050 – Conductivité et pH

Trier un liquide inconnu en acide, en base ou en sel est la première chose qu'un analyste fait avec, et les trois tests utilisés ici sont les plus anciens du métier. Une paire de papiers tournesol ne coûte presque rien et répond à la question en quelques secondes. Une ampoule branchée en série avec deux électrodes trempées dans le liquide montre si le liquide transporte des ions ou non. Une bande de magnésium réagit avec effervescence dans un acide et reste inerte dans tout le reste. À eux deux, ces tests permettent de séparer un sel d'un acide et d'une base sans la moindre lecture d'instrument, ce qui explique pourquoi ils subsistent tant dans les trousses de terrain pour la qualité de l'eau que dans les laboratoires scolaires.

Ce à quoi les trois tests répondent est différent dans chaque cas, et c'est bien là le but de réaliser les trois. Le tournesol est un colorant dont la couleur dépend du pH, il indique donc la concentration en hydronium. L'ampoule réagit aux ions mobiles, et tout composé ionique soluble en fournit, qu'il soit acide, basique ou neutre — la conductivité sépare donc les solutions ioniques des solutions moléculaires, et non les acides des bases. Le magnésium réagit uniquement avec l'ion hydronium, étant oxydé en Mg²⁺ pendant que H₃O⁺ est réduit en hydrogène gazeux. Trois tests, trois questions différentes ; seule leur combinaison permet d'identifier une solution.

Dans ce laboratoire, vous effectuerez les trois tests sur du chlorure de sodium, de l'acide chlorhydrique et de l'hydroxyde de sodium à 0,1 mol/L, en enregistrant pour chacun la conductivité, les deux couleurs de tournesol, la lecture du papier pH et le résultat avec le magnésium. Vous préparerez ensuite quatre dilutions d'acide chlorhydrique à 1 mol/L — 10 mL complétés à 30 mL, à 60 mL et à 100 mL, et 1 mL complété à 100 mL — et vous mesurerez le pH des cinq solutions acides à l'aide d'un pH-mètre. La deuxième partie transforme l'échelle de pH approximative de la première partie en une échelle quantitative, et montre que le pH d'un acide fort n'est rien d'autre que le logarithme de son degré de dilution.

Objectifs Éducatifs

Classer une solution à partir de preuves

• Attribuer une solution inconnue à un acide, une base ou un sel neutre en utilisant les preuves combinées du tournesol, du papier pH, de la conductivité et de la réaction avec le magnésium.
• Expliquez lequel des quatre tests permet réellement de discriminer les trois classes et lequel ne le fait pas, et pourquoi.

La manipulation des instruments

• Faire fonctionner un détecteur de conductivité électrique et rincer et sécher les électrodes entre les solutions afin qu'aucune trace du liquide précédent ne puisse allumer l'ampoule.
• Lisez un papier indicateur de pH par rapport à son échelle de couleurs et un pH-mètre à partir de son affichage, et indiquez lequel des deux est le plus précis et de combien.

Papier tournesol et papier pH comme indicateurs

• Le tournesol est un colorant dont la plage de virage se situe approximativement entre pH 4,5 et 8,3. Deux papiers inchangés constituent un résultat positif et non un échec du test, car cela indique que la solution est neutre (avec un pH se situant dans cette plage de transition).
• Distinguer un papier uniréactif, qui donne une fourchette, d'un papier universel, qui donne une valeur approximative.

Conductivité et ions dissous

• La conduction en solution s'explique par la migration des ions : lorsqu'un composé ionique ou polaire est dissous dans l'eau, il se dissocie en ions positifs (cations) et négatifs (anions) qui sont libres de se déplacer. Sous l'influence d'un champ électrique, ces ions se déplacent vers les électrodes de charge opposée, constituant ainsi un courant électrique qui permet au circuit de se fermer. Toutes les trois solutions à 0,1 mol/L allument l'ampoule car, quelle que soit la nature spécifique du soluté (pourvu qu'il soit un électrolyte), la concentration de 0,1 mol/L fournit un nombre suffisant de porteurs de charge mobiles (ions) pour permettre le passage d'un courant électrique suffisant pour faire briller le filament de l'ampoule.
• Prédiction de celui des trois qui conduirait le mieux si le détecteur affichait un nombre plutôt que d'allumer une ampoule, et justification de cette prédiction à partir des mobilités ioniques.

La dilution et l'échelle logarithmique du pH

• Calculer la concentration d'une solution après dilution, en mol/L et en g/L, et la préparer correctement avec une éprouvette graduée.
• Montrez que pour un acide monoprotique fort, l'augmentation du pH est égale au logarithme décimal du facteur de dilution, et utilisez cela pour prédire un pH avant de le mesurer.

Sécurité et élimination

• Manipulez l'acide chlorhydrique à 1 mol/L et l'hydroxyde de sodium à 0,1 mol/L avec des gants et une protection oculaire, et sachez lequel des deux cause la lésion oculaire la plus grave.
• Récupérez l'hydrogène dégagé par le magnésium à l'écart de toute flamme, puis jetez toutes les solutions dans le bac de récupération.

Protocole

Partie A : Les propriétés des acides, des bases et des sels

1. Allumez le détecteur de conductivité électrique (DCE).
2. Pour 10 mL de la solution de NaCl 0,1 M dans le bécher A.
3. Nettoyez les électrodes de l'ECD avec de l'eau distillée et essuyez-les avec du papier absorbant.
4. Plongez les électrodes dans la solution A. Observez si l'ampoule s'allume ou non et notez le résultat dans le tableau des résultats.
5. Répétez les étapes 2 à 4 avec les solutions de HCl 0,1M et de NaOH 0,1M, avec les béchers B et C.
6. Trempez un morceau de papier tournesol bleu et un morceau de papier tournesol rouge dans la solution A. Notez les couleurs obtenues dans le tableau des résultats.
7. Trempez un morceau de papier pH dans la solution A et évaluez le pH à l'aide de l'échelle de couleurs. Notez le pH dans le tableau des résultats.
8. Répétez les étapes 6 et 7 avec les solutions B et C.
9. Placer un ruban de magnésium dans la solution A et enregistrer les observations dans le tableau des résultats.
10. Répéter l'étape 9 avec les solutions B et C

Partie B : La concentration d'une solution acide et son pH

1. Verser 10 mL de solution de HCl 1M dans la éprouvette graduée de 100 mL.
2. Ajouter de l'eau distillée jusqu'à la marque de 30 mL.
3. Versez le contenu du cylindre dans le bécher de 100 mL identifié par le numéro 1.
4. Verser 10 mL de solution de HCl 1M dans la éprouvette graduée de 100 mL.
5. Ajouter de l'eau distillée jusqu'au trait de 60 mL.
6. Versez le contenu du cylindre dans le bécher de 100 mL identifié par le numéro 2.
7. Verser 10 mL de solution de HCl 1M dans la éprouvette graduée de 100 mL.
8. Ajouter de l'eau distillée jusqu'au trait de 100 mL.
9. Versez le contenu du cylindre dans le bécher de 100 mL identifié par le numéro 3.
10. Verser 1 mL de solution de HCl 1M dans la éprouvette graduée de 10 mL. Puis verser la solution dans la éprouvette graduée de 100 mL.
11. Ajouter de l'eau distillée jusqu'au trait de 100 mL.
12. Versez le contenu du cylindre dans le bécher de 100 mL identifié par le numéro 4.
13. Mesurez le pH de la solution de HCl 1M et celui des solutions 1 à 4 à l'aide du pH-mètre. Notez les résultats dans le tableau des résultats.
14. N'oubliez pas de rincer le pH-mètre à l'eau distillée et de le sécher avec du papier, entre les mesures.

Résultats attendus

Partie A — Les propriétés des acides, des bases et des sels. Ces trois solutions ont une concentration de 0,1 mol/L et sont toutes trois des électrolytes forts ; elles font donc toutes les trois s'allumer l'ampoule. Ce qui les différencie, c'est le papier de tournesol, le papier indicateur de pH et le magnésium.

Pourquoi le sel ne modifie pas la composition des deux papiers. Le papier de tournesol change de couleur entre un pH d'environ 4,5 et 8,3 ; il ne peut donc indiquer qu'une valeur “ inférieure à 4,5 ” ou “ supérieure à 8,3 ”. Le chlorure de sodium se dissout en Na⁺ et Cl⁻, les conjugués d'une base forte et d'un acide fort respectivement, et aucun d'eux ne prend un proton à l'eau ou n'en donne un. La solution reste donc à pH 7, les deux papiers gardent leur couleur d'origine, et cette paire de non-événements est l'identification positive d'un sel neutre.

Pourquoi tous les trois mènent. La conduction nécessite la présence d’ions libres de se déplacer, et chacun des trois composés est entièrement dissocié à 0,1 mol/L, ce qui donne 0,2 mol/L d’ions dans chaque bécher. L'ampoule s'allume donc dans les trois béchers, et un élève qui s'attend à ce que seul l'acide soit conducteur a confondu “ ionique ” et “ acide ”. Les trois ne sont toutefois pas des conducteurs aussi efficaces les uns que les autres, et c'est là que l'ampoule recèle quelque chose d'intéressant.

Pourquoi seul l'acide attaque le magnésium. Le magnésium est oxydé et l'hydronium est réduit : Mg(s) + 2 H₃O⁺ → Mg²⁺ + H₂(g) + 2 H₂Ou, sous la forme habituellement écrite, Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂. La force motrice est grande : E° pour le Mg²⁺Le potentiel du Mg est de −2,37 V par rapport à 0,00 V pour le couple de l'hydrogène, de sorte que le potentiel de la pile est de +2,37 V et que la réaction est suffisamment rapide pour être visible sous forme d'un flux de bulles. Dans la solution saline, il n'y a pas d'agent oxydant plus fort que l'eau, et dans l'hydroxyde de sodium, le métal est protégé par un film adhérent de Mg(OH)2 insoluble₂; toutes deux sont enregistrées comme aucune réaction. Les bulles dans le bécher B sont de l'hydrogène, et ce sont le seul gaz produit n'importe où dans ce laboratoire.

Partie B — concentration et pH. Quatre dilutions sont préparées à partir de la même solution mère à 1 mol/L, dont la concentration massique est de 1,00 mol/L × 36,46 g/mol = 36,5 g/L. Chaque dilution obéit à C_dV_d = C_nV_n, donc C_n = C_dV_d/V_n. Pour la solution 1, C₁ = 36,5 g/L × 10 mL / 30 mL = 12,2 g/L, et la même substitution donne le reste.

Le pH d'un acide fort est le logarithme de sa dilution. L'acide chlorhydrique s'ionise complètement, donc [H₃O⁺] est égal à la concentration préparée et pH = −log C. En divisant la concentration par un facteur f augmente par conséquent le pH de log f, et rien d'autre. Cette seule affirmation explique chaque ligne du tableau : log 3 = 0,48, log 6 = 0,78, log 10 = 1,00 et log 100 = 2,00, qui sont les quatre valeurs de pH sans aucun calcul supplémentaire. Elle explique également pourquoi les étapes de cette série sont inégales alors que celles du laboratoire 048 sont toutes égales — ici, les facteurs de dilution sont 3, 6, 10 et 100, et non une constante de dix.

Lire la balance à l'envers. Étant donné que l'échelle est logarithmique, une unité de pH représente un facteur dix en [H₃O⁺]: la solution 4 à pH 2,00 a un centième de la concentration en hydronium de la solution mère à pH 0,00, et un dixième de celle de la solution 3. En sens inverse, [H₃O⁺] = 10^−pH, donc une lecture de 0,78 correspond à 10^−0,78 = 0,166 mol/L, ce qui rétablit la concentration de la solution 2 à trois chiffres significatifs. Être capable d'effectuer le calcul dans les deux sens est ce qui fait du pH-mètre un instrument de mesure de concentration plutôt qu'une comparaison de couleurs.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

Focalisation exécuter quatre tests avec soin et décrire ce que chacun d'eux montre.

Activités : compléter le tableau de la Partie A pour les trois solutions à partir de l'observation directe ; indiquer quelle solution est l'acide, laquelle est la base et laquelle est le sel, et nommer le test unique qui a permis de déterminer chacune ; expliquer pourquoi l'ampoule s'est allumée pour les trois ; écrire l'équation-bilan en mots pour la réaction du magnésium avec l'acide chlorhydrique et nommer le gaz ; préparer les quatre dilutions et classer les cinq valeurs de pH dans l'ordre, en tenant compte du fait que plus l'acide est dilué, plus le pH est élevé.

11e année

Focalisation l'arithmétique de la dilution et d'une échelle logarithmique.

Activités : calculer la concentration de chacune des quatre dilutions à partir de C_dV_d = C_nV_n, en mol/L et en g/L, en montrant le calcul ; prédire chaque pH sous la forme −log C avant de le mesurer et le comparer avec le pH-mètre ; convertir chaque pH mesuré en concentration d'ions hydronium ; montrer que l'augmentation du pH est égale au logarithme du facteur de dilution pour les quatre solutions ; équilibrer la réaction du magnésium et calculer le volume d'hydrogène qu'un ruban de 0,10 g dégagerait dans les conditions ambiantes.

12e année / Niveau universitaire

Focalisation mécanisme, précision et limites de chaque méthode.

Activités : expliquer la conductivité molaire anormalement élevée de l'ion hydrogène₃O⁺ et OH⁻ en ce qui concerne le transfert de protons entre des molécules d'eau, et prédire le rapport des conductivités des trois solutions ; expliquer quantitativement le pH de la solution de chlorure de sodium en utilisant K_w et l'absence d'hydrolyse ; estimez le coefficient d'activité nécessaire pour concilier un pH mesuré de 0,1 avec une solution mère de 1 mol/L et commentez le sens de l'écart ; identifiez les deux lectures de pH-mètre qui ne concordent pas avec −log C et quantifiez la discordance ; proposez un témoin qui rendrait le test de conductivité discriminant et prédisez son résultat ; discutez des raisons pour lesquelles le tournesol, le papier pH et une électrode de verre diffèrent en précision d'environ un ordre de grandeur à chaque étape.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Détecteur de conductivité électrique (DCE), avec ampoule et électrodes
• pH-mètre
• Pince à épiler
• Papier absorbant
• Éprouvette graduée (100 mL)
• Éprouvette graduée (10 mL)
• Bêchers de 50 mL (3, étiquetés A, B et C)
• Bêchers 100 mL (4, numérotés de 1 à 4)
• Bêchers de solution mère (4, sur la table des réactifs)
• Papier tournesol bleu et rouge
• Papier pH universel avec échelle colorimétrique
• Corbeille

Produits

• NaCl 0,1 mol/L (solution)
• HCl 0,1 mol/L (solution)
• NaOH 0,1 mol/L (solution)
• HCl 1,0 mol/L (solution, 36,5 g/L)
• Rubans de magnésium
• Eau distillée