Le nouveau programme de chimie de la classe de première...

Le nouveau programme de chimiede la classe de première scientifique

NOTE DE LA RÉDACTION

Le texte qui suit a été rédigé par le groupe de chimie du Groupe technique disci-plinaire (GTD) de physique-chimie, chargé de la rédaction des programmes ; ilest donc en relation étroite avec les nouveaux programmes de chimie du lycée.Afin d’en rendre la lecture la plus large possible, le GTD a souhaité que ce textesoit publié dans le BUP. Le comité de rédaction du BUP, dans le souci de fourniraux collègues l’information la plus complète possible, a souscrit à cette demande.Cet article sera également disponible sur le serveur de l’UDP (*) ainsi qu’unautre article des mêmes auteurs sur l’enseignement de la chimie en première, parudans l’Actualité Chimique.

(*) http://www.cnam.fr/hebergement/udp

http://www.cnam.fr/hebergement/udp

Le nouveau programme de chimie de la classe de première scientifiqueLa mesure en chimie

par Dominique DAVOUS, Marie-Claude FEORE, Laure FORT, Robert GLEIZE,Thierry LÉVÊQUE, Marie-Blanche MAUHOURAT, Thérèse ZOBIRI

Membres du GTDet Ludovic JULLIEN,

Membre du CNP

L’évaluation des quantités de matière est l’un des objectifs prioritaires de la

chimie. Celle-ci fait traditionnellement partie du programme de chimie des classes

scientifiques du Lycée ; après l’établissement des premiers bilans de matière en classe

de seconde, les dosages par étalonnage et par titrage apparaissent à de nombreuses

reprises en classes de première et terminale scientifiques. Ces techniques et les notions

sous-jacentes présentent des difficultés considérables pour un grand nombre d’élèves.1

Les membres du GTD chargés de la réforme du programme de chimie de la classe de

première scientifique ont introduit un chapitre exclusivement consacré à l’évaluation

des quantités de matière2. Cet article expose les principes qui ont déterminé la rédaction

de ce programme, paru au BO hors série n° 7 du 31 août 2000, et qui entrera en application

dans les lycées à la rentrée 2001. Les choix opérés résultent d’une analyse des difficultés

des élèves.

Vol. 94 - Décembre 2000 D. DAVOUS...

BULLETIN DE L'UNION DES PHYSICIENS 3

LE NOUVEAU PROGRAMME DE LA CLASSE DE PREMIÈRE – LE NOUVEAU

1. Les difficultés rencontrées lors de l’introduction de la notion d’équivalence ont déjà été évoquéesdans l’article consacré à la transformation chimique d’un système dans le cadre de la présenta-tion dunouveau programme de Seconde. Voir D. DAVOUS, M.-C. FEORE, L. FORT, T. LÉVÊQUE,M.-B. MAUHOURAT, J.-P. PERCHARD, L. JULLIEN : «Le nouveau programme de la classe deseconde : Transformation chimique d’un système, Le modèle de la réaction chimique»,Bul-letin de l’Union des Physiciens, 1999, 93, 3-35.

2. Un article paru dans l’Actualité chimique et disponible sur le serveur de l’UDP :http://www.cnam.fr/hebergement/udp présente l’ensemble du programme de chimie de laclasse de première S et la mise en perspective sur la Terminale. Voir D. DAVOUS, M.-C. FEORE,L. FORT, R. GLEIZE, T. LÉVÊQUE, M.-B. MAUHOURAT, T. ZOBIRI, L. JULLIEN : «La chimie aulycée : le nouveau programme de la classe de première scientifique».Actualité chimique,octobre 2000, 10,23-27.

En illustrant une activité importante du chimiste, la mesure, le programme dePremière S prolonge l’apprentissage de la transformation chimique et de la réaction chi-mique commencé en classe de seconde et qui se poursuivra en Terminale S. Dans cecadre, l’objectif de la classe de première S est la compréhension du titrage ainsi que del’équivalence.L’article propose une démarche pour l’apprentissage du titrage et de

l’équivalence, suivie de propositions de progressions à mettre en œuvre par les élèves

en travaux pratiques3.

1. LA DÉTERMINATION DES QUANTITÉS DE MATIÈRE EN CHIMIE

1.1. Principes généraux

La détermination des quantités de matière peut être réalisée selon deux approchesdistinctes4 : les dosages utilisant une méthode par étalonnage et les dosages utilisantune réaction chimique ou titrages.

1.1.1. Dosage utilisant une méthode d’étalonnage

La mesure d’une grandeur physique du système (absorbance, conductance, etc.) etl’analyse de cette mesure permettent de réaliser un dosage soit dans le cadre empiriqued’un étalonnage préalable (utilisation d’une série de mesures), soit dans le cadre del’application d’une relation entre une observable et une quantité de matière(pH = – log[H3O

+] ; A = ε × l × c ; p × V = n × R× T, par exemple). Dans le contexte duLycée, la démarche d’étalonnage est traditionnellement illustrée dans les programmesactuels par la comparaison de l’absorbance d’une solution de concentration inconnueavec celle d’une échelle de teintes. D’une manière plus générale en chimie, le principede la détermination des quantités de matière par étalonnage repose sur l’utilisation decapteurs (sonde pH-métrique, cellule conductimétrique, photodiode, etc.) spécifiquesou non d’une espèce chimique.

Le nouveau programme de chimie de la classe de première... BUP n° 829

4 BULLETIN DE L'UNION DES PHYSICIENS


3. Le document d’accompagnement en cours d’élaboration propose des compléments théoriques etexpérimentaux destinés à aider l’enseignant dans l’élaboration des cours et des travaux pratiques.

4. Ces deux approches ont fait l’objet d’une introduction dans un contexte non chimique. Voirl’annexe de l’article cité en note 1.

1.1.2. Dosage utilisant une réaction chimique : titrage

Cette méthode repose sur le changement de réactif limitant lors d’une transforma-tion totale et instantanée des espèces chimiques contenues dans l’échantillon à doser etdans la solution titrante : c’est le principe des titrages. Contrairement à l’approche pré-cédente, la spécificité vis-à-vis de l’espèce chimique à doser, garante de la fiabilité dutitrage, repose ici sur sa réactivité et non sur sa structure.

2.1. Difficultés et limites actuellement rencontrées par les élèves du lycée.Justification des choix pour «la mesure en chimie»

Ce paragraphe recense les difficultés rencontrées par les élèves lors de l’introduc-tion des dosages en chimie. En regard, il explicite les choix ayant amené à la rédactionfinale du programme de Première S.

2.1.1. Cas des méthodes fondées sur l’étalonnage

Difficultés actuellement rencontrées par les élèvesJustification du choix

¬ Utilisation d’une grandeur physique (volume, masse, pression) pour déterminerune quantité de matière

Équations aux dimensions : expressions littéra-les et unités à utiliser. – Réinvestissement des lois et relations intro-

duites en classe de seconde (équation des gazparfaits, relations entre masse, volume, quantité dematière, concentration).

– Travail sur la compétence :Expression d’unrésultat avec un nombre de chiffres significatifscompatible avec les conditions de l’expérience.




Choix de la conductance comme grandeur physique d’analyse d’une solution5

– Cohérence et complémentarité avec les notionsd’électrostatique et d’électrodynamique du pro-gramme de physique ; illustration microsco-pique de la notion de courant électrique.

– Dispositif de mesure existant dans les lycées

(GBF et multimètre) à compléter seulement avec

une cellule conductimétrique. En lien avec le

cours de physique, le principe de fonctionne-

ment d’une cellule de conductimétrie est aisé à

faire comprendre (beaucoup plus que celui des

électrodes de pH-métrie où l’électrode de réfé-

rence et l’électrode de mesure sont souvent com-

binées en une seule).

– Mise en évidence de relations structure/pro-priétés par comparaison des valeurs des conduc-tivités molaires ioniques.

– Grandeur physique variant linéairement (dansun certain domaine) avec la concentrationapportée d’une espèce chimique.

– Technique de suivi conductimétrique choisiepour le titrage acide-base en raison des courbesfacilement interprétables.

– La conductimétrie permet d’étudier séparé-ment l’influence de la dilution et l’influence dela nature des ions (isoler un paramètre).

– Technique très utilisée dans les laboratoiresd’analyse (eaux, etc.).

® Utilisation d’un capteur pour réaliser une série de mesures(cellule de conductimétrie, sonde de pression, etc.)

– Pourquoi est-il nécessaire d’avoir beaucoupde points expérimentaux (établissement d’untableau ou tracé d’un graphique) pour détermi-ner une valeur inconnue ?

– Faut-il tous les garder ? Sur quels critères ?

– Précision d’une série de mesures : présenta-tion et réflexion.




5. Pour des raisons d’horaire limité, il n’a pas été possible, en classe de première S, d’introduired’autres grandeurs physiques que la conductance (telles que le pH ou l’absorbance parexemple) ; ces grandeurs seront abordées en classe de Terminale S.

a) Exploitation manuelle

– Tracé d’un graphique à partir de données ex-périmentales :Que faut-il mettre en abscisse ?En ordonnée ? Si les résultats sont linéarisables,quelle droite moyenne tracer ?

– Expression de la relation linéaire (détermina-tion du coefficient directeur de la droite, de sonunité, et des ordonnées à l’origine).

– Travail sur la compétence transversale liéeaux mathématiques :Construire un graphe etl’utiliser.

– Réflexion sur la présentation habituelle desgraphiques en sciences : la variable (que l’oncontrôle ici) se trouve en abscisse et la réponsede la chaîne de mesure en ordonnée.

b) Exploitation à l’aide d’une calculatrice ou d’un tableur

– Utilisation de la calculatrice en mode statis-tique : choix de la régression (ax + b ou a +bx),interprétation du coefficient de corrélation, choixde l’abscisse et de l’ordonnée.

– Tableurs scientifiques : tracé de courbes etmodélisation mathématique.

– Travail sur la compétence liée aux manipula-tions et aux mesures :Faire l’étude statistiqued’une série de mesures indépendantes en utili-sant une calculatrice ou un tableur.

– Travail sur la compétence transversale liéeaux TICE :Utiliser un tableur ou un logiciel dé-dié au traitement des résultats expérimentaux etles présenter graphiquement.

2.1.2. Cas des méthodes fondées sur le titrage

Difficultés actuellement rencontrées par les élèvesJustification du choix

¬ Pourquoi mettre en œuvre un titrage ?

– L’intérêt de mettre en œuvre une réaction chi-mique pour évaluer une quantité de matière n’estpas perçu.

– Intérêt de cette technique, soit lorsque aucunegrandeur physique n’est spécifique d’une espèceparticulière dans un mélange d’espèces (le do-sage par étalonnage est alors impossible), soitparce qu’il n’existe aucune grandeur physiqueaccessible pour des élèves de Lycée.

Comment suivre un titrage ?

a) Choix du suivi par changement de couleur d’une solution

– Manque de discernement dans la conduite pra-tique d’un titrage : faut-il observer le contenu dubecher ou l’ajustement du niveau dans la burettelors des ajouts ?

– L’interprétation de l’observation est directe etaisée en terme d’analyse de l’état final du sys-tème après chaque ajout.




b) Choix du suivi conductimétrique

– Lors des suivis colorimétriques ou pH-métri-ques, certains élèves pensent que le système nese transforme pas lors des premiers ajouts (faiblevariation de l’observable), mais seulement lorsde l’addition de la goutte de réactif titrantconduisant à une forte variation de l’observable(saut de pH, changement de couleur).

– Difficulté à donner un sens chimique à la sin-gularité géométrique correspondant au pointd’équiva-lence (courbe pH-métrique).

– Variation linéaire de la conductance (si la di-lution est négligeable) dès le premier ajout deréactif titrant qui permet de bien comprendre latransformation du système.

– Interprétation simple de la rupture de penteobservée sur le graphique à l’équivalence grâceau tableau de description de l’évolution du sys-tème au cours du titrage (réinvestissement duprogramme de 2nde) et de la considération desmobilités ioniques (déjà étudiées lors du coursd’introduction à la conductimétrie).

® Comment exploiter le titrage ?

– Compréhension souvent difficile de la notiond’équivalence ; les élèves écrivent des phrasesdu type :A l’équivalence, les réactifs ont réagidans les proportions stœchiométriques,ce quiest déjà vrai lors du premier ajout de réactif ti-trant ; A l’équivalence, la quantité d’acide estégale à la quantité de base, ce qui montre qu’ilsne discernent pas les quantités de réactifs appor-tées des quantités réellement présentes dans lebecher.

– Établir la relation entre les quantités de ma-tière pour déterminer la concentration de l’es-pèce à titrer.

– Utilisation du tableau de description de l’évo-lution du système au cours du titrage pour com-prendre pas à pas la transformation totale du sys-tème lors de chaque ajout de titrant.

– Émergence de cette relation à l’aide du ta-bleau : à l’équivalence, les quantités des réactifstitré et titrant sont toutes deux nulles à l’état finaldu système.

¯ Comment exprimer les résultats expérimentaux ?

Mauvaise adéquation du nombre de chiffres si-gnificatifs du résultat expérimental avec la pré-cision de la mesure.

Travail sur le savoir-faire (exigible) :Estimerla précision du dosage (justification dunombre de chiffres significatifs employés).

Afin de faciliter l’apprentissage du dosage, il est apparu souhaitable de traiter suc-cessivement :

– des grandeurs physiques reliées aux quantités de matière. Leur introduction fournitl’occasion d’illustrer les méthodes de dosage par étalonnage. Par ailleurs, ce sont cesgrandeurs qui déterminentin fine l’allure géométrique des courbes obtenues lors d’untitrage,

– le principe et la mise en œuvre du titrage qui permettent d’interpréter l’équivalencesans recourir à une approche exclusivement géométrique.




En classe de première S, il a semblé raisonnable de ne mettre en place que desgrandeurs physiques observables reliées de manière linéaire aux quantités de matière,ce qui présente deux avantages considérables : d’une part ceci facilite l’analyse desquantités de matière lors d’un dosage reposant sur un étalonnage, d’autre part, ceci per-met d’analyser plus aisément les courbes expérimentales en référence aux bilans dematière. Ainsi la conductance a été introduite comme observable ; cette dernière, ainsique le changement de couleur d’une solution sont ensuite utilisés pour réaliser des titrages.

L’étalonnage ne posant pas aux élèves de difficulté particulière, l’accent est misdans la partie 2 sur l’apprentissage du titrage ainsi que de l’équivalence. Cette partieprésente l’esprit et la finalité d’une démarche destinée à ces apprentissages à partir desbilans de matière utilisant le tableau mis en place en classe de seconde décrivant l’évo-lution d’un système en fonction de l’avancement de la réaction.

2. UNE DÉMARCHE PROPOSÉE EN VUE DE L’APPRENTISSAGE DU TITRAGEET DE L’ÉQUIVALENCE

Un titrage est une succession d’opérations de même nature consistant à épuiserl’espèce chimique contenue dans l’échantillon à doser lors d’additions répétées dequantités connues d’un réactif titrant. L’espèce chimique à titrer se transforme de façontotale et instantanée à chaque ajout du réactif titrant. La quantité d’espèce chimique àdoser est évaluée à l’équivalence qui marque le changement de réactif limitant lors de latransformation réalisée.

La démarche proposée comporte trois étapes ; l’illustration choisie est celle dutitrage d’une solution de sulfate de fer(II) (acidifiée par de l’acide sulfurique) par unesolution de permanganate de potassium.

Première étape

L’objectif est de définir le système pour une addition d’un volumeV quelconquede réactif titrant en vue d’introduire le tableau descriptif de l’évolution du système utili-sant l’avancement. La difficulté est de comprendre que l’avancement maximum estévolutif au cours du titrage et qu’il prend des valeurs différentes selon le volume de lasolution de réactif titrant versé.




La progression est présentée en s’appuyant sur trois schémas.

Le schéma 1décrit les opérationseffectuées lors de la manipulationen versant, mL par mL, avec uneburette graduée, un volumeVd’une solution de permanganatede potassium (solution titrante)dans une solution acidifiée d’ionsFe2+ (solution à titrer).

Le schéma 2est un schéma inter-médiaire pour faciliter la défini-tion du système à prendre encompte lors du titrage. Chaquetransformation unitaire totale etinstantanée redéfinit le système etson état : l’état final de l’undevient l’état initial du suivantavant addition d’un nouveauvolume de réactif titrant.

Le schéma 3représente le sys-tème à considérer lors de l’addi-tion d’un volume V quelconque.Il est utilisé pour construire letableau descriptif de l’évolutiondu système (donné page suivante).




Tableau :

v beaucoup, H2O ; ou en quantité suffisante, H+(aq).

Ce tableau indique :

– l’équation de la réaction chimique considérée,

– l’état initial du système réactionnel constitué de la solution de sulfate de fer(II) et de

la solution de permanganate de potassium, c’est-à-dire lorsqu’un volume V de la

solution titrante a été versé dans la solution d’ions Fe2+

,

– l’état du système réactionnel pour un avancement quelconquex. Il nous paraît néces-saire de bien faire figurer cette ligne d’une part pour être en cohérence avecl’apprentissage mis en place en Seconde et d’autre part en vue de l’approche ciné-tique de l’équilibre qui sera faite en Terminale S,

– l’état final du système réactionnel pour un volume verséV de la solution d’ionsMnO4

- lorsque la transformation chimique est terminée.

Deuxième étape

L’objectif est de définir l’équivalence indépendamment de l’observable utilisée

lors du titrage expérimental. Pour l’écriture des quantités de matière à l’état final, il

résulte de l’observation du tableau que trois cas doivent être envisagés : lorsque les ions

MnO4-sont le réactif limitant, lorsque les ions fer(II) sont le réactif limitant et à l’équi-

valence. Comme en classe de seconde, il s’agit de rechercher, dans chaque cas, le réac-

tif limitant et d’établir les relations correspondantes.




Équation MnO4– + 5Fe2+ + 8 H+(aq) → +Mn 2 + +5 Fe3 + 4 H O2

Quantité de matière

dans l’état initial

(mol)

n(MnO4–,versé) n(Fe2+, initial) v 0 0 v

Quantité de matière

au cours de la

transformation (mol)

n(MnO4–,versé) –x n(Fe2+, initial) – 5 ×x v x 5 × x v

• Premier cas :les ions permanganate ajoutés sont le réactif limitant (c’est la situation

«avant» l’équivalence) :

n(MnO4–, versé) – xmax = 0 et n(Fe

2+, initial) – 5 × xmax > 0

soit n(MnO4–, versé) – xmax et n(Fe

2+, initial) > 5 × n(MnO4

–, versé)

Ainsi n(MnO4–, final) = 0 et n(Fe

2+, final) = n(Fe

2+, initial) – 5 × n(MnO4

–, versé)

• Deuxième cas :les ions fer (II) sont le réactif limitant (c’est la situation «après»

l’équivalence) :

n(Fe2+

, initial) – 5 × xmax= 0 et n(MnO4–, versé) – xmax > 0

soit n(Fe2+

, initial) = 5 × xmax et n(MnO4–, versé) > xmax = 1/5 × n(Fe

2+, initial)

ainsi n(Fe2+

, final) = 0 et n(MnO4–, final) = n(MnO4

–, versé) – 1/5 × n(Fe2+

, initial)

• Troisième cas : la quantité d’ions permanganate de potassium versé correspond à unequantité d’ionsMnO4

– exactement suffisante pour faire réagir tous les ions Fe2+(aq).

L’équivalence est définie comme le changement de réactif limitant(le volume cor-respondant est le volume équivalent).

n(MnO4–, versé) – xmax= 0 et n(Fe

2+, initial) – 5 × xmax= 0

soit xmax = n(MnO4–, versé) = 1/5 × n(Fe

2+, initial)

soit n(MnO4–, versé) = 1/5 × n(Fe

2+, initial)

Afin de faciliter l’analyse de la variation de l’observable lors du titrage, il est pos-

sible de tracer une courbe représentant la variation des quantités de matière des espèces

présentes au cours du titrage en fonction de la quantité d’ions MnO4– introduite. Cette

courbe met en évidence deux domaines et un point singulier.




Figure 1 : Évolution des quantités d’ions permanganate et d’ions fer(II)en fonction de la quantité d’ions permanganate versé6

L’équivalence acquiert ainsi un sens chimique à partir des bilans de matière ; cetteapproche évite l’écueil d’une analyse purement géométrique des courbes de titrageexpérimentales. L’équivalence n’est plus un point d’inflexion ou un point associé à unerupture de pente sur une courbe mais elle est définie comme le changement de réactiflimitant.

Troisième étape

Il reste alors à relier, lors des travaux pratiques, l’observable aux quantités dematière des espèces chimiques présentes ; les observables pour la détection de l’équiva-lence sont, dans le cadre du programme de la classe de première scientifique, soit laconductance de la solution titrée (titrage conductimétrique), soit le changement decoloration de la solution (titrage redox par exemple). C’est la confrontation de la courbeexpérimentale avec l’analyse de l’observable, en lien avec le bilan de matière, qui per-met finalementde déterminer la concentration molaire inconnue de la solution d’ions

fer(II), ce qui constitue l’objectif du titrage.




6. Les quantités de matière dans l’état final correspondent à la dernière ligne du tableau et sontexplicitées dans les relations.

CONCLUSION

L’identification des difficultés des élèves a permis d’opérer des choix pour l’étude

de la transformation chimique et de la réaction chimique abordée sous l’angle de la

mesure dans la première partie du programme de la classe de première S. La grandeur

physique retenue est la conductance en raison de sa variation linéaire, dans une gamme

de concentrations limitée, avec les concentrations molaires des espèces chimiques pré-

sentes en solution.

Dans une première étape d’apprentissage, le caractère chimiquement signifiant

d’une courbe de titrage obtenue à partir des bilans de matière, combiné au choix judi-

cieux de la grandeur physique observée, semble bien convenir pour faciliter l’appro-

priation du principe du titrage. Une fois cette étape franchie, les élèves éprouveront

moins de difficultés à comprendre comment le suivi d’une grandeur à dépendance non

linéaire en quantité de matière telle que le pH détermine l’allure des courbes de titrage

potentiométrique.

En classe de seconde et de première S il a été choisi d’étudier des transformationstotales et instantanées et d’évaluer des quantités de matière. L’évaluation de ces quanti-tés de matière sera réinvestie en Terminale S pour l’étude de l’évolution de systèmeschimiques au cours de transformations «lentes et limitées».

D’autres grandeurs physiques, variant linéairement ou non avec les quantités dematière présentes (l’absorbance et le pH par exemple) seront introduites pour le suivicinétique et l’analyse des systèmes à l’équilibre.

Des progressions pédagogiques pouvant être mises en œuvre en travaux pratiquespar les élèves sont présentées, parfois précédées d’expériences de cours ; elles sontconçues pour correspondre à quatre séances de travaux pratiques ; elles ne sont paspour autant des fiches de TP à utiliser directement par les élèves. D’une manière géné-rale, afin de motiver les élèves, l’enseignant finalise les travaux pratiques par des illus-trations prises dans la vie courante, les applications industrielles, etc. Par ailleurs ils’efforce de susciter, comme en classe de seconde, le questionnement des élèves.




3. PROGRESSIONS ÉLÈVES EN TRAVAUX PRATIQUES : QUELQUES EXEMPLESDE DÉTERMINATION DES QUANTITÉS DE MATIÈRE EN PREMIÈRE S

3.1. Dosage par étalonnage utilisant la conductance

3.1.1. Première partie :dosage du chlorure de sodium dans le sérum physiologique

Cette manipulation, comme la plupart de celles qui sont proposées pour le pro-gramme de Première S, est à construire à partir d’un questionnement des élèves. Plutôtque de présenter la séance sous la forme «Dosage d’une solution de sérum physiolo-gique», il est préférable de proposer aux élèves la recherche et l’élaboration d’un proto-cole permettant de répondre à la question «Le sérum physiologique étant une solutionde chlorure de sodium, comment en déterminer la concentration dans le sérum physio-logique sachant que l’on dispose d’une solution de chlorure de sodium de concentrationconnue ?»

a) Matériel et montage expérimental

L’élève dispose d’une solution mère de chlorure de sodium de concentrationmolaire 1,00× 10-2 mol.L-1, du matériel de laboratoire approprié pour réaliserune série

de solutions «filles» diluées à partir de cette solution mère (concentrations de

9,00 × 10-3à 1,00 × 10-3

mol.L-1) et d’une solution de sérum physiologique.

Schéma du montage électrique utilisant un GBF :




b) Rappels sur la conductimétrie7

Une solution électrolytique conduit le courant. La conductance d’une portion desolution peut être mesurée grâce à une cellule de conductimétrie, constituée de deuxélectrodes planes et parallèles, reliée à un système de mesure. Afin de garder un lienétroit avec le cours d’électricité de Première S, l’enseignant est invité à utiliser non pasun conductimètre mais le montage proposé ci-dessus. La source de tension alternative apour rôle d’empêcher la polarisation des électrodes et les phénomènes d’électrolyse.

La conductanceG de la solution dépend de la géométrie de la cellule (surfaceSetdistanceL) et de la nature de la solution :G = σ × S/L (S/L est la constante de cellule, K).La conductivité,σ, de la solution dépend de sa composition, de sa concentration et de latempérature. Pour une solution de chlorure de sodium par exemple, ce qui est le cas dusérum physiologique, la conductivité s’écrit :σ = c × [(λ(Na

+) + λ(Cl

-)], où λ(Na

+) et

l(Cl-) sont les conductivités molaires ioniques des ions présents en solution

8. Elles

dépendent de la température et de la concentration molaire c (aux faibles concentra-

tions, on peut considérer qu’elles sont cependant peu dépendantes de la concentration).

On constate donc qu’en solution très diluée, à température constante et pour une cellule

de géométrie donnée, la conductance est une grandeur proportionnelle à la concentra-

tion.

c) Élaboration du protocole d’étalonnage

L’élève ayant abordé la conductance des solutions électrolytiques et constaté lerôle des diverses grandeurs d’influence (concentration, dimensions de la cellule, tem-pérature, etc.) lors d’une expérience de cours, il est conduit à proposer un protocole dela méthode d’étalonnage. L’enseignant oriente la recherche dans la classe de façon àprivilégier les propositions conduisant à une démarche correcte :

– préparer des solutions filles de concentrations décroissantes à partir de la solution mère,

– mesurer leur conductance,

– construire une courbe d’étalonnage,

– utiliser la courbe d’étalonnage et la conductance de la solution de sérum physiolo-gique pour en déduire la concentration en chlorure de sodium de cette solution.




7. Ces brefs rappels de conductimétrie sont donnés ici pour faciliter la lecture de cet article.8. Les conductivités molaires ioniques sont assimilées aux conductivités molaires ioniques

à dilution infinie dont les valeurs sont disponibles dans les tables.

L’enseignant amène les élèves à comprendre la nécessité de conserver les gran-deurs d’influence constantes pour ne faire varier que la concentration. Il est parexemplepeu raisonnabledefaire travailler chaquebinômesur uneseulesolution fill eetd’échanger ensuite les valeurs des conductances pour tracer la courbe G = f (c).

d) Conduite de l’étalonnage et résultats

Pour chaque solution, en commençant par la solution la plus diluée pour ne pasperturber les mesures (en cas de rinçage insuffisant de la cellule de conductimétrie) etsans changer la disposition de la cellule dans la solution , ajuster la valeur de la tensionefficace U à 1,00 V. Mesurer la valeur efficace du courant I en mA. Calculer G = I / Uen mS. Lesrésultatsdemesuressont indiquésci-aprèsdansun tableau. Lesmesuresontété réalisées avec une cellule (décrite en annexe de cette partie) dont les plaques decuivre de surface environ 1 cm2, sont distantes de 1 cm environ.

c (mmol.L-1) 0 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,0

G (mS) 0 0,22 0,43 0,65 0,86 1,08 1,28 1,49 1,70 1,91 2,11

Lesdonnéesdu tableau permettent deconstruire lacourbed’étalonnagereprésentéesurla figure 2.

Figure 2 : Courbe d’étalonnage conductimétrique G = f (c), pour des solutions de chlorure de sodium




e) Valeur mesurée de la concentration du sérum et comparaison avec la valeur luesur l’étiquette

Par une mesure, l’élève constate de lui-même que la solution de sérum est tropconcentrée pour que sa conductance puisse être déterminée grâce à la courbe d’étalon-nage précédente. Il est amené à estimer et à réaliser la dilution adéquate pour que laconductance du sérum dilué soit incluse dans la plage de conductance de l’étalonnage9.

La solution de sérum injectable, diluée 20 fois, a une conductance de 1,67 mS dansles conditions de mesure de l’étalonnage. On déduit de la courbe d’étalonnage la valeur dela concentration molaire de la solution diluée de sérum physiologiquec/20 = 7,85× 10-3 mol.L-1

soit c = 0,157 mol.L-1 pour la solution mère de sérum physiologique. La concentrationmassique correspondante est de 9,18 g L-1. L’étiquette du produit donne 9,0 g.L-1.L’écart relatif entre la mesure et la valeur annoncée est de l’ordre de 2 %. L’écart à lavaleur annoncée peut avoir diverses origines liées à la méthode de mesure, à la prépara-tion des solutions, etc. ; il ne peut cependant s’interpréter que si l’on connaît la tolé-rance admise par le fabricant pour ce produit (généralement± 5 % dans l’industrie phar-maceutique).

3.1.2. Deuxième partie : étude de quelques courbes d’étalonnagede solutions d’électrolytes courants

Tout en sensibilisant les élèves à la notion de relation structure-propriétés au tra-vers de l’analyse des conductivités ioniques molaires, ce TP a pour objectif de préparerles élèves à l’interprétation du titrage conductimétrique acide-base en utilisant les cour-bes d’étalonnage, construites ou fournies, pour différents électrolytes intervenant dansles réactions acide-base.

La conductance d’une solution dépend à la fois de la nature et de la concentrationdes ions présents.

Les courbes d’étalonnage tracées pour plusieurs solutions ioniques permettent devalider la relation existant entre conductivité, concentration molaire et conductivitéionique molaire des différents ions dans la gamme de concentration choisie. Elles per-




9. La méthode d’étalonnage ne nécessite pas nécessairement une relation linéaire entre deuxgrandeurs, iciG et c (rappelons d’ailleurs que la variation deG avecc n’est linéaire que dansune gamme de concentration limitée). Le choix de privilégier le domaine de concentration oùil y a une relation affine entre les deux grandeurs implique ici de diluer la solution de sérumphysiologique.

mettent par ailleurs de comparer les conductivités molaires ioniques de quelques ions etde les corréler avec leur nature.

Les courbes de la figure 3 ont été établies avec des solutions de chlorure desodium, de chlorure de potassium, d’hydroxyde de sodium et de chlorure d’hydrogène(la cellule employée est différente de la cellule utilisée dans la manipulation précé-dente).

Figure 3 : Courbes d’étalonnageG = f (c) pour différentes solutions ioniques

On remarque :

– la relation affine existant entre la conductance de la solution et la concentrationmolaire en électrolyte (pourc < 0,010 mol.L-1) pour la totalité des électrolytes étu-diés dans la gamme de concentration choisie,




– la dépendance du coefficient directeur des droites d’étalonnage, interprétée commele produit de la constante de cellule, K, par la somme des conductivités ioniquesmolaires des ions d’un couple, avec la nature des ions.

Comparer, à concentrations molaires égales, les conductances des solutions dechloruredesodium, dechloruredepotassium et d’acidechlorhydrique, dont l’io n com-mun est Cl-, en tenant comptede la relation donnant laconductivité, revient àcomparerles conductivités molaires ioniques des cations oxonium, sodium et potassium. Onobserve ainsi que les ions oxonium se singularisent par une conductivité ioniquemolaire beaucoup plus élevée que celle des autres cations. La même comparaison entreles conductivités des solutions de soude et de chlorure de sodium, dont l’io n communest Na+, montrequel’io n hydroxyde auneconductivité ioniquemolairebien supérieureà celle de l’io n chlorure. Ces résultats sont exploités dans le titrage suivant.

Annexe : Présentation de la cellule de conductimétrie utilisée pour les mesures

Les électrodes de cuivresont constituées àpartir de pla-quesdecircuit imprimé. Lesup-port parallélépipédique est faitde matière plastique, inaltérableà l’eau. Les deux électrodes ysont fixées après avoir étéconnectées àdeux fil s munis defiches mâles. Le courant nepasse pas que dans le parallélé-pipède de solution limité par lesélectrodes ; il suit les lignes dechamp qui, sur les bords, sontdéformées. La cellule est doncpourvue d’un encadrement dematière plastique, transparent etperforé, lui procurant une géo-métrie et un environnement par-faitement définis et évitant leseffets de bord. Les électrodesdoivent être parfaitement déca-pées.




Catherine Bouyssou

note

Cette cellule est reliée à un GBF (sortie basse tension et dispositif relié à la terre). Toutefois par souci de sécurité, les soudures doivent être protégées ou les fils équipés de fiches de sécurité. Comme il a été dit dans l'introduction générale à ce document : "Il est souhaitable de commencer la conductimétrie en réalisant les premières mesures de G à partir de mesures de la tension aux bornes de la cellule de conductimétrie et du courant qui la traverse quand elle est alimentée par un GBF. La conductimétrie étant réinvestie en Terminale S, il est possible d'équiper le laboratoire avec des conductimètres." Plusieurs fournisseurs de matériel de laboratoire travaillent actuellement à la mise au point d'équipements modulables adaptés aux objectifs pédagogiques des mesures de conductimétrie, y compris des sondes conductimétriques simples (à relier à un GBF).

3.2. Titrage acide-base utilisant la conductance

Dans le dosage par étalonnage utilisant la conductance les élèves ont découvertque, dans une gamme limitée de concentrations, la conductance est proportionnelle auxconcentrations molaires des espèces ioniques et dépend de la nature des ions présents ;ils ont observé que les ions hydroxyde et oxonium se singularisent par une conductivitéionique molaire beaucoup plus élevée que celle des autres ions. Ils vont maintenantexploiter ces informations pour effectuer le titrage conductimétrique d’une solutiond’acide chlorhydrique par une solution de soude.

La manipulation élève est précédée d’expériences de cours, élaborées à partir de ladémarche proposée en partie 2.

3.2.1. Expériences de cours

L’enseignant réalise le montage expérimental permettant la mesure de la conduc-tance d’une solution ; les élèves connaissent ce montage ; ils ont fait des mesures deconductance lors des dosages par étalonnage. Dans un becher contenant un volumeVd’une solution d’acide chlorhydrique à titrer10 (par exemple,V = 10,0 mL) et environ100 mL d’eau11, l’enseignant plonge la cellule conductimétrique. Il dispose d’uneburette contenant une solution d’hydroxyde de sodium de concentration connue(1,00× 10-1 mol.L-1).

Il donne les objectifs des expériences de cours : définir le système chimique àprendre en compte lors d’un titrage ; analyser qualitativement et quantitativementl’évolution du système au cours d’un titrage ; relier la composition du système et laconductance de la solution contenue dans le becher. Il rappelle que tous les ions pré-sents en solution contribuent à la conductance de la solution. Il est donc nécessaire,pour comprendre l’évolution de la conductance, de spécifier tous les ions présents ensolution et d’écrire la réaction chimique associée à la transformation au cours dutitrage. L’objectif du titrage, quant à lui, est de déterminer la concentration molaireinconnue via la quantité d’acide chlorhydrique dans le becher. Il fera l’objet de la mani-pulation élève (voir paragraphe 3.2.2.).




10. La concentration de la solution d’acide chlorhydrique est égale à 1,00× 10-1 mol.L-1, parexemple.

11. L’eau ajoutée est destinée à négliger l’influence de la dilution sur la valeur de la conduc-tance lors des ajouts de solution titrante au cours du titrage.

a) Première expérience

L’enseignant mesure la conductance de la solution contenue dans le becher avantajout de la solution de soude. Il indique aux élèves sa valeurG0 et leur demande :

Quels sont les ions présents en solution avant ajout de la solution de soude12 ?

H3O+ et Cl- (aq)13

b) Deuxième expérience

L’enseignant verse un volumeV1 = 1,0 mL de la solution de soude dans le becher.

Il mesure la conductance et indique aux élèves la valeur obtenue,G1.

Pour pouvoir relier les observables,G0 etG1, aux quantités de matière des espèces chi-miques présentes, il propose une approche à la fois qualitative et quantitative, un va etvient entre le bilan de matière et le signal observé.

b.1. Observation

Les élèves observent que la valeur de la conductance diminue :G1 < G0

b.2. La dilution peut-elle expliquer la valeur de G1 ?

Non (l’étalonnage a montré que la variation attendue par dilution est de l’ordre de 1 %).




12. Conventions d’écriture :• Les ions en solution aqueuse sont suivis de l’indication (aq) sauf dans le cas particulier du proton.• Le proton en solution aqueuse peut donner lieu à plusieurs écritures :- H+(aq) ; cette écriture conventionnelle, simple et cohérente avec celle utilisée pour les au-tres ions, facilite l’écriture de nombreuses équations chimiques.- H3O+ (l’IUPAC recommande l’appellation oxonium). L’écriture H3O+(aq) n’est pas nécessaire.• Pour l’ion hydroxyde, on acceptera les deux symboles : OH– (aq) et HO– (aq).

13. En vert dans le texte, les réponses attendues.

b.3. Quels sont les ions présents dans le becher après addition d’un volume V1 dela solution de soude ? Y a-t-il eu transformation chimique du système ?

Après addition du volumeV1 et «avant» transformation, les ions présents sont :H3O

+, Cl-(aq), Na+(aq) et OH–(aq). Le changement de valeur de la conductance résultede la réaction acido-basique associée à la transformation totale et instantanée :

H3O+ + OH–(aq) → 2H2O(l)

b.4. Quel bilan de matière peut-on faire ?

L’enseignant demande aux élèves de construire le tableau descriptif de l’évolutiondu système au cours de la transformation en utilisant l’avancement, de spécifier le réac-tif limitant et de faire un bilan de matière. Comme en classe de seconde ne figurent dansle tableau que les espèces chimiques intervenant dans la transformation considérée.Compte tenu de l’objectif d’apprentissage, l’enseignant précise aux élèves qu’il utiliseici de l’acide chlorhydrique de concentration molaire connue dont il indique la valeuraux élèves (1,0× 10-1 mol.L-1 dans cet exemple) afin qu’ils puissent calculer les quanti-tés de matière des espèces ioniques dans l’état initial du système.

Lors de l’ajout du volumeV1 = 1,0 mL de la solution de soude, les élèves établissent letableau suivant :

Équation de la réaction H3O+

+ OH-(aq) → 2 H2O(l)

Quantité de matièredans l’état initial (mol) 1,0 × 10-3 1,0 × 10-4 v

Quantité de matièreau cours de la transformation (mol) 1,0 × 10-3 - x 1,0 × 10-4 - x v

Quantité de matièredans l’état final (mol)

1,0 × 10-3 - x max 1,0 × 10-4- x max v

v beaucoup

Les élèves vérifient que les ions hydroxyde sont le réactif limitant :

1,0 × 10-4– x max = 0 soit : xmax = 1,0 × 10-4 mol




Si l’on fait figurer les ions spectateurs, la réaction s’écrit :

H3O+ + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH–(aq) à 2 H2O(l) + Cl-(aq) + Na+(aq)

Les élèves calculent, à l’avancement maximal, les quantités de matière (en mol)des ions spectateurs, Na+(aq) et Cl-(aq) dans les conditions de l’expérience. Ils expri-ment le bilan de la transformation :

b.5. Comment relier l’observation expérimentale au bilan de matière ?

Lorsque l’avancement est maximal («après» transformation), une partie des ionsoxonium H3O

+ contenus dans le becher est remplacée par des ions sodium Na+ enmême quantité. La quantité d’ions chlorure est invariante. La conductivité,σ, ou laconductance, G, de la solution diminue notablement (G1< G0) car la conductivitéionique molaire des ions sodium Na+ est très inférieure à la conductivité ioniquemolaire des ions oxonium H3O

+ (voir dosage par étalonnage).

c) Troisième expérience

L’enseignant verse un nouveau volume,V2 = 1,0 mL de la solution de soude dansle becher contenant la cellule conductimétrique. La situation est toujours celle où lesions OH-(aq) sont le réactif limitant.

Il note la valeur de la conductanceG2.




Il propose exactement la même progression aux élèves :

– observation (diminution de la valeur de la conductanceG2 < G1),

– bilan qualitatif des ions en solution,

– bilan quantitatif.

Lors de l’ajout du volume,V2 = 1,0 mL de la solution de soude, les élèves établis-sent le tableau et calculent les quantités de matière de toutes les espèces présentes.

Équation de la réaction H3O+

+ OH-(aq) → 2H2O(l)

Quantité de matièredans l’état initial (mol)

9 0 10 4, –× 1 0 10 4, –× v

Quantité de matièreau cours de la transformation (mol)

9 0 10 4, ––× x 1 0 10 4, ––× x v


9 0 10 4, ––max× x 1 0 10 4, ––

max× x v

v beaucoup

1,0 × 10-4- x max = 0 soit : x max = 1,0 × 10-4 mol

d) Quatrième expérience

Il est demandé aux élèves de faire le bilan de matière après addition de 2,0 mL dela solution de soude, de construire le tableau descriptif de l’évolution du système etd’exprimer le bilan de la transformation.




Considérant l’identité des compositions finales de la solution contenue dans lebecher après addition de 2 fois 1 ml ou de 2 mL en une seule fois de la solution desoude, les élèves prévoient les valeurs de la conductance avant et après transforma-tion14. Parallèlement, l’enseignant prépare un deuxième becher dans les mêmes condi-tions que celles de la première expérience. Il plonge la cellule conductimétrique dans lebecher. Il verse à l’aide de la burette directement 2,0 mL de la solution de soude. Ilmesure la conductance et indique aux élèves la valeur obtenue.

Les élèves constatent, aux erreurs d’expériences près, la justesse de leur prévi-sion : c’est la valeurG2.

Les élèves sont désormais en mesure de définir le système à prendre en comptelors d’une addition d’un volumeV.

e) Exploitation des résultats et préparation du TP

Interpréter une série de valeurs (mesurées ou calculées) est plus aisée à partird’une courbe que d’un tableau. A partir des résultats obtenus lors des expériences de




14. La simple observation des valeurs identiques de la conductanceG [après addition d’unvolumeV1 d’une solution de soude puis d’un volumeV2 ou bien après addition d’un volume(V1 + V2)] est insuffisante pour conclure à un état final identique du système en termes dequantités de matière. C’est la raison pour laquelle nous pensons nécessaire d’établir lestableaux descriptifs et d’effectuer les bilans de matière dans les expériences mentionnées.

cours, l’enseignant demande aux élèves de réfléchir aux courbes qu’ils pourront traceren TP.

Courbe expérimentale à partir des mesures de conductance :G = f(V).

Courbe à partir des bilans de matière : quantité d’ions H3O+ et OH- en fonction de

la quantité d’ions hydroxyde versée.

3.2.2. Manipulation

a)Expérimentalementl’élève prélève un volume connu d’acide chlorhydrique à titrer etprocède à des additions répétées de quantités connues d’ions hydroxyde (une solutionde soude de concentration molaire connue). Il note, après chaque ajout, la valeur de laconductance. Cette série de mesures lui permet de tracer la courbe expérimentale devariation de la conductance en fonction du volume de la solution de soude ajouté, aprèsavoir choisi les échelles appropriées. A l’issue de cette activité, l’élève peut déterminerà partir de cette courbe la concentration inconnue d’acide chlorhydrique.

Figure 4 : Courbe expérimentale de titrage conductimétrique acide-base :G = f(V)

Concentration molaire de la solution de soude: 5,0.10-2

mol.L-1

Volume de la solution d’acide chlorhydrique : 50,0 mL étendu à 200 mLSonde simple constituée de deux lames de cuivre

Tension sinusoïdale 250 Hz ; 1,0 V efficace maintenue constante.




Au-delà de la mise en évidence d’un point singulier, il est impossible de repérerl’équivalence sur cette courbe : en effet l’élève n’est pas en mesure à ce stade de la pro-gression de savoir que l’équivalence correspond à ce point singulier. L’identification dece point singulier avec l’équivalence nécessite un travail sur les bilans de matière quipermet par ailleurs de relier l’allure de la courbe à la transformation chimique du sys-tème.

b) Les élèves établissent le tableau de l’évolution du systèmepour un volumeVquelconque. Ils déterminent la composition du système dans l’état final pour les troiscas à envisager (par généralisation de la démarche suivie lors de l’exploitation desexpériences de cours).

Équation de la réaction H3O+ + OH-(aq) → 2H2O(l)

Quantité de matièredans l’état initial (mol)

n( )H O , initial3+ n( )OH ,versé–

v

Quantité de matière au coursde la transformation (mol)

n x( ) –H O , initial3+ n x( ) –OH ,versé–

v


n x( ) – maxH O , initial3+ n x( ) – maxOH ,versé–

v

v beaucoup

• Premier cas : les ions hydroxyde sont le réactif limitant :

n(OH-, versé) –x max = 0 et n(H3O+, initial) – x max > 0

soit : n(OH-, versé) =x max et n(H3O+, initial) > n(OH-, versé)

ainsi : n(OH-, final) = 0 et n(H3O+, final) = n(H3O

+, initial) – n(OH-, versé)

• Deuxième cas : les ions oxonium sont le réactif limitant :

n(H3O+, initial) – x max = 0 et n(OH–, versé) –x max > 0

soit n(H3O+, initial) – x max et n(OH–, versé)> n(H3O

+, initial)




n(H3O+, final) = 0 et n(OH–, final) = n(OH–, versé) –n(H3O

+, initial)

• L’équivalence, définie comme le changement de réactif limitant, est telle que :

n(OH-, versé) –x max = 0 et n(H3O+, initial) – x max = 0

soit : n(H3O+, initial) = n(OH–, versé)

Il est possible d’utiliser directement le tableau descriptif de l’évolution du systèmepour relier l’observable aux bilans de matière. Il semble néanmoins plus facile de tracertout d’abord l’allure de la courbe d’évolution des quantités d’ions H3O

+ et d’ions OH-

contenues dans le becher au cours du titrage en fonction de la quantité d’ions OH-

versée.

Figure 5 : Evolution des quantités d’ions oxonium et d’ions hydroxydeen fonction de la quantité d’ions hydroxyde versée




Il est plus aisé de relier l’observable aux quantités de matière, en disposant égale-ment de la courbe de l’évolution des quantités d’ions Na+ et d’ions Cl- en fonction de laquantité d’ions hydroxyde versée.

Figure 6 : : Évolution des quantités d’ions sodium et d’ions chlorureen fonction de la quantité d’ions hydroxyde versée

c) Des quantités de matière à l’observable et vice et versa

Les élèves utilisent les courbes d’étalonnage pour relier l’observable (la conduc-tance) aux quantités de matière à l’aide des figures 5 et 6.

La courbe expérimentale (figure 4) et les courbes obtenues à partir des bilans dematière (figures 5 et 6) mettent clairement en évidence deux domaines.

Dans le premier domaine, les ions OH- sont intégralement consommés lors dechaque transformation chimique correspondant à chaque ajout de la solution de soude(les ions OH- sont le réactif limitant). Dans ce domaine, la composition chimique dusystème évolue en raison de la réaction chimique ; la quantité de l’espèce chimique àdoser (ici les ions H3O

+) dépend linéairement de la quantité de réactif titrant ajoutée. Ladiminution de la conductance de la solution rend compte de cette situation : les ionsH3O

+ sont remplacés par des ions sodium Na+, en même quantité, dont la conductivitémolaire ionique est inférieure à celle des ions oxonium.




Dans le second domaine, la totalité de l’espèce chimique à doser a étéconsommée ; elle devient alors le réactif limitant. La composition chimique du systèmeévolue en raison des ajouts de réactif titrant sans donner lieu à une transformation chi-mique. L’addition d’ions OH- et d’ions Na+ se traduit désormais par une augmentationde la conductance.

Un point singulier sépare les deux domaines précédents, c’est l’équivalence.

En ce point on a :n(H3O+, initial) = n(OH-, versé)

Il devient désormais possible de repérer l’équivalence sur la courbe expérimentale(ainsi que le volume correspondant à l’équivalence) et, en conséquence, de déterminerla concentration molaire inconnue de l’acide chlorhydrique à titrer.

3.3. Titrage utilisant un changement de couleur de solution

Le titrage proposé est un titrage par oxydoréduction et le repérage de l’équivalenceest obtenu par l’observation d’un changement de couleur de la solution. Ce titrage sen-sibilise l’élève au soin qu’il est nécessaire d’apporter lors de la mise en œuvre d’untitrage pour obtenir des résultats signifiants.

3.3.1. Manipulation

Expérimentalement, une solution de permanganate de potassium, K+(aq)+MnO4–(aq),

de couleur violette (couleur due aux ions permanganate) et de concentration inconnueest ajoutée à une solution d’ions fer(II), Fe2+(aq), de concentration molaire inconnue enmilieu acide ; par exemple une solution de sulfate de fer(II) : Fe2+(aq)+SO4

2–(aq), de

couleur vert très pâle due aux ions fer(II). Les ions manganèse(II), Mn2+(aq), sont inco-lores et les ions fer(III), Fe3+(aq), très faiblement colorés en orange.

Cette manipulation donne l’occasion d’insister sur la technique à mettre en œuvrelors d’un titrage :

a) Une expérience préliminaireest réalisée en ajoutant la solution de permanganate depotassium millilitre par millilitre afin de déterminer le volumeV tel que la solutioncontenue dans le becher reste incolore. Lorsque ce volumeV est versé, alors l’ajoutd’un millilitre supplémentaire conduit à la persistance de la coloration violette de lasolution contenue dans le becher.




b) Le titrage est ensuite réalisé(après avoir éventuellement complété la burette selon lavaleur du volumeV versé et la capacité de la burette) : ajouter en une fois un volumeV15

de solution titrante puis, en regardant le contenu du becher, ajouter goutte à goutte lasolution titrante afin de déterminer le volume de solution titrante versée, à la goutteprès, conduisant à la persistance de la coloration violette de la solution contenue dans lebecher.

3.3.2. Exploitation (voir partie 2)

Construire le tableau descriptif de l’évolution du système pour un volumeV quel-conque de la solution d’ions MnO4

– versée. Etablir les relations concernant les quantités

de matière qui permettent d’interpréter l’observable (changement de couleur de la solu-tion) et donc de déterminer la concentration molaire de la solution d’ions fer(II), objec-tif de ce titrage.

• Premier cas : les ions MnO4- sont le réactif limitant. Au contact de la solution

contenue dans le becher, la solution de permanganate de potassium se décolore. Lasolution contenue dans le becher reste donc incolore. C’est la situation «avant» l’équi-valence.

• Deuxième cas : les ions fer(II) sont le réactif limitant. A partir d’un certain volume desolution de permanganate ajouté, la coloration violette due aux ions permanganate per-siste dans la solution contenue dans le becher. C’est la situation «après» l’équivalence.

• A l’équivalence, le volume de la solution de permanganate versé correspond à unequantité d’ions MnO4

- exactement suffisante pour faire réagir tous les ions fer(II). Cevolume est repéré par l’addition excédentaire d’une goutte de réactif provoquant lechangement de couleur de la solution contenue dans le becher.

C’est le volume équivalent.




15. Par précaution, l’enseignant conseille aux élèves d’ajouter un volume inférieur àV : (V-2)ou (V-1) en mL.

Le nouveau programme de chimie de la classe de première...

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