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Cours de physique-chimie tous niveaux

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CAPES-Montage chimie n°8 :
Expériences portant sur la caractérisation des ions en solution aqueuse et leur dosage

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Introduction :

La caractérisation des ions peut permettre la vérification du bon déroulement d'un protocole, leur dosage peut nous permettre de déterminer leur quantité dans une boisson, et dans le cas où ces ions sont nocifs, de savoir si la boisson est propre à la consommation ou non.
Mais plus généralement, de nombreuses expériences de chimie incluent une caractérisation ionique, en témoigne les travaux pratiques effectués en lycée.

I La caractérisation des ions :

1) Par leur couleur :

Expériences de caractérisation des ions par leur couleur

Application de l'ion cobalt Co2+ :

Déposons une goutte de chlorure de cobalt II sur un papier filtre et plaçons celui-ci au dessus d'une flamme : le papier filtre passe de la couleur rose à la couleur bleue :

En effet, la couleur rose du chlorure de cobalt mis en solution vient du complexe Co(H2O)62+. Au niveau de la flamme, ce complexe est déshydraté et on retrouve un autre complexe du cobalt bleu : CoCl42-.
Cette expérience peut servir comme test d'humidité.

2) Tests à la flamme :

Prenons un fil de platine et nettoyons-le à la flamme d'un bec bunsen (la flamme est donc bleutée, presque invisible).

  • Test avec une solution de chlorure de sodium :
    Si on trempe le fil de platine dans cette solution puis qu'on le présente à la flamme, celle-ci prend une couleur jaune : ceci vient d'une raie du spectre d'émission du sodium nommée raie D. (Fraunhoffer avait attribué des lettres aux raies noires qu'il avait observées dans le spectre du soleil : la raie jaune était la quatrième raie).
    Ceci est un test de reconnaissance des ions sodium.
  • Test avec une solution de chlorure de potassium :
    Après avoir nettoyer à nouveau le fil de platine à la flamme, on le plonge dans la solution de chlorure de potassium puis on le repasse à la flamme :
    Celle-ci prend une couleur violette ce qui est caractéristique des ions potassium.

3) Par précipitation et complexation :

On va différencier les ions chlorure et les ions iodure :
Tout d'abord, on utilise leur précipitation avec les ions argent I (Ag+) :

  • Ag+(aq) + Cl-(aq) flèche AgCl(s) (précipité blanc)
  • Ag+(aq) + I-(aq) flèche AgI(s) (précipité jaune-vert)

Ensuite, on utilise leur différence de comportement dans l'ammoniac :

  • AgCl se redissous :
    AgCl(s) + NH3(l) flèche Ag(NH3)2+(aq) + Cl-(aq)
  • Alors que AgI est insoluble :
    AgI(s) + NH3(l) flèche AgI(s) + NH3(l)

4) Par précipitation :

On s'intéresse ici aux hydroxydes, on les reconnaît par leur couleur :

  • Cu(OH)2 : précipité bleu clair
  • Fe(OH)2 : précipité vert
  • Fe(OH)3 : précipité rouille
  • Al(OH)3 (en déshydratant ce précipité on obtient l'alumine.
    L'ion Al3+ ne possède pas d'électrons de valence, il n'y a pas de transition électronique possible donc pas de couleur)
    :pas de coloration

5) Par les propriétés acido-basiques :

  • A l'aide d'un indicateur coloré :
    La phénolphtaléine peut permettre la caractérisation d'ions
  • Exemple d'utilisation :
    Utilisation de la phénolphtaléine
    • La phénolphtaléine prend la couleur violet intense
    • L'eau de chaux se trouble

    HCO3-(aq) flèche CO32-(aq) + CO2(g) + H2O(l)

  • Caractérisation de NH3 :

    A réaliser sous hotte

    Caractérisation de NH3
    On prépare le réactif de Nessler (au dernier moment) : KI + HgI2 + KO.
    On imprègne un papier filtre de ce réactif, en le plaçant au dessus du tube à essais, il brunit.

    NH4+(aq) + OH-(aq) flèche NH3(g) + H2O(l)

6) Par réaction rédox :

On met en évidence les propriétés réductrices des ion ferreux (Fe2+) :

Mise en évidence des ions ferreux grâce au permanganate de potassium

On observe alors la décoloration de la solution de permanganate de potassium lorsqu'elle rentre en contact avec les ions ferreux en milieu acide.

MnO4-(aq) + 5 Fe2+(aq) + 8 H+ flèche Mn2+(aq) + 5 Fe3+(aq) + 4 H2O(l)

II Dosage des ions :

1) De NH4+ par conductimétrie :

Dosage de NH4+ par conductimétrie

On mesure la conductance de la solution en fonction de l'ajout d'un volume VOH- de soude.
(La courbe a été réalisée entièrement en préparation. En présentation on ne montre que l'obtention de deux points qui viennent se greffer sur la courbe déjà construite)

Courbe du dosage conductimétrique de NH4+

Voici l'équation de la réaction :

NH4+(aq) + OH-(aq) flèche NH3(g) + H2O(l)

  • Avant l'équivalence : NH4+(aq) se transforme en NH3(g) : la conductance G diminue.
  • Après l'équivalence ; on verse des ions hydroxyde OH- en excès : la conductance augmente fortement.
    En effet, les ions hydroxyde, comme les ions oxonium, ont une conductivité molaire ionique importante, et donnent un fort caractère conducteur à la solution.

Formule permettant d'obtenir la concentration de NH4+(aq) :

Calcul de la concentration de NH4+

2) De Cl- par la méthode de Mohr :

Dosage par la méthode de Mohr de Cl-

Voici l'équation de la réaction :

Ag+(aq) + Cl-(aq) flèche AgCl(s)

CrO42- joue le rôle d'indicateur de fin de réaction :

  • Le précipité Ag2CrO4 est plus soluble :
    Ici on compare deux précipités qui n'ont pas la même stoechiométrie, on ne peut pas directement comparer leur produit de solubilité, mais il faut calculer la solubilité de chacun :

    * Ks(AgCl) = [Ag+]*[Cl-] = s² d'où s = (Ks)1/2 = (10-9.8)1/2 = 1.2*10-5 mol/L
    * Ks(Ag2CrO4) = [Ag+]²*[CrO42-] = (2s)²*s = 4s3 d'où
    s = (Ks/4)1/3 = (10-12/4)1/3 = 6.3*10-5 mol/L

    s(Ag2CrO4) > s(AgCl) donc le premier précipité est bien le plus soluble dans l'eau que le précipité AgCl.
  • Donc lorsque l'on verse la solution de nitrate d'argent dans l'erlenmeyer, tant qu'il y a des ions chlorure (Cl-), ceux-ci précipitent en AgCl.
  • Quand il n'y a plus d'ions chlorure, ce sont les ions CrO42- qui précipitent avec les ions argent Ag+ pour donner AgCr2O4 de couleur rouge brique.
  • Quand cette couleur apparaît, on est à l'équivalence !

Formule permettant d'obtenir la concentration de Cl-(aq) :

Calcul de la concentration de Cl-

Rq : Le dosage sera effectuée préalablement lors de la préparation afin d'évaluer VE.

Conclusion :

On peut utiliser différentes propriétés d'un même ion pour des méthodes de caractérisation différentes.
Bien connaître celles-ci permet de mettre en oeuvre la bonne technique selon le type de milieu, les réactifs ...