Techniques expérimentales et analyse chimique

Matériel

Vous devez savoir quel instrument utiliser pour chaque mesure :

Lorsque vous choisissez le matériel, pensez à la précision : une burette (lue à 0.05 cm³ près) ou une pipette jaugée est beaucoup plus précise qu'une éprouvette graduée ; une balance qui mesure à 0.01 g près est préférable à une balance qui mesure à 0.1 g près pour les petites masses. Un gaz peut aussi être recueilli par déplacement d'eau dans une éprouvette graduée retournée, sauf s'il se dissout dans l'eau (comme l'ammoniac ou le chlorure d'hydrogène).

Planification d'une expérience. Ne modifiez qu'une seule variable (la variable indépendante), mesurez l'effet sur une autre (la variable dépendante) et gardez tout le reste constant (les variables contrôlées). Par exemple, pour déterminer comment la température d'un acide influe sur la vitesse de sa réaction avec le magnésium : modifiez la température ; mesurez le temps nécessaire à la disparition du magnésium ou le volume de dihydrogène produit chaque minute ; conservez le même volume et la même concentration d'acide ainsi que la même masse et la même taille de magnésium. Répétez chaque expérience et calculez la moyenne.

Mots clés

Ces mots sont utilisés tout au long de la chimie pratique :

• Un solvant est une substance qui dissout un soluté.
• Un soluté est la substance qui se dissout dans le solvant.
• Une solution est un mélange d'un ou plusieurs solutés dissous dans un solvant.
• Une solution saturée contient la quantité maximale de soluté pouvant se dissoudre à une température donnée.
• Un résidu est la substance laissée après évaporation, distillation ou filtration.
• Un filtrat est le liquide qui a traversé un filtre.

Une titration mesure le volume d'une solution nécessaire pour réagir avec une quantité mesurée d'une autre.

• Utilisez une pipette jaugée pour mesurer un volume fixe d'une solution dans un erlenmeyer.
• Ajouter quelques gouttes d'un indicateur approprié.
• Ajoutez l'autre solution depuis une burette, lentement, jusqu'à ce que la couleur change légèrement.

Le point final est le changement de couleur observé de l'indicateur. Choisir un indicateur approprié pour que ce changement se produise près du point d'équivalence, où les réactifs ont combiné dans le rapport requis. Les deux points ne doivent pas être exactement identiques. Lire la burette pour trouver le volume ajouté.

Le tournesol n'est pas utilisé pour les titrages, car son changement de couleur est progressif et non net. L'indicateur universel n'est pas utilisé non plus, car il présente de nombreuses couleurs.

Réaliser un titrage avec précision.

1. Rincez la burette avec un peu de la solution qu'elle contiendra et la pipette avec sa solution (un rinçage à l'eau les diluerait). Rincez la fiole conique uniquement avec de l'eau distillée.
2. Remplissez la burette, ouvrez brièvement le robinet pour remplir l'embout situé en dessous, puis lisez le volume initial au bas du ménisque, en plaçant votre œil à sa hauteur.
3. Ajoutez la solution de la burette tout en agitant par rotation la fiole posée sur une plaque blanche afin de voir facilement le changement de couleur. À l'approche du point final, ajoutez-la goutte à goutte.
4. Lisez le volume final. Le volume ajouté est le volume de titrage = lecture finale − lecture initiale.
5. Le premier titrage est approximatif. Répétez l'opération jusqu'à obtenir deux volumes de titrage concordants (à 0.10 cm³ près) et calculez la moyenne des seuls volumes concordants.

Exemple corrigé. Volumes de titrage : approximatif 25.40 cm³, puis 24.85, 24.90 et 25.20 cm³. Les volumes concordants sont 24.85 et 24.90 (à 0.10 cm³ près) ; 25.20 est écarté. Volume moyen $= (24.85 + 24.90)/2 = 24.875$, donné sous la forme 24.88 cm³.

Un titrage peut aussi servir à préparer un sel soluble : déterminez le volume d'acide qui neutralise exactement un volume mesuré de solution basique, puis recommencez avec les mêmes volumes mais sans indicateur, afin d'obtenir une solution de sel pure. Évaporez une partie de l'eau et faites cristalliser le sel.

La chromatographie sur papier sépare un mélange de substances solubles. On dépose une tache du mélange près du bas du papier, puis on place le papier dans un solvant. À mesure que le solvant remonte le long du papier, les substances se déplacent à des distances différentes, ce qui permet leur séparation.

• Pour les substances colorées, vous pouvez voir les taches directement.
• Pour les substances incolores, il faut pulvériser un révélateur pour rendre les taches visibles.

Le papier fini est un chromatogramme. Vous pouvez l'utiliser pour :

• identifier une substance inconnue en la comparant à des substances connues ;
• vérifier si une substance est pure (une substance pure ne donne qu'une seule tache).

Vous pouvez également calculer la valeur $R_{\text{f}}$ d'une tache :

Exemple résolu. Sur un chromatogramme, le front du solvant a monté de 8,0 cm par rapport à la ligne de départ, et une tache s'est déplacée de 6,0 cm. Trouvez sa valeur $R_{\text{f}}$.

Les deux distances sont mesurées à partir de la ligne de départ (la ligne au crayon), et la distance de la tache est prise jusqu'au centre de la tache. Une valeur $R_{\text{f}}$ n'a pas d'unité, et elle est toujours inférieure à 1, car une tache ne peut jamais parcourir plus de distance que le solvant qui la transporte - une réponse supérieure à 1 signifie que les deux distances ont été divisées dans le mauvais sens.

Vous choisissez une méthode en fonction du mélange :

Cristallisation, étape par étape. Chauffez la solution dans une capsule d'évaporation pour faire bouillir et évaporer une partie de l'eau, jusqu'à ce que la solution soit saturée : vérifiez-le en y plongeant une baguette de verre froide — si des cristaux s'y forment, arrêtez de chauffer. Laissez la solution refroidir : le solide est moins soluble dans l'eau froide, des cristaux se forment donc. Séparez les cristaux par filtration, lavez-les avec un peu d'eau distillée froide et séchez-les entre des feuilles de papier filtre ou dans une étuve tiède. Ne chauffez pas la solution jusqu'à évaporation complète si le sel contient de l'eau de cristallisation (comme le sulfate de cuivre(II) hydraté), sinon les cristaux se décomposeront.

Distillation simple, en détail. Le réservoir du thermomètre est à la hauteur du tube latéral, afin de mesurer la température de la vapeur entrant dans le réfrigérant. L'eau froide entre dans le réfrigérant par le bas et sort par le haut, de sorte que le réfrigérant reste rempli d'eau froide. Des grains anti-bouillonnement assurent une ébullition régulière du liquide. Dans la distillation fractionnée, par exemple de l'éthanol (température d'ébullition 78 °C) et de l'eau (100 °C), la colonne présente une gamme de températures, élevée en bas et plus basse en haut. Le liquide dont la température d'ébullition est la plus basse atteint le sommet en premier et se distille lorsque le thermomètre indique 78 °C ; lorsque la température indiquée augmente, la fraction suivante est recueillie dans un nouveau récipient. La distillation fractionnée sert à séparer les constituants du pétrole brut et de l'air liquide.

Choisir une méthode. Utilisez les informations fournies :

Vous pouvez vérifier la pureté d'une substance à l'aide de sa température de fusion et de sa température d'ébullition : une substance pure fond et bout à des températures fixes et précises, tandis que les impuretés abaissent la température de fusion et élèvent la température d'ébullition. Les substances pures sont importantes dans la vie quotidienne : les médicaments et les aliments ne doivent pas contenir d'impuretés nocives, même en petites quantités.

Tests de présence d'eau. L'eau fait passer le sulfate de cuivre(II) anhydre blanc au bleu et le papier au chlorure de cobalt(II) anhydre bleu au rose. Ces tests montrent que l'eau est présente, mais pas qu'elle est pure. Pour montrer que l'eau est pure, vérifiez qu'elle bout exactement à 100 °C et gèle exactement à 0 °C. On utilise de l'eau distillée lors des travaux pratiques plutôt que de l'eau du robinet, car cette dernière contient des ions dissous qui pourraient réagir avec les produits chimiques ou fausser les résultats des tests.

Tests pour les anions

Un anion est un ion négatif.

Tests pour les cations

Un cation est un ion positif. Ajouter de l'hydroxyde de sodium aqueux ou de l'ammoniaque aqueuse, et observer le précipité formé.

Tests pour les gaz

Tests de flamme

Un test à la flamme identifie certains cations métalliques par la couleur qu'ils confèrent à une flamme :

Identifier un composé

Exemple corrigé. Un solide blanc X se dissout dans l'eau. (1) Une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium donne un précipité blanc qui se dissout dans un excès ; une solution aqueuse d'ammoniac donne un précipité blanc qui se dissout également dans un excès. (2) De l'acide nitrique dilué et une solution aqueuse de nitrate de baryum donnent un précipité blanc. Identifiez X. Test 1 : un précipité blanc qui se dissout dans un excès d'hydroxyde de sodium et d'ammoniac indique la présence de l'ion zinc, $\text{Zn}^{2+}$ (le précipité de l'aluminium ne se dissout pas dans un excès d'ammoniac ; celui du calcium ne se dissout pas dans un excès d'hydroxyde de sodium). Test 2 : un précipité blanc avec le nitrate de baryum indique la présence de sulfate, $\text{SO}_4^{2-}$. X est donc le sulfate de zinc, $\text{ZnSO}_4$.

On ajoute d'abord de l'acide nitrique dans les tests des halogénures et des sulfates afin d'éliminer les éventuels ions carbonate, qui formeraient également un précipité. N'utilisez pas d'acide chlorhydrique dans le test des halogénures (il ajoute des ions chlorure), ni d'acide sulfurique dans le test des sulfates (il ajoute des ions sulfate).

• Choisir l'appareillage selon la mesure : une burette ou une pipette pour des volumes précis, un cylindre gradué pour un volume approximatif, une seringue à gaz pour un volume gazeux, une balance pour une masse.
• $R_f = \dfrac{\text{distance moved by the substance}}{\text{distance moved by the solvent}}$, donc il est toujours inférieur à 1. Une substance pure donne une seule tache.
• Apprendre les tests des anions : un carbonate fait effervesce et le gaz trouble l'eau de chaux ; les halogénures avec le nitrate d'argent forment un chlorure blanc, bromure crème, iodure jaune précipité ; un sulfate forme un précipité blanc avec le nitrate de baryum.
• Apprendre les tests des gaz : l'hydrogène produit un craquement, l'oxygène rallume une allumette éteinte, le dioxyde de carbone trouble l'eau de chaux, le chlore décolore le papier litmus humide, l'ammoniaque tourne le papier litmus humide rouge en bleu.
• Pour les cations, ajouter de l'hydroxyde de sodium et lire la couleur du précipité : cuivre(II) bleu clair, fer(II) vert, fer(III) rouge-brun.
• Titrage : utilisez de l'hélianthine ou de la thymolphtaléine, pas de tournesol ; lisez le bas du ménisque ; calculez la moyenne des seuls volumes de titrage concordants (à 0.10 cm³ près).
• Cristallisation : chauffez jusqu'au point de cristallisation (vérifiez avec une baguette de verre), refroidissez, filtrez, lavez et séchez.
• L'eau fait passer le sulfate de cuivre(II) anhydre du blanc au bleu ; l'eau pure bout à 100 °C.