Le contrôle de qualité consiste à mesurer, pour un échantillon donné, les quantités des différentes espèces chimiques le composant. Ces contrôles sont indispensables pour la commercialisation des produits industriels (qu'ils soient destinés à l'industrie agroalimentaire, à un usage ménager ou encore à l'industrie pharmaceutique) qui doit répondre à des normes strictes.
Les dosages physiques ou chimiques permettent de déterminer rapidement et efficacement une quantité de matière présente dans un échantillon constituant ainsi le cœur du contrôle de qualité.
Le dosage par étalonnage
Dosage par étalonnage
Le dosage par étalonnage est une méthode de dosage physique permettant de déterminer la concentration inconnue C_x d'une espèce chimique en solution, en mesurant une grandeur physique et en la comparant à celles de solutions de concentrations connues (solution étalon). Généralement, on trace alors une droite d'étalonnage.
La réalisation du dosage
Soit une grandeur physique X quelconque proportionnelle à la concentration C de l'espèce chimique à doser. Voici les étapes pour réaliser un dosage par étalonnage :
- Réaliser n solutions dont la concentration C_i en espèce à doser est connue et différente pour chaque solution. Ces solutions sont les solutions étalons.
- Mesurer la grandeur X pour chacune de ces solutions. On obtient n couples de valeurs \left\{ x_i;C_i \right\}.
- Tracer le graphique représentant la grandeur physique X en fonction de la concentration C. Ce graphe donne une droite qui s'appelle la droite d'étalonnage.
- Mesurer la grandeur physique X de la solution de concentration inconnue C_x.
- En déduire grâce à la droite d'étalonnage la valeur de C_x.
Droite d'étalonnage de la grandeur physique X en fonction de la concentration C
L'étalonnage par spectrophotométrie
Dans le cas de la spectrophotométrie, la grandeur physique mesurée est l'absorbance A_\lambda de la solution. Elle est liée à la concentration par la loi de Beer-Lambert.
Loi de Beer-Lambert
La loi de Beer-Lambert est la suivante :
A_\lambda=k\times C
Avec :
- A_\lambda l'absorbance (sans unité)
- C la concentration de l'espèce colorée (en mol.L-1)
- k le coefficient de proportionnalité (en L.mol-1)
L'étalonnage par conductimétrie
Dans le cas de la conductimétrie, la grandeur physique proportionnelle à une concentration est la conductivité.
Conductivité
La conductivité, notée \sigma, d'une solution traduit la capacité de cette solution à laisser les ions se déplacer en son sein et donc à produire un courant électrique. Elle s'exprime en siemens par mètre (S.m-1)
De manière analogue à la loi de Beer-Lambert, la conductivité est liée à la concentration en ions par une simple relation de proportionnalité appelée loi de Kohlrausch.
Loi de Kohlrausch
Pour une solution contenant plusieurs ions différents, la conductivité est donnée par la formule suivante :
\sigma=\sum_{i}^{}\lambda_i\times C_i
Avec :
- \sigma la conductivité de la solution (en S.m-1)
- \lambda_i la conductivité ionique molaire de l'ion i (en S.m2.mol-1)
- C_i la concentration de l'ion i (en mol.m-3)
On considère une solution de chlorure de sodium préparée de sorte à ce que :
- \left[\ce{Cl-}\right]=2{,}0.10^{-2} mol.L-1 soit \left[\ce{Cl-}\right]=2{,}0.10^{1} mol.m-3
- \left[\ce{Na+}\right]=2{,}0.10^{-2} mol.L-1 soit \left[\ce{Na+}\right]=2{,}0.10^{1} mol.m-3
Avec :
- \lambda_{\ce{Cl-}}=7{,}6.10^{-3} S.m2.mol-1
- \lambda_{\ce{Na+}}=5{,}0.10^{-3} S.m2.mol-1
La conductivité de la solution vaut alors :
\sigma=\sum_{i}^{}\lambda_i\times C_i
\sigma = \lambda_{\ce{Na+}}\times \left[\ce{Na+}\right]+\lambda_{\ce{Cl-}}\times \left[\ce{Cl-}\right]
\sigma= 5{,}0.10^{-3}\times2{,}0.10^1+7{,}6.10^{-3}\times2{,}0.10^1
\sigma=2{,}5.10^{-1} S.m-1
Dans cette relation, les concentrations doivent être exprimées en moles par mètre cube et non en moles par litre.
Les appareils qui permettent de mesurer la conductivité, appelés conductimètres, mesurent en fait la conductance (notée G). Pour mesurer la conductivité avec un conductimètre, il faut d'abord l'étalonner afin que la conductance soit égale à la conductivité.
On effectue une mesure sur une solution quelconque. L'appareil mesure une conductance G de 0,55 Siemens. Si l'appareil est étalonné, la conductivité \sigma vaut alors 0,55 S.m-1.
Le dosage par titrage direct
Dosage par titrage direct
Le dosage par titrage direct est une méthode de dosage chimique en milieu aqueux qui permet de déterminer la concentration d'une espèce à doser, appelée espèce titrée, en la faisant réagir avec une espèce chimique de concentration connue, appelée espèce titrante.
Schéma d'un titrage direct
Le dosage par titrage direct d'une solution de soude de concentration inconnue peut se faire en utilisant de l'acide chlorhydrique de concentration connue. L'acide chlorhydrique, qui est l'espèce titrante, va réagir avec la soude, qui est l'espèce titrée.
La réaction support
Réaction support
La réaction support est la réaction chimique se produisant entre l'espèce titrée et l'espèce titrante.
Dans l'exemple précédent avec le titrage de la solution de soude (Na^+,OH^-) par la solution d'acide chlorhydrique (H^+,Cl^-), la réaction support est la suivante :
\ce{OH-}+H^+\ce{->}\ce{H2O}
La réaction support doit être totale, rapide et unique.
L'équivalence du titrage
Équivalence
L'équivalence d'un titrage est l'état du système chimique au moment où les réactifs titré et titrant ont été introduits en proportions stœchiométriques.
On considère une solution de soude de concentration inconnue titrée par une solution d'acide chlorhydrique. L'équivalence correspond à l'état pour lequel on aura ajouté autant de quantité de matière d'acide qu'il n'y avait de quantité de matière de soude en solution. Donc d'après l'équation de la réaction, on peut écrire la relation suivante :
n\left( \ce{OH-} \right)_{équivalence}=n\left( \ce{H+} \right)_{équivalence}
À l'équivalence, le volume d'espèce titrante versé dans la solution correspond au volume équivalent.
Le repérage de l'équivalence
Par colorimétrie
Si la réaction de support fait intervenir des espèces colorées, l'équivalence pourra être repérée visuellement grâce à :
- La disparition de la coloration initiale due à la consommation totale de l'espèce titrée
- L'apparition d'une coloration due à la présence de l'espèce titrante dans la solution
Soit une solution d'ions permanganate titrée par de l'eau oxygénée (qui est incolore). La solution est initialement de couleur violette à cause des ions permanganate. Une fois à l'équivalence, la solution devient incolore car il n'y a plus d'ions permanganate.
Si les espèces titrante et titrée sont incolores, il est possible de rajouter une espèce colorée, appelée indicateur coloré, permettant de voir l'équivalence.
Dans le titrage de la soude par de l'acide chlorhydrique, les deux espèces sont incolores. Il est possible alors de rajouter un indicateur coloré comme le bleu de bromothymol, qui est bleu avant l'équivalence puis devient jaune après.
Par conductimétrie
Lorsque la réaction de support fait intervenir des ions, le titrage peut se faire par suivi conductimétrique. Les ions disparaissant ou apparaissant pendant la réaction, la courbe représentant la conductivité de la solution \sigma en fonction du volume de solution titrante versée V se découpe en deux droites de pentes distinctes.
Exemple d'une courbe d'un titrage conductimétrique
Le volume équivalent correspond à l'abscisse définie par l'intersection des deux droites.
Par pH-métrie
Lorsque la réaction de support est une réaction acido-basique, le titrage peut se faire par suivi pH-métrique. La courbe représentant le pH en fonction du volume de solution titrante versé V présente un saut de pH proche de l'équivalence.
Exemple d'une courbe d'un titrage pH-métrique
Le volume équivalent est repéré en utilisant la méthode des tangentes ou la méthode de la dérivée.