Titrages
Comment déterminer expérimentalement une quantité de matière en solution ?
Physique & chimie – Lycée Galilée
Rappels

■ La quantité de matière, notée n, est une mesure du nombre d'entités chimiques d'une espèce présentes dans un échantillon. Son unité légale dans le système international est la mole.

■ La concentration en quantité de matière, notée C, mesure la quantité de matière d'une espèce chimique dissoute par unité de volume de la solution. Son unité légale dans le système international est la mole par mètre cube (mol·m-3) mais il est beaucoup plus fréquent d'employer la mole par litre (mol·L-1).

■ Un mélange stoechiométrique est un mélange de réactifs chimiques en quantités nécessaires pour qu'ils soient simultanément consommés dans l'état final. Dans un tel mélange, aucun réactif n'est introduit en excès et ne persévère dans le système une fois l'état final atteint.

Titrage avec suivi colorimétrique
Schéma légendé d'un titrage

Un titrage est une méthode expérimentale de dosage : il permet de déterminer expérimentalement une quantité de matière d'une espèce dissoute en solution. Dans la méthode de titrage colorimétrique :

  • une des espèces chimiques de l'étude est colorée en solution  ;
  • un volume de l'échantillon à tester est prélevé ; ce volume est connu avec précision ; la solution prélevée est appelée la solution titrée  ;
  • l'échantillon prélevé est introduit dans un récipient (bécher, erlenmeyer, ...)  ;
  • une solution est ajoutée goutte à goutte dans le système. Elle contient une espèce chimique, appelée l'espèce titrante, capable de réagir de façon totale avec celle présente dans l'échantillon prélevé ;
  • la couleur du système est observée après l'ajout de chaque goutte, notamment pour distinguer un changement de couleur du système.

Lorsque la première goutte de solution titrante tombe dans le bécher, le réactif titré est présent en quantité mais une toute petite quantité de réactif titrant a été introduite. Les deux espèces réagissent ensemble de façon totale, jusqu'à avoir consommé tout le réactif titrant versé. Il reste alors au final un peu moins de réactif titré qu'au début. Le même raisonnement se poursuit, goutte après goutte de solution titrante.

Équivalence

À mesure que les gouttes de solution titrante sont versées dans le bécher, ces petits ajouts de réactif titrant permettent de consommer peu à peu le réactif titré. Jusqu'alors, après chaque goutte versé, il restait du réactif titré mais pas de réactif titrant. Dans ces états du système, c'est le réactif titrant qui joue le rôle de réactif limitant de la transformation.
Arrive une goutte pour laquelle l'ajout de réactif titrant permet de consommer tout juste la quantité de réactif titré qui restait encore dans le système. Dans cet état, le système ne contient alors plus ni réactif titrant, ni réactif titré.
Cet état particulier du système est appelé l'équivalence du titrage, c'est :

En effet, au delà de cet état, en versant de nouveau une goutte, on ajoute du réactif titrant mais il n'y a plus de réactif titré, c'est lui qui fait désormais défaut et qui joue le rôle de réactif limitant.
Les trois définitions de l'équivalence proposées ci-dessus sont toutes les trois absolument équivalentes, elles veulent toutes dire la même chose.

Illustrons notre propos à l'aide du fameux exemple de l'opticien qui assemble des lunettes.
Un opticien possède initialement des verres de lunettes, mais sans savoir combien. Chaque jour, le livreur vient lui apporter 2 montures (ajout régulier de réactif). Le premier jour, l'opticien assemble deux paires de lunettes, il a consommé les deux montures, il reste des verres.
Le deuxième jour, l'opticien assemble deux paires de lunettes, il a consommé toutes les montures (réactif limitant), il reste des verres. Etc.

Le quinzième jour, l'opticien assemble deux paires de lunettes, il a consommé toutes les montures MAIS il n'a plus aucun verre (équivalence).
Le seizième jour, l'opticien reçoit des montures mais il n'a plus de verre (nouveau réactif limitant), il stocke les montures qu'il reçoit dans sa réserve.
Le dix-septième jour, pareil, etc.

Au bilan, on sait que l'opticien a pu assembler quinze fois les montures. Or chaque monture assemblée consomme deux verres. On est donc capable de dire que l'opticien possédait initialement 30 verres : on a déterminé la quantité de verre initialement présente dans le système.

Repérer l'équivalence

Au cours d'une expérience de titrage suivi par colorimétrie, il y a plusieurs cas de figure à envisager pour repérer l'état du système qui corrrespond à l'équivalence.

■ Le réactif titré est la seule espèce colorée en solution. Initialement présent en quantité dans le système, il est peu à peu consommé jusqu'à être totalement consommé. La couleur du système devient donc de moins en moins saturée à mesure que la burette se vide. L'équivalence est l'état du système à partir duquel le système est incolore.

■ Le réactif titrant est la seule espèce colorée en solution. Ce réactif, introduit en très petits ajouts, est intégralement consommé à chaque fois, jusqu'à l'équivalence. Après quoi, ce réactif continue de s'ajouter au système mais sans réagir. L'équivalence est alors l'état du système à partir duquel une couleur persiste.

■ Les deux espèces, titrée et titrantes, sont incolores en solution. Il faut alors ajouter un indicateur coloré : il s'agit d'un mélange d'espèces chimiques capable d'apporter de la couleur au système et dont la couleur dépend des propriétés du milieu. L'équivalence est alors reperée, de nouveau, par une apparition, une disparition ou un changement de couleur dans le système.

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