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Propriétés électriques des solutions
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Introduction :
Une solution électrolytique ou tout simplement un électrolyte est une solution qui conduit le courant électrique. Les porteurs de charges mobiles sont des ions hydratés. La méthode d’analyse utilisée pour mesurer les propriétés conductrices d’une solution électrolytique se nomme conductimétrie. Cette technique est très utilisée en chimie, par exemple, lors des opérations de dosage ou pour suivre la cinétique de certaines réactions.
Dans ce cours, nous rappellerons le montage utilisé pour réaliser les mesures conductimétriques puis nous définirons deux grandeurs physiques : la conductance et la conductivité. Nous verrons ensuite comment tirer profit de la conductivité d’une solution pour réaliser un dosage par étalonnage. Enfin, nous étudierons la mise en œuvre d’un titrage avec suivi conductimétrique et nous verrons comment interpréter une courbe de titrage.
Mesures par conductimétrie
La conductimétrie est une méthode d’analyse qui permet de mesurer les propriétés conductrices d’une solution électrolytique.
Montage utilisé
Le montage utilisé pour réaliser les mesures conductimétriques comprend :
De façon générale, le courant électrique est dû au déplacement de porteurs de charges électriques.
Dans une solution électrolytique, les ions hydratés sont les porteurs de charges électriques. Par conséquent, le passage du courant électrique dans la solution est dû à la migration des anions et des cations qui se déplacent en sens inverse.
Les cations se déplacent dans le sens conventionnel du courant électrique tandis que les anions se déplacent en sens inverse.
Le conductimètre permet de mesurer une grandeur physique : la conductance.
La conductance
La conductance :
La conductance représente la capacité de la portion de solution située entre les électrodes à conduire le courant électrique.
La conductance de la portion de solution située entre les électrodes est égale à l’inverse de sa résistance .
La conductance est définie par la relation :
Avec :
Plus est élevée, plus la portion de solution située entre les électrodes conduit le courant électrique.
La conductivité
La conductivité :
La conductivité d’une solution représente la capacité de la solution à conduire le courant électrique. C’est une propriété de l’ensemble de la solution et non plus de la portion de solution comprise entre les électrodes.
La conductivité est définie par la relation :
Avec :
La constante de cellule dépend de la surface des électrodes et de la distance entre les électrodes.
Elle est définie par la relation :
: constante de cellule
: surface des électrodes
: distance entre les électrodes
Loi de Kohlrausch et application
Loi de Kohlrausch
La conductivité d’une solution dépend de la nature des ions présents dans la solution, de leur concentration et de la température de la solution. Chaque ion présent dans la solution électrolytique contribue à la conductivité de la solution.
Loi de Kohlrausch :
À une température donnée, la conductivité d’une solution peut être exprimée en utilisant la loi de Kohlrausch :
Avec :
Dans la loi de Kohlrausch, les concentrations doivent être exprimées en .
Soit une solution aqueuse de chlorure de potassium de concentration .
est totalement dissocié dans l’eau.
L’équation de dissolution s’écrit :
À une température donnée, la conductivité de la solution peut être exprimée en utilisant la loi de Kohlrausch :
Soit, (avec )
Ainsi, la conductivité de la solution est proportionnelle à sa concentration .
Pour une solution électrolytique diluée qui contient un seul soluté, la conductivité est proportionnelle à la concentration en soluté apporté.
Dosage par étalonnage
La conductivité d’une solution électrolytique diluée, qui contient un seul soluté, étant proportionnelle à la concentration en soluté apporté, il est possible de réaliser un dosage par étalonnage en utilisant la conductivité.
Méthode
La méthode à employer, pour réaliser un dosage par étalonnage en utilisant la conductivité, est la suivante :
On veut déterminer la concentration d’une solution de chlorure de sodium (notée solution ). Pour cela, on dispose de solutions étalons de chlorure de sodium de concentrations connues et et d’un conductimètre.
Pour déterminer la concentration de la solution , il faut réaliser un dosage par étalonnage en utilisant la conductivité.
Pour cela, on utilise la méthode précédente :
Titrage conductimétrique
Le titrage conductimétrique :
Le titrage conductimétrique est un dosage par titrage direct, c’est-à-dire qu’il est basé sur une réaction chimique (réaction support du titrage) entre le réactif titré (dont on veut déterminer la concentration) et le réactif titrant (réactif ajouté dans la solution).
Le titrage conductimétrique consiste à suivre l’évolution de la conductance (ou de la conductivité) du milieu réactionnel en fonction du volume de solution titrante versé.
La réaction support du titrage doit être rapide, totale et unique.
Montage utilisé
Le montage utilisé, pour réaliser un titrage conductimétrique, est le suivant :
Le réactif titrant est versé progressivement dans le bécher et, pour chaque nouveau volume versé, la conductance (ou la conductivité) du milieu réactionnel est mesurée.
La courbe représentant la conductance (ou la conductivité) en fonction du volume de solution titrante versé est appelée courbe de titrage.
Interprétation d’une courbe de titrage
Prenons comme exemple le titrage des ions chlorure présents dans une solution de lait, par les ions argent d’une solution de nitrate d’argent.
Pour cela, on place dans le bécher un volume connu de la solution de lait de concentration inconnue (solution à titrer qui contient les ions ) et on place dans la burette graduée une solution de nitrate d’argent de concentration connue (solution titrante). La solution titrante de nitrate d’argent est versée progressivement dans le bécher et pour chaque nouveau volume versé, la conductivité du milieu réactionnel est mesurée.
En représentant la conductivité du milieu réactionnel en fonction du volume de solution titrante versé , on obtient une courbe de titrage.
L’espèce titrée (dont on veut déterminer la concentration) est et l’espèce titrante versée est .
L’équation de la réaction support du titrage s’écrit :
La conductivité du milieu réactionnel peut être exprimée en utilisant la loi de Kohlrausch :
où est la conductivité apportée par d’autres ions présents en solution comme , , .
Tous les ions présents dans le milieu réactionnel influent sur la valeur de la conductivité, même les ions spectateurs .
La courbe de titrage obtenue est formée de deux droites de pentes distinctes (l’une de pente négative, l’autre de pente positive) qui se coupent en un point correspondant au point d’équivalence.
Nous pouvons interpréter qualitativement le changement de pente.
Lorsque la pente change de signe, on se trouve à l’équivalence.
À l’équivalence, tous les ions chlorure initialement présents ont réagi avec les ions argent , les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques.
À l’équivalence :
Soit,
Nous pouvons en déduire la concentration en ions chlorure initialement présents dans la solution de lait :
: concentration en ions chlorure dans la solution de lait
: volume de la solution de lait introduit dans le bécher
: concentration molaire de la solution titrante de nitrate d’argent
: volume de la solution titrante versé à l’équivalence
Le volume équivalent est déterminé graphiquement : il correspond à l’abscisse du point d’intersection des deux droites.
Conclusion :
La conductimétrie est une méthode d’analyse très utilisée en chimie, par exemple, lors des opérations de dosage. En effet, il est possible de réaliser un dosage par étalonnage en utilisant la conductivité afin de déterminer la concentration de certaines solutions électrolytiques. Pour cela, il faut tracer une droite d’étalonnage en représentant la conductivité de solutions étalons en fonction de leur concentration, puis il faut mesurer la conductivité de la solution de concentration inconnue et utiliser la droite d’étalonnage pour déterminer sa concentration.
Il est également possible de réaliser un titrage conductimétrique afin de déterminer la concentration d’une espèce chimique ionique en solution. Pour cela, il faut suivre l’évolution de la conductance (ou de la conductivité) du milieu réactionnel en fonction du volume de solution titrante versé, puis il faut tracer une courbe de titrage et repérer l’équivalence pour pouvoir déterminer la concentration de l’espèce titrée.