Transcript PCSI Brizeux Fiche TP : Conductimétrie Altmayer

PCSI Brizeux Fiche TP : Conductimétrie Altmayer-­‐Henzien 2014-­‐2015 CONDUCTIMÉTRIE I -­‐ Principe La conductimétrie est une technique d'analyse quantitative, permettant d'accéder aux concentrations des ions en solution. Elle est basée sur la connaissance de la conductivité σ de la solution, grandeur liée à la conductance G (l'inverse de la résistance R), mesurée avec un appareil appelé conductimètre. La conductivité d'une solution traduit son aptitude à conduire le courant électrique : plus la conductivité d'une solution est grande, moins sa résistance sera élevée. !
Pour une solution suffisamment diluée (c < 10−2 mol·L−1) contenant des ions A ! ! , de conductivité molaire !
!
ionique limite λ° A ! ! , à la concentration A ! ! , la conductivité de la solution est donnée par la formule : σ en S ∙ m!! (siemens par mètre)
!
λ° !!! en S ∙ m! ∙ mol!!
σ=
λ° ! ∙ A ! !
!! !
!
!
!
A ! ! en mol ∙ m!!
La somme porte sur toutes les espèces ioniques présentes dans la solution. !
!
La conductivité molaire ionique limite λ° A ! ! dépend de l'espèce A ! ! , de la température et du solvant. •
•
Remarque 1 : parfois les tables donnent les conductivités molaires limites des ions rapportées à une mole de charge λ°
!
!!
!
A ! ! : conductivité molaire ionique équivalente. L'expression de la conductivité de la solution devient alors : σ =
z! ∙ λ°
!
! !!
!
!! !
!
∙ A ! ! Remarque 2 : Les ions HO− et H3O+ ont une conductivité molaire ionique particulièrement élevée. Ion H3O+ Li+ 1/2 Ca2+ HO− Cl− 1/2 SO!!
! 2
−1
λ° ! !! (en mS·m ·mol ) 35,0 3,86 5,95 19,9 7,63 8,00 !!
!!
Remarque 3 : si la solution n'est pas suffisamment diluée, la conductivité molaire ionique des ions présents dépend de la concentration, elle n'est plus égale à la conductivité molaire ionique limite. II -­‐ Dispositif expérimental Pour mesurer la conductance d'une solution, on utilise une cellule conductimétrique reliée à un conductimètre. 1. Cellule conductimétrique Une cellule conductimétrique est constituée de deux plaques parallèles recouvertes de platine platiné (= noir de platine, = platine finement divisé pour augmenter la surface de contact entre le platine et la solution). Ces deux plaques ont une surface S (d'environ 1 cm2) et sont séparées par une distance ℓ𝓁 (d'environ 1 cm), ce qui délimite un volume V de solution à étudier (d'environ 1 cm3). On applique une différence de potentiel U entre les deux plaques. Les ions vont alors migrer et permettre le passage d'un courant (ionique) dans la solution entre les deux plaques. Remarque : La tension imposée est faible et alternative, pour de pas polariser les plaques et perturber la mesure par une réaction d'électrolyse. PCSI Brizeux Fiche TP : Conductimétrie Altmayer-­‐Henzien 2014-­‐2015 2. Conductimètre Le conductimètre est un ohmmètre qui mesure la conductance G de cette portion de solution, c'est-­‐à-­‐
dire sa capacité à laisser passer un courant (G = 1/R où R est la résistance en Ω). La conductance est reliée à la conductivité par la relation : G la conductance (en S)
𝜎
σ la conductivité (en S ∙ m!! )
𝐺=
𝐾!"##
K !"## la constante de cellule (en m!! )
La constante de cellule Kcell ne dépend que des dimensions de la cavité constituée par les deux plaques : K !"## en m!!
ℓ𝓁
K !"## = ℓ𝓁 en m S
S en m!
On souhaite en général accéder à la valeur de σ en mesurant G. Il suffit pour cela de déterminer la valeur de la constante de cellule. Comme ℓ𝓁 et S ne sont pas parfaitement connues, on ne peut pas déterminer Kcell par le calcul. On étalonne donc le conductimètre pour déterminer la valeur de Kcell à l'aide d'une solution de conductivité connue. Le conductimètre affiche soit la valeur de la conductance G (en siemens S), soit directement la valeur de la conductivité σ (en S·m−1) s'il a été correctement étalonné. III -­‐ Mise en œuvre pratique 1. Réalisation d'une mesure » Si nécessaire, ôter délicatement le manchon de plastique protégeant la cellule conductimétrique. » Rincer la cellule avec de l'eau distillée et l'essuyer délicatement avec du papier Joseph (ne jamais toucher les plaques de platine pour ne pas les abîmer). » Plonger la cellule conductimétrique dans la solution à analyser qui est laissée au repos sans agitation (pour ne pas perturber les lignes de champ électriques et fausser la mesure). Veiller à placer la cellule de préférence vers le centre du récipient (pour la même raison). Veiller également à ce qu'aucune bulle d'air ne soit piégée entre les plaques. » Choisir éventuellement le calibre adapté (= l'«échelle» de la mesure : S, mS, μS... à choisir selon l'ordre de grandeur de la valeur à mesurer). » Une fois la valeur affichée par le conductimètre stabilisée, la noter puis enlever la cellule de la solution, la rincer à l'eau distillée, et remettre le manchon protecteur si on ne l'utilise plus. (Une cellule conductimétrique se conserve dans l'eau distillée). Remarque : Lors d'un titrage conductimétrique, la solution est homogénéisée aprs chaque ajout de réactif titrant. L'agitation est cependant coupée avant chaque mesure conductimétrique. 2. Etalonnage du conductimètre Pour étalonner le conductimètre, on mesure la conductance d'une solution étalon, généralement une solution de chlorure de potassium KCl de concentration connue, dont la conductivité est connue. On règle alors le conductimètre de manière à lui indiquer la valeur de conductivité exacte de la solution étalon. Cette étape permet ensuite au conductimètre de convertir les valeurs mesurées de conductance en valeurs de conductivité. Remarque : La notice du conductimètre fournit les valeurs des conductivités de solutions de KCl à plusieurs concentrations et sur toute une gamme de température. Remarque : L'étalonnage n'est nécessaire que si l'on souhaite accéder aux valeurs de la conductivité σ. Lorsque l'on souhaite seulement repérer qualitativement l'évolution de la conductivité, sans chercher à connaître la valeur de la conductivité de la solution, l'étalonnage n'est pas nécessaire : il suffit de suivre la valeur de la conductance G.