Dosage de la soude carbonatée IntroI-
La nature de la soude carbonatée
1/
Réactions
2/
Bilan chimiqueII-
Dosage
1/
Les réactions de dosage
2/
Allure de la courbe de dosage
3/
ExploitationConclusion
En version plus
développée...
Intro
:
La soude carbonatée s'obtient par dissolution du gaz acide
CO2 dans une solution aqueuse de NaOH.
Données
: valeurs des
pKa : 6,4 et 10,3 ⇒ axe de prédominance
les
constantes d'équilibre sont supposées connues.
I-
La nature de la soude carbonatée
1/
Réactions Le dioxyde de
carbone se dissout dans l'eau en donnant H
2CO
3,
qui est l'espèce acide qui sera considérée.
Hypothèse : la
soude reste en excès par rapport au dioxyde de carbone dissousRP1
:
CO2 gaz
+ H
2O
= H
2CO
3
dissoutRP2 : H
2CO
3
+ OH
-
= HCO
3-
+ H
2O
totale et H
2CO
3
en défaut
RP3 :
HCO
3- +
OH
- =
CO
32- +
H
2O
totale et HCO
3-
en défaut
RP4 : OH
-
+ H
2O =
idem
2/
Bilans chimiques
Soit
Co la concentration initiale en soude et Vo la volume total
de la solution carbonatée . Soit n le nombre de moles de CO2
gaz qui se dissolvent sous forme H
2CO
3
dissout
- 1° cas, la carbonatation est
accidentelle, il n'y a pas d'équilibre avec CO2
gaz présent dans l'air.
RP1
:
CO2 gaz
+ H
2O
→ H
2CO
3
dissout
n
0
0
n
RP2 :
H
2CO
3
+ OH
-
= HCO
3-
+ H
2O
n
CoVo
0
0
CoVo-n
n
RP3
: HCO
3- +
OH
- =
CO
32- +
H
2O
n
CoVo-n 0
0
CoVo-2n n
La
RP suivante ne changeant pas la concentration en OH- , on
pourrait calculer les concentrations résiduelles en HCO
3-
et en H
2CO
3
par les LAM .
[H+] = Ke.Vo / (CoVo-2n)
[ CO
32-
] = n/Vo
[ HCO
3- ]
= [H+]. [ CO
32- ]
/ Ka2 [ H
2CO
3
] = [H+]. [ HCO
3-
] / Ka1
n sera
déterminé par dosage
- 2°
cas : la carbonatation s'est produite par l'équilibre
de dissolution de CO2
gaz , maintenu à P constante
RP1
:
CO2 gaz
+ H
2O
= H
2CO
3
dissout
équilibre (K) déplacé par les suivants, mais P=cte
donc [H
2CO
3
dissout ] = cte
P
0
P
n
RP2 :
H
2CO
3
+ OH
-
= HCO
3-
+ H
2O
n
CoVo
0
n
CoVo-x-y
x-y
RP3
: HCO
3- +
OH
- =
CO
32- +
H
2O
x
CoVo-x 0
x-y CoVo-x-y
y
[H
2CO
3
dissout ] = K.P = n/Vo
Ka1 et Ka2 donnent alors un système de deux équations à deux
inconnues par les LAM, mais pas si facile à résoudre .... D'après
l'hypothèse de départ (OH- en excès) , on sait que y >n ...et il
apparait délicat de négliger (x+y) devant CoVo.
Remarque : si la constante de
dissolution de CO2
gaz n'est pas donnée, on
peut avantageusement se limiter au 1° cas, et mentionner ce deuxième
cas en conclusion...
II-
Dosage
1/
Les réactions de dosageOn
travaille dans le
cas de
carbonatation accidentelle, car l'autre cas ne nécessite
pas de dosage (tout est connu !)
La soude carbonatée contient
donc majoritairement deux bases : OH
-
et
CO
32- ,
que l'on peut doser par un acide fort. Les réactions de dosage sont :
OH
-
+ H
+
→ H
2O K1=10
14 CO
32- + H
+
→ HCO
3-
K2 = 10
10,3 HCO
3-
+ H
+
→ H
2CO
3
K3 = 10
6,4 H
+ est ensuite ajouté en excès.
2/
Allure de la courbe de dosageOn attendrait 3 saut de pH
MAIS
, comme un tracé de courbe de dosage se fait à l'aide d'une
électrode de pH limitée par la valeur plafond 12, et comme CO
32- est une base trop forte,
OH-
et CO32- sont dosées simultanément. On observe donc un premier saut lisible de pH à la fin du dosage simultané de OH
-
et CO
32- , puis un deuxième saut à la fin du dosage de HCO
3-
, obtenu par addition d'un excès d'acide.
La courbe
ci-dessous donne la
SIMULATION de la courbe théorique de dosage
(PH initial de 13 qui ne serait pas fourni par une mesure réelle) .
Malgré ce pH initial de 13 , vous constatez que le premier saut (autour
de 20 ml) n'est quand même pas exploitable...
Vous devez en connaitre l'allure , avec des précisions sur les points particuliers Le
pH à la première équivalence est de l'ordre de 1/2 ( PKa1 + pKa2)
soit 8 . A la 1/2 équivalence, le pH est de l'ordre de pKa1 soit 6,4
. Le pH final est de l'ordre légèrement supérieur à -log
(0,05) (par dilution) .
3/
ExploitationSoit v1 le premier volume équivalent : il correspond au dosage de OH
-
et CO
32- :
C
H+.v1 = (CoVo-2n) + n
soit C
H+.v1 = CoVo-n
Soit v2 le deuxième volume équivalent : v2-v1 correspond au dosage de HCO
3-
:
C
H+.(v2 - v1 )= n
Rappel : la soude carbonatée accidentellement contient CoVo - 2 n moles de OH
-Sa concentration résiduelle est donc : (CoVo - 2 n ) / Vo en OH
- et n/Vo en CO
32- .
Conclusion
Il
faut donc conserver les solutions de soude à l'abri de l'air pour les
protéger de la carbonatation. Bien que 2n moles de soude disparaissent
par dissolution de n moles de dioxyde de carbone, il se forme n moles
de carbonate, qui se comporte comme une base forte dans le cas d'un
dosage d'acide fort. la perte en potentiel dosant d'un acide fort n'est
donc que de n...
Pour un acide faible....moins efficace !