Titrage des ions chlorure présents dans une solution de sérum physiologique par suivi conductimétrique

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Solution physiologique

Une solution physiologique est un liquide isotonique au sang, c’est-à-dire exerçant la même pression osmotique sur les membranes cellulaires que les principaux fluides corporels, en particulier le sang humain. Une telle solution est également nommée liquide physiologique ou, improprement, sérum physiologique (en fait il ne s’agit pas d’un sérum car il ne provient pas directement du sang).

La solution est généralement composée d’eau distillée et de chlorure de sodium (NaCl\ce{NaCl}) dilué à 9 pour 1 0001\,000 (c’est-à-dire une solution à 0,9 % de masse/volume de NaCl\ce{NaCl}, soit 9 g ⋅ L−1\pu{9 g.L-1}).

Certaines solutions physiologiques d’usage commun sont commercialement disponibles à diverses concentrations à des fins différentes.

La méthode de Mohr : un titrage par précipitation

Lorsqu’on ajoute à une solution contenant des ions chlorure ClX−(aq)\ce{ Cl^-(aq) } à titrer une solution de nitrate d’argent il se forme un précipité de chlorure d’argent AgCl(s)\ce{ AgCl(s) }. La solution titrée, incolore au départ, se trouble d’un voile blanc et devient finalement opaque à cause du précipité formé. Ceci se produit jusqu’à ce que tous les ions chlorures aient précipité. On est alors à l’équivalence du titrage. Malheureusement, il est impossible de visualiser directement cette équivalence puisque le précipité de chlorure d’argent est présent depuis le début.

On peut utiliser un indicateur coloré de présence d’ions argent pour déterminer l’instant de l’arrêt de leur consommation : le chromate de potassium. Les ions argent en présence d’ions chromate forment un précipité rouge de chromate d’argent AgX2CrOX4(s)\ce{ Ag2CrO4(s) }. Ce précipité est moins stable que le précipité de chlorure d’argent donc si l’argent est en présence d’ions chlorure et d’ions chromate, il réagit d’abord avec les ions chlorure puis, après, avec les ions chromate.

Au cours du dosage, tous les ions AgX+(aq)\ce{ Ag^+(aq) } réagissent avec les ions chlorure ClX−(aq)\ce{ Cl^-(aq) } jusqu’au point d’équivalence. Dès l’équivalence franchie, les ions AgX+(aq)\ce{ Ag^+(aq) } sont en excès et réagissent avec l’ion chromate pour former le précipité rouge. Une lecture du volume au point d’équivalence permet alors de déterminer la concentration en ions chlorure de la solution.

Équivalence d’un titrage

  • On appelle équivalence d’un titrage le point du titrage où on change de réactif limitant.
  • À l’équivalence les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques.

Objectif

L’objectif de cette séance est de vérifier que l’information sur la concentration massique en chlorure de sodium de sérum physologique annoncée sur Wikipedia est correcte.

Partie expérimentale

Données : conductivités molaires ioniques

λNaX+=5,0⋅10−3 S ⋅ m2 ⋅ mol−1\lambda_{\ce{Na^+}} = \pu{5,0e-3 S.m2.mol-1} ; λClX−=7,6⋅10−3 S ⋅ m2 ⋅ mol−1\lambda_{\ce{Cl^-}} = \pu{7,6e-3 S.m2.mol-1} ; λAgX+=6,2⋅10−3 S ⋅ m2 ⋅ mol−1\lambda_{\ce{Ag^+}} = \pu{6,2e-3 S.m2.mol-1} ; λNOX3−=7,1⋅10−3 S ⋅ m2 ⋅ mol−1\lambda_{\ce{NO^-_{3}}} = \pu{7,1e-3 S.m2.mol-1}.

Matériel à disposition

  • Sérum physiologique de concentration CC en chlorure de sodium dilué 10 fois.

  • Solution de nitrate d’argent AgX+(aq)+NOX3−(aq)\ce{ Ag^+(aq) + NO^-_3(aq) } de concentration C2=2,0⋅10−2 mol ⋅ L−1C_2 = \pu{2,0e-2 mol.L-1}.

  • Indicateur de fin de réaction : solution jaune de chromate de potassium 2 KX+(aq)+CrOX42−(aq)\ce{2 K^+(aq) + CrO^2-_4(aq) }.
    Nous n’avons malheureusement pas ce produit à disposition, cette partie du TP ne sera pas réalisée ;

  • Conductimètre et sonde, agitateur et barreau aimanté, burette graduée 25 mL\pu{25 mL}, pipette jaugée 10 mL\pu{10 mL} et propipette, éprouvette graduée, béchers, erlenmeyer, eau distillée.

Protocole

  • Rédiger un protocole permettant de mettre en œuvre simultanément la méthode de Mohr et de réaliser un suivi conductimétrique du titrage de V=10 mLV=\pu{10 mL} de ce sérum dilué 10 fois.
  • Mettre en œuvre le protocole.

Tableau de valeurs envisageable

VBV_B (mL) 0 1 2 3 4 5 6 7 8
σ (mS ⋅ m2 ⋅ mol−1)\sigma\, (\pu{mS.m2.mol-1}) …. …. …. …. …. …. …. …. ….
VBV_B (mL) 9 10 11 12 13 14 15 16
σ (mS ⋅ m2 ⋅ mol−1)\sigma\, (\pu{mS.m2.mol-1}) …. …. …. …. …. …. …. ….
Résultats expérimentaux possibles
VBV_B (mL) 0 1 2 3 4 5 6 7 8
σ (mS ⋅ m2 ⋅ mol−1)\sigma\, (\pu{mS.m2.mol-1}) 0,15 0,149 0,148 0,147 0,146 0,145 0,143 0,142 0,141
VBV_B (mL) 9 10 11 12 13 14 15 16
σ (mS ⋅ m2 ⋅ mol−1)\sigma\, (\pu{mS.m2.mol-1}) 0,159 0,177 0,193 0,209 0,228 0,245 0,261 0,277

Exploitation

  1. Écrire l’équation de la réaction de titrage.
Réponse
  • Les ions argent AgX+\ce{Ag+} constituent le titrant ;
  • Les ions chlorure ClX−\ce{Cl-} sont titrés.

AgX+(aq)+ClX−(aq)→AgCl(s) \ce{Ag+ (aq) + Cl- (aq) -> AgCl (s)}

  1. Quelles propriétés doit présenter une réaction chimique utilisée pour réaliser un titrage ?
Réponse

Une réaction chimique utilisée pour réaliser un titrage doit :

  • être rapide ;
  • être unique dans le milieu réactionnel (c’est la seule qui doit consommer les titré et titrant) ;
  • doit modéliser des transformations chimiques totales.
  1. Pourquoi la conductivité de la solution n’est-elle pas nulle au début du titrage ?
Réponse

Lorsque le volume d’ions argent versé est nul, la solution est formée d’eau et contient des ions sodium NaX+\ce{Na+} et chlorure ClX−\ce{Cl-} capables de conduire le courant électrique. La conductivité de cette solution est donc non nulle.

  1. Donner, de façon qualitative, la composition du bécher :
    • avant l’équivalence ;
    • à l’équivalence ;
    • après l’équivalence.
Réponse

  • Avant l’équivalence Le titrant (les ions argent AgX+\ce{Ag+}), est limitant. La solution contient donc de l’eau, le titré (les ions chlorure ClX−\ce{Cl-}), des ions sodium NaX+\ce{Na+}, des ions nitrate NOX3X−\ce{NO3-} (introduits en même temps que les ions argent) et du chlorure d’argent AgCl\ce{AgCl} (produit de la réaction).

  • À l’équivalence Le titrant (les ions argent AgX+\ce{Ag+}) et le titré (les ions chlorure ClX−\ce{Cl-}) sont limitants. La solution contient des ions sodium NaX+\ce{Na+}, des ions nitrate NOX3X−\ce{NO3-} (introduits en même temps que les ions argent) et du chlorure d’argent AgCl\ce{AgCl} (produit de la réaction).

  • Après l’équivalence Le titrant (les ions argent AgX+\ce{Ag+}) est désormais en excès et le titré (les ions chlorure ClX−\ce{Cl-}) ont disparu. La solution contient des ions argent AgX+\ce{Ag+}, des ions sodium NaX+\ce{Na+}, des ions nitrate NOX3X−\ce{NO3-} (introduits en même temps que les ions argent) et du chlorure d’argent AgCl\ce{AgCl} (produit de la réaction).

  1. Établir un tableau d’avancement pour chacune des phases décrites ci-dessus.
Réponse
État Avancement AgX+(aq)\ce{Ag+ (aq)} ++ ClX−(aq)\ce{Cl- (aq)} →\ce{->} AgCl\ce{AgCl} Spectateurs NaX+\ce{Na+} NOX3X−\ce{NO3-}
Initial 0 n0n_0 n1n_1 0 n1n_1 n0n_0
Avant l’équivalence xav=n0x_{av} = n_0 0 n1−n0n_1 - n_0 n0n_0 n1n_1 n0n_0
À l’équivalence xE=n1=n0x_E = n_1 = n_0 0 0 n1=n0n_1 = n_0 n1n_1 n0n_0
Après l’équivalence xap=n1x_{ap} = n_1 n0−n1n_0 - n_1 0 n1n_1 n1n_1 n0n_0
  1. À partir des tableaux d’avancement écrire les expressions des conductivités σ\sigma de la solution en fonction des concentrations molaires des différentes entités chimiques :
  • avant l’équivalence ;
  • à l’équivalence ;
  • après l’équivalence.
Réponse
  1. Justifier l’allure de la courbe σ=f(VB)\sigma = f(V_B).
Réponse
  1. En déduire la concentration en ions chlorure dans le sérum physiologique.
Réponse
Tableau d'avancement  Équivalence  Conductimétrie  Titrage  Conductivité molaire ionique  Conductivité 

Suggestions de lecture :