I.2. Description de la version finale du TP1  « Dosage pH-métrique et comparaison des courbes de dosage »

La séance de TP1 que nous avons construite est donnée aux étudiants sous forme de polycopié le jour même de la séance. Nous décrivons tout d’abord le texte du TP1, puis nous caractérisons les objectifs et les connaissances mises en jeu lors de la séance elle-même.

Le texte fourni aux étudiants comprend un court aperçu théorique, une description du matériel et les méthodes à utiliser pour obtenir les mesures à effectuer.

Cependant, le texte final du TP1 présente cinq parties : une première partie traite du principe de fonctionnement du pH-mètre et une deuxième partie concerne le dosage de l’acide chlorhydrique par la soude.

Nous mettons en lumière dans ce qui suit, quelques caractéristiques de ce texte permettant la compréhension des observations qui suivent.

• EXPERIENCE
• • Introduire la solution de soude (0,1M) dans la burette.
  • Prélever 20 mL de la solution à titrer (HCl 0,1M) avec une pipette et l’introduire dans un bécher placé sur le centre d’un agitateur magnétique. Placer le barreau aimanté dans le bécher.
  • Plonger les électrodes du pH-mètre, préalablement rincées et séchées, dans la solution à titrer en ayant soin de régler la hauteur pour que, lors de l’agitation, le barreau aimanté ne risque pas de heurter les électrodes.
  • Mettre en marche l’agitateur magnétique en tournant lentement le bouton de commande de l’appareil jusqu’à ce que l’agitation soit régulière et pas trop forte.
  • Passer sur la position pH du pH-mètre.
  • Noter pour chaque addition de solution titrante la valeur du pH et le porter sur un graphe.
  • Une fois le dosage terminé, arrêter le pH-mètre.
  • Retirer les électrodes de la solution, les rincer et les immerger dans de l’eau distillée.

Les consignes données aux étudiants sont rédigées uniquement qu’avec des termes appartenant au monde perceptible : « introduire, prélever, solution, burette… » Par contre, les questions proposées dans le travail de réflexion sont catégorisées suivant le monde reconstruit.

Toutefois, notre hypothèse principale de recherche est que les difficultés que rencontrent les étudiants au niveau des acides et des bases relèvent de la non compréhension du concept de réaction chimique.

Lors de la construction des questions de réflexion, nous nous sommes focalisés sur le concept de réaction chimique pour pouvoir détecter le niveau de compréhension de l’étudiant de ce concept à travers les acides et les bases.

• Travail de réflexion :
• • Ecrire l’équation de la réaction du dosage.
  • Indiquer la partie de la courbe correspondant à la réaction du dosage. On indiquera sur la courbe le point A du début de cette réaction et le point B de la fin de cette réaction.
  • A quoi correspond la partie de la courbe qui est en dehors des points A et B ?
  • Ecrire les relations permettant de déterminer la valeur de la concentration de la solution titrée à partir des données expérimentales.
  • Déterminer les concentrations molaire et massique de l’acide à doser.

Dans la troisième partie, nous nous intéressons à réaliser le dosage d’un acide faible CH₃COOH par une base forte NaOH. Un court développement théorique est introduit tout au début de cette partie.

• Expérience

On se propose de suivre l’évolution du pH de deux solutions d’acide acétique, l’une de concentration 0,1M (solution S ₁ ) et l’autre 0,01M, par des solutions de soude de même concentration.

Effectuer, dans les deux cas, le dosage à l’aide du pH-mètre en ajoutant avant le dosage deux gouttes d’hélianthine et deux gouttes de phénophtaléine.

On notera, pour chaque ajout de soude, la valeur du pH et la couleur de la solution (les porter sur un tableau).

Suite à cette expérience, nous proposons le travail de réflexion suivant :

• Travail de réflexion

Superposer sur le même schéma la courbe de dosage de l’acide chlorhydrique 0,1M par la soude de même concentration, telle qu’elle a été obtenue en III.

1. Comparer ces deux courbes en indiquant les différences entre elles, en particulier au début du dosage, puis autour de l’équivalence.

2. La courbe obtenue permet-elle de déterminer la concentration de l’acide acétique si elle est inconnue ? Justifier la réponse.

3. Interpréter le changement de couleur de la solution dans chaque cas (en se servant du tableau ci-dessus).

4. Justifier la validité des indicateurs colorés dans chaque cas.

5. Quelle serait l’allure de la courbe de dosage de l’acide acétique (0,01M) par la soude (1M). Comparer cette courbe avec celle correspondant au dosage de la même solution d’acide (0,01M) avec la soude (0,01M).

A travers cette expérimentation, l’étudiant doit faire une distinction entre un acide fort et un acide faible à partir des courbes de dosage. Ces questions de réflexion amènent l’étudiant à réfléchir sur les réactions acido-basiques qui ont eu lieu entre un acide fort (acide chlorhydrique) et une base forte (soude), puis pour celle d’un acide faible (acide acétique) et une base forte.

Dans la quatrième partie de ce TP, nous essayons de faire distinguer par l’étudiant les différences entre un acide fort et un acide faible et de prévoir leur comportement vis-à-vis de la dilution :

• Expérience

Cas de l’acide acétique

Relever parmi vos données expérimentales le pH de la solution S ₁ d’acide acétique de concentration 0,1M avant le début du dosage.

A l’aide d’une pipette et d’une fiole jaugée appropriée, diluer 10 fois cette solution S₁ et mesurer le pH de la solution S₁’ ainsi obtenue.

Prévoir quel serait le pH d’une solution S₁’’ obtenu en diluant 10 fois la solution S₁’.

Cas de l’acide chlorhydrique

En ajoutant de l’eau à la solution d’acide chlorhydrique 0,1M, préparer une solution diluée dont le pH est le même que celui de la solution S ₁ . Soit S ₂ cette solution.

Diluer 10 fois S₂ ; soit S₂’ la solution résultante. Mesurer le pH de S₂’.

Diluer 10 fois S₂’ ; soit S₂’’ la solution résultante. Mesurer le pH de S₂’’.

Puis un travail de réflexion est proposé :

• Travail de réflexion

1. Comparer le comportement de l’acide chlorhydrique et de l’acide acétique vis-à-vis de la dilution.

2. Peut-on prévoir le comportement du pH de l’acide chlorhydrique suivant la dilution ?

3. Interpréter la variation du pH de la solution S₁ en fonction de la dilution.

Nous nous intéressons dans la dernière partie à l’étude des caractéristiques de la solution dans une zone particulière de pH :

• Expérience

A l’aide d’une éprouvette graduée, introduire 40 mL de la solution d’acide acétique 0,1M dans le bécher. Tout en mesurant son pH, ajouter la solution de soude de concentration 0,1M jusqu’à ce que le pH du mélange soit égal à 4. Soit M ₁ cette solution.

Diluer 10 fois un prélèvement de 5 mL de M₁. Soit M₁’ la solution résultante. Mesurer le pH de M₁’.

Ajouter 3 mL de soude au reste de la solution M₁. Soit M₁’’ la solution résultante. Mesurer le pH de M₁’’.

A partir de 40 mL de la solution d’acide chlorhydrique 0,1 M, préparer une solution de pH = 4 par addition de soude, en contrôlant le pH à l’aide du pH-mètre, et en ajoutant la soude progressivement et sous agitation. Soit M₂ la solution obtenue.

• Diluer 10 fois un prélèvement de 5 mL de M₂. Soit M₂’ la solution résultante. Mesurer le pH de M₂’.
• Ajouter 3 mL de soude 0,1 M au reste de la solution M₂. Soit M₂’’ la solution résultante. Mesurer le pH de M₂’’.

La partie réflexion est la suivante :

• Travail de réflexion

Le but de ce travail est de comparer la différence de comportement de la solution M ₁ avec celui de M ₂ , vis-à-vis de l’addition de soude d’une part et de la dilution d’autre part.

1. Etablir les expressions du pH et développer le calcul permettant d’interpréter le comportement de M₂ vis-à-vis de l’addition de soude, puis vis-à-vis de la dilution.

2. Dans le cas de M₁, déterminer le nombre de moles de CH₃COOH et de CH₃COO– en solution à partir du pH de la solution initiale et du pKa relevés de la courbe de dosage de CH₃COOH (0,1M) réalisée dans l’expérience 2.1.

3. Déterminer le nombre de moles de CH₃COOH et de CH₃COO– dans M₁’’. En déduire le pH.

4. En utilisant la relation pH = pK_a + log[CH₃COO–]/[CH₃COOH], montrer que le pH varie peu entre M₁ et M₁’’.

5. A l’aide de cette même relation, montrer pourquoi le pH varie peu entre M₁ et M₁’.

Lors de la construction de ce TP, nous avons prévu comme durée de réalisation de la séance quatre heures (4h). Or la décision finale revient à l’institution qui a programmé la durée des séances de TP de chimie pour le 1er cycle universitaire est de trois heures (3h). Tenant compte de ce paramètre, nous avons opté pour l’allégement du texte de TP1 en éliminant ses parties V et VI.