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Choisir un capteur pour suivre l'évolution d'un système

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Objectif

Justifier le choix d’un capteur de suivi temporel de l’évolution d’un système.

Points clés

Des méthodes physiques permettent de suivre l’évolution d’une concentration en mesurant au cours du temps des grandeurs telles que l’absorbance d’un réactif ou d’un produit coloré, la pression d’un gaz formé, la conductivité d’une espèce ionique ou le pH d’une solution aqueuse.
Le choix d’un capteur de suivi temporel de l’évolution d’un système se fait selon les justifications suivantes :
- un spectrophotomètre si un seul des réactifs ou des produits est coloré ;
- un pressiomètre si un seul des produits formés est un gaz ;
- un pH-mètre si l’ion oxonium H₃O⁺ est un des réactifs ou des produits ;
- un conductimètre si un des réactifs ou un des produits est un soluté ionique.

Pour bien comprendre

La loi de Beer-Lambert
La loi de Kohlrausch
L’équation d’état du gaz parfait
Vitesse volumique et temps de demi-réaction

1. Le suivi de l'évolution de la concentration au cours d'une réaction chimique

Afin de suivre au cours du temps l’évolution de la concentration d’un réactif ou d’un produit lors d’une réaction chimique lente (dont la durée va de quelques secondes à plusieurs minutes), le chimiste peut utiliser différents appareils de mesure qui relèvent la valeur d’une grandeur physique caractéristique du milieu réactionnel. Cette grandeur mesurée permet ensuite, à l’aide de formules, de lois, de trouver la concentration recherchée.

2. Choisir le capteur

Les grandeurs pouvant être étudiées sont :

une absorbance mesurée par un spectrophotomètre ;
une pression mesurée par un pressiomètre ;
un pH mesuré par un pH-mètre ;
une conductivité mesurée par un conductimètre.

Le principe du suivi expérimental de la concentration est le suivant pour chaque grandeur.

a. Suivi d'une concentration par la mesure de l'absorbance d'une solution colorée

L’absorbance

L’absorbance A est une grandeur sans unité, mesurée par un spectrophotomètre, qui est liée à la proportion de lumière absorbée par une solution colorée.

Choix du capteur

Le choix d’un spectrophotomètre comme appareil de mesure est justifié dans le cas où une seule des espèces chimiques impliquées dans la réaction chimique, réactif ou produit, est colorée.

Étapes pour trouver C(t)
à partir d’une mesure d’absorbance

Rappel

A = k × C

avec :

A l’absorbance de la solution, sans unité
k une constante, en L·mol^–¹
C la concentration en quantité de matière de l'espèce chimique colorée, en mol·L^–¹

b. Suivi d'une concentration par la mesure de la pression d'un gaz formé

La pression

La pression P d’un gaz est égale à la force exercée par celui-ci par unité de surface. Un gaz est considéré comme parfait si les entités qui le constituent n’exercent aucune interaction entre elles sauf au cours des chocs.

Choix du capteur

Le choix d’un pressiomètre comme appareil de mesure est justifié dans le cas où une seule des espèces chimiques produites au cours de la réaction, est un gaz.

Étapes pour trouver C(t)
à partir d’une mesure de pression

Rappel

P × V = n × R × T

avec :

P la pression du gaz, en pascal (Pa)
V le volume du gaz, en mètre cube (m³)
R la constante universelle des gaz parfaits : R ≈ 8,314 J·K^–¹·mol^–¹
n la quantité de matière de l’espèce qui compose le gaz, en mole (mol)
T la température du gaz, en Kelvin (K)

c. Suivi d'une concentration par la mesure du pH d'une solution aqueuse

Le pH

Le pH est une grandeur directement liée à la concentration en ion oxonium dans une solution aqueuse.

Si à 25 °C cette valeur est :

égale à 7 : la solution est neutre ;
inférieure à 7 : la solution est acide ;
supérieure à 7 : la solution est basique.

Choix du capteur

Le choix d’un pH-mètre comme appareil de mesure est justifié dans le cas où une des espèces chimiques, réactif ou produit, est l’ion oxonium.

Étapes pour trouver C(t)
à partir d’une mesure de pH

Rappel

[H₃O⁺] = 10^–^pH

avec :

[H₃O⁺] la concentration en quantité de matière d'ions oxonium, en mol·L^–¹
le pH un nombre sans dimension (pas d'unité)

d. Suivi d'une concentration par la mesure de la conductivité d'une solution

La conductivité

La conductivité σ est une grandeur directement liée à la concentration des ions présents dans une solution aqueuse. Elle mesure la capacité d’une solution aqueuse à conduire le courant électrique.

Choix du capteur

Le choix d’un conductimètre comme appareil de mesure est justifié dans le cas où une espèce chimique, réactif ou produit, est un soluté ionique (combinaison d’un cation et d’un anion).

Étapes pour trouver C(t)
à partir d’une mesure de conductivité

Rappel

G = k × C

avec :

k le coefficient de proportionnalité, en siemens mètre cube par mole (S·m³·mol^–¹)
G la conductance de la solution, en siemens (S)
C la concentration en quantité de matière de l’espèce dissoute dans la solution, en mole par mètre cube (mol·m^–³)

Remarque
La courbe de l’évolution temporelle de la concentration d’un réactif ou d’un produit permet ensuite de déterminer la vitesse volumique de disparition d’un réactif ou d’apparition d’un produit, ou de trouver le temps de demi-réaction.