Concentrations acides et basiques

Source : Smaa Koraym de l’Université Johns Hopkins, MD, États-Unis

1. Préparation de ~0.1 M de NaOHExpand

   Dans la première partie du laboratoire, vous utiliserez une solution à 50 % p/p de NaOH pour préparer 500 mL de ~0,1 M. Le NaOH de 50 % p/p est indicatif de son rapport poids. Par exemple, si l’instructeur a préparé 150 ml de la solution de NaOH à 50 % p/p, alors 150 g de NaOH ont été dissous dans 150 g d’eau, et le poids total de la solution est de 300 g.

   • Pour commencer, mettez l’équipement de protection individuelle approprié, y compris des gants, des lunettes anti-éclaboussures de produits chimiques et une blouse de laboratoire.
   • Calcule la molarité de 50 % p/p NaOH, qui est M₁ dans la formule de dilution. note: La masse volumique de 50 % p/p de NaOH est de 1,53 g/mL et la masse molaire de NaOH est de 39,998 g/mole.

     Tableau 1. Préparation de 0,1 M de NaOH à partir de 50 % p/p de NaOH

     Densité de 50 % p/p de solution mère	1.53 g/mL
     Masse molaireNaOH	39.998 g/mol
     Masse de NaOH dans une solution mère à 50 % p/p (mg)
     Masse totale de 50 % p/p de solution mère
     Volume de solution mère à 50 % p/p (mL)
     Moles de NaOH dans une solution à 50 % p/p (mol)
     Molarité de la solution mère à 50 % p/p (M1)
     Volume de solution à 50 % p/p nécessaire (V1)

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   • Utilisez la formule de dilution pour déterminer le volume de 50 % p/p de NaOH nécessaire pour préparer 500 mL de ~0,1 M de NaOH.
   • Étiquetez le flacon en polyéthylène de 500 ml comme '~0.1 M NaOH'.
   • Ajustez le volume d’une pipette de 1 ml à la valeur calculée et utilisez-le pour transférer les 50 % p/p de NaOH dans le flacon en polyéthylène.
   • Utilisez une bouteille graduée de 100 ml pour mesurer la quantité d’eau et versez-la dans la bouteille contenant le NaOH. Boucher le flacon et le retourner plusieurs fois pour mélanger la solution. note: Vous aurez besoin de 500 mL moins le volume calculé de NaOH.
2. Standardisation de 0,1 M de NaOHExpand

   Après avoir préparé 0,1 M de NaOH, déterminez sa concentration exacte, ou normalisez-la, à l’aide de la méthode de titrage acide-base. Dans cette technique, une base comme le NaOH est lentement ajoutée à un acide comme le phtalate d’hydrogène de potassium (KHP). La réaction chimique qui a lieu dans le ballon est une réaction de neutralisation. Dans cette réaction de neutralisation, une mole de base neutralise une mole d’acide, ce qui donne du sel et de l’eau. Cette réaction est réalisée en présence de l’indicateur phénolphtaléine, qui est incolore au début de la réaction lorsque le pH est acide. L’indicateur devient rose dès qu’une quantité suffisante de NaOH est ajoutée dans le ballon pour rendre le pH basique.

   • Étiquetez les trois flacons Erlenmeyer comme 'A', 'B' et 'C'.
   • Pesez 0,5 à 0,7 g de KHP pour chacun des flacons et notez la masse de chacun. note: Essayez de mesurer la même masse de KHP pour les trois flacons.

     Tableau 2. Normalisation du NaOH

     Masse molaireKHP = 204,23 g/mol	Flacon A	Flacon B	Fiole C
     Masse de KHP (g)
     Volumeinitial NaOH(mL)
     Volumefinal de NaOH (mL)
     VolumeNaOH (mL)
     Moles de KHP
     Moles de NaOH
     Molarité du NaOH
     Molarité moyenne
     écart type

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   • Ajoutez 50 mL d’eau déminéralisée dans chaque flacon, et utilisez une tige d’agitation en verre pour remuer les solutions jusqu’à ce qu’elles apparaissent homogènes.
   • Ajoutez 2-3 gouttes de phénolphtaléine dans chacun des trois flacons.
   • Configurez l’appareil de titrage. Fixez la pince à burette au support d’anneau et fixez-y solidement la burette en verre de 50 ml. Assurez-vous que la valve de la burette est fermée.
   • Étiquetez un bécher de 400 ml comme « déchet » et placez-le sous la burette. Rincez la burette en versant environ 5 mL de NaOH 0,1 M dans la burette. Ouvrez la burette pour permettre au NaOH de s’écouler dans le bécher.
   • Fermez la vanne et remplissez la burette avec un peu plus de 50 mL de NaOH. Libérez les bulles d’air présentes dans l’extrémité de la burette en ouvrant et en fermant la valve de la burette. Enregistrez le volume de départ de NaOH.
   • Placez le flacon A sous l’extrémité de la burette et titrez la solution en utilisant des volumes de 1 mL de NaOH. Faites tourner la solution après chaque ajout. Continuer à ajouter des volumes de 1 mL dans la fiole jusqu’à ce que la couleur rose persiste. Il s’agit du point final. Enregistrer le volume de 0,1 M de NaOH ajouté pour atteindre le point final.
   • Répétez le titrage pour les flacons B et C. Ces données seront utilisées pour calculer la concentration réelle de NaOH.
3. Titrage de l’acide phosphoriqueExpand

   Dans cette expérience, nous déterminerons deux des trois valeurs de pKa pour l’acide triprotique, l’acide phosphorique, en utilisant un titrage acide-base. Dans cette réaction de neutralisation, l’acide phosphorique réagit avec le NaOH pour former de l’eau et du sel, le phosphate de sodium.

   • Fixez le compteur de chute sur le support de l’anneau, sous la pince à burette. Fixez la burette en plastique de manière à ce que sa pointe soit juste au-dessus du compteur de chute.
   • Connectez le compteur de gouttes au système d’acquisition de données, et assurez-vous que les deux valves de la burette en plastique sont toutes deux en position fermée.
   • Placez le conteneur de déchets sous la burette et versez quelques mL de NaOH 0,1 M dans la burette. Ouvrez les deux vannes pour vidanger le NaOH dans le bécher à déchets. Fermez ensuite les vannes.
   • Remplissez la burette en plastique avec 25 mL de NaOH 0,1 M. Égouttez environ 5 ml dans le bécher à déchets, suffisamment pour que le NaOH remplisse l’embout de la burette. Assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles d’air, puis fermez les vannes.
   • Calibrez le compteur de gouttes. Remplacez le bécher sous la burette par un cylindre gradué de 10 ml. Ensuite, ouvrez la valve inférieure de la burette, tout en gardant la valve supérieure fermée. Allumez le système d’acquisition de données et réglez-le sur le « mode comptage des gouttes ».
   • Ouvrez lentement la valve supérieure pour libérer très lentement les gouttes, idéalement à raison d’une goutte toutes les 2 s. Laissez les gouttes se vider de la burette jusqu’à ce qu’il y ait 9-10 mL de NaOH 0,1 M dans le cylindre gradué.
   • Fermez la vanne inférieure et laissez la vanne supérieure telle quelle. Lisez le volume de NaOH dans le cylindre gradué à la première décimale près et entrez cette valeur dans le système d’acquisition de données. Enregistrez la valeur pour 'drops/mL'. Ensuite, jetez le NaOH dans le cylindre gradué dans le bécher à déchets aqueux.
   • Étalonnez le capteur de pH avant de commencer le titrage. Connectez la sonde de pH au système d'acquisition de données, puis sélectionnez « Calibrer ». Rincez le bulbe de la sonde de pH avec de l’eau déminéralisée avant de l’insérer dans le tampon de pH 7. Laissez le capteur immergé jusqu’à ce que la tension se stabilise, puis acceptez la mesure.
   • Rincez le bulbe avec de l’eau désionisée et insérez-le dans le tampon de pH 10. Laissez la tension se stabiliser, puis acceptez la mesure.
   • Rincez à nouveau l’ampoule du capteur de pH et faites-la glisser dans la fente prévue à cet effet dans le compteur de gouttes.
   • Mesurez 40 mL d’eau déminéralisée dans un bécher propre de 100 mL, puis transférez 1 mL d’acide phosphorique dans le bécher d’eau.
   • Placez le bécher sur la plaque d’agitation sous le compteur de gouttes. Faites glisser avec précaution la sonde de pH dans le bécher.
   • Ajoutez une barre d’agitation dans le bécher et réglez le réglage d’agitation sur élevé. Commencez à collecter des données sur le périphérique d’acquisition. Ensuite, ouvrez la valve inférieure de la burette. note: Le taux de chute doit être d’environ 1 goutte toutes les 2 s. Une fois la première goutte lâchée, vérifiez que les données sont enregistrées.
   • Continuez le titrage jusqu’à ce que le pH-mètre indique pH 12. Ensuite, arrêtez d’acquérir des données et fermez la valve de la burette. Enregistrez vos données sur une clé USB.
   • Pour nettoyer votre espace de travail, vérifiez le pH de toutes les solutions de déchets à l’aide de papier pH. Neutralisez tous les déchets aqueux acides avec du bicarbonate de soude et tous les déchets basiques avec de l’acide citrique. Ajoutez suffisamment de bicarbonate de soude ou d’acide citrique à la solution jusqu’à ce qu’elle cesse de bouillonner.
   • Jetez toutes les solutions neutralisées dans l’évier avec de grandes quantités d’eau.
   • Laver toute la verrerie.
4. ResultsExpand
   • Dans la première partie de ce laboratoire, vous avez normalisé une solution de NaOH à l’aide de KHP pour déterminer sa concentration réelle. Voyons maintenant à quel point la concentration standardisée est proche de la concentration de 0,1 M qui a été préparée. Déterminez le nombre de moles de KHP qui ont été ajoutées à chaque fiole et, par extension, les moles de NaOH. Une fois la solution neutralisée, les quantités molaires de KHP et de NaOH sont égales.
   • Calcule la molarité du NaOH en fonction du volume total de NaOH qui a été ajouté à chaque flacon. La concentration réelle est inférieure à la molarité attendue de 0,1. En effet, le NaOH est hygroscopique, il est donc difficile de le peser avec précision.
   • Trace les résultats pour le titrage de l’acide phosphorique (pH en fonction du volume de NaOH). L’acide phosphorique est un acide triprotique faible, ce qui signifie qu’il a le potentiel de fournir trois protons par molécule lorsqu’il se dissocie dans des solutions aqueuses. L’acide phosphorique a trois valeurs pKa, une pour le moment où chaque proton est dissocié.
   • Regarde les données. Il y a deux courbes sigmoïdales, indiquant deux points d’équivalence. Chaque point d’équivalence correspond à une constante de dissociation, Ka, de l’acide phosphorique. note: Vous avez arrêté l’expérience une fois que le pH a atteint 12, vous n’avez donc mesuré que deux des trois valeurs de Ka.
   • Trace la dérivée première de la courbe de titrage. Les points d’équivalence sont représentés par les maximums de la courbe.

     Tableau 3. Titrage de l’acide phosphorique

     Volume1er point d’équivalence (mL)
     Volume1er point demi-équivalence (mL)
     Volume2e point d’équivalence (mL)
     Volume2e demi-point d’équivalence (mL)
     1er pKamesuré
     1er pKathéorique	2.16
     2ème pKamesuré
     2ème pKathéorique	7.21
     Moles de NaOH
     Moles de H3PO4
     Molarité de H3PO4

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   • Trouvez le premier point de demi-équivalence en prenant le volume de NaOH correspondant au premier point d’équivalence et en le divisant par 2. Au point de demi-équivalence, les concentrations d’acide non dissocié et de sa base conjuguée sont les mêmes, et le pH est égal au pKa.
   • Recherchez le pH à ce volume à partir de votre tableau de données pour obtenir une valeur plus précise. Cela correspond au premier pKa, qui est rapporté dans la littérature comme étant de 2,16.
   • Répétez cette opération pour trouver le deuxième pKa. Le deuxième demi-point d’équivalence est situé à mi-chemin entre le premier et le deuxième point d’équivalence, ce qui devrait donner un pKa d’environ 7,2.