Le dosage par étalonnage est une méthode géniale en chimie pour mesurer la concentration d'une substance dans un échantillon.

👩‍🔬 On crée une courbe en utilisant des concentrations connues, puis on l'utilise pour estimer la concentration de la substance dans un échantillon inconnu

C'est comme résoudre un casse-tête scientifique !

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C'est parti

Définition de la notion de dosage 🤏🏼

A quoi sert le dosage ?
Le dosage tient une place importante dans la chimie, notamment dans le domaine pharmaceutique avec les médicaments.

Un dosage est une technique qui permet de déterminer la concentration molaire d’une espèce chimique dissoute dans une solution. Il existe plusieurs méthodes pour doser une espèce en solution, on peut par exemple utiliser :

📊 Le dosage par titrage

🧪 Le dosage par étalonnage

C’est ce dernier type de dosage que nous allons développer.

Les techniques de dosages, qu'elles soient obtenues par titration ou étalonnage, sont très importantes dans de nombreuses industries :

💊 En médecine, pour doser les médicaments

🧃 Dans l'agro-alimentaire, pour doser les boissons

On utilise par exemple les techniques de dosage en médecine pour doser des médicaments ou encore dans l'industrie agro-alimentaire pour doser les quantités de solutés à incorporer dans les boissons (on peut étudier par exemple la concentration du fer dans le vin, on peut étudier la concentration de certains acides dans des boissons de type cola...).

Principe d'un dosage par étalonnage 🧪

tubes à essais avec différentes couleurs
Découvrez le principe du dosage par étalonnage !

Un dosage colorimétrique correspond à celui qui peut être effectué lorsqu'une réaction chimique produit un produit coloré et si l'intensité de la coloration est proportionnelle à la concentration de l'élément chimique à doser.

Par conséquent, la réaction est logiquement basée sur la loi de Beer-Lambert. Cette loi dit que plus une substance est concentrée et plus le milieu traversé est épais, plus elle absorbe de lumière.

⚠️ À noter que des dosages colorimétriques peuvent également être réalisés à l'aide d'un indicateur coloré qui se colorera en fonction des variations de pH, indiquant le point d'équivalence de la réaction

🌈 Dans ce cas, on parle de titrage colorimétrique

Pour effectuer une telle détermination, il est alors nécessaire de procéder à la conception de la gamme standard.

Explication du principe

Le dosage par étalonnage repose sur l’utilisation de solutions (appelées "solutions étalons") qui contiennent l’espèce chimique à doser en différentes concentrations connues. 

Il suppose également que la concentration de l’espèce chimique influe sur une grandeur physique ( comme l'absorbance, la conductivité...) qu’il est possible de mesurer.

👉🏼 En effet, il faut utiliser des valeurs qui sont dépendantes de la concentration

On compare ensuite les propriétés physiques de l’échantillon à la même propriété physique pour une gamme étalon.

Le phénomène de dilution

La dilution correspond au processus d'obtention d'une solution finale avec une concentration inférieure à la solution de départ. Cela peut ensuite être fait en ajoutant du solvant ou en extrayant une partie de la solution puis en terminant jusqu'à ce que le solvant atteigne le volume souhaité.

La dilution peut alors être caractérisée par le taux de dilution. Pour cela, cependant, il faut supposer que le diluant est soluble dans le solvant utilisé.

Dilution par ajout de solvant

On note la concentration d'une solution C et il est possible de la calculer avec la formule suivante : Avec :

  • C la concentration molaire. Cette unité s'exprime en mol.L-1 ;
  • n la quantité de matière du soluté en solution. Cette unité s'exprime en mol ;
  • Et V le volume de solvant. Cette unité s'exprime en L.

Ainsi, si on procède à une dilution par ajout de solvant, la solution initiale et la solution finale contiennent autant de quantité de soluté. Cela signifie alors que ninitialenfinale . On a alors les relations suivantes qui se dégagent :

On peut déduire de ces relations le rapport suivant :

Il est possible d'exprimer le taux de dilution avec la relation suivante :

Il est important de savoir que le taux de dilution, noté T, est une grandeur sans unité et qui présente obligatoirement une valeur positive et inférieure à 1. Quant au taux de dilutions successives, il correspond au produit des taux de dilution de chaque dilution.

Créer une gamme étalon pour obtenir des résultats 🏆

Comment réaliser une gamme étalon ?
Plus la gamme d'étalons est grande, plus la précision du dosage le sera aussi.

Certains critères doivent être respectés pour effectuer un dosage colorimétrique :

  • La réaction doit produire une teinte ou une opacité proportionnelle à la concentration
  • La teinte ou l'opacité doit être constante pendant le processus de mesure
  • Le composé à analyser doit être en concentration extrêmement faible (jamais dilué)
  • Une gamme d'étalonnage doit être réalisée dans les mêmes circonstances physiques et chimiques que les expériences
  • La longueur d'onde du spectrophotomètre doit être celle qui permet la plus grande absorption

Si l'ensemble de ces conditions sont remplies, il est possible d'obtenir un dosage colorimétrique.

Protocole à suivre

Il est nécessaire de faire une gamme d'étalonnage afin de calibrer le spectrophotomètre (y compris pour certains kits vendus dans le commerce). Cette gamme permet de déterminer l'absorbance à une longueur d'onde donnée, pour un certain tube ou une certaine cuve de spectrophotomètre, pour une concentration de composé donnée.

✅ Par conséquent, il faut préparer une solution de dosage de l'élément à faible concentration

Le volume ultime de liquide dans chaque tube doit être le même afin d'obtenir la gamme d'étalonnage et de dosage. Ou, pour que la réaction se produise, les volumes des réactifs doivent rester constants, mais les quantités (liées aux concentrations) de composé à doser doivent varier dans chaque tube. Dans certaines méthodes de dosage, on complète avec de l'eau distillée afin d'atteindre un même volume (par exemple 100 ml) en ajustant le niveau à une jauge caractéristique.

Pour éliminer l'absorption causée par les réactifs eux-mêmes, il faut construire un tube 0 ou blanc. Ce tube ne contient aucun composé de dosage.

La création d'une gamme d'étalonnage nécessite une grande précision (utilisation de fioles jaugées, de pipettes, etc.) et doit être réalisée dans les mêmes conditions et par le même opérateur tout au long des manipulations.

Voici comment préparer des gammes étalons

Créer un tableau colorimétrique

La création d'une table colorimétrique permet d'éviter les erreurs lors de l'exécution du protocole et de l'enregistrement des résultats.

Nous allons ici illustrer le protocole avec un exemple de table colorimétrique pour un dosage du phosphore.

Tube012345
Quantité de phosphore (µmol)00,20,40,60,81
Absorbance à 700 nm00,2670,5120,7721,0281,306

Lire les résultats de l'analyse

Courbe d'étalonnage

Après avoir obtenu les valeurs d'absorbance de la gamme d'étalonnage, on représente la courbe d'absorption en fonction de la quantité (ou, plus couramment, de la concentration) du composé. Si la gamme a été bien réalisée (coefficient de corrélation supérieur à 99,95 %, par exemple), une droite devrait passer par l'origine du graphique et être proche de chaque point d'étalonnage.

Pour déterminer la quantité de composé présent, rapportez la valeur d'absorbance de l'expérience (la solution initiale peut avoir été microfiltrée). Pour remonter à la concentration initiale du composé à analyser, tenir compte du volume de l'échantillon et d'une éventuelle dilution.

Pour réaliser un dosage par étalonnage, il faut reporter sur un graphique des points dont l’abscisse correspond à la concentration des solutions connues et l’ordonnée correspond à la grandeur physique mesurée.

📉 On obtient alors une courbe appelée courbe d’étalonnage. Il suffit alors de mesurer la grandeur physique de la solution à doser afin d’obtenir un point de la courbe dont l’abscisse indique la concentration recherchée

Le graphique ci-dessus représente une courbe d’étalonnage linéaire (ce qui est souvent le cas). Elle a été tracée en utilisant des solutions étalons de concentration C1, C2, C3, C4 et C5 associées respectivement à des grandeurs X1, X2, X3, X4 et X5. La solution dosée à une concentration C qui peut être trouvée en plaçant sur la courbe le point d’ordonnée X (grandeur mesurée pour la solution dosée ).

En effet, selon les lois de chimie, la matière se conserve, ainsi :

CiVi = CfVf.

Avantages et limites d'un dosage par étalonnage 👍/👎

Certaines limites sont indiquées à la moitié de cette vidéo instructive sur le dosage par étalonnage

Avantages

1️⃣ Le dosage par étalonnage est une technique non destructive puisqu’elle n’altère par l’échantillon dosé contrairement aux dosages par titrage qui nécessitent une réaction chimique

2️⃣ Par ailleurs, il n’exige en règle générale qu’un volume modéré de solution

Inconvénients

1️⃣ Quand on réalise un dosage par étalonnage par conductimétrie, cela impose de connaître la nature des ions présents en solution (ce qui n’est pas toujours facile à réaliser)

2️⃣ Quand on réalise un dosage d’étalonnage par spectrophotométrie, il faut que la lumière soit monochromatique et que la concentration ne soit pas trop élevée

Principales techniques de dosage par étalonnage 🥼

Les principales techniques utilisées pour réaliser un dosage par étalonnage sont la spectrophotométrie et la conductimétrie.

La spectrophotométrie

Comment fonctionne un spectrophotomètre ?
La spectrophotomètre permet de mesurer la quantité de lumière absorbée

Définition

Quand la lumière passe à travers une solution colorée, celle-ci est absorbée par le ou les solutés. On parle d’absorbance ou encore de densité optique.

La spectrophotométrie permet ainsi d’étudier d’absorbance de solutions dans l’infrarouge, le visible et dans l’ultraviolet. En effet, quand la lumière blanche (qui est composée de toutes les couleurs) passe à travers une solution colorée, la solution n’absorbe que quelques radiations et les autres sont ré-émises.

Mesurer l'absorbance

Comment l'absorbance peut-elle être liée aux longueurs d'onde ?
Étendue du spectre électromagnétique

On mesure l’absorbance (A) grâce à un spectrophotomètre.

📏 Celui-ci mesure qui l’absorbance (A) d’une solution pour une longueur d’onde donnée

Le spectrophotomètre est composé d’une source de lumière et d’une fente qui permet d’isoler un faisceau quasi monochromatique (pour ne sélectionner qu’une seule longueur d’onde). Dans une cuve, on introduit la solution à tester.

Un détecteur placé après la cuve permet de détecter les intensités lumineuses avant et après le passage du faisceau.

Évolution de l'absorbance

Elle varie en fonction de la concentration en suivant la loi de Beer-Lambert:

Avec ε = absorbance appelée aussi coefficient d’extinction spécifique, l = longueur de la cuve, c la concentration en solution

Cette formule indique une relation linéaire entre l’absorbance et la concentration ce qui implique que la courbe d’étalonnage est une droite et peut donc être tracée avec un nombre limité de points.

Protocole

Avant toute chose, on étalonne le spectrophotomètre en utilisant une solution de solvant pour régler le « zéro ». (Cette solution s’appelle un blanc).

On utilise une solution mère colorée (par exemple de la teinture d’iode). On effectue ensuite une série de dilution et on note l’absorbance indiquée pour chaque solution fille.

Mise en application

Le tableau suivant donne les résultats d’une absorbance de diverses solutions étalons :

Numéro d'échantillonConcentration en mg/lAbsorbance
150.388
2100.775
3151.17
4x0.590

Comment peut-on trouver la valeur de la concentration pour l'échantillon numéro 4 ?

Il suffit de tracer le graphique A = f(C). Le graphique va donner une droite, il suffit de repérer l’absorbance 0.590 et de reporter la mesure sur la droite. La concentration recherchée est de 7,5 mg/L.

Voici les autres façons de créer un dosage

La conductimétrie

Pourquoi l'eau est-elle conductrice ?
Ce sont les ions présents dans l'eau qui la rendent conductrice.

Définition

Quand une solution contient des ions, elle conduit l’électricité. Dans le cas contraire, on dirait que la solution est isolante. Une solution ionique, appelée électrolyte, est conductrice d’électricité à cause de la présence d’ions.

Ainsi (contrairement à ce qui peut se faire en physique ou on étudie la résistance), on étudie la conductance de certaines solutions car elle est proportionnelle à la concentration en soluté.

✅ Bon à savoir

Dans une solution ionique, on trouve des ions chargés positivement que l’on nomme cations et des ions chargés négativement que l’on nomme anions.

⚠️ Attention à ne pas confondre :

  • Les anions et les cations ❌ les électrodes de sortie, en physique, appelées cathodes et anodes

Pour rappel :

✅ La cathode est chargée positivement

🚫 L'anode est chargée négativement

Mesure de la conductance

La conductance ou conductivité est mesurée à l’aide d’un conductimètre. Le conductimètre est un capteur qui permet de mesurer la conductivité d’une solution entre deux électrodes.

Noter la conductimétrie

La conductivité d’une solution est notée σ et s’exprime en Siemens par mètre.

La conductivité d’une solution est l’inverse de la résistance, on peut donc la noter ainsi :

Avec R =  La résistance en Ohm.

On peut aussi en déduire sachant que U = R.I que la conductivité peut s’écrire ainsi :

La conductance est surtout fonction de la surface des électrodes, de la distance entre elles.

Où S est la surface des électrodes et L la distance entre elles et σ la conductivité de la solution.

Généralement, on simplifie la relation ainsi :

où k représente la constante de la cellule.

La conductivité d’une solution dépend essentiellement de trois paramètres :

  • La température
  • La nature des ions
  • La concentration

👉🏼 La loi de Kohlraush établit la relation entre la concentration d’une solution et la conductivité

Ainsi pour une solution diluée, la conductivité d’un électrolyte σ est proportionnelle à sa concentration : Il s’agit d’une relation linéaire qui aboutit à une courbe d’étalonnage correspondant à une droite.

Mise en œuvre

Il faut se munir d’une pipette graduée contenant un réactif titrant. On place la pipette au-dessus d’un bécher muni d’un agitateur magnétique et on plonge le conductimètre.

✅ Bon à savoir

Les mesures de conductance se font toujours sous agitation magnétique. La cellule du conductimètre ne doit jamais toucher les parois du bécher. On verse progressivement (goutte à goutte) le réactif dans le bécher et on note les volumes versés et la conductance observée et on reporte les données sur un graphique (sur papier millimétré idéalement).

🧫 Pour effectuer l’étalonnage, on utilise une solution dite étalon dont on connaît la conductance à la même température

Bon à savoir : dans les exercices de chimie sur les titrations par étalonnage, on demande à l'élève d'être très rigoureux dans le tracé des courbes. Faites bien attention a reporter les mesures, si possible sur un papier adapté comme un papier millimétré (lors d'examens ces papiers sont fournis). Une erreur de report peut fausser votre réponse.

Et vous voilà incollable sur le sujet !

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir. Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).