente dans le sel hydraté d'origine. Nous pouvons alors déterminer la masse molaire de l’eau. En combinant la masse et la masse molaire, nous pouvons déterminer le nombre de moles d’eau.

Nous pouvons utiliser l'équation de base qui stipule que le nombre de moles est égal à la masse divisée par la masse molaire. Nous pouvons ensuite utiliser le nombre de moles d’eau pour déterminer le nombre de moles de sel hydraté. Nous pouvons effectuer ce calcul en utilisant un rapport molaire de un pour remplacer n. Nous allons pratiquer ce type de calcul dans un instant, mais examinons d'abord une autre information utile que nous pouvons obtenir en utilisant la gravimétrie par volatilisation. Nous pouvons également utiliser les différentes masses déterminées à partir d’une expérience de volatilisation pour calculer le pourcentage d’eau de cristallisation dans un sel hydraté.

Le pourcentage d’eau de cristallisation dans un sel hydraté est égal à la masse de l’eau de cristallisation divisée par la masse du composé hydraté multipliée par 100 pour cent. De plus, nous avons déjà vu que ces masses peuvent être facilement déterminées en utilisant la gravimétrie par volatilisation. Il est maintenant le temps de nous pratiquer.

Un échantillon de chlorure de cobalt(II) hydraté, CoCl2.xH2O, est chauffé jusqu’à ce que sa masse demeure constante. Pour chaque 1,00 gramme de chlorure de cobalt(II) produit, 0,831 gramme d’eau est libéré. Quelle est la valeur de x, où x est un nombre entier ? Nous avons également la masse molaire du cobalt à 59 grammes par mole, du chlore à 35,5 grammes par mole, de l’hydrogène à un gramme par mole et de l’oxygène à 16 grammes par mole.

Il est mentionné qu’un sel hydraté, soit le chlorure de cobalt(II), est chauffé jusqu’à ce que sa masse demeure constante. Le nom chlorure de cobalt(II) hydraté ainsi que la formule ne nous indiquent pas combien de molécules d’eau sont présentes par unité de chlorure de cobalt. Il est seulement mentionné que le nombre de moles d’eau de cristallisation est x. Le chauffage d’un sel hydraté jusqu'à ce que sa masse demeure constante implique généralement de chauffer fortement un sel dans un creuset avec le couvercle ouvert afin de permettre à l’eau de cristallisation de s’échapper.

L’équation de réaction pour ce procédé implique que du CoCl2.xH2O solide est chauffé pour produire du CoCl2 solide plus xH2O gazeux. Avec le temps, toute l’eau de cristallisation est éliminée. Le sel hydraté est donc transformé en sel anhydre. Un sel anhydre ne contient pas d’eau de cristallisation. Lors du refroidissement et de la pesée, le couvercle du creuset doit être bien en place afin d’éviter que la vapeur d’eau présente dans l’air entre en contact avec le sel anhydre dans le creuset.

Cette étape est particulièrement importante étant donné que cette réaction est réversible et que nous voulons éviter que la réaction inverse se produise. Si c'était le cas, il serait alors impossible de déterminer les masses de chaque substance. Nous devons donc nous assurer que le chlorure de cobalt(II) est bel et bien complètement anhydre. Afin de résoudre ce problème, nous pouvons écrire les données qui nous sont fournies ainsi que ce que nous recherchons dans un tableau. Ce tableau n’est pas absolument nécessaire, mais il est parfois utile lorsque nous avons beaucoup d’informations à prendre en compte.

Nous savons que pour chaque 1,00 gramme de chlorure de cobalt(II) produit - écrivons cette masse dans le tableau sous CoCl2 - 0,831 gramme d’eau est libéré. Il s'agit donc de la masse de l’eau. Les mots « pour chaque » nous indiquent que 1,00 gramme de chlorure de cobalt(II) et 0,831 gramme d’eau ne représentent pas nécessairement les masses réelles de ces substances produites, mais plutôt le rapport avec lequel elles sont produites.

Nous savons que le coefficient stœchiométrique de un sur x correspond en fait au rapport molaire entre ces substances. Nous devons donc d'abord convertir les masses de ces produits en nombres de moles. Nous commençons par calculer la masse molaire du chlorure de cobalt(II), qui est égale à la masse molaire du cobalt plus deux fois la masse molaire du chlore étant donné qu'il y a deux atomes de chlore. En remplaçant la masse molaire du cobalt, qui est de 59 grammes par mole, et celle du chlore, qui est de 35,5 grammes par mole, nous obtenons une masse molaire de 130 grammes par mole pour le chlorure de cobalt(II). Nous pouvons écrire cette valeur dans le tableau.

La masse molaire de l’eau est égale à deux fois la masse molaire de l’hydrogène, car il y a deux atomes d'hydrogène, plus la masse molaire de l’oxygène. Ces valeurs nous sont déjà fournies. Ainsi, en remplaçant par un gramme par mole pour l’hydrogène et par 16 grammes par mole pour l’oxygène, nous obtenons 18 grammes par mole, soit la masse molaire de l’eau, que nous pouvons écrire dans le tableau.

L’étape suivante consiste à calculer le nombre de moles de chlorure de cobalt(II) et d’eau. Nous pouvons utiliser l’équation de base pour le nombre de moles, soit la masse divisée par la masse molaire. Alors, en prenant la masse et la masse molaire du chlorure de cobalt(II) dans le tableau, nous obtenons 1,00 gramme divisé par 130 grammes par mole, ce qui nous donne 0,00769 mole. Dans le cas de l’eau, le nombre de moles est égal à sa masse, soit 0,831 gramme, divisée par sa masse molaire, soit 18 grammes par mole, ce qui nous donne 0,04616 mole.

Puisque le rapport entre les moles de chlorure de cobalt(II) et les moles d’eau est le même que le rapport stœchiométrique de un sur x, nous pouvons maintenant effectuer le calcul afin de déterminer x. Pour ce faire, nous prenons le nombre de moles de chlorure de cobalt(II) par rapport au nombre de moles d’eau et nous divisons chaque valeur par le nombre de moles de chlorure de cobalt(II). Ces deux valeurs s’annulent, ce qui nous donne un. Les unités de moles s’annulent des deux côtés. En effectuant la division, nous obtenons 6,00166.

Nous n’avons pas encore arrondi les valeurs jusqu'à présent dans ce calcul, mais il est maintenant temps de le faire. Nous devons arrondir à une valeur sans décimale puisque x ne peut pas être une fraction. Nous ne pouvons effectivement pas avoir une fraction d’une molécule d’eau. De plus, la question spécifie que x est un nombre entier. Enfin, nous obtenons une réponse de un par rapport à six. Il s'agit donc du rapport molaire entre le chlorure de cobalt et l’eau. Ces valeurs représentent également les coefficients dans la formule du composé hydraté. Par conséquent, la valeur de x est de six. De plus, la formule du composé hydraté est CoCl2.6H2O, soit du chlorure de cobalt(II) hexahydraté.

Récapitulons maintenant ce que nous venons d'apprendre sur la gravimétrie par volatilisation. Nous avons appris que la gravimétrie par volatilisation consiste à séparer les composés volatils d’un échantillon ainsi qu'à mesurer la variation de la masse. Cette méthode d’analyse quantitative peut être utilisée pour déterminer la masse des substances non volatiles restantes et, à partir de celle-ci, la masse des substances volatiles libérées.

Nous avons examiné des exemples spécifiques de sels hydratés dans lesquels la substance non volatile restante est un sel anhydre et la substance volatile libérée est de la vapeur d’eau provenant de l’eau de cristallisation dans le sel hydraté. Ces valeurs de masse peuvent être utilisées afin de déterminer le nombre de molécules d’eau de cristallisation présentes dans la formule du sel hydraté. Nous avons également mentionné brièvement que la gravimétrie par volatilisation peut être utilisée afin de déterminer le pourcentage d’eau de cristallisation présent dans un sel hydraté.