Aurélie 25/03/06

bac CLPI chimie de laboratoire 09/2004

Dosage pHmétrique d'une solution d'acide phosphorique.

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Dosage pHmétrique d'une solution d'acide phosphorique

Données (à 25 °C) : pK1 (H3PO4 / H2PO4-) = 2,1 ; pK2 (H2PO4- / HPO42-) = 7,2 ; pK3 (HPO42- / PO43- ) = 12,4 ;

Produit ionique de l’eau à 25 °C : pKe = 14,0

  1. L’acide phosphorique H3PO4 est un triacide. Les forces de chacune de ses acidités sont suffisamment différentes pour qu’on puisse les doser séparément. On considère une solution (S) de cet acide.
    - Placer sur un axe gradué en unité de pH de 0 à 14 les espèces prédominantes de cet acide.
    - Le pH de la solution (S) est de 2,1. Indiquer les espèces majoritaires issues de l'acide phosphorique dans (S) ; justifier la réponse. Donner, sans aucun calcul, le coefficient de dissociation de l'acide phosphorique dans (S).
  2. On procède au dosage de la solution (S) par une solution d'hydroxyde de sodium (soude). On relève les valeurs du pH de la solution en fonction du volume de soude versé. La courbe de dosage comporte deux sauts de pH correspondant aux deux équivalences E1 (V1, pH1) et E2(V2, pH2).
    - Étude de la première équivalence. Indiquer l'espèce majoritaire qui impose le pH à la première équivalence E1. Expliquer pourquoi cette espèce est un ampholyte en écrivant les équations de ses réactions avec l’eau. Sans justifier, donner l’expression littérale du pH à la première équivalence E1, puis calculer pH1, valeur du pH à l'équivalence E1.
    - Étude de la deuxième équivalence. Écrire l’équation de la réaction de dosage entre E1 et E2. Calculer la constante KR de cette réaction ; commenter le résultat. Indiquer l'espèce majoritaire qui impose le pH à la deuxième équivalence E2. Sans justifier, donner l’expression littérale du pH à la deuxième équivalence E2, puis calculer pH2, valeur du pH à l'équivalence E2.
    - Étude de la réaction de dosage après la deuxième équivalence. Écrire l’équation de la réaction de dosage après la deuxième équivalence. Calculer la constante KR de cette réaction ; commenter le résultat. Indiquer quelle est la conséquence de ce résultat sur la courbe tracée.



corrigé


Le pH de la solution (S) est de 2,1, égal à pK1. Les espèces majoritaires issues de l'acide phosphorique dans (S) sont H3PO4 et H2PO4-, en quantités égales.

Le coefficient de dissociation de l'acide phosphorique dans (S) est donc 50%.

Étude de la première équivalence : l'espèce majoritaire est H2PO4- au point E1.

cette espèce est un ampholyte, elle se comporte comme un acide ou comme une base.

H2PO4- + H2O = HPO42-+ H3O+ ( comportement acide) K2 = [HPO42-][H3O+] / [H2PO4-] (1)

H2PO4- +H3O+ = H3PO4 + H2O ( comportement basique)

expression littérale du pH à la première équivalence E1 : pH= ½(pK1+pK2) = 0,5(2,1+7,2)=4,65.


équation de la réaction de dosage entre E1 et E2 :

H2PO4- +HO- = HPO42-+ H2O avec KR= [HPO42-]/ ([H2PO4-][HO-] ) (2)

en tenant compte de (1) : KR=K2 / ([H3O+][HO-] ) = K2 / Ke = 10-7,2 / 10-14 = 106,8 = 6,3 106.

Cette constante étant grande, la réaction est totale.

Étude de la deuxième équivalence : espèce majoritaire qui impose le pH à la deuxième équivalence E2 : HPO42-

pH2= ½(pK2+pK3) = 0,5(7,2+12,4)=9,8.


équation de la réaction de dosage après la deuxième équivalence :

HPO42- +HO- = PO43-+ H2O avec KR= [PO43-]/ ([HPO42-][HO-] ) (2)

or HPO42- + H2O = PO43-+ H3O+ avec K3 = [PO43-][H3O+] / [HPO42- ] (3)

en tenant compte de (3) : KR=K3 / ([H3O+][HO-] ) = K3 / Ke = 10-12,4 / 10-14 = 101,6 = 39,8.

Cette constante étant assez faible, la réaction est partielle.

Le saut de pH correspondant au dosage de la 3è acidité est faible : on ne peut pas doser la 3è acidité de l'acide phosphorique par suivi pHmétrique.



Dosage acide phosphorique

Concentration de la solution d'hydroxyde de sodium cB= 1,25 10-1 mol/L.

  1. Décrire le mode opératoire pour réaliser le dosage des deux premières acidités de l'acide phosphorique.
  2. Le volume équivalent est véq = 24,3 mL lorsque la prise d'essai est de 10 mL. Déterminer en mol/L et en g/L la concentration de la solution d'acide phosphorique.
    valeurs des pKa de l'acide phosphorique : pKa1 = 2,1 ; pKa2 = 7,2 ; pKa3 = 12,3.
    zônes de virage d'indicateurs colorés : bleu de thymol 1,2 - 2,8 ; bleu de bromothymol 6,2 - 7,6 ; phénolphtaléine 8,0 - 10.
    masse atomique molaire en g/mol : P : 31 ; H : 1 ; O : 16.
     

corrigé

 

Les 10 mL de la prise sont prélevés à la pipette jaugée + pipeteur

saut 1 : H3PO4 + HO- = H2PO4- + H2O

saut 2 : H2PO4- + HO- = HPO42- + H2O

au premier saut de pH: Vequi = 24,3 / 2 = 12,15 mL

Vs [acide phosphorique]= Vequi[soude] soit [acide phosphorique] = 12,15*0,125/10 = 0,152 mol/L

masse molaire H3PO4 : M = 3+31+64 = 98g/mol ; 0,152*98 = 14,9 g/L.

On peut réaliser un dosage colorimétrique avant de réaliser le dosage pHmétrique. La zone de virage de l'indicateur coloré doit contenir la valeur du pH au point équivalent .

pour repérer le premier saut (pH voisin de 4) : vert de bromocrésol , hélianthine

pour repérer le second saut (pH voisin de 9) : phénolphaléine



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