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Leçon de chimie n°13 (agrégation) :
Indicateurs colorés acido-basiques. Étude, choix pour un dosage acido-basique (Terminale S).

Transcription des notes manuscrites de préparation à l'agrégation. Les schémas et le détail des calculs sont dans le document original : télécharger la leçon manuscrite (PDF, 8 pages).

Introduction

Un colorant est une molécule organique qui absorbe la lumière de façon sélective et change la couleur d'un substrat. Un indicateur coloré acido-basique est un couple acide/base dont les deux espèces ont des couleurs différentes.

Généralités

Teintes et zone de virage

• HInd + H₂O ⇄ Ind⁻ + H₃O⁺, \(K_a = \dfrac{[\text{Ind}^-][\text{H}_3\text{O}^+]}{[\text{HInd}]}\), d'où \(pH = pK_a + \log\dfrac{[\text{Ind}^-]}{[\text{HInd}]}\).
• Teinte acide si \([\text{HInd}] > 10[\text{Ind}^-]\), soit \(pH < pK_a - 1\) ; teinte basique si \(pH > pK_a + 1\) ; entre les deux, les deux espèces coexistent : zone de virage, teinte sensible (superposition des deux teintes). Diagramme de prédominance.
• Un indicateur universel présente une couleur différente pour chaque pH : papier pH.

Exemples d'indicateurs

Tableau des indicateurs colorés ; par exemple le rouge de méthyle, rouge puis jaune entre 4,2 et 6,2. Expérience : les deux teintes, identifiées avec le papier pH.

Étude d'un indicateur coloré

Le bleu de bromothymol (BBT)

Étude de sa formule : nombreux cycles benzéniques, groupe OH (absorption dans le visible), groupe SO₃⁻ (soluble en milieu aqueux).

Loi de Beer-Lambert

Au spectrophotomètre, \(A = \log\dfrac{\Phi_0}{\Phi} = \varepsilon\ell c\), \(\varepsilon\) coefficient d'extinction molaire, qui dépend de \(\lambda\).

Choix de la longueur d'onde de travail

Spectres de la forme acide (jaune) et de la forme basique (bleue) : au maximum d'absorption de la forme basique, la forme acide n'absorbe presque pas ; on travaille à cette longueur d'onde (en se plaçant au maximum de la forme acide, on fausserait la mesure).

Protocole d'étude

• Solution de Britton-Robinson additionnée de BBT, dont le pH varie linéairement par ajout de soude ; on mesure le pH et l'absorbance après chaque ajout.
• Seul Ind⁻ absorbe : \(A = k[\text{Ind}^-]\) et \(A_{max} = kc\) (environ 0,066), d'où \([\text{Ind}^-] = c\dfrac{A}{A_{max}}\) et \([\text{HInd}] = c\left(1 - \dfrac{A}{A_{max}}\right)\) ; tracé des deux concentrations en fonction du pH.
• À l'intersection, \(pH = pK_a \approx 6{,}9\) : zone de virage de 5,9 à 7,9, à comparer aux valeurs tabulées. Approximation : on a supposé les coefficients d'extinction égaux, ce qui n'est pas tout à fait vrai.

Choix d'un indicateur coloré pour un dosage acido-basique

Rappel : dosage d'un acide par une base

Courbe pH = f(V) et point d'équivalence.

Critère de choix

• Le pH à l'équivalence doit se trouver dans la zone de virage pour que l'indicateur change de couleur à l'équivalence.
• Simulation du dosage de H₃PO₄ par ordinateur, avec les zones de virage superposées : on retient les indicateurs qui conviennent pour la première ou la deuxième acidité.
• Le saut de pH doit être grand pour que le dosage soit précis ; il ne faut pas mettre trop d'indicateur, qui est lui-même un couple acide/base et perturbe le pH.

Précision du dosage selon l'indicateur

Dosage de l'acide phosphorique par la soude

Hélianthine et phénolphtaléine pour les deux acidités. Pour la première : \(V_{éq} = 9{,}5\) mL, H₃PO₄ + OH⁻ → H₂PO₄⁻ + H₂O, \(C_a = \dfrac{C_bV_b}{V_a} = \dfrac{10^{-1}\times9{,}5\cdot10^{-3}}{10\cdot10^{-3}} \approx 0{,}095\) mol/L (valeur attendue 0,1).

Conclusion

Il existe d'autres indicateurs : de complexation, de précipitation, d'oxydoréduction. Exemple de domaines de prédominance : le jus de chou rouge (rouge, mauve-bleu, vert, jaune entre pH 3 et 12).

Remarques

• Leçon un peu courte (40 minutes) : approfondir surtout la deuxième partie.
• La courbe pH-métrique ne doit pas être indispensable au choix de l'indicateur (rapport du jury) : selon la réaction étudiée, on a un type de courbe donc un choix d'indicateur ; sinon l'indicateur ne sert à rien. Pour un dosage acide fort-base forte, il suffit que la zone de virage soit dans la partie verticale de la courbe.
• Parler de la précision du dosage selon l'indicateur ; pour des dosages répétés, on trace une fois la courbe puis on n'utilise que l'indicateur, plus rapide.
• Qualités requises : équilibre rapide, changement de couleur net, réversible et sensible, donc \(\varepsilon\) grand.
• Groupes chromophores (portent la couleur : noyaux benzéniques, doubles liaisons) et auxochromes (font passer l'absorption de l'UV au visible). En multipliant les doubles liaisons conjuguées, l'écart d'énergie entre orbitales diminue (cas de l'éthylène et des polyènes) : on passe dans le visible.

Bibliographie

• Manuel de terminale S, Hachette (nouveau programme)
• Mallet, Cours de chimie
• Chimie I, Bréal
• Polycopié de CAPES
• Manuel de terminale S, Nathan
• Document d'accompagnement de terminale S
• TP de chimie inorganique et générale, Bréal