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Dans cette vidéo, nous allons apprendre ce qu’est une analyse volumétrique et comment utiliser les résultats de titrage pour calculer la concentration d’une solution.
Qu’est-ce qu’une analyse volumétrique ? Dans de nombreux domaines de la science et de l’industrie, les composés chimiques doivent être analysés. Ils peuvent être identifiés et quantifiés. Un composé à l’étude est appelé un analyte. Parmi les exemples d’analytes qu’un chimiste peut être amené à étudier, nous pouvons citer les composés présents dans les eaux usées, les polluants et leurs teneurs dans les eaux des rivières, les quantités de nutriments et d’autres composés présents dans les aliments, ainsi que les concentrations des médicaments autant dans le domaine de la recherche que dans les liquides biologiques, tels que le sang. Tous ces différents analytes et beaucoup d’autres peuvent être quantifiés en termes de masse, de nombre de moles, de volume, de concentration ou d’abondance relative. Nous allons nous concentrer sur la quantification d’un analyte en volume, et il s’agit d’une analyse volumétrique.
L’analyse volumétrique est une méthode d’analyse quantitative qui mesure directement le volume de l’analyte, ou le volume d’une deuxième substance appelée titrant, qui réagit avec l’analyte dans une proportion connue. Cette deuxième méthode est une méthode d’analyse indirecte et est connue sous le nom de titrage ou analyse titrimétrique. Dans un titrage, c’est généralement la concentration de l’analyte que nous déterminons en utilisant le volume d’une deuxième substance appelée le titrant dont la concentration est connue avec précision.
Trois méthodes de titrage couramment utilisées dépendent du type de réaction entre l’analyte et le titrant. Ce sont des titrages de neutralisation, lorsque l’analyte est un acide ou une base ; des titrages redox, qui sont utilisés pour quantifier les analytes qui subissent des réactions d’oxydoréduction ; et des titrages par précipitation, qui sont utilisés pour mesurer les substances qui réagissent pour former un précipité ou un sel peu soluble. Maintenant, regardons un exemple de calcul de la concentration d’un analyte par titrage. Utilisons une réaction de neutralisation dans notre exemple. Dans une autre vidéo, les détails sur la façon d’effectuer un titrage sont discutés plus en détails, mais faisons un rappel rapidement avant de faire les calculs.
Une burette contenant la solution de titrant – dans notre exemple, prenons une base, l’hydroxyde de sodium - est fixée sur un support de cornue, et son volume initial est enregistré. L’analyte – dans cet exemple, est une solution acide, prenons l’acide chlorhydrique – est pipeté et versé dans un Erlenmeyer ou une fiole conique. Le volume de l’analyte connu avec précision est enregistré. La concentration du titrant est connue avec précision. Le volume de l’analyte est connu avec précision, mais sa concentration est inconnue. Puis, nous ajoutons quelques gouttes d’indicateur approprié à l’analyte. Et ensuite, le robinet d’arrêt de la burette est ouvert, et le titrant est ajouté lentement à l’analyte.
Un point est atteint où l’indicateur présent dans l’analyte change de couleur. Cela s’appelle le point final. Au point final de la réaction, les moles d’analyte ont été précisément neutralisées par les moles de titrant ajoutées. Le robinet est fermé et le volume final du titrant est enregistré. Nous pouvons alors soustraire au volume final le volume initial de titrant pour obtenir le titre, qui est le volume de titrant ajouté. Et nous connaissons maintenant cette valeur. Souvent, lorsque nous faisons un titrage, nous répétons tout ce processus plusieurs fois. Si trois mesures sont effectuées, trois valeurs de titre seront obtenues. Nous calculons ensuite le titre moyen des trois et utilisons cette valeur dans nos calculs.
Donc, pour trouver la concentration de l’analyte, les trois informations dont nous avons besoin sont le volume de l’analyte, la concentration du titrant et une valeur moyenne du titre. Utilisons quelques chiffres. Si la concentration de la base est de 0,0950 mole par litre, et que le titre moyen est de 14,48 millilitres, et que le volume pipeté de l’analyte est d’exactement 20 millilitres, nous pouvons déterminer la concentration de l’analyte comme suit. Tout d’abord, nous avons besoin de l’équation équilibrée de la réaction entre le titrant et l’analyte. Le rapport molaire des deux réactifs est de un pour un. Nous obtenons ceci à partir des coefficients stœchiométriques de l’équation équilibrée. Nous pouvons utiliser un tableau pratique pour nos données. Lorsque nous transférons les données que nous connaissons, nous obtenons ce qui suit.
Pour résoudre ce problème, nous pouvons maintenant utiliser l’équation clé où le nombre de moles est égal à la concentration fois le volume. Il y a trois étapes pour résoudre ce calcul : la première étape, calculer le nombre de moles de titrant à partir de sa concentration et de son titre moyen en utilisant l’équation clé. Notez cependant que nous devons d’abord convertir la valeur du titre moyen de millilitres en une valeur en litres. C’est parce que sa concentration est donnée en moles par litre. Libérons de l’espace pour le faire. Nous pouvons convertir des millilitres en litres en multipliant par ce facteur de conversion. Les unités millilitres s’annulent et nous nous retrouvons avec des litres comme unité. Et nous obtenons 0,01448 litre. Mettons cela dans notre tableau.
Maintenant, nous pouvons utiliser notre équation clé pour déterminer le nombre de moles de titrant, 𝑛 est égal à C𝑉. En substituant la concentration de la base et son volume en litres, nous obtenons 0,0013756 mole de titrant qui a réagi. Nous pouvons mettre cette valeur dans le tableau. Notez que j’ai gardé toutes les décimales à ce stade. Nous n’arrondirons qu’à la fin du calcul pour nous assurer d’obtenir la bonne réponse, et nous exprimerons ensuite notre réponse avec le bon nombre de chiffres significatifs.
La deuxième étape consiste à calculer le nombre de moles d’analyte qui ont réagi à partir du nombre de moles de titrant. Et nous le faisons en utilisant les coefficients stœchiométriques de l’équation équilibrée. Nous savons qu’une mole d’hydroxyde de sodium réagit avec une mole d’acide chlorhydrique. Par conséquent, 0,0013756 mole d’hydroxyde de sodium réagit avec 𝑥 mole d’acide chlorhydrique. Et, bien sûr, comme il s’agit d’un rapport de un pour un, 𝑥 est égal à 0,0013756 mole d’acide chlorhydrique, et nous pouvons mettre cette valeur dans le tableau.
La troisième et dernière étape consiste à calculer la concentration de l’analyte en utilisant son volume et le nombre de moles. Une fois de plus, nous devrons convertir son volume de millilitres en litres afin que nous puissions exprimer sa concentration en termes de molarité, moles par litre. J’ai condensé la deuxième étape pour faire un peu plus de place. Ainsi, la troisième étape consiste à convertir d’abord le volume de l’analyte d’une valeur en millilitres en une valeur en litres en le multipliant par un facteur de conversion approprié, et nous obtenons 0,02000 litre. Nous pouvons écrire ceci dans le tableau.
Maintenant, nous pouvons réorganiser l’équation clé pour obtenir la concentration comme l’inconnue de la formule. La concentration est égale au nombre de moles divisé par le volume. Maintenant, nous pouvons remplacer par nos valeurs pour l’acide chlorhydrique, 0,0013756 moles divisé par 0,02000 litres, et nous obtenons une concentration de l’analyte acide de 0,06878 mole par litre. Si nous arrondissons cela à trois chiffres significatifs, nous obtenons 0,0688 moles par litre, et nous pouvons mettre cette valeur dans le tableau.
Les titrages de neutralisation peuvent également être utilisés pour déterminer le pourcentage d’un acide ou d’une base dans un mélange. Regardons un exemple.
Un mélange solide de 1,8 gramme de CaOH2 et de CaCl2 est dissous puis titré avec du HCl aqueux à 0,25 molaire. Si 25 millilitres d’acide sont nécessaires pour neutraliser complètement toute la base, déterminez le pourcentage de base dans le mélange.
Et on nous donne les masses molaires du calcium, de l’oxygène, de l’hydrogène et du chlore. On nous dit que nous avons un mélange solide de CaOH2 et de CaCl2. CaOH2 est de l’hydroxyde de calcium et CaCl2 est du chlorure de calcium. La masse totale combinée est de 1,8 gramme. On nous dit ensuite qu’il est dissous et titré avec du HCl à 0,25 molaire, soit de l’acide chlorhydrique. Donc, HCl est le titrant. Et bien que l’hydroxyde de calcium et le chlorure de calcium soient tous deux dissous dans l’erlenmeyer, l’analyte n’est que l’hydroxyde de calcium car cette base réagira avec le titrant qui est un acide.
Ce problème se résout de la même manière qu’un calcul de titrage normal. Nous commençons par l’équation équilibrée afin d’obtenir les coefficients stœchiométriques ou le rapport molaire dans lequel réagissent l’analyte et le titrant. Nous pouvons ensuite tracer un tableau pratique et remplir toutes les informations que nous connaissons à propos de la concentration, du volume et du nombre de moles pour les deux réactifs. La concentration du titrant est de 0,25 molaire. La valeur de son titre est de 25 millilitres, et ce sont toutes les informations que nous connaissons. Dans cet exemple, on ne nous demande pas de calculer la concentration de l’analyte et on ne nous donne pas le volume de l’analyte. On nous demande de déterminer le pourcentage d’analyte dans le mélange solide d’origine.
Ce calcul comporte quatre étapes : la première consiste à calculer le nombre de moles de titrant à partir de sa concentration et de son volume. Libérons un peu d’espace pour faire cela. Tout d’abord, nous devons convertir le volume en millilitres en un volume en litres afin que son unité soit compatible avec l’unité de la concentration. En multipliant par un facteur de conversion approprié, nous pouvons nous débarrasser des millilitres et obtenir le volume du titrant en litres, que nous mettons dans le tableau. Nous pouvons alors utiliser l’équation clé 𝑛 égal C fois 𝑉 et substituer la concentration et le volume de l’acide. Rappelez-vous que « molaire » ou la molarité est le nombre de moles par litre. Et nous obtenons 0,00625 mole de HCl. Ce sont les moles de titrant nécessaires pour neutraliser tout l’hydroxyde de calcium. Nous arrondirons à la fin du calcul au bon nombre de chiffres significatifs.
À la deuxième étape, nous calculons le nombre de moles d’analyte à partir du nombre de moles de titrant en utilisant les coefficients stœchiométriques de l’équation équilibrée. Une mole d’hydroxyde de calcium réagit avec deux moles d’acide chlorhydrique. Par conséquent, 𝑥 moles d’hydroxyde de calcium vont réagir avec 0,00625 mole d’acide. Nous pouvons résoudre 𝑥. Puisque les moles de l’acide sont le double des moles de la base, pour obtenir 𝑥, nous pouvons diviser les moles d’acide que nous avons par deux, et nous obtenons 0,003125 mole d’hydroxyde de calcium. Ce sont les moles de base neutralisées par le titrant acide, ainsi que les moles de base dans le mélange solide d’origine.
À l’étape trois, nous calculons la masse de l’hydroxyde de calcium, l’analyte, à partir de son nombre de moles et de sa masse molaire. Nous utilisons l’équation clé où le nombre de moles est égal à la masse divisée par la masse molaire. Nous voulons la masse comme inconnue de la formule. Ainsi, lorsque l’équation est réarrangée, nous obtenons une masse égale au nombre de moles multiplié par la masse molaire. Nous pouvons remplacer par notre nombre de moles. Maintenant, je vais déterminer la masse molaire de l’hydroxyde de calcium directement dans l’équation.
Il y a un atome de calcium dans CaOH2, et sa masse molaire est de 40 grammes par mole. Donc, nous écrivons 40, plus deux oxygènes avec une masse molaire de 16 grammes par mole chacun. Donc, nous écrivons deux fois 16, plus deux hydrogènes avec une masse molaire d’un gramme par mole. Donc, nous écrivons deux multiplié par un. Cela nous donne une masse molaire d’hydroxyde de calcium de 74 grammes par mole, que nous multiplions par son nombre de moles. En calculant, nous obtenons 0,23125 gramme. Il s’agit de la masse d’hydroxyde de calcium dans le titrage, ainsi que dans le mélange solide d’origine.
Il y a une dernière étape. Nous devons convertir la masse d’hydroxyde de calcium en pourcentage. Nous pouvons déterminer le pourcentage d’hydroxyde de calcium dans le mélange solide d’origine comme suit. Le pourcentage d’hydroxyde de calcium est égal à la masse d’hydroxyde de calcium divisée par la masse totale du mélange solide d’origine multipliée par 100 pour cent . Nous pouvons entrer nos valeurs. La masse d’hydroxyde de calcium est de 0,23125 gramme, et 1,8 gramme est la masse total du mélange combiné solide d’origine. Les grammes s’annulent et nous obtenons 12,847 pour cent.
Maintenant, arrondissons au bon nombre de chiffres significatifs. Le plus petit nombre de chiffres significatifs qui nous a été donné dans les données originales est deux chiffres significatifs. Nous pouvons donc arrondir à 13 pour cent, soit deux chiffres significatifs. Cela signifie que sur les 1,8 grammes du mélange solide total d’origine, seulement 13 pour cent est de l’hydroxyde de calcium.
Maintenant, il est temps de résumer les principaux points que nous avons appris. Nous avons appris que l’analyse volumétrique est une méthode d’analyse quantitative qui mesure directement le volume de l’analyte, ou le volume d’une deuxième substance appelée titrant qui réagit avec l’analyte dans une proportion connue. Cette deuxième méthode est appelée titrage. Il existe différents types de titrage, mais ils impliquent tous un analyte réagissant avec un titrant. En règle générale, dans un titrage, la concentration de l’analyte est inconnue. Cependant, son volume est connu ainsi que la concentration et le volume du titrant. Ces trois informations ainsi que l’équation clé, où le nombre de moles est égal à la concentration multipliée par le volume, peuvent être utilisées pour déterminer la concentration de l’analyte. Nous pouvons également utiliser un titrage pour déterminer le pourcentage d’analyte dans un mélange.
