Fiche de révision : Dosages colorimétriques et oxydoréduction

📋 Plan du Cours

1. Quantité de matière et masses molaires
2. Volume molaire des gaz
3. Préparation des solutions
4. Couples et réactions d’oxydoréduction
5. Dosage de la caféine du guarana
6. Absorbance et loi de Beer-Lambert
7. Spectroscopie par UV-visible
8. Dosage par étalonnage
9. Relations quantitatives en chimie

📖 1. Quantité de matière et masses molaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Mole : Contient 6,02 × 10²³ entités chimiques.
• Masse molaire atomique : Masse d’une mole d’atomes d’un élément.
• Masse molaire moléculaire : Masse d’une mole de molécules.

📝 Points essentiels

📐 Formule - Les relations entre la quantité de matière n, la masse m et la masse molaire M sont $n = \frac{m}{M}$, $m = n \times M$ et $M = \frac{m}{n}$.

📖 2. Volume molaire des gaz

🔑 Notions clés & Définitions

• Volume molaire : Volume occupé par une mole de gaz.

📝 Points essentiels

• À 20 °C et sous pression atmosphérique, le volume molaire des gaz est de 24 L·mol⁻¹.

📐 Formule - Les relations entre la quantité de matière n, le volume V et le volume molaire $V_m$ sont $n = \frac{V}{V_m}$, $V = n \times V_m$ et $V_m = \frac{V}{n}$.

📖 3. Préparation des solutions

🔑 Notions clés & Définitions

• Concentration en quantité de matière : Quotient de la quantité de matière n de soluté dissous par le volume V de solution.

★ À maîtriser

📐 Formule - La concentration en quantité de matière vérifie $C = \frac{n}{V}$ et s’exprime en mol·L⁻¹ lorsque n est en mol et V en litres.

📐 Formule - Lors d’une dilution, la quantité de matière se conserve selon $n_{\text{mère}} = n_{\text{fille}}$, avec $n_{\text{fille}} = C_{\text{fille}} \times V_{\text{fille}}$ et $V_{\text{mère}} = \frac{C_{\text{fille}} \times V_{\text{fille}}}{C_{\text{mère}}}$.

Compléments

• Lors d’une dissolution, il faut déterminer la masse de soluté m à peser puis à dissoudre.

📐 Formule - Pour une dissolution, la quantité de matière du soluté vérifie $n = C \times V$ et sa masse vérifie $m = n \times M$.

💡 Astuce mémo

Dissoudre ajoute un soluté au solvant ; diluer prélève une solution mère.

📖 4. Couples et réactions d’oxydoréduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Oxydant : Espèce chimique susceptible de capter un ou plusieurs électrons.
• Réducteur : Espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs électrons.
• Couple oxydant-réducteur : Constitué d’un oxydant et d’un réducteur conjugués qui peuvent échanger des électrons selon la demi-équation formelle $\text{oxydant} + n e^- = \text{réducteur}$.
• Réaction d’oxydoréduction : Une réaction d’oxydoréduction met en jeu un transfert d’électrons entre deux couples oxydant-réducteur ; le réducteur d’un couple cède des électrons à l’oxydant de l’autre couple.

★ À maîtriser

• 🔄 Pour écrire une demi-équation électronique :

  1. Placer l’oxydant et le réducteur de part et d’autre du signe égal.
  2. Assurer la conservation des éléments autres que O et H.
  3. Assurer la conservation de O par l’ajout éventuel de molécules d’eau H₂O.
  4. Assurer la conservation de H par l’ajout éventuel de protons H⁺₍aq₎.
  5. Assurer la conservation de la charge électrique par l’ajout d’électrons e⁻.

• Dans le couple MnO₂(s)/Mn²⁺(aq), le dioxyde de manganèse est réduit en ion Mn²⁺ en milieu acide selon la demi-équation $\mathrm{MnO_2(s) + 4H^+(aq) + 2e^- \rightarrow Mn^{2+}(aq) + 2H_2O(l)}$.

📐 Formule - La réaction entre Fe²⁺(aq) et MnO₂(s) en milieu acide s’écrit $\mathrm{MnO_2(s) + 4H^+(aq) + 2Fe^{2+}(aq) \rightarrow Mn^{2+}(aq) + 2H_2O(l) + 2Fe^{3+}(aq)}$.

Compléments

• 🔄 Pour établir le bilan d’une réaction d’oxydoréduction :

  1. Réécrire les deux demi-équations d’oxydoréduction.
  2. Équilibrer le nombre d’électrons transférés.
  3. Faire le bilan en simplifiant les électrons.
  4. Supprimer éventuellement les molécules d’eau et les protons excédentaires.
  5. Vérifier l’équilibre de tous les éléments et de toutes les charges.

• La réaction entre Ag⁺(aq) et Cu(s), mettant en jeu les couples Ag⁺(aq)/Ag(s) et Cu²⁺(aq)/Cu(s), a pour équation $2\,\mathrm{Ag^+(aq)} + \mathrm{Cu(s)} \rightarrow 2\,\mathrm{Ag(s)} + \mathrm{Cu^{2+}(aq)}$.

💡 Astuce mémo

L’oxydant capte les électrons ; le réducteur les cède.

📖 5. Dosage de la caféine du guarana

★ À maîtriser

• Une gélule de guarana contient environ 58 mg de caféine.

Compléments

• La recommandation de l’EFSA publiée le 27 mai 2015 fixe à 3,0 mg par kilogramme de masse corporelle la dose journalière de caféine pour les adolescents. - Agence Européenne pour la Sécurité des Médicaments

• Pour un adolescent de 60 kg, la dose journalière maximale de caféine est de 180 mg, soit environ 3 gélules de guarana contenant chacune 58 mg de caféine.

• La masse molaire de la caféine utilisée pour le calcul est $M = 194{,}19\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$.

📖 6. Absorbance et loi de Beer-Lambert

🔑 Notions clés & Définitions

• Absorbance : Grandeur sans unité liée à la proportion de lumière absorbée pour une longueur d’onde donnée, et elle se mesure avec un spectrophotomètre.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour une solution diluée d’espèce colorée, la loi de Beer-Lambert s’écrit $A = \varepsilon\,\ell\,c$, où A est sans unité, ε s’exprime en L·mol⁻¹·cm⁻¹, ℓ en cm et c en mol·L⁻¹.

📐 Formule - À longueur d’onde et épaisseur de cuve fixées, l’absorbance est proportionnelle à la concentration selon $A = k\,C$, avec $k = \varepsilon\,\ell$.

Compléments

📌 La loi de Beer-Lambert ne peut pas être utilisée pour des solutions trop concentrées, ce qui constitue une limite du modèle.

📖 7. Spectroscopie par UV-visible

🔑 Notions clés & Définitions

• Spectre d’absorption : Graphe de l’absorbance d’une solution en fonction de la longueur d’onde.

★ À maîtriser

📌 La mesure d’absorbance est d’autant plus précise que la longueur d’onde de travail est proche de celle correspondant à l’absorbance maximale de la solution colorée.

Compléments

• Une solution dont le spectre présente un maximum d’absorption à 640 nm, dans le domaine orange-rouge, apparaît de la couleur complémentaire bleu-cyan.

💡 Astuce mémo

Le maximum d’absorption est orange-rouge ; la couleur observée est son complémentaire bleu-cyan.

📖 8. Dosage par étalonnage

🔑 Notions clés & Définitions

• Dosage par étalonnage : Méthode qui détermine la concentration d’une espèce en comparant une grandeur physique caractéristique de la solution, telle que l’absorbance, à celles de solutions étalons.

★ À maîtriser

• Un dosage par étalonnage colorimétrique consiste à choisir la longueur d’onde maximale, faire le blanc, mesurer l’absorbance de solutions étalons de concentrations connues, tracer la courbe d’étalonnage, mesurer l’absorbance de la solution inconnue, puis lire sa concentration sur la courbe.

Compléments

📌 Un dosage par étalonnage est non destructif car l’espèce à doser demeure intacte, tandis qu’un dosage par titrage est destructif car la réaction chimique consomme cette espèce.

• La concentration de l’espèce colorée dans une solution inconnue se détermine graphiquement à partir de la courbe d’étalonnage $A = f(c)$.

💡 Astuce mémo

Choisir λmax, faire le blanc, mesurer, tracer, mesurer l’inconnue, lire sa concentration.

📖 9. Relations quantitatives en chimie

★ À maîtriser

📐 Formule - La concentration en quantité de matière vérifie $n = C\,V$.

📐 Formule - Lors d’une dilution, la relation de conservation de la quantité de soluté s’écrit $C_0 V_0 = C_1 V_1$, et le facteur de dilution vérifie $F = \frac{C_0}{C_1} = \frac{V_1}{V_0}$.

Compléments

📐 Formule - La quantité de matière est reliée au nombre d’entités par $n = \frac{N}{N_A}$, avec $N_A = 6{,}02 \times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}$.

📐 Formule - La quantité de matière d’un échantillon de masse m et de masse molaire M vaut $n = \frac{m}{M}$.

📐 Formule - La concentration en masse est définie par $C_m = \frac{m}{V}$.

📐 Formule - Pour un gaz, la quantité de matière s’obtient par $n = \frac{V}{V_m}$.

📐 Formule - Pour une réaction de titrage $aA+bB\rightarrow cC+dD$, l’équivalence vérifie $\frac{n_A}{a}=\frac{n_B}{b}$, soit $\frac{C_A V_A}{a}=\frac{C_B V_B}{b}$.

📊 Tableaux de synthèse

Dissolution et dilution