Travaux pratiques de contrôle qualité (partie 3/8)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Réaliser un dosage gravimétrique du cuivre, du magnésium, du sodium et du potassium en respectant les étapes de précipitation, filtration, séchage et pesée. - Exprimer les résultats en pourcentage masse/masse (% m/m) ou en concentration (g L⁻¹) avec le bon nombre de chiffres significatifs. - Appliquer les règles de sécurité et d’hygiène propres aux manipulations de réactifs chimiques (acides, bases, sels lourds). - Interpréter un tableau de résultats et proposer des actions correctives en cas d’écart hors spécification. **Prérequis nécessaires :** - Notions de stoichiologie et de calcul de masse molaire. - Connaissance des techniques de filtration sous vide et de séchage à l’étuve. - Maîtrise de l’utilisation d’une balance analytique (précision 0,1 mg). - Règles de base du laboratoire (port des EPI, étiquetage, gestion des déchets). --- ## Introduction contextualisée Dans les industries agro‑alimentaires, minières ou de traitement des eaux au Cameroun, le contrôle qualité des matières premières et des produits finis repose souvent sur des dosages gravimétriques. Ces méthodes, bien que classiques, offrent une grande précision lorsqu’elles sont correctement mises en œuvre, notamment pour déterminer les teneurs en métaux traces (Cu, Mg) ou en alcalins (Na⁺, K⁺) qui influencent la stabilité, la couleur ou la valeur nutritionnelle des produits. Ce chapitre présente les trois travaux pratiques prévus au programme officiel de la série F6, leçon 6 à leçon 8, en insistant sur les aspects professionnels : choix des réactifs, respect des normes de sécurité (INRS, OMS), tracé des opérations et rédaction du rapport de contrôle. --- ## I. Dosage gravimétrique du cuivre ### 1. Principe Le cuivre(II) est précipité sous forme d’oxyde de cuivre(II) (CuO) par ajout d’une solution alcaline forte (NaOH 2 M) à une solution aqueuse contenant Cu²⁺. Le précipité est filtré, lavé, séché à 120 °C puis pesé. La masse de CuO permet de calculer la masse de cuivre initialement présente selon la relation de stoichiologie : \[ m_{\text{Cu}} = m_{\text{CuO}} \times \frac{M_{\text{Cu}}}{M_{\text{CuO}}} \] où \(M_{\text{Cu}} = 63,55\ \text{g mol}^{-1}\) et \(M_{\text{CuO}} = 79,55\ \text{g mol}^{-1}\). ### 2. Réactifs et matériel - Solution d’échantillon contenant Cu²⁺ (préparée par dissolution d’un alliage ou d’un minerai). - Hydroxyde de sodium NaOH 2 M (préparé à partir de pellets NaOH). - Eau distillée. - Ballon de 250 mL, agitateur magnétique, filtre sous vide, papier filtre à pores 0,45 µm, étuve à 120 °C, balance analytique, lunettes de protection, gants nitrile, blouse de laboratoire. ### 3. Procédure pas à pas 1. **Préparation de l’échantillon** : porter 50,0 mL de solution d’échantillon dans un ballon, ajouter quelques gouttes d’indicateur de pH (papier pH) pour vérifier le pH initial (doit être < 4). 2. **Précipitation** : sous agitation, ajouter lentement 30,0 mL de NaOH 2 M jusqu’à obtention d’un précipité bleu‑vert caractéristique de Cu(OH)₂, qui se transforme en CuO lors du chauffage. 3. **Chauffage** : maintenir le mélange à 80 °C pendant 15 min pour assurer la conversion complète en CuO. 4. **Filtration** : filtrer sous vide, rincer le résidu avec deux fois 20 mL d’eau distillée chaude (≈ 60 °C) puis avec 10 mL d’éthanol à 95 % pour faciliter le séchage. 5. **Séchage** : transférer le papier filtre contenant le précipité dans une capsule de porcelaine, sécher à l’étuve à 120 °C pendant 30 min, laisser refroidir dans un dessiccateur. 6. **Pesée** : peser la capsule contenant le précipité sec (masse \(m_1\)), puis peser la capsule vide (masse \(m_0\)). La masse de CuO est \(m_{\text{CuO}} = m_1 - m_0\). ### 4. Calculs et expression du résultat Exemple de calcul : - Masse de capsule vide \(m_0 = 12,345\ \text{g}\) - Masse de capsule + précipité \(m_1 = 12,560\ \text{g}\) - \(m_{\text{CuO}} = 12,560 - 12,345 = 0,215\ \text{g}\) \[ m_{\text{Cu}} = 0,215\ \text{g} \times \frac{63,55}{79,55} = 0,172\ \text{g} \] Si la masse d’échantillon initiale était 5,00 g, la teneur en cuivre est : \[ \% \text{Cu} = \frac{0,172}{5,00} \times 100 = 3,44\ \% \ (m/m) \] Le résultat sera rapporté avec trois chiffres significatifs, conformément à la précision de la balance (0,1 mg). ### 5. Sécurité et hygiène - Le NaOH est corrosif : porter gants, lunettes et blouse ; en cas de contact, rincer abondamment à l’eau pendant 15 min. - Le chauffage à 80 °C peut provoquer des projections : utiliser un écran anti‑projections. - Les déchets contenant du cuivre sont collectés dans un récipient dédié aux métaux lourds et remis au service de traitement des déchets dangereux. > **À retenir** : La conversion Cu(OH)₂ → CuO est complète après chauffage à 80 °C pendant au moins 10 min ; toute température inférieure laisse du hydroxyde non transformé, faussant le résultat. --- ## II. Dosage gravimétrique du magnésium ### 1. Principe Le magnésium(II) est précipité sous forme de phosphate de magnésium ammoniacal hexahydraté, MgNH₄PO₄·6H₂O, en ajoutant une solution d’ammoniac NH₃ (pour augmenter le pH) suivie d’une solution de phosphate de diammonium (NH₄)₂HPO₄. Le précipité est filtré, lavé, séché à 110 °C puis pesé. La réaction globale est : \[ \text{Mg}^{2+} + \text{NH}_4^+ + \text{PO}_4^{3-} + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{MgNH}_4\text{PO}_4\cdot6\text{H}_2\text{O}\downarrow \] La masse de Mg est obtenue par : \[ m_{\text{Mg}} = m_{\text{précipité}} \times \frac{M_{\text{Mg}}}{M_{\text{MgNH}_4\text{PO}_4\cdot6\text{H}_2\text{O}}} \] avec \(M_{\text{Mg}} = 24,31\ \text{g mol}^{-1}\) et \(M_{\text{MgNH}_4\text{PO}_4\cdot6\text{H}_2\text{O}} = 245,41\ \text{g mol}^{-1}\). ### 2. Réactifs et matériel - Solution d’échantillon contenant Mg²⁺ (ex. eau de forage, extrait de sol). - Ammoniac NH₃ 25 % (solution aqueuse). - Phosphate de diammonium (NH₄)₂HPO₄ 0,5 M. - Eau distillée. - Ballon de 200 mL, agitateur, pH-mètre (optionnel), filtre sous vide, papier filtre, étuve à 110 °C, balance analytique, EPI. ### 3. Procédure pas à pas 1. **Adjustement du pH** : porter 50,0 mL d’échantillon dans un ballon, ajouter 5,0 mL de NH₃ 25 % jusqu’à obtenir un pH ≈ 10 (vérifié avec papier pH). 2. **Ajout du réactif precipitant** : ajouter lentement 10,0 mL de solution (NH₄)₂HPO₄ 0,5 M sous agitation ; un précipité blanc apparaît. 3. **Digestion** : laisser le mélange reposer 15 min à température ambiante pour permettre la cristallisation complète. 4. **Filtration** : filtrer sous vide, laver le résidu avec deux fois 15 mL d’eau distillée froide puis avec 10 mL d’éthanol à 70 %. 5. **Séchage** : transférer le papier filtre dans une capsule de porcelaine, sécher à l’étuve à 110 °C pendant 20 min, refroidir dans un dessiccateur. 6. **Pesée** : déterminer la masse du précipité sec comme précédemment. ### 4. Calculs et expression du résultat Exemple : - Masse capsule vide \(m_0 = 13,210\ \text{g}\) - Masse capsule + précipité \(m_1 = 13,425\ \text{g}\) - \(m_{\text{précipité}} = 0,215\ \text{g}\) \[ m_{\text{Mg}} = 0,215\ \text{g} \times \frac{24,31}{245,41} = 0,0213\ \text{g} \] Si la masse d’échantillon initiale était 10,0 g, la teneur en Mg est : \[ \% \text{Mg} = \frac{0,0213}{10,0} \times 100 = 0,213\ \% \ (m/m) \] ### 5. Sécurité et hygiène - L’ammoniac est irritant pour les voies respiratoires : travailler sous hotte ou dans un espace bien ventilé. - Le phosphate de diammonium peut provoquer des réactions cutanées légères ; porter des gants. - Les déchets contenant du phosphate sont neutralisés avec une solution diluée d’acide chlorhydrique avant élimination selon la réglementation camerounaise sur les déchets phosphates. > **À retenir** : La précipitation du MgNH₄PO₄·6H₂O est optimale à pH ≈ 10 ; un pH inférieur entraîne une solubilité accrue du complexe et une perte de précipité. --- ## III. Dosage gravimétrique du sodium et du potassium ### 1. Principe Le sodium et le potassium sont déterminés séparément par précipitation de leurs sels insolubles : - **Sodium** : precipitation du zinc uranyl acétate de sodium, NaZn(UO₂)₃(CH₃COO)₉·H₂O (abrégé NaZnU), solide jaune‑orange. - **Potassium** : precipitation du perchlorate de potassium, KClO₄, solide blanc. Les deux réactions se font en milieu fortement acide (pour le Na) ou neutre à légèrement alcalin (pour le K) afin d’éviter les interférences mutuelles. Après filtration, séchage et pesée, la masse de chaque précipité permet de calculer la masse du cation correspondant : \[ m_{\text{Na}} = m_{\text{NaZnU}} \times \frac{M_{\text{Na}}}{M_{\text{NaZnU}}} \qquad m_{\text{K}} = m_{\text{KClO}_4} \times \frac{M_{\text{K}}}{M_{\text{KClO}_4}} \] où les masses molaires sont : \(M_{\text{Na}} = 22,99\ \text{g mol}^{-1}\) \(M_{\text{NaZnU}} \approx 1015,0\ \text{g mol}^{-1}\) (valeur théorique) \(M_{\text{K}} = 39,10\ \text{g mol}^{-1}\) \(M_{\text{KClO}_4} = 138,55\ \text{g mol}^{-1}\). ### 2. Réactifs et matériel - Solution d’échantillon contenant Na⁺ et K⁺ (ex. extrait de sol, eau d’irrigation). - Acide acétique glacial (pour ajuster le pH à ~4,5 pour la précipitation du Na). - Solution d’uranyl acétate (UO₂(CH₃COO)₂) 0,1 M (manipuler sous hotte, substance radioactive faible – respecter les limites d’exposition). - Solution de sulfate de zinc ZnSO₄ 0,2 M. - Solution d’acide perchlorique HClO₄ 0,5 M (pour la précipitation du KClO₄). - Eau distillée. - Ballons de 250 mL, agitateurs, filtres sous vide, papier filtre, étuves (80 °C pour NaZnU, 105 °C pour KClO₄), balance analytique, EPI (blouse, gants nitrile, lunettes, masque anti‑poussière pour les sels d’uranyle). ### 3. Procédure pas à pas – Sodium 1. **Préparation du milieu** : porter 50,0 mL d’échantillon dans un ballon, ajouter 5,0 mL d’acide acétique glacial pour atteindre pH ≈ 4,5 (vérifié avec papier pH). 2. **Ajout des réactifs** : ajouter successivement 10,0 mL de solution d’uranyl acétate 0,1 M puis 10,0 mL de solution de ZnSO₄ 0,2 M sous agitation. Un précipité jaune‑orange se forme. 3. **Digestion** : laisser reposer 20 min à température ambiante. 4. **Filtration** : filtrer sous vide, laver le résidu avec deux fois 15 mL d’eau distillée contenant 0,1 % d’acide acétique (pour éviter la dissolution). 5. **Séchage** : transférer le papier filtre dans une capsule de porcelaine, sécher à l’étuve à 80 °C pendant 30 min, refroidir dans un dessiccateur. 6. **Pesée** : déterminer la masse du précipité sec. ### 4. Procédure pas à pas – Potassium 1. **Neutralisation** : porter 50,0 mL d’échantillon dans un ballon, ajouter quelques gouttes de NaOH 0,1 M jusqu’à pH ≈ 7,0. 2. **Ajout du réactif precipitant** : ajouter lentement 15,0 mL de solution d’HClO₄ 0,5 M sous agitation ; un précipité blanc de KClO₄ apparaît. 3. **Digestion** : laisser reposer 10 min. 4. **Filtration** : filtrer sous vide, laver avec deux fois 15 mL d’eau distillée froide. 5. **Séchage** : sécher le résidu à l’étuve à 105 °C pendant 20 min, refroidir dans un dessiccateur. 6. **Pesée** : déterminer la masse du précipité sec. ### 5. Calculs et expression du résultat **Exemple sodium** : - Masse capsule vide \(m_0 = 14,560\ \text{g}\) - Masse capsule + précipité \(m_1 = 14,720\ \text{g}\) - \(m_{\text{NaZnU}} = 0,160\ \text{g}\) \[ m_{\text{Na}} = 0,160\ \text{g} \times \frac{22,99}{1015,0} = 0,00362\ \text{g} \] Si la masse d’échantillon initiale était 20,0 g, la teneur en Na est : \[ \% \text{Na} = \frac{0,00362}{20,0} \times 100 = 0,0181\ \% \ (m/m) \] **Exemple potassium** : - Masse capsule vide \(m_0 = 13,780\ \text{g}\) - Masse capsule + précipité \(m_1 = 13,950\ \text{g}\) - \(m_{\text{KClO}_4} = 0,170\ \text{g}\) \[ m_{\text{K}} = 0,170\ \text{g} \times \frac{39,10}{138,55} = 0,0480\ \text{g} \] Pour la même masse d’échantillon (20,0 g) : \[ \% \text{K} = \frac{0,0480}{20,0} \times 100 = 0,240\ \% \ (m/m) \] ### 6. Sécurité et hygiène - L’uranyl acétate est légèrement radioactif : manipuler uniquement sous hotte à flux laminaire, porter un dosimètre si disponible, limiter le temps d’exposition et stocker les déchets dans un conteneur dédié aux substances radioactives de faible activité. - L’acide perchlorique est un oxydant puissant : éviter tout contact avec des matières organiques ; utiliser des récipients en verre ou en polypropylène résistants. - Les déchets contenant du perchlorate sont neutralisés avec une solution réduite de sulfite de sodium avant élimination. > **À retenir** : La précipitation du NaZnU nécessite un milieu acide (pH ≈ 4,5) ; à pH supérieur, le complexe se solubilise et le précipité se dissout, entraînant une sous‑estimation du sodium. --- ## Synthèse du chapitre - **Dosage gravimétrique du cuivre** : précipitation de CuO par NaOH, filtration, séchage à 120 °C, calcul via \(m_{\text{Cu}} = m_{\text{CuO}} \times \frac{63,55}{79,55}\). - **Dosage gravimétrique du magnésium** : précipitation de MgNH₄PO₄·6H₂O avec NH₃ et (NH₄)₂HPO₄, séchage à 110 °C, calcul via \(m_{\text{Mg}} = m_{\text{précipité}} \times \frac{24,31}{245,41}\). - **Dosage gravimétrique du sodium** : précipitation de NaZn(UO₂)₃(CH₃COO)₉·H₂O en milieu acide (pH ≈ 4,5), séchage à 80 °C, calcul via \(m_{\text{Na}} = m_{\text{NaZnU}} \times \frac{22,99}{1015,0}\). - **Dosage gravimétrique du potassium** : précipitation de KClO₄ avec HClO₄ à pH ≈ 7, séchage à 105 °C, calcul via \(m_{\text{K}} = m_{\text{KClO}_4} \times \frac{39,10}{138,55}\). - **Sécurité** : port des EPI, travail sous hotte pour les réactifs dangereux (NaOH, NH₃, uranyl acétate, HClO₄), gestion spécifique des déchets métalliques et radioactifs. - **Précision** : respecter les températures et temps de séchage indiqués ; toute déviation entraîne une erreur systématique sur la masse du précipité et donc sur le résultat final. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Dosage gravimétrique | Méthode d’analyse quantitative basée sur la mesure de la masse d’un précipité formé à partir de l’analyte. | | Précipité | Solide insoluble qui se forme lors d’une réaction chimique en solution et qui peut être séparé par filtration. | | Filtration sous vide | Technique de séparation liquide‑solide où la dépression créée par une pompe accélère le passage du liquide à travers le filtre. | | Étuve | Appareil de chauffage à température contrôlée utilisé pour sécher des échantillons ou des précipités. | | Dessiccateur | Récipient hermétique contenant un déshydratant (souvent du gel de silice) permettant de refroidir un échantillon sans absorption d’humidité. | | pH | Mesure de l’acidité ou de la basicité d’une solution ; échelle de 0 à 14. | | Stoichiométrie | Relation quantitative entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique équilibrée. | | EPI | Équipement de Protection Individuelle (gants, lunettes, blouse, masque). | | Déchet dangereux | Résidu présentant un risque pour la santé ou l’environnement nécessitant un traitement spécifique (ex. métaux lourds, substances radioactives). | | Masse molaire | Masse d’une mole d’une substance, exprimée en g mol⁻¹. | | Pourcentage masse/masse (% m/m) | Rapport de la masse de l’analyte à la masse totale de l’échantillon, multiplié par 100. | | Hotte à flux laminaire | Enclosure de travail qui fournit un flux d’air filtré uniforme pour protéger l’opérateur et l’échantillon des contaminants. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Cuivre Un échantillon de minerai de cuivre de 4,85 g est traité selon le procédé décrit. Après filtration, séchage et pesée, la masse de CuO obtenue est 0,312 g. Calculer la teneur en cuivre du minerai en % m/m. **Corrigé** \[ m_{\text{Cu}} = 0,312\ \text{g} \times \frac{63,55}{79,55}=0,249\ \text{g} \] \[ \% \text{Cu}= \frac{0,249}{4,85}\times100 = 5,13\ \% \ (m/m) \] ### Exercice 2 – Magnésium Une eau de forage de 50,0 mL (masse approximative 50,0 g) est analysée. Après précipitation de MgNH₄PO₄·6H₂O, le précipité sec pèse 0,184 g. Déterminer la concentration en Mg²⁺ en mg L⁻¹. **Corrigé** \[ m_{\text{Mg}} = 0,184\ \text{g} \times \frac{24,31}{245,41}=0,0182\ \text{g}=18,2\ \text{mg} \] Comme le volume d’échantillon est 0,050 L : \[ C_{\text{Mg}} = \frac{18,2\ \text{mg}}{0,050\ \text{L}} = 364\ \text{mg L}^{-1} \] ### Exercice 3 – Sodium et potassium (détermination simultanée) Un extrait de sol de 10,0 g donne, après les deux procédés, les masses suivantes : précipité NaZnU = 0,092 g ; précipité KClO₄ = 0,215 g. Calculer les teneurs en % m/m de Na et de K. **Corrigé – Sodium** \[ m_{\text{Na}} = 0,092\ \text{g} \times \frac{22,99}{1015,0}=0,00208\ \text{g} \] \[ \% \text{Na}= \frac{0,00208}{10,0}\times100 = 0,0208\ \% \ (m/m) \] **Corrigé – Potassium** \[ m_{\text{K}} = 0,215\ \text{g} \times \frac{39,10}{138,55}=0,0607\ \text{g} \] \[ \% \text{K}= \frac{0,0607}{10,0}\times100 = 0,607\ \% \ (m/m) \] --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / correction | |----|------------------|-------------|-----------------------------------| | 1 | **Séchage insuffisant du précipité** (température trop basse ou temps trop court) | Masse du précipité trop élevée (présence d’eau) → surestimation de l’analyte. | Respecter les températures et durées indiquées (CuO 120 °C 30 min, MgNH₄PO₄·6H₂O 110 °C 20 min, NaZnU 80 °C 30 min, KClO₄ 105 °C 20 min). Vérifier la constance de masse par pesée successive jusqu’à variation < 0,1 mg. | | 2 | **pH non ajusté** lors de la précipitation du Na (ou du Mg) | Précipité partiellement soluble → perte de matière → sous‑estimation. | Mesurer le pH avec un papier ou un pH‑mètre avant d’ajouter le réactif precipitant ; ajuster avec l’acide ou la base appropriée et contrôler à nouveau. | | 3 | **Contamination du filtre** (utilisation d’un papier filtre non adapté ou réutilisé) | Passage de particules fines dans le filtrat → masse du précipité sous‑estimée. | Utiliser un filtre à pores adaptés (0,45 µm pour les précipités métalliques, 0,2 µm pour les sels très fins) et ne jamais réutiliser un filtre. | | 4 | **Manipulation sans EPI** (ex. omission de lunettes lors de l’ajout de NaOH concentré) | Risques de brûlures oculaires ou cutanées. | Porter systématiquement lunettes de protection, gants nitrile et blouse ; en cas de projection, rincer immédiatement à l’eau pendant au moins 15 min et consulter le service médical. | | 5 | **Mauvaise étiquetage des déchets** (mélange de déchets métalliques avec des déchets organiques) | Risque de réaction exothermique ou de difficulté de traitement. | Séparer les déchets selon leur nature (métaux lourds, phosphates, perchlorats, substances radioactives) et utiliser les contenus dédiés fournis par le service de gestion des déchets de l’établissement. | | 6 | **Utilisation d’une balance non tarée** avant la pesée du précipité | Erreur systématique sur toutes les masses mesurées. | Tarer la balance avec le récipient vide avant chaque pesée ; vérifier la tare périodiquement avec un poids étalon de classe M1. | --- *Fin du cours.*