Contrôle de la concentration d'une solution commerciale de soude

Une solution d'hydroxyde de sodium \((\text{Na}^+\text{(aq)};\text{OH}^-\text{(aq)})\), appelée également soude, est une solution aqueuse incontournable en laboratoire et dans l'industrie chimique. Elle permet :

• d'apporter de manière contrôlée les ions hydroxyde au milieu réactionnel ;
  
• rendre un milieu basique (alcalin) ;
  
• réguler l'acidité d'un procédé.
  

C'est aussi une solution courante dans le commerce, par exemple vendue comme déboucheur de canalisations ou comme produit de nettoyage. 

Une fois ouverte, le dioxyde de carbone de l'air se dissout petit à petit dans la solution pour former de l'acide carbonique qui réagit avec les ions hydroxyde. Ce processus, appelé carbonatation, diminue la concentration en ion hydroxyde de la solution : il est donc nécessaire de contrôler régulièrement les concentrations des flacons de soude pour s'assurer, notamment pour une utilisation en tant que solution titrante dans les contrôles qualité en chimie.

Objectif : tester si une solution d'hydroxyde de sodium ouverte depuis plusieurs semaines nécessite d'être remplacée. Le contrôle se fera par titrage selon trois modes de suivi :

• utilisation d'un indicateur coloré de pH ;
  
• suivi pH-métrique ;
• suivi conductimétrique.

Matériel mis à votre disposition

• Deux béchers de `250\ "mL"` et trois béchers de `100\ "mL"`
  
• Un barreau aimanté et un agitateur magnétique
• Une solution commerciale d'acide chlorhydrique \((\text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)};\text{C}\ell^-\text{(aq)})\) notée `"S"_"acide"` à une concentration `C_"acide"=0,100\ "mol"\cdot"L"^-1`
  
• Une solution commerciale d'hydroxyde de sodium \((\text{Na}^+\text{(aq)};\text{OH}^-\text{(aq)})\) ouverte depuis plusieurs semaines à `0,10\ "mol"\cdot"L"^-1`notée `"S"_"base"`
  
• Deux pipettes jaugées de `10\ "mL"` et une poire à pipetter
• Une burette graduée de `25\ "mL"` sur potence
• Une pissette d'eau distillée
• Un flacon compte-gouttes contenant une solution de BBT (bleu de bromothymol)
• Un thermomètre
• Un pH-mètre, une sonde pH et une fiche technique
• Deux solutions tampons
• Un conductimètre, une cellule de conductimétrie et une fiche technique
  

La réaction support de ce titrage a pour équation : \(\mathrm{OH^-(aq)+H_3O^+(aq)\longrightarrow 2H_2O(\ell)}\).

Enfin, pour discuter de l’accord du résultat d’une mesure avec une valeur de référence, on peut utiliser le quotient : `\frac{| x_{réf}-x |}{\text{u}(x)}` avec \(x_{réf}\) la valeur mesurée, \(x\) la valeur de référence et \(\text{u}(x)\) l’incertitude-type associée.

Suivi du titrage avec un indicateur coloré de pH

Conseils pour les ECE : pour une réaction support acide-base, le suivi d'un titrage avec un indicateur coloré de pH est très classique. Il faut être capable de réaliser un protocole fourni ou d'en élaborer un. Il est conseillé de revoir l'essentiel du cours et les méthodes associées pour savoir comment choisir un indicateur adapté au suivi et pour prévoir le changement de couleur à l'équivalence. Expérimentalement, on rappelle qu'il ne faut ajouter au milieu réactionnel que quelques gouttes de l'indicateur. Il est par ailleurs préconisé de placer sous le bécher une feuille blanche pour faciliter la détection du changement de couleur à l'équivalence. Enfin, il peut être utile de réaliser deux titrages successifs, un rapide pour repérer grossièrement l'équivalence, un plus lent pour qu'il soit "à la goutte près".

Protocole

• Laver et remplir la burette graduée avec la solution `"S"_"acide"`
  
• Introduire dans un bécher de `250\ "mL"` à la pipette jaugée un volume `V_1=10,00\ "mL"` de la solution `"S"_"base"`
  
• Placer un barreau aimanté et lancer l'agitation avec l'agitateur magnétique
• Introduire un peu d'eau distillée et quelques gouttes de la solution de BBT, le milieu réactionnel à l'état initial est bleu
• Lancer le titrage avec un goutte-à-goutte pas trop rapide
• L'équivalence est atteinte quand le milieu réactionnel devient jaune, relever alors la valeur du volume à l'équivalence noté `V_{"E,ind"}`
  

1. Réaliser le protocole ci-dessus. Noter la valeur de `V_{"E,ind"}`.

Résultats bruts de la question 1

Repérage de l'équivalence :

Photo de la burette une fois l'équivalence repérée

2. Pour ce suivi, calculer la valeur de la concentration en quantité de matière en hydroxyde de sodium notée \(C_\text{NaOH,ind}\). On donne \(\text{u}(C_\text{NaOH,ind})=0,003 \text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}\).

3. Comparer la valeur obtenue avec la valeur de référence. Commenter.

Suivi pH-métrique du titrage
(partie de droite sur la photo)​​​​​​

Conseils pour les ECE : pour une réaction support acide-base, le suivi pH-métrique d'un titrage est un grand classique des sujets d'ECE. ll faut être capable de réaliser un protocole fourni ou d'en élaborer un. Il est conseillé de revoir l'essentiel du cours et les méthodes associées notamment pour repérer le point équivalent sur la courbe de suivi (méthode des tangentes parallèles et méthode de la dérivée). Expérimentalement, veillez à ce que l'électrode verre soit bien immergé dans le milieu réactionnel : il est possible de rajouter de l'eau si nécessaire en début de titrage (cela ne changera pas le volume à l'équivalence mais, si on en ajoute trop, le saut de pH sera moins marqué). Généralement, on réalise les mesures tous les millilitres de solution titrante ajoutée en resserrant les mesures 2 mL avant et après l'équivalence estimée.

Protocole

• Laver et remplir la burette graduée avec la solution `"S"_"acide"`
  
• Introduire dans un bécher de `250\ "mL"` à la pipette jaugée un volume `V_1=10,00\ "mL"` de la solution `"S"_"base"` 
• Placer un barreau aimanté et lancer l'agitation avec l'agitateur magnétique
• Introduire de l'eau distillée, plongér la sonde pH reliée à un pH-mètre préalablement étalonné
• Lancer le titrage en mesurant tous les `1\ "mL"` le pH du milieu réactionnel, autour de l'équivalence, resserrer les mesures (le volume attendu est proche de `10\ "mL"`)
• Reporter les valeurs de volume de solution titrante et de pH du milieu réactionnel dans un tableur Regressi puis tracer la courbe d'évolution du pH en fonction du volume d'acide chlorhydrique introduit

4. Réaliser le protocole ci-dessus.

Résultats bruts de la question 4 dans un fichier Regressi

5. Directement sur le fichier Regressi fourni, déterminer le volume à l'équivalence à l'aide de la méthode des tangentes parallèles.

6. Même question avec la méthode de la dérivée.

7. Pour ce suivi, calculer la valeur de la concentration en quantité de matière en hydroxyde de sodium pour chacune des deux méthodes notées respectivement `C_"NaOH,tangente"` et `C_"NaOH,dérivée"`.

On donne \(\text{u}(C_\text{NaOH,tangente})=\text{u}(C_\text{NaOH,dérivée})=0,003 \text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}\).

8. Comparer les deux valeurs précédentes avec la valeur de référence. Commenter.

Suivi conductimétrique du titrage
(partie de gauche sur la photo)

Conseils pour les ECE : pour une réaction support faisant varier la concentration d'au moins une espèce ionique, le suivi conductimétrique d'un titrage est aussi un grand classique. ll faut être capable de réaliser un protocole fourni ou d'en élaborer un. Il est conseillé de revoir l'essentiel du cours et la méthode permettant de déterminer le volume à l'équivalence à partir de la courbe de suivi. Expérimentalement, il faut rajouter 150-200 mL d'eau au milieu réactionnel pour pouvoir négliger les effets de la dilution lors de l'ajout de la solution contenant le réactif titrant (cela ne changera pas le volume à l'équivalence). Généralement, on réalise les mesures tous les millilitres de solution titrante ajoutée. Contrairement au suivi pH-métrique, il n'est pas nécessaire de resserrer les mesures au voisinage de l'équivalence.

Protocole

• Laver et remplir la burette graduée avec la solution `"S"_"acide"`
  
• Introduire dans un bécher de `250\ "mL"` à la pipette jaugée un volume `V_1=10,00\ "mL"` de la solution `"S"_"base"`
  
• Placer un barreau aimanté et lancer l'agitation avec l'agitateur magnétique
• Introduire `150\ "mL"` d'eau distillée, plonger la cellule conductimétrique reliée à un conductimètre
• Lancer le titrage en mesurant tous les `1\ "mL"` la conductance notée `G` du milieu réactionnel
• Rentrer les valeurs de volume de solution titrante et celles de `G` dans un tableur Regressi puis représenter l'évolution de `G` en fonction du volume d'acide chlorhydrique introduit.

9. Réaliser le protocole ci-dessus.

Résultats bruts de la question 9 dans un fichier Regressi

10. Directement sur le fichier Regressi fourni, déterminer le volume équivalent noté `V_{"E",G}`.

11. Pour ce suivi, calculer la valeur de la concentration en quantité de matière en hydroxyde de sodium notée `C_{"NaOH",G}`. On donne \(\text{u}(C_{\text{NaOH},G})=0,003 \text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}\).

12. Comparer la valeur obtenue avec la valeur de référence. Commenter.