Le logiciel PyAcidoBasic :

C'est un logiciel de simulation de dosages, écrit en Python par Georges Khaznadar.

Ce logiciel est disponible dans les dépôts Debian (paquet "python-acidobasic") et donc dans les distributions Linux dérivées de Debian. La version présentée ici est la 2.5-1.

A l'ouverture du logiciel on obtient cette fenêtre :

L'interface est d'un visuel très clair et se révèle simple et rapide à l'utilisation. Pour toutes ces qualités je l'utilise souvent en vidéoprojection en classe, que ce soit pour travailler sur la courbe pH = f(V) ou pour travailler sur la notion d'équivalence avec les courbes quantité de matière = f(V) ou enfin sur le dosage...conductimétrique !

Pour présenter le logiciel on réalisera une simulation d'un dosage classique, celui d'une solution d'acide éthanoïque par une solution de soude...

Les deux premiers onglets ci-dessous décrivent les fonctionnalités usuelles du logiciel ; le troisième onglet décrit la personnalisation possible du fichier de réactifs ; enfin le quatrième fait le point sur le dosage conductimétrique :

Choix des réactifs

On commence par choisir les réactifs dans la liste déroulante.

Ici on a sélectionné l'acide éthanoïque que l'on a fait glisser jusque dans la case bécher, ce qui ouvre une fenêtre de dialogue pour entrer la concentration et le volume de cette prise d'essai :

Le bouton permet de réinitialiser le contenu.

On fait de même pour remplir la burette avec la solution titrante (ici l'hydroxyde de sodium). Seule la concentration de cette solution nous est alors demandée :

Après validation la courbe du suivi pHmétrique (modélisé) se trace instantanément :

Le bouton permet de donner un titre à la courbe, ce qui prendra tout son intérêt avec l'exportation du graphique réalisable dans trois formats différents avec les boutons :

pour une exportation en pdf
pour une exportation en jpeg (image de type bitmap compressée)
pour une exportation en svg (image vectorielle)

(Rappelons qu'une image vectorielle permet tous les facteurs d'agrandissement possibles, ce que ne permet pas une image de type bitmap qui donne alors de la pixellisation).

Cette possibilité d'export est bien pratique pour intégrer une courbe de suivi pHmétrique dans une préparation de TP ou dans un exercice.

Exemple d'export en jpeg :

Les boutons et permettent de modifier la valeur maximale du volume de solutioon titrante versé :

Notons aussi la possibilité de faire apparaître les couleurs des différentes formes d'un indicateur coloré acido-basique :

Cet indicateur coloré serait-il adapté à la réalisation d'un dosage rapide (donc sans pHmètre...) d'une solution d'acide éthanoïque par de la soude ?

Concentrations/Quantités

Cet onglet "Concentrations / Quantités (de matère)" permet d'aller plus loin au niveau de l'analyse chimique.

Notons tout d'abord qu'il est possible ici de faire apparaître la dérivée dpH/dV en cochant la case correspondante :

La couleur d'une courbe peut être modifiée en cliquant dans le rectangle coloré situé à côté de son nom :

Sur le côté gauche de la fenêtre, on peut sélectionner à volonté le tracé de la concentration ou de la quantité de matière de l'une ou l'autre des espèces chimiques présentes dans le bécher. Le graphique ci-dessous montre l'évolution des quantités de matière en acide éthanoïque CH₃COOH et en ion éthanoate CH₃COO^- au cours du dosage, ce qui permet de bien faire aparaître les notions d'équivalence et de demi-équivalence. La courbe de pH restant en filigrane permet de faire le lien avec ces courbes:

On peut ajouter la courbe donnant la quantité de matière en ions hydroxyde HO^- . Cette quantité se met à augmenter dans le mélange réactionnel lorsque toutes les molécules CH₃COOH ont disparu :

Le même dosage mais avec la visualisation des courbes de concentration :

Les réactifs

Les réactifs que l'on peut utiliser ne se trouvent pas intégrés dans le logiciel mais dans un fichier à part, ce qui permet à l'utilisateur d'ajouter des réactifs dont il aurait besoin.

Ce fichier de réactif ("db-fr_FR.html") se trouve dans le dossier créé à l'installation :

usr/share/pyacidobasic/lang/

Ci-dessous, mon fichier actuel dans lequel ont été ajoutés l'acide gluconique (l'acide majoritaire dans le miel) et deux diacides génériques (diacide1 et diacide2) qui m'ont été utiles pour présenter les deux formes possibles que peut prendre la courbe pH = f(V) selon que les pKa sont proches ou éloignés (TP d'identification de deux stéréoisomères : l'acide maléique et l'acide fumarique) :

diacide1 (pKa éloignés : 2,0 et 5,5 ) : diacide2 (pKa proches 4,0 et 5,5) :

Le fichier de réactifs peut être modifié (en mode administrateur) avec un éditeur HTML (on nous propose par exemple le logiciel Kompozer). On peut aussi travailler avec un éditeur de texte.

On aura au préalable fait une sauvegarde en lieu sûr du fichier originel !

Liste d'acides et de bases pour PyAcidoBasic

ce tableau peut être complété à l'aide d'un éditeur HTML, comme Kompozer. Il convient de respecter les conventions utilisées dans chaque colonne. Il est important pour le programme pyAcidoBasic que ce tableau soit le seul tableau de la page.

acide, base conjuguée [, ...]	index forme principale	nom	pK1[, pK2 ...]	concentration	charge de la forme acide
HCl,Cl^-	0	acide chlorhydrique	-3.0	1.0	0
CH₃CO₂H,CH₃CO₂^-	0	acide éthanoïque	4.7	1.0	0
C₃H₆O₃,C₃H₅O₃^-	0	acide lactique	3.86	1.0	0
C₆H₁₂O₇,C₆H₁₁O₇^-	0	acide gluconique	3.86	1.0	0
A₁H₂,A₁H^-,A₁^2-	0	diacide_1	2.0,5.5	1.0	0
A₂H₂,A₂H^-,A₂^2-	0	diacide_2	4.0,5.5	1.0	0
C₄H₄O₄,C₄H₃O₄^-,C₄H₂O₄^2-	0	acide maleique	1.8,6.6	1.0	0
C₄H₄O₄,C₄H₃O₄^-,C₄H₂O₄^2-	0	acide fumarique	3.0,4.4	1.0	0
H₃PO₄,H₂PO₄^-,HPO₄^2-,PO₄^3-	0	acide phosphorique	2.12,7.21,12.67	1.0	0
H₃Cit,H₂Cit^-,HCit^2-,Cit^3-	0	acide citrique	3.13,4.76,6.4	1.0	0
H₃PO₄ Na⁺,NaH₂PO₄,NaHPO₄^-,NaPO₄^3-	1	dihydrogénophosphate de sodium	2.12,7.21,12.67	1.0	1
H₃PO₄ 2Na⁺,NaH₂PO₄ Na⁺,Na₂HPO₄,Na₂PO₄^-	2	hydrogénophosphate disodique	2.12,7.21,12.67	1.0	2
H₃PO₄,H₂PO₄^-,HPO₄^2-,PO₄^3-	2	phosphate trisodique	2.12,7.21,12.67	1.0	3
NH₄Cl,NH₃ Cl^-	0	chlorure d'ammonium	9.20	1.0	0
NH₄⁺,NH₃	1	ammoniac	9.20	1.0	1
C₃H₈NO₂⁺,C₃H₇NO₂,C₃H₆NO₂^-	1	alanine	2.35,9.69	1.0	1
Na⁺,NaOH	1	hydroxyde de sodium	17.0	1.0	1
HNO₃,NO₃^-	0	acide nitrique	-2.0	1.0	0
HBr,Br^-	0	acide bromhydrique	-8.0	1.0	0
HI,I^-	0	acide iodhydrique	-10	1.0	0
H₂SO₄,HSO₄^-,SO₄^2-	0	acide sulfurique	-7.0,1.99	1.0	0
NaHSO₄,SO₄^2-Na⁺	0	hydrogénosulfate de sodium	1.99	1.0	1
HCOOH,HCOO^-	0	acide méthanoïque	3.77	1.0	0
HCOOHNa⁺,HCOONa	1	méthanoate de sodium	3.77	1.0	1
C₇H₆O₃,C₇H₅O₃^-	0	acide salicylique	3.0	1.0	0
C₇H₆O₃Na+,C₇H₅O₃Na	1	salicylate de sodium	3.0	1.0	1
C₇H₆0₂,C₇H₅0₂^-	0	acide benzoïque	4.19	1.0	0
C₇H₆0₂Na⁺,C₇H₅0₂Na	1	benzoate de sodium	4.19	1.0	1
C₃H₆O₂,C₃H₅O₂^-	0	acide propanoïque	4.87	1.0	0
C₃H₆O₂Na⁺,C₃H₅O₂Na	1	propanoate de sodium	4.87	1.0	1
C₄H₈O₂,C₄H₇O₂^-	0	acide butanoïque	4.81	1.0	0
C₄H₈O₂Na⁺,C₄H₇O₂Na	1	butanoate de sodium	4.81	1.0	1
HClO,ClO^-	0	acide hypochloreux	7.52	1.0	0
HClONa⁺,NaClO	1	hypochlorite de sodium	7.52	1.0	1
HCN,CN^-	0	acide cyanhydrique	9.3	1.0	0
HCNNa⁺,NaCN	1	cyanure de sodium	9.3	1.0	1
C₆H₆0,C₆H₅O^-	0	phénol	9.95	1.0	0
C₆H₆ONa⁺,C₆H₅ONa	1	phénolate de sodium	9.95	1.0	1

Dosage conductimétrique

Bien que dédié aux dosages acido-basiques par suivi pHmétrique, le logiciel PyAcidoBasic peut nous aider dans la compréhension des dosages par suivi conductimétrique.

Prenons l'exemple du dosage d'une solution d'acide chlorhydrique par une solution d'hydroxyde de sodium, pour lequel la réaction support s'écrit :

H₃O⁺ + HO^- → 2 H₂O

Ci-dessous un exemple de relevé de la conductivité en fonction du volume de soude versé :

Pour obtenir un tel graphique linéarisable par partie et permettant ainsi de trouver le volume équivalent V_BE , on a du ajouter un grand volume d'eau (une bonne centaine de mL au moins) au volume de la prise d'essai.

Quatre ions interviennent dans ce dosage : les ions hydronium H₃O⁺ et les ions hydroxyde HO^-, mais aussi les ions spectateurs que sont les ions Cl^- initialement présents et les ions Na⁺ progressivement ajoutés.

Chacun de ces ions est responsable de la conductivité du mélange selon la loi de Kohlrausch :

σ = Σ λ_i.[X_i] avec :

[X_i], la concentration molaire d'un ion (en mol.m^-3)
λ_i , la conductivité ionique molaire (en S.m².mol^-1), spécifique à chaque ion :

Le schéma ci-dessous donne un aspect visuel des différentes espèces présentes à différents stades du dosage :

Légende :

La dernière ligne du tableau rappelle l'évolution de la conductivité au cours du dosage

On constate :

que la quantité de matière des ions Cl^- reste constante
que celle des ions H₃O⁺ diminue jusqu'à devenir "nulle" à l'équivalence
que celle des ions Na⁺ augmente tout au long du dosage
que jusqu'à l'équivalence chaque ion H₃O⁺qui a réagi est remplacé par un ion Na⁺ (moins "conducteurs" que les ions H₃O⁺)
que la quantité de matière en ions HO^- ne se met à augmenter que lorsque les ions H₃O⁺ont complètement disparu

Tout ceci se retrouve avec Pyacidobasic :

Comme nous l'a rappelé la loi de Kohlrausch, en conductimétrie c'est la concentration qui compte. Comparons l'évolution de la quantité de matière et celle de la concentration des ions chlorure :

Qté de matière (constante) : Concentration (elle diminue) :

n_Cl- est constante mais le volume V du mélange augmente avec l'ajout de la solution de soude donc la concentration diminue.

Pour cette même raison de dilution voici l'évolution de la concentration en ions H₃O⁺ comparée à sa quantité de matière :

Qté de matière Concentration

(elle diminue de façon affine) (elle diminue de façon non affine)

Ceci est embêtant car dans le dosage conductimétrique, la grandeur mesurée, σ, doit être représentative de la réaction.

Or :

les quantités de matière sont liées à l'avancement de la réaction
σ , la conductivité, est liée aux concentrations

Mais les concentrations dépendent certes des quantités de matière, mais aussi du volume ... volume qui n'est pas constant ici, d'où la forme des courbes de concentration qui ne sont donc pas représentatives de l'avancement de la réaction

La solution : puisque le volume va de toute façon varier, faisons en sorte que cette variation soit la plus minime possible.

Il faut donc que le volume de soude ajouté soit faible devant le volume initial

On ajoute donc à la prise d'essai un volume d'eau important (qui ne change pas la quantité de matière à doser, donc qui ne change pas le volume équivalent).

Cette version de Pyacidobasic ne permet pas encore l'ajout d'un volume d'eau dans le bécher, mais on peut ruser en disant que :

un volume de 100 mL d'acide chlorhydrique de concentration 0,010 mol.L^-1

contient la même quantité de matière à doser

que le volume de 10 mL d'acide chlorhydrique de concentration 0,10 mol.L^-1 avec lequel on a fait notre simulation

(C'est donc comme si on avait ajouté 90 mL d'eau à ce volume de 10 mL).

Il faut donc modifier le contenu du bécher :

Observons maintenant la quantité de matière et la concentration en Cl^- :

On remarque :

que le volume équivalent est resté le même : la dilution est sans effet sur lui
que la quantité de matière en ions chlorure est constante et est bien sûr restée la même qu'avant dilution
que la concentration en ions chlorure et plus faible qu'avant la dilution (normal !) mais que cette concentration est quasiment constante : l'ajout du volume de soude est devenu quasiment négligeable.

Observons les concentrations des autres ions :

Là aussi elles sont toutes plus faibles qu'avant la dilution par l'eau, mais surtout :

la variation de ces concentrations se fait de façon affine comme le font les quantités de matière. On a alors un lien entre la conductivité et les concentrations qui permet donc la linéarisation du graphe donné au début :

En conclusion : lors d'un dosage par suivi conductimétrique :

toujours ajouter un grand volume d'eau
Inutile de mesurer ce volume d'eau avec précision
Ne pas le faire intervenir dans les calculs puisqu'il ne change pas l'avancement de la réaction et donc ne change pas la valeur du volume équivalent