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Partie I : La chimie qui mesureObjectifs

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

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Concentration molaire apportée cConcentration 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

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LE NOUVEAU 

Dosages par étalonnage par titrage

 En utilisant une grandeur physique

électrique, observable   

La conductance

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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 »

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Pourquoi choisir la conductance ?

Cellules conductimétriques faciles à réaliser, à interpréter

Conductance G = U/I

V

A

GBF

N500 HzU = 1V

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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 !

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Pourquoi choisir la conductance ?

Grandeur physique variant linéairementcompétence transversale

    

Variable contrôlée V(mL)

Réponse G(mS)

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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

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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

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 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

Échelle des conductivités molaires ioniques :

H+ > OH- > autres ions

G= S/L

Principales relations

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Conductimétrie (2) Dosage par étalonnage utilisant la conductimétrie

« Le sérum physiologique étant une solution de chlorure de sodium, comment en déterminer la concentration dans le sérum physiologique sachant que l’on dispose d’une solution de chlorure de sodium de concentration connue ? »

- Matériel :

solution mère de chlorure de sodium matériel de laboratoire approprié pour réaliser une

série de solutions diluées à partir de cette solution mère une solution de sérum physiologique.

- Proposition par les élèves d’un protocole - préparer des solutions 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 physiologique pour en déduire la concentration en chlorure de sodium de cette solution.

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Conductimétrie (2) Dosage par étalonnage utilisant la conductimétrie

- R é s u l t a t s

0

0 , 5

1

1 , 5

2

2 , 5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1

C o n c e n t r a t i o n m o l a i r e ( m m o l . L - 1 )

C o n d u c t a n c e ( m S )

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

O b j e c t i f s : S e n s i b i l i s a t i o n à l a n o t i o n d e r e l a t i o n s t r u c t u r e -

p r o p r i é t é a u t r a v e r s d e l ’ a n a l y s e d e s c o n d u c t i v i t é s i o n i q u e s m o l a i r e s ,

P r é p a r e r à l ’ i n t e r p r é t a t i o n d u t i t r a g e c o n d u c t i m é t r i q u e a c i d e - b a s e e n u t i l i s a n t l e s c o u r b e s d ’ é t a l o n n a g e , c o n s t r u i t e s o u f o u r n i e s , p o u r d i f f é r e n t s é l e c t r o l y t e s i n t e r v e n a n t d a n s l e s r é a c t i o n s a c i d e - b a s e .

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

0 0 , 0 0 1 0 , 0 0 2 0 , 0 0 3 0 , 0 0 4 0 , 0 0 5 0 , 0 0 6 0 , 0 0 7 0 , 0 0 8 0 , 0 0 9 0 , 0 1

C o n c e n t r a t i o n m o l a i r e ( m o l . L - 1 )

C o n d u c t a n c e ( m S )

G e n m S p o u r H C l

G e n m S p o u r N a O H

G e n m S p o u r K C l

G e n m S p o u r N a C l

S o l u t i o n d e H C l

S o l u t i o n d e N a O H S o l u t i o n d e K C l S o l u t i o n d e N a C l

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

Conclusion La conductance d’une solution dépend - de la nature et - de la concentration des ions présents. Les courbes d’étalonnage tracées pour

plusieurs solutions ioniques permettent - de valider la relation existant entre

conductivité, concentration molaire et conductivité ionique molaire des différents ions dans la gamme de concentration choisie.

- de comparer les conductivités molaires ioniques de quelques ions et de les corréler avec leur nature.

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Conductimétrie (4) Titrage acide-base utilisant la conductance

- P r é l è v e m e n t d ’ u n v o l u m e c o n n u d ’ a c i d e c h l o r h y d r i q u e à t i t r e r- A d d i t i o n s r é p é t é e s d e q u a n t i t é s c o n n u e s d ’ i o n s h y d r o x y d e ( s o l u t i o n d e s o u d e )- M e s u r e , a p r è s c h a q u e a j o u t , d e l a v a l e u r d e l a c o n d u c t a n c e .- T r a c é d e l a c o u r b e e x p é r i m e n t a l e d e v a r i a t i o n d e l a c o n d u c t a n c e e n f o n c t i o n d u v o l u m e d e l a s o l u t i o n d e

s o u d e

0

2

4

6

8

1 0

1 2

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8

V ( O H - , v e r s é ) ( m L )

C o n d u c t a n c e ( m S )

A u - d e l à d e l a m i s e e n é v i d e n c e d ’ u n p o i n t s i n g u l i e r , i l e s t i m p o s s i b l e d e r e p é r e r l ’ é q u i v a l e n c e s u r c e t t ec o u r b e : e n e f f e t l ’ é l è v e n ’ e s t p a s e n m e s u r e à c e s t a d e d e l a p r o g r e s s i o n d e s a v o i r q u e l ’ é q u i v a l e n c ec o r r e s p o n d à c e p o i n t s i n g u l i e r .

L ’ i d e n t i f i c a t i o n d e c e p o i n t s i n g u l i e r a v e c l ’ é q u i v a l e n c e n é c e s s i t e u n t r a v a i l s u r l e s b i l a n s d e m a t i è r e q u ip e r m e t p a r a i l l e u r s d e r e l i e r l ’ a l l u r e d e l a c o u r b e à l a t r a n s f o r m a t i o n c h i m i q u e d u s y s t è m e .

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  Interprétation de courbes de dosage avec les conductivités molaires

Tous les ions participent à la conduction

nOH- (versé)

Cl- Na+

H+

OH-

n (becher)

Avant Equivalence AprèsComme H+ > Na+

G G

Na+ + OH-

H3O++Cl-

G (mS)

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G

VOH-

Veq

Réactifs limitants OH-

nOH- = 0

H+

nH+= 0

Dans le becher

nOH- = 0 = nH

+

              

Courbes de titrage

Na+ + OH-

H3O++Cl-

G (mS)

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

Équation de la réaction

H3O+(aq) + OH-(aq) 2H2O(l)

Quantité de matière dans l’état initial (mol)

n(H3O+, initial) n(OH-, versé)

Quantité de matière au cours de la transformation (mol)

n(H3O+, initial) - x n(OH-, versé) - x

Quantité de matière dans l’état final (mol)

n(H3O+, initial) - x max n(OH-, versé) - x max

beaucoup.

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

Détermination de la composition du système dans l’état final

pour les trois cas à envisager

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)

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

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).

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« 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 !

Exemples de confusions des élèves

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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

Conséquence : à l’équivalence, les quantités de réactifs titré et titrant sont toutes deux nulles dans le becher

Nouvel environnement

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Chimie : liste de matériel (1)

SECURITE

Nature Quantité 2,1 S, T SLunettes de protection 12 *Rince-oeil 1 *Couverture anti-feu 1 *Extincteurs 1 *Douche 1 *

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Liste de matériel (2)CHIMIE GENERALE

Nature Quantité Déjà utilisé enseconde

Nouveau enPremière S

Balance électronique au centigramme 2 *Capsule de pesée ou sabot (prélèvement d’un solide) 12 *Fioles jaugées (100 mL, 50 mL) 12 *Pipettes graduées ( 5, 10, 20 mL) 12 *Poires à pipeter 12 *Capteurs de pression ou manomètres 12 *Eprouvettes graduées (25, 50 et 100 mL) 12 *Cellule de conductimétrie 12 *GBF 12multimètres 24Conductimètre** 12 *Agitateur magnétique 12 * *Burette graduée 25 mL 12 * *Thermomètres (-10 ° C à 110 °C) 12 * *

** Il est souhaitable de commencer la conductimétrie en réalisant les premières mesures de G à partir de mesures de la tension aux bornes et du courantqui traverse la cellule de conductimètrie (utilisation de multimètres ) quand la cellule est alimentée par un GBF.

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Liste de matériel (3)CHIMIE ORGANIQUE

Nature Quantité Déjà utiliséen seconde

Nouveau enPremière S

Ballon rodé 100 mL 12 *Ballon rodé 50 mL 12 *Valet 12 *Réfrigérant Liebig rodé(environ 20-30 cm) 12 *Thermomètre ( - 10 °C, + 250 °C) 12 *

Colonne à distiller 12 *Tête de distillation rodée 12 * *Allonge à distiller rodée 60 * *Clips pour maintien rodage 50 *Erlenmeyer non rodé 100 mL 12 **Erlenmeyer non rodé 50 mL 12 *Agitateur magnétique chauffant avec régulateur 12 *Turbulent olive 12 *Support élévateur 150 x 150 12 *Support élévateur 100 x 100 12 *Statif tige inox 24 *Noix 48 *Pince de serrage à 2 machoires en V 48 *Ampoule à décanter en Téflon® si possible 12 *Support ampoule à décanter 12 *Entonnoir 12 *Trompe à vide 12 *Fiole à vide et büchner 12 *Lampe UV 1 *tube de Thiele (ou Banc Kofler) 1 *

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Liste de matériel (4)

EQUIPEMENT EN OUTILS TICE

Nature QuantitéInterfaces d’acquisition 12Capteurs (P, T, G) 12Logiciels permettant l’acquisition et le traitement des données acquises 1 version établissementTableur-Grapheur 1 version établissementLogiciels de simulation de titrages 1 version établissementLogiciels de représentation moléculaire ou de construction moléculaireen 3D

1 version établissement

Logiciels de nomenclature organique 1 version établissementLogiciels de résolution d’exercices de chimie 1 version établissementLogiciels de schématisation de molécules 1 version établissementLogiciels de schématisation de montages chimiques 1 version établissementEncyclopédies générales ou encyclopédies scientifiques sur cédérom 1 version établissementLogiciel de simulation de cinétique chimique 1 version établissement