TP virtuel de titrage acido-basique : courbes de pH

Ce TP virtuel de titrage acido-basique couvre deux TP scolaires en une seule simulation. La partie A correspond au TP obligatoire d'AQA GCSE sur le titrage : les élèves versent de l'hydroxyde de sodium depuis une burette dans de l'acide chlorhydrique jusqu'au virage de l'indicateur, notent le volume versé et calculent la concentration de l'acide. La partie B suit le TP d'AP Chemistry sur l'effet de la force d'un acide sur la courbe de titrage : les élèves titrent un acide fort et un acide faible, comparent les courbes, lisent le pKa à la demi-équivalence et testent deux indicateurs. Chaque goutte met à jour le pH et la courbe : les élèves voient pourquoi le virage est si brusque.

Liens avec les programmes

• AQA GCSE Chemistry 4.4.2.5 (titrations) et son TP obligatoire sur la détermination des volumes qui réagissent entre un acide fort et une base forte.
• AP Chemistry Unit 8, topic 8.5 Acid–Base Titrations (SAP-9.E), et le TP d'AP Chemistry sur les courbes de titrage d'acides de forces et de concentrations différentes.
• Le même titrage figure en IB Chemistry et en A-level Chemistry.

Simulic n'est pas affilié au College Board ni à AQA, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Demandez aux élèves de s'engager sur une prédiction :

« On titre 20 mL de HCl à 0,10 M et 20 mL de CH₃COOH à 0,10 M, chacun par du NaOH à 0,10 M. Lequel a besoin de plus de NaOH pour atteindre l'équivalence ? »

Attendez-vous à beaucoup de votes pour HCl (« c'est l'acide le plus fort »). Laissez la question ouverte.

Protocole dans la simulation

Partie A : volumes qui réagissent (GCSE)

1. Réglez Acide sur HCl, C acide sur 0,08 M, V acide sur 25 mL, C NaOH sur 0,10 M et Indicateur sur phénolphtaléine. Fixez ces valeurs sur le lien de classe.
2. Titrage rapide : appuyez sur +1 mL jusqu'à ce que l'erlenmeyer devienne rose. Notez le volume.
3. Appuyez sur Recommencer. Ajoutez +1 mL jusqu'à 1 mL avant le volume du titrage rapide, puis appuyez sur +1 goutte jusqu'à la première teinte rose. Notez la lecture de la burette.
4. Calculez : quantité de NaOH = 0,10 × volume versé (en L) ; quantité de HCl = quantité de NaOH ; concentration de HCl = quantité ÷ 0,025 L.

Partie B : courbes acide fort et acide faible (AP)

5. Réglez HCl, 0,10 M, 20 mL, NaOH 0,10 M, phénolphtaléine. Notez le pH pour chaque volume du tableau.
6. Passez l'Acide à CH₃COOH et recommencez.
7. Passez l'Indicateur à l'hélianthine pour chaque acide. Lisez où la simulation indique le virage.

V(NaOH) (mL)	0	5	10	15	19	20	21	25
pH, HCl
pH, CH₃COOH

Résultats attendus

Partie A. À 20,00 mL, l'erlenmeyer est encore incolore, à pH 7,00. La goutte suivante (20,05 mL) porte le pH à 10,05 et l'erlenmeyer devient rose. Avec un volume versé de 20,05 mL : n(NaOH) = 0,10 × 0,02005 = 0,002005 mol, et c(HCl) = 0,002005 ÷ 0,025 = 0,080 mol/L. Les titrages répétés donnent la même lecture, car la simulation n'a pas d'erreurs de lecture.

Partie B. Mesures lues dans la simulation :

V(NaOH) (mL)	0	5	10	15	19	20	21	25
pH, HCl	1,00	1,22	1,48	1,85	2,59	7,00	11,39	12,05
pH, CH₃COOH	2,88	4,27	4,75	5,22	6,02	8,72	11,39	12,05

• Les deux acides atteignent l'équivalence à 20,00 mL : des quantités égales d'acide demandent des quantités égales de NaOH.
• L'acide faible part plus haut, monte doucement dans une zone tampon, et son équivalence est à pH 8,72, pas à 7.
• À la demi-équivalence (10,00 mL), le pH de l'acide faible est de 4,75, ce qui correspond à pKa = 4,74.
• La phénolphtaléine vire à 20,00 mL (HCl) et à 19,99 mL (CH₃COOH). L'hélianthine convient pour HCl (19,98 mL) mais vire à 6,22 mL pour CH₃COOH, soit une erreur d'environ −69 %.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Quel acide a besoin de plus de NaOH pour atteindre l'équivalence ?
2. Dans la partie B, quelle est la variable indépendante ?
3. Dans la partie A, quelle est la concentration de HCl ?
4. Quel est le pH de la solution de CH₃COOH à la demi-équivalence, et que vous apprend-il ?
5. Pourquoi l'hélianthine est-elle un mauvais indicateur pour le titrage de CH₃COOH ?

Réponses pour l'enseignant : (1) Le même pour les deux : 20,00 mL. (2) Le type d'acide, fort ou faible. (3) 0,080 mol/L (accepter 0,078–0,082). (4) 4,75, égal au pKa de l'acide éthanoïque (accepter 4,72–4,78). (5) Sa zone de virage (pH 3,1–4,4) se situe dans la zone tampon, bien avant le saut de pH : elle vire donc vers 6 mL au lieu de 20 mL.

Idées fausses fréquentes

• « Un acide fort demande plus de base. » La force change le pH, pas la quantité d'acide. Des quantités égales demandent des volumes égaux.
• « L'équivalence est toujours à pH 7. » Seulement pour un acide fort avec une base forte. Les ions éthanoate rendent basique la solution à l'équivalence de l'acide faible.
• « Le virage et l'équivalence, c'est la même chose. » Le virage, c'est le moment où l'indicateur change de couleur. Il ne coïncide avec l'équivalence que si la zone de virage de l'indicateur se trouve dans le saut de pH.

Prolongement

• Concentration et saut de pH : réglez les deux concentrations sur 0,01 M et comparez la hauteur du saut de pH avec celle de la courbe à 0,10 M. Demandez quel indicateur convient encore.
• Limites de la burette : réglez C acide sur 0,5 M et V acide sur 50 mL. La simulation avertit que le volume à l'équivalence dépasse 50 mL. Les élèves reconçoivent le titrage pour que le volume versé soit de 10–25 mL.

Questions fréquentes

Peut-on masquer la concentration de l'acide pour en faire une vraie inconnue ?

Non. La simulation affiche la concentration de l'acide et le volume à l'équivalence. Utilisez la partie A pour la technique et le calcul, et gardez les vraies inconnues pour le TP réel.

Ma classe prépare seulement le GCSE. Quelles questions utiliser ?

Les questions 1 et 3, et le protocole de la partie A. Remplacez les questions 4 et 5 par les vôtres, par exemple : « Pourquoi ajoute-t-on le NaOH goutte à goutte près du virage ? »

Pourquoi le pH saute-t-il de 7,00 à 10,05 en une goutte ?

À l'équivalence, il n'y a plus d'excès d'acide ni de base. Une goutte de plus de NaOH à 0,10 M représente un grand excès d'OH⁻ dans une solution presque sans H⁺ : le pH monte d'environ trois unités.

Simulations et guides associés

Acides forts et faibles – même concentration, quelle différence ? Acides, bases et indicateurs – titrage goutte à goutte

Pour approfondir la zone tampon, voir le TP virtuel sur les solutions tampons. Pour les bases du pH, voir le plan de séance sur l'échelle de pH. Pour construire des quiz autour de cette simulation, voir ajouter des simulations aux questions de quiz.