Partie I : La chimie qui mesure Objectifs

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1 Partie I : La chimie qui mesure Objectifs
Détermination des quantités de matière : Espèces solides, liquides et gazeuses directement à l’aide de grandeurs physiques (m, P, V), Espèces ioniques dissoutes à l ’aide d ’un dosage par étalonnage en utilisant la conductance G, grandeur proportionnelle à la concentration des espèces ioniques, Espèces dissoutes en mettant en jeu une transformation chimique impliquant une réaction chimique (analyses destructrices), dosage par titrage. Notions nouvelles abordées : dissolution d’un solide ionique, concentration, conductance, conductivité, conductivité ionique molaire, réactions et couples acide-base, réactions et couples oxydant/réducteur, titrage, équivalence

2 Concentration molaire apportée c Concentration molaire effective [
Concentration molaire apportée c Concentration molaire effective [..] des espèces dissoutes Notations - c : ce qui a été introduit dans la solution - [X] :effectivement présent dans la solution Exemple solution aqueuse de sulfate de sodium c = 0,1 mol.L-1 d ’où [Na+] = 0,2 mol. L-1 et [SO42-] = 0,1 mol.L-1 [Na2SO4]initial = c

3 Dosages  par étalonnage
La conductance LE NOUVEAU Dosages  par étalonnage  par titrage En utilisant une grandeur physique électrique, observable  La démarche de dosage par étalonnage (reposant sur la structure de la matière, sans destruction) n’est pas nouvelle, on la trouve déjà : - dans l’ancien programme de spécialité en T (échelles des teintes) absorbance et spectrophotométrie - dans le nouveau programme de seconde : mesure de distances , étalonnage des courbes de diffraction. Le dosage par titrage repose sur la réactivité chimique. La réaction est supposée totale et instantanées.

4 Pourquoi choisir la conductance (G mS) ?
Illustration microscopique de la notion de courant électrique : Programme de physique de 1S (partie I-2) «  porteurs de charge : électrons et ions » Nous allons énoncer 5 raisons qui valident le choix de la conductance comme première grandeur suivie au cours d’un dosage. Anciennement on commençait par le pH (pHmètre ou indicateurs colorés).

5 Pourquoi choisir la conductance ?
Cellules conductimétriques faciles à réaliser, à interpréter Conductance G = U/I V A GBF N500 Hz U = 1V Dans un premier temps on peut utiliser pour introduire le concept, de simples plaques conductrices. Pour limiter les effets de bords, nous proposons une amélioration du système, facile à réaliser en laboratoire Le courrant alternatif évite la polarisation des électrodes.

6 Pourquoi choisir la conductance ?
Analyse des difficultés des élèves sur la Notion d’équivalence G VOH- Veq pH Les élèves pensent souvent que la réaction ne se produit qu’à l’équivalence ! La détection de l’équivalence par colorimétrie ou par saut de pH font croire aux élèves qu’il n’y a pas de réaction avant l’équivalence

7 Pourquoi choisir la conductance ?
Grandeur physique variant linéairement compétence transversale TICE Variable contrôlée V(mL) Réponse G(mS) Les élèves de seconde sont déjà familiarisé avec le vocabulaire : réponse, variable contrôlée et les modèles linéaires qui sont rares en chimie. Tableur

8 Pourquoi choisir la conductance ?
Technique très utilisée dans les laboratoires Courbes de titrage faciles à interpréter Attention :  La linéarité est valable dans un certain domaine de concentration

9 Trucs Astuces Conseils
Solution diluée dans becher et concentrée dans burette (linéarité de la réponse) Protection des plaques de la cellule (limiter les effets de bord) Éviter la polarisation de la cellule  alternatif   Attention aux impuretés : ça change conductivité ! Commencer par les exemples des documents d’accompagnement Pour négliger la dilution : 100 mL dans le becher, (solution peu concentrée) et solution plutôt concentrée dans la burette. 500 Hz est une bonne fréquence pour avoir une réponse correcte de la cellule. Pour la solution de NaCl, il faut prendre du sérum physiologique et non pas de l’eau de mer (impuretés)

10 Principales relations
 Conductivité  (en S.m-1) d’un électrolyte (M+, X-) de conductivités molaires respectives ioniques M et X En solution [M+] = [X-]  = [M+] (M+X) Conductance de la cellule Constante caractéristique de la cellule S/L G=  S/L Le B.O. précise bien « il n’est pas fait allusion à la mobilité des ions ». Mais pour le professeur , il peut être utile de se rappeler comment la conductivité est liée à la mobilité. Nous y reviendrons. Échelle des conductivités molaires ioniques : H+ > OH- > autres ions

11 Conductimétrie (2) Dosage par étalonnage utilisant la conductimétrie

12 Conductimétrie (2) Dosage par étalonnage utilisant la conductimétrie

13 Conductimétrie (3) Étude de courbes G = f(c) pour différents électrolytes

14 Conductimétrie (3) Étude de courbes G = f(c) pour différents électrolytes

15 Conductimétrie (4) Titrage acide-base utilisant la conductance

16 Tous les ions participent à la conduction
  Interprétation de courbes de dosage avec les conductivités molaires nOH- (versé) Cl- Na+ H+ OH- n (becher) Avant Equivalence Après Comme H+ > Na+ G  G  Na+ + OH- H3O++Cl- G (mS) Avant l‘équivalence dans le becher la quantité d’ions Na+ augmente , celle de H+ diminue. Pour expliquer que la conductance diminue il faut tenir compte de l’échelle de conductivité molaire ionique qui nous indique que la conductivité de H+ est bien plus importante. Après l’équivalence, l’interprétation de l’augmentation de la conductivité est plus simple puisque les ions conducteurs sont en augmentation.

17 Courbes de titrage Réactifs limitants nOH- = 0 = nH+ nOH- = 0 nH+= 0
Na+ + OH- H3O++Cl- G (mS) G VOH- Veq Bien insister sur le fait que l’on s’intéresse aux quantité de matière dans le becher : - avant l’équivalence les ions hydroxydes sont limitant, - après, ce sont les ions oxonium OH- nOH- = 0 H+ nH+= 0 Dans le becher nOH- = 0 = nH+ Réactifs limitants

18 A propos de l ’équivalence
Utilisation du tableau d ’évolution du système

19 A propos de l ’équivalence
Utilisation du tableau d ’évolution du système

20 A propos de l ’équivalence
Utilisation du tableau d ’évolution du système

21 Exemples de confusions des élèves
« A l’équivalence, les réactifs ont réagi dans les proportions stœchiométriques » C’est le cas tout au long du dosage ! « A l’équivalence, la quantité d’acide est égale à la quantité de base » A l’équivalence : acideinitial et baseversée ont disparu du becher !

22 Nouvel environnement Définition de l’équivalence : changement de réactif limitant lors d’une transformation totale et instantanée des espèces chimiques contenues dans l’échantillon à doser et dans la solution titrante Il y a là un changement assez radical dans cette nouvelle définition. Une des anciennes définitions que l’on rencontrait pour l’équivalence est : à l’équivalence, les réactifs en présence sont en quantités stœchiométriques. Conséquence : à l’équivalence, les quantités de réactifs titré et titrant sont toutes deux nulles dans le becher

23 Chimie : liste de matériel (1)

24 Liste de matériel (2)

25 Liste de matériel (3)

26 Liste de matériel (4)