Effectuer des dosages gravimétriques (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - réaliser un dosage gravimétrique de l’eau contenue dans un échantillon solide ou liquide et exprimer le résultat en pourcentage d’humidité ; - déterminer la teneur en chlorures d’une solution par précipitation du chlorure d’argent et calculer la concentration en ions Cl⁻ ; - quantifier les sulfates, le fer et l’aluminium dans un milieu aqueux par précipitation sélective, filtration, séchage et pesée, puis interpréter les résultats conformément aux normes camerounaises de contrôle qualité ; - appliquer les règles de sécurité, d’hygiène et de bonne pratique de laboratoire (manipulation des réactifs corrosifs, utilisation de la balance analytique, gestion des déchets). **Prérequis** : maîtriser les notions de masse volumique, de concentration (g L⁻¹, %), les étapes d’une analyse gravimétrique (précipitation, filtration, séchage, pesée), savoir utiliser une balance de précision (0,1 mg), connaître les pictogrammes de danger (GHS) et les procédures à suivre en cas de déversement. --- ## Introduction contextualisée Dans les industries agro‑alimentaires, minières et de traitement de l’eau au Cameroun, le contrôle qualité repose souvent sur des dosages gravimétriques simples, rapides et peu coûteux. Par exemple, la détermination de l’humidité dans les céréales (maïs, sorgho) permet d’ajuster le stockage et d’éviter les pertes par moisissure. La mesure des chlorures dans l’eau de boisson ou les effluents industriels est essentielle pour respecter la norme nationale : ≤ 250 mg L⁻¹ de Cl⁻. Enfin, le suivi des sulfates, du fer et de l’aluminium dans les eaux de procédé ou les boues de station d’épuration permet de prévenir la corrosion des installations et de garantir la conformité des rejets aux arrêtés ministériels. Ce chapitre présente, étape par étape, les protocoles gravimétriques utilisés dans les laboratoires techniques des lycées professionnels et des centres de formation camerounais. --- ## I. Détermination de l’eau (% humidité) dans un échantillon ### A. Principe du dosage gravimétrique de l’eau L’eau présente dans un échantillon est éliminée par séchage à une température définie (souvent 105 °C pour les solides, 60 °C pour les liquides volatils). La perte de masse correspond à la masse d’eau évaporée. Le pourcentage d’humidité (H) se calcule ainsi : > **H (%) = (m₁ – m₂) / m₁ × 100** > où m₁ = masse de l’échantillon humide, m₂ = masse de l’échantillon sec (après avoir soustrait la masse du récipient). ### B. Matériel et réactifs - Balance analytique (précision 0,1 mg) - Capsules de porcelaine ou de métal résistantes à la chaleur - Étuve à convection forcée (réglable de 40 °C à 120 °C) - Déshydratant (gel de silice) pour le refroidissement - Pinces à épiler, spatule en inox ### C. Procédure pas à pas 1. Peser à vide une capsule propre et sèche → noter m₀. 2. Introduire environ 2 g d’échantillon (ex. grain de maïs) dans la capsule → peser → obtenir m₁. 3. Placer la capsule dans l’étuve réglée à 105 °C pendant 2 h (ou jusqu’à constance de masse). 4. À l’issue du séchage, retirer la capsule, la laisser refroidir dans un dessiccateur (≥ 15 min) puis peser → m₂. 5. Répéter l’étape 3‑4 jusqu’à ce que la différence entre deux pesées successives soit ≤ 0,5 mg (constance de masse). ### D. Calcul du pourcentage d’humidité Appliquer la formule du paragraphe A. ### E. Exemple chiffré - m₀ = 12,345 g (capsule vide) - m₁ = 14,567 g (capsule + échantillon humide) → masse d’échantillon humide = m₁ – m₀ = 2,222 g - Après séchage : m₂ = 13,890 g → masse d’échantillon sec = m₂ – m₀ = 1,545 g - Perte d’eau = 2,222 g – 1,545 g = 0,677 g - **H = (0,677 / 2,222) × 100 = 30,5 %** L’échantillon contient donc 30,5 % d’humidité, valeur à comparer avec la limite maximale autorisée pour le stockage du maïs (≤ 14 %). ### F. Normes de sécurité/hygiène - Porter des lunettes de protection et des gants résistants à la chaleur lors de la manipulation des capsules chaudes. - Utiliser une pince pour éviter les brûlures. - Après séchage, laisser refroidir dans un dessiccateur pour éviter l’adsorption d’humidité ambiante. - Nettoyer les capsules à l’eau déionisée puis les sécher à 105 °C avant chaque pesée. > **>** La constance de masse est atteinte lorsque deux pesées successives diffèrent de moins de 0,5 mg. --- ## II. Détermination des chlorures ### A. Principe (précipitation du chlorure d’argent) En milieu légèrement acide (pH ≈ 3‑4, ajusté avec de l’acide nitrique dilué), les ions chlorure réagissent avec les ions argent selon : > **Ag⁺ (aq) + Cl⁻ (aq) → AgCl (s)** Le précipité d’AgCl est filtré, séché et pesé. La masse d’AgCl permet de remonter à la quantité de Cl⁻ présente initialement. ### B. Réactifs - Solution d’échantillon (ex. eau de boisson) - Acide nitrique 0,1 M (pour acidifier) - Solution nitrate d’argent 0,1 M (AgNO₃) - Eau déionisée - Filtre papier à pores rapides (ou filtre en verre sintered) - Capsule de porcelaine préalablement calcinée ### C. Procédure pas à pas 1. Prélever 50,0 mL d’échantillon dans un bécher de 250 mL. 2. Ajouter 2 mL d’HNO₃ 0,1 M pour atteindre pH ≈ 3 (contrôler avec papier pH). 3. Tout en agitant, ajouter lentement 5 mL de solution AgNO₃ 0,1 M (excès léger). 4. Laisser le précipité se former pendant 10 min à température ambiante. 5. Filtrer sous vide à l’aide d’un filtre préalablement pesé (m_filtre). 6. Laver le précipité avec deux fois 10 mL d’eau déionisée froide pour éliminer les ions nitrates adsorbés. 7. Transférer le filtre contenant le précipité dans une capsule de porcelaine, sécher à 110 °C pendant 30 min, refroidir dans un dessiccateur puis peser (m_total). 8. Calculer la masse de AgCl : m_AgCl = m_total – m_filtre. ### D. Calcul de la concentration en chlorures La réaction montre que 1 mol d’AgCl provient de 1 mol de Cl⁻. > **n(Cl⁻) = m_AgCl / M(AgCl)** > où M(AgCl) = 143,32 g mol⁻¹. La concentration en mg L⁻¹ se obtient par : > **[Cl⁻] (mg L⁻¹) = n(Cl⁻) × M(Cl) × 1000 / V(L)** > avec M(Cl) = 35,45 g mol⁻¹ et V = volume d’échantillon en litres. ### E. Exemple chiffré - Volume d’échantillon V = 0,050 L - m_filtre = 0,842 g - m_total après séchage = 0,923 g → m_AgCl = 0,923 – 0,842 = 0,081 g - n(AgCl) = 0,081 g / 143,32 g mol⁻¹ = 5,65 × 10⁻⁴ mol - n(Cl⁻) = même valeur = 5,65 × 10⁻⁴ mol - [Cl⁻] = 5,65 × 10⁻⁴ mol × 35,45 g mol⁻¹ × 1000 / 0,050 L - = (5,65 × 10⁻⁴ × 35,45 × 1000) / 0,050 - = 20,03 / 0,050 = 400,6 mg L⁻¹ Le résultat dépasse la norme camerounaise de 250 mg L⁻¹ ; l’eau nécessite un traitement (adsorption sur charbon actif ou osmose inverse). ### F. Sécurité - Le nitrate d’argent est un oxydant et un irritant : porter gants nitrile et lunettes. - Éviter les éclaboussures ; travailler sous hotte si possible. - Les déchets contenant Ag⁺ doivent être collectés séparément et traités selon la réglementation des déchets dangereux. > **>** La masse d’AgCl obtenue doit être corrigée de la masse du filtre préalablement pesé et lavé. --- ## III. Détermination des sulfates, du fer et de l’aluminium Ce groupe d’analytes est traité successivement dans le même échantillon après une étape de séparation ou de masquage, afin d’éviter les interférences. Chaque détermination suit le même schéma : précipitation, filtration, séchage, pesée, calcul. ### A. Sulfates (précipitation de BaSO₄) **Principe** : En milieu fortement acide (HCl 0,1 M), les ions sulfate réagissent avec le chlorure de barium selon : > **Ba²⁺ (aq) + SO₄²⁻ (aq) → BaSO₄ (s)** **Réactifs** : solution d’échantillon, HCl 0,1 M, solution de BaCl₂ 0,1 M, filtre, capsule de porcelaine. **Procédure** : 1. Prendre 25,0 mL d’échantillon, ajouter 2 mL d’HCl 0,1 M. 2. Ajouter 5 mL de BaCl₂ 0,1 M sous agitation. 3. Laisser précipiter 15 min, filtrer, laver le précipité avec deux fois 10 mL d’eau déionisée froide. 4. Sécher le filtre à 110 °C 30 min, refroidir, peser → m_BaSO₄. **Calcul** : > **[SO₄²⁻] (mg L⁻¹) = (m_BaSO₄ / M(BaSO₄)) × M(S) × 1000 / V** > avec M(BaSO₄) = 233,39 g mol⁻¹, M(S) = 32,07 g mol⁻¹. **Exemple** : m_BaSO₄ = 0,045 g, V = 0,025 L → [SO₄²⁻] = (0,045/233,39)×32,07×1000/0,025 ≈ 250 mg L⁻¹. **Sécurité** : Le chlorure de barium est toxique ; manipuler sous hotte, porter gants et lunettes, recueillir les déchets de Ba²⁺ dans un conteneur dédié. > **>** Le précipité de BaSO₄ doit être complètement sec avant pesée ; toute humidité résiduelle fausse le résultat à la hausse. ### B. Fer (détermination du Fe total) **Principe** : Le fer est d’abord réduit à l’état Fe²⁺ (avec du sulfate d’ammonium ferreux) puis oxydé en Fe³⁺ par du peroxyde d’hydrogène, enfin précipité sous forme d’hydroxyde ferrique Fe(OH)₃ qui, après calcination, donne Fe₂O₃. **Réactifs** : échantillon, HCl 0,1 M, NH₄Fe(SO₄)₂·6H₂O (sel de fer ammoniacal), H₂O₂ 3 %, NH₄OH 10 % (pour précipiter), filtre, capsule. **Procédure** : 1. Prendre 20,0 mL d’échantillon, ajouter 1 mL d’HCl 0,1 M. 2. Ajouter 0,5 g de sel de fer ammoniacal pour réduire tout Fe³⁺ en Fe²⁺. 3. Oxydation : ajouter 2 mL de H₂O₂ 3 % sous agitation, chauffer légèrement (≈ 40 °C) 5 min. 4. Basifier avec NH₄OH 10 % jusqu’à pH ≈ 9 (precipité Fe(OH)₃ brun). 5. Laisser reposer 10 min, filtrer, laver le précipité avec de l’eau déionisée froide jusqu’à absence de chlorure (test avec AgNO₃). 6. Transférer le filtre dans une capsule, sécher à 110 °C 1 h, puis calciner à 800 °C 30 min pour obtenir Fe₂O₃. 7. Refroidir dans un dessiccateur, peser → m_Fe₂O₃. **Calcul** : > **[Fe] (mg L⁻¹) = (m_Fe₂O₃ / M(Fe₂O₃)) × (2 × M(Fe)) × 1000 / V** > avec M(Fe₂O₃) = 159,69 g mol⁻¹, M(Fe) = 55,85 g mol⁻¹. **Exemple** : m_Fe₂O₃ = 0,003 g, V = 0,020 L → [Fe] = (0,003/159,69)×(2×55,85)×1000/0,020 = 105 mg L⁻¹. **Sécurité** : Le peroxyde d’hydrogène à 3 % est un oxydant modéré ; éviter le contact avec la peau. L’ammoniac concentré est corrosif et irritant ; travailler sous hotte. > **>** La calcination à 800 °C transforme Fe(OH)₃ en Fe₂O₃ sans perte de masse autre que l’eau de cristallisation ; toute température inférieure laisse du hydroxyde et sous‑estime le fer. ### C. Aluminium (détermination de Al total) **Principe** : L’aluminium est précipité sous forme d’hydroxyde d’aluminium Al(OH)₃ en milieu basique (NH₄OH), puis filtré, séché et calciné à 1100 °C pour donner Al₂O₃. **Réactifs** : échantillon, NH₄OH 10 %, filtre, capsule de porcelaine préalablement calcinée. **Procédure** : 1. Prendre 15,0 mL d’échantillon dans un bécher. 2. Ajouter lentement NH₄OH 10 % sous agitation jusqu’à pH ≈ 9‑10 (precipité blanc d’Al(OH)₃). 3. Laisser reposer 10 min, filtrer, laver le précipité avec de l’eau déionisée froide jusqu’à absence d’ions ammonium (test avec papier de tournesol rouge). 4. Transférer le filtre dans une capsule, sécher à 110 °C 30 min, puis calciner à 1100 °C 45 min pour obtenir Al₂O₃. 5. Refroidir dans un dessiccateur, peser → m_Al₂O₃. **Calcul** : > **[Al] (mg L⁻¹) = (m_Al₂O₃ / M(Al₂O₃)) × (2 × M(Al)) × 1000 / V** > avec M(Al₂O₃) = 101,96 g mol⁻¹, M(Al) = 26,98 g mol⁻¹. **Exemple** : m_Al₂O₃ = 0,0022 g, V = 0,015 L → [Al] = (0,0022/101,96)×(2×26,98)×1000/0,015 ≈ 78 mg L⁻¹. **Sécurité** : L’ammoniac concentré est dangereux ; porter lunettes, gants et travailler sous hotte. Les poussières d’Al₂O₃ sont irritantes pour les voies respiratoires ; éviter l’inhalation lors du transfert du creuset chaud. > **>** La calcination à 1100 °C garantit la conversion complète d’Al(OH)₃ en Al₂O₃ ; une température inférieure laisse de l’hydroxyde et sous‑estime l’aluminium. --- ## Synthèse du chapitre - **Dosage gravimétrique de l’eau** : perte de masse à 105 °C → % humidité = (m₁‑m₂)/m₁ × 100 (m₁, m₂ masses de l’échantillon humide et sec après déduction du récipient). - **Chlorures** : précipitation AgCl en milieu acide (HNO₃) → [Cl⁻] = (m_AgCl/M_AgCl)×M_Cl×1000/V. - **Sulfates** : précipitation BaSO₄ en milieu HCl → [SO₄²⁻] = (m_BaSO₄/M_BaSO₄)×M_S×1000/V. - **Fer** : réduction Fe²⁺ → oxydation Fe³⁺ → précipité Fe(OH)₃ → calcination Fe₂O₃ → [Fe] = (m_Fe₂O₃/M_Fe₂O₃)×2M_Fe×1000/V. - **Aluminium** : précipitation Al(OH)₃ → calcination Al₂O₃ → [Al] = (m_Al₂O₃/M_Al₂O₃)×2M_Al×1000/V. - **Sécurité** : port de lunettes, gants, manipulation sous hotte, gestion des déchets Ag⁺, Ba²⁺, NH₄⁺, H₂O₂. - **Précautions métrologiques** : constance de masse (< 0,5 mg), filtrage complet, lavage jusqu’à absence d’ions interférents, refroidissement dans dessiccateur avant pesée. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Dosage gravimétrique | Méthode d’analyse quantitative basée sur la mesure de la masse d’un précipité ou d’un résidu après traitement thermique. | | Constante de masse | Critère selon lequel deux pesées successives d’un échantillon sec diffèrent de moins de 0,5 mg, indiquant la fin du séchage. | | Précipitation sélective | Formation d’un précipité contenant uniquement l’ion d’intérêt grâce à un réglage du pH, de la force ionique ou de l’ajout d’un agent masquant. | | Calcination | Chauffage à haute température (souvent > 800 °C) d’un précipité pour éliminer l’eau de cristallisation et obtenir l’oxyde stable. | | Dessiccateur | récipient contenant un déshydratant (gel de silice) permettant de refroidir un échantillon sans qu’il réabsorbe l’humidité ambiante. | | Masquage | Addition d’un réactif qui forme un complexe stable avec un ion interferent, empêchant sa précipitation pendant l’analyse d’un autre ion. | | Normalité (N) | Concentration exprimée en équivalents par litre, utilisée ici pour les solutions d’acide ou de base dans les ajustements de pH. | | Résidu sec | Masse restante après élimination complète de l’eau ou des volatils d’un échantillon, utilisée pour le calcul des pourcentages. | --- ## Exercices d’applications corrigés ### Exercice 1 – Humidité du maïs Un technicien de l’Office National des Céréales veut vérifier la conformité d’un lot de maïs destiné au stockage. Il prélève 3,00 g de grains humides, les place dans une capsule préalablement pesée (m₀ = 12,450 g). Après séchage à 105 °C pendant 2 h, la masse totale est m₂ = 15,020 g. **a)** Calculer le pourcentage d’humidité du maïs. **b)** Le lot est‑il conforme si la limite maximale autorisée est 14 % ? **Corrigé** - Masse d’échantillon humide = (m₀ + 3,00) – m₀ = 3,00 g (vérification). - Masse d’échantillon sec = m₂ – m₀ = 15,020 g – 12,450 g = 2,570 g. - Perte d’eau = 3,000 g – 2,570 g = 0,430 g. - **% humidité = (0,430 / 3,000) × 100 = 14,33 %**. **b)** Puisque 14,33 % > 14 %, le lot dépasse la limite et doit être séché davantage ou rejeté. --- ### Exercice 2 – Dosage des chlorures dans l’eau de forage Un prélèvement de 100,0 mL d’eau de forage est acidifié avec 2 mL d’HNO₃ 0,1 M. On ajoute 5,0 mL de solution AgNO₃ 0,1 M en excès. Après filtration, séchage et pesée, on obtient : masse du filtre préalablement pesé = 0,785 g ; masse du filtre + précipité après séchage = 0,862 g. **a)** Déterminer la concentration en chlorures (mg L⁻¹). **b)** L’eau respecte‑t‑elle la norme camerounaise de 250 mg L⁻¹ ? **Corrigé** - m_AgCl = 0,862 g – 0,785 g = 0,077 g. - n(AgCl) = 0,077 g / 143,32 g mol⁻¹ = 5,37 × 10⁻⁴ mol. - n(Cl⁻) = même valeur. - [Cl⁻] = (5,37 × 10⁻⁴ mol) × (35,45 g mol⁻¹) × 1000 / 0,100 L = (5,37 × 10⁻⁴ × 35,45 × 10) = 0,190 g L⁻¹ = 190 mg L⁻¹. **b)** 190 mg L⁻¹ < 250 mg L⁻¹ → l’eau est conforme à la norme. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de laisser refroidir le précipité dans un dessiccateur avant la pesée | Réabsorption d’humidité → masse surévaluée → résultat trop élevé | Toujours transférer le filtre ou la capsule dans un dessiccateur (≥ 15 min) avant la pesée finale. | | 2 | Utiliser une température de séchage trop basse pour l’eau (ex. 60 °C au lieu de 105 °C) | Évaporation incomplète → perte de masse sous‑estimée → humidité sous‑estimée | Vérifier la consigne de température selon la nature de l’échantillon (solides : 105 °C ; liquides volatils : 60 °C). | | 3 | Ne pas laver suffisamment le précipité (AgCl, BaSO₄, Fe(OH)₃) | Ions adsorbés (NO₃⁻, Cl⁻, NH₄⁺) augmentent la masse du précipité → surestimation de l’analyte | Effectuer au moins deux lavages avec de l’eau déionisée froide et tester l’absence d’ion contaminant (ex. test AgNO₃ pour Cl⁻). | | 4 | Chauffer le creuset d’Al(OH)₃ à une température inférieure à 1100 °C | Formation d’Al₂O₃ incomplète → présence d’Al(OH)₃ résiduel → sous‑estimation de l’Al | Respecter la température de calcination indiquée (1100 °C) et contrôler la couleur du résidu (blanc éclatant). | | 5 | Manipuler le nitrate d’argent sans protection | Taches noires sur la peau, risque d’irritation oculaire | Porter des gants nitrile et des lunettes de sécurité ; travailler sous hotte si possible. | | 6 | Jeter les déchets contenant Ba²⁺ ou Ag⁺ dans l’évier | Contamination des eaux usées, risque environnemental | Collecter les déchets dans des récipients étiquetés, les remettre au service de gestion des déchets dangereux du lycée ou du centre de formation. | --- *Fin du cours.*