TP virtuel de titrage pH-métrique : base faible et H₃PO₄

Ce TP virtuel de titrage pH-métrique suit la manipulation de l'A-level et de l'IB où les élèves mesurent une courbe de titrage au pH-mètre. Ils étalonnent la sonde avec des tampons de pH 4, 7 et 10, titrent de l'ammoniac par l'acide chlorhydrique, relèvent le pH après chaque ajout et repèrent l'équivalence grâce à ΔpH/ΔV. La courbe donne le pKb de l'ammoniac à la demi-équivalence et montre quels indicateurs conviendraient. L'acide phosphorique donne ensuite deux sauts sur une même courbe. Toutes les valeurs ci-dessous viennent de la simulation.

Liens avec les programmes

• AQA A-level Chemistry 7405, 3.1.12.5 (courbes de pH, titrages et indicateurs) et le TP obligatoire (required practical) 9 : l'évolution du pH quand un acide faible réagit avec une base forte et quand un acide fort réagit avec une base faible.
• IB Chemistry (première évaluation en 2025), R3.1 : courbes de pH des acides et bases forts et faibles, et choix de l'indicateur.
• AP Chemistry Unit 8, thème 8.5 Acid–Base Titrations (SAP-9.E), y compris les polyacides.

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

Avant le TP (5 min)

Demandez aux élèves de s'engager sur une prédiction, sur papier ou comme question 1 du lien de classe :

« On titre 20 mL d'ammoniac à 0,10 M par HCl à 0,10 M. Le pH à l'équivalence sera-t-il inférieur à 7, égal à 7 ou supérieur à 7 ? »

Les élèves qui connaissent les courbes des acides faibles répondent souvent « supérieur à 7 ».

Protocole dans la simulation

1. Réglez Vue sur TP au pH-mètre. Laissez Erlenmeyer + burette sur NH₃ + HCl (base faible, acide fort), C(NH₃) 0,10 M, V(NH₃) 20 mL et C(HCl) 0,10 M.
2. Étalonnez : appuyez sur Tampon pH 4, Tampon pH 7 et Tampon pH 10, notez chaque mesure, puis appuyez sur Étalonner.
3. Appuyez sur Relever à 0 mL. Ajoutez HCl avec +1 mL en appuyant sur Relever après chaque ajout. Entre 19 et 21 mL, utilisez le curseur V(HCl) versé pour ajouter 0,5 mL à la fois.
4. Lisez l'analyse sous le tableau de mesures : le volume équivalent et le pH à la moitié de ce volume. Consultez le tableau des indicateurs.
5. Passez Erlenmeyer + burette sur H₃PO₄ + NaOH (triacide) (la sonde reste étalonnée) et relevez à 0, 10, 19, 20, 21, 30, 39, 40, 41 et 50 mL.

V(HCl) (mL)	0	5	10	15	19	19,5	20	20,5	21	25	30
pH (NH₃)

Résultats attendus

Étalonnage. La sonde non étalonnée affiche 4,46 ; 7,28 et 10,10 dans les tampons. Après Étalonner, les mesures sont justes.

Ammoniac par HCl :

V(HCl) (mL)	0	5	10	15	19	19,5	20	20,5	21	25	30
pH	11,12	9,73	9,25	8,77	7,97	7,66	5,28	2,91	2,61	1,95	1,70

• L'équivalence est à 20,00 mL et pH 5,28 : NH₄⁺ est un acide faible, la solution est donc acide.
• À la demi-équivalence (10,00 mL), pH = 9,25 = pKa(NH₄⁺), donc pKb(NH₃) = 14 − 9,25 = 4,75. Avec les mesures ci-dessus, la ligne d'analyse donne un volume équivalent de 19,75 mL et pKb ≈ 4,74.
• Tableau des indicateurs : le rouge de méthyle vire à 20,00 mL (0,0 %) et l'hélianthine à 20,02 mL (+0,1 %), mais la phénolphtaléine vire à 18,36 mL (−8,2 %).

Acide phosphorique par NaOH : 1,63 à 0 mL ; 2,29 à 10 ; 3,49 à 19 ; 4,70 à 20 ; 5,92 à 21 ; 7,20 à 30 ; 8,48 à 39 ; 9,66 à 40 ; 10,83 à 41 et 11,86 à 50 mL. Il y a deux sauts, à 20 et 40 mL. À mi-chemin entre les deux, à 30 mL, pH = 7,20 = pKa₂. Il n'y a pas de troisième saut : HPO₄²⁻ (pKa 12,35) est un acide trop faible.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Le pH à l'équivalence pour NH₃ par HCl est-il inférieur, égal ou supérieur à 7 ?
2. Laquelle de ces grandeurs est une variable contrôlée ?
3. Qu'affiche la sonde étalonnée après 10,00 mL de HCl ?
4. Quel est le pH à 30,00 mL dans le titrage de H₃PO₄ ?
5. Pourquoi le rouge de méthyle est-il un meilleur indicateur que la phénolphtaléine pour NH₃ par HCl ?

Réponses pour l'enseignant : (1) Inférieur à 7 (5,28). (2) La concentration de HCl. (3) 9,25 (accepter 9,20–9,30), donc pKb = 4,75 ; non étalonnée, elle affiche 9,39. (4) 7,20 (accepter 7,15–7,25), égal à pKa₂. (5) Le saut va d'environ pH 7,7 à 2,9. Le rouge de méthyle vire vers pH 5, dans le saut (20,00 mL) ; la phénolphtaléine vire à 8,2, avant le saut (18,36 mL, 8 % trop tôt).

Idées fausses fréquentes

• « Un pH-mètre affiche toujours le vrai pH. » Non étalonné, il affiche 9,39 à la demi-équivalence au lieu de 9,25, ce qui donne un pKb de 4,61.
• « Toute espèce faible donne une équivalence au-dessus de 7. » Seulement un acide faible titré par une base forte. Une base faible titrée par un acide fort donne 5,28.
• « Un triacide donne trois sauts. » H₃PO₄ en donne deux, et l'acide citrique un seul, car ses pKa (3,13 ; 4,76 ; 6,40) sont trop proches.

Prolongement

• Carbonate de sodium : choisissez Na₂CO₃ + HCl (deux équivalences). La phénolphtaléine repère la première équivalence (20,13 mL) et l'hélianthine la seconde (39,80 mL).

Questions fréquentes

Quelle différence avec le TP virtuel de titrage acido-basique ?

Le TP virtuel de titrage acido-basique utilise la vue Titrage classique (HCl ou acide éthanoïque par NaOH). Celui-ci utilise la sonde pH, une base faible et des polyacides.

Le lien de classe peut-il s'ouvrir sur le TP au pH-mètre ?

Oui. Dans les valeurs de départ du lien, réglez Vue sur TP au pH-mètre (plus de couples, tableau de mesures) et Couple titré (vue TP) sur NH₃ + HCl (base faible, acide fort). L'étalonnage ne fait pas partie des valeurs de départ : les élèves étalonnent donc au début.

Pourquoi le saut paraît-il plus petit qu'avec HCl par NaOH ?

La zone tampon NH₃/NH₄⁺ a déjà fait descendre le pH à 7,97 à 19 mL. De 19 à 21 mL, il baisse de 5,4 unités, contre 8,8 unités (de 2,59 à 11,39) pour HCl par NaOH.

Simulations et guides associés

Solutions tampons – pourquoi le pH ne varie-t-il presque pas ? Indicateurs colorés – tournesol, phénolphtaléine, chou rouge, indicateur universel

Pour les solutions tampons, voir le TP virtuel sur les solutions tampons ; pour les concentrations inconnues, le TP virtuel de titrage d'échantillons inconnus.