Le titrage colorimétrique : cours de Première spécialité

Tu as devant toi une solution dont tu ne connais pas la concentration : un produit détartrant, une boisson, une solution de laboratoire. Comment savoir combien de matière d'une espèce chimique elle contient ? Tu ne peux pas compter les entités une par une, mais tu peux les faire réagir avec une quantité que tu maîtrises. C'est le principe du titrage.

Le programme de Première range ce travail dans la détermination d'une quantité de matière grâce à une transformation chimique, avec l'exemple du titrage à suivi colorimétrique ¹. Ce cours t'explique ce que cela signifie, pas à pas : quelle réaction utiliser, ce qu'est l'équivalence, comment on la repère grâce à une couleur, et comment on en déduit une concentration.

Le mot « colorimétrique » précise la façon de repérer la fin du titrage : on observe un changement de couleur. Les sources présentent une méthode d'analyse où l'équivalence se reconnaît parce que la couleur de la solution se modifie à cet instant précis ². Parmi les activités attendues en Première, on trouve la réalisation d'un titrage direct dont l'équivalence est repérée grâce à une couleur ¹.

Pour qu'un titrage fonctionne, la réaction entre le titrant et l'espèce titrée doit se prêter à la mesure. Dans la pratique, on attend d'elle des qualités que tu dois retenir :

• elle est rapide : à chaque goutte versée, la transformation a lieu tout de suite ;
• elle est totale : l'espèce qui n'est pas en excès disparaît complètement ;
• elle est unique : c'est la seule transformation entre les espèces en présence qui fasse varier la quantité de l'espèce titrée.

Ce sont des critères d'usage que l'on retient en pratique : ils garantissent que le volume versé a un sens précis. Sans eux, la fin du titrage serait floue.

Imagine que tu verses le titrant goutte à goutte dans un bécher qui contient l'espèce titrée. Que deviennent les quantités de matière ? Le programme demande d'expliquer, de façon qualitative, comment ces quantités évoluent quand on ajoute de la solution titrante, et d'associer l'équivalence au moment où le réactif limitant n'est plus le même ¹. Suivons ce raisonnement.

Avant l'équivalence. À chaque ajout, le titrant versé réagit entièrement avec l'espèce titrée, qui est présente en quantité plus grande que ce qu'on a versé. Le réactif limitant est donc le titrant : il est consommé dès qu'il arrive. La quantité d'espèce titrée diminue peu à peu ; il n'y a pas de titrant dans le bécher.

À l'équivalence. Les deux réactifs ont été introduits dans les proportions de l'équation : il ne reste ni titrant ni espèce titrée. Les deux réactifs sont totalement consommés.

Après l'équivalence. L'espèce titrée a disparu. Elle devient le réactif limitant, et le titrant versé en plus reste dans le bécher, en excès. Entre « avant » et « après », le réactif limitant a changé : c'est la signature de l'équivalence.

Le problème pratique est le suivant : à l'œil, rien ne distingue le bécher avant, pendant et après l'équivalence si toutes les espèces sont incolores. Il faut donc un signal visible. Dans un titrage colorimétrique, ce signal est un changement de couleur du milieu au moment de l'équivalence ².

Ce changement de couleur peut venir de deux situations :

• on ajoute un indicateur coloré, une espèce dont la couleur dépend de l'état du milieu ;
• ou bien l'une des espèces de la réaction est déjà colorée et change de teinte en réagissant.

Selon les sources, l'ajout d'un indicateur s'applique à plusieurs familles de titrages : acido-basiques (avec des indicateurs de pH), d'oxydoréduction (avec des indicateurs redox), mais aussi par complexation ou par précipitation ². En Première, tu rencontres surtout les titrages d'oxydo-réduction ; les titrages acido-basiques et le pH seront approfondis en Terminale.

Dans un titrage acido-basique, le pH de la solution varie au fil des ajouts. Au voisinage de l'équivalence, les sources décrivent un saut de pH : le pH change brusquement pour une toute petite quantité de titrant ². Comme les espèces mises en jeu sont généralement incolores, on ne voit rien sans aide : un indicateur coloré rend ce saut de pH visible, et donc l'équivalence aussi ².

Quel indicateur choisir ? Il faut que sa zone de virage corresponde à la zone d'équivalence du titrage ². Or le pH à l'équivalence dépend des espèces mises en jeu. Pour un acide fort et une base forte, les sources indiquent que l'équivalence a lieu à un pH neutre égal à 7 ; dans d'autres familles de titrages, elle a lieu à un pH acide, inférieur à 7, ou à un pH basique, supérieur à 7 ². L'indicateur doit donc être adapté au titrage réalisé.

Dans un titrage d'oxydo-réduction, à l'équivalence, l'oxydant et le réducteur ont été introduits dans les proportions de l'équation : leurs quantités divisées par leurs coefficients stœchiométriques sont égales, comme dans la relation $\dfrac{n_A}{a}=\dfrac{n_{B,\text{versé}}}{b}$ vue plus haut. Les espèces peuvent changer de couleur en passant de la forme oxydée à la forme réduite ².

Le cas le plus connu est celui du permanganate $\text{MnO}_4^-$ : sous sa forme oxydée, il est violet, alors que sa forme réduite $\text{Mn}^{2+}$ est incolore ². Cela rend le titrage très pratique : le permanganate sert à la fois de titrant et d'indicateur. Quand aucune espèce ne change de couleur, on peut ajouter un indicateur redox pour caractériser l'équivalence ².

Au laboratoire, tu dois savoir conduire toi-même un titrage direct dont l'équivalence est repérée par une couleur : c'est une compétence expérimentale du programme ¹. « Direct » signifie que le titrage repose sur une seule réaction entre l'espèce titrée et le titrant, sans étape intermédiaire. Voici comment on s'y prend.