Terminale S Conductimétrie Méthodes Conductimétrie La physique

Terminale S
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Conductimétrie
Conductimétrie
La physique s’invite en chimie
Qu’est-ce qu’une charge électrique ?
La charge électrique est une notion abstraite, comparable à celle de masse, qui permet d'expliquer
certains comportements de la matière. Contrairement à la masse, la charge électrique peut prendre
deux formes, que l'expérience amène à considérer comme « opposées » ; on les qualifie
arbitrairement de positive et négative. Deux charges de même nature, deux charges positives par
exemple, se repoussent, alors que deux charges de nature opposée s'attirent. On appelle ce
phénomène interaction électromagnétique. L'interaction entre les charges et un champ
électromagnétique est la source d'une des quatre forces fondamentales.
Qu’est-ce que l’électricité ?
C’est une circulation de particules porteuses de charges électriques dans un milieu dit
conducteur : électrons libres dans les métaux, ions dans les solutions électrolytiques.
Cette circulation prend naissance dans l’existence d’une différence de potentiel ou tension
(notée U et mesurée en volts V) entre deux points du conducteur. Il en résulte alors un
courant électrique dont on peut estimer le flux ou intensité (notée I et mesurée en ampères
A).
On peut faire une analogie avec de l’eau.
Point A, de potentiel élevé (positif)
On met de l’eau dans une assiette creuse.
Point B,
de potentiel moindre (négatif)
L’eau coule (il y a un courant) sous l’effet de
la différence de potentiel (tension) entre les
point A et B.
L’ampèremètre mesure le débit de charges électriques : il est inséré dans le circuit (en série) ;
le voltmètre mesure la différence de potentiel, c’est-à-dire d’état électrique entre 2 points du
circuit, il est donc « piqué » sur ces 2 points (en dérivation ou parallèle).
Comparaison des milieux conducteurs : résistance ou conductance
Un milieu peut être plus ou moins conducteur : cette propriété est mesurée par sa résistance.
Dans de nombreux milieux, mais sous condition, l’intensité du courant I résultant de la
tension U lui est proportionnelle selon la loi dite d’Ohm,
U
I = = G × U ou plus classiquement U = R × I
R
Plus le milieu est conducteur, plus sa résistance R est faible, et plus sa conductance G est
élevée.
Conductance d’une solution électrolytique
Pour déterminer la résistance ou la conductance d’une solution électrolytique, on réalise le
montage suivant.
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Extrait de la fiche constructeur Jeulin®
Caractéristiques techniques : Constante de cellule : 0,71 cm (env.) Dimensions (mm) : Ø corps 12 ; Ø
extrémité 16 ; long. 140 Connexion : par fiche mini DIN Cordon de raccordement : 1 m de long Valeur de
constante de cellule théorique (1) : 0,393 cm Valeur de constante de cellule expérimentale (2) : - mesurée
à 500 Hz : 0,69 - 0,75 cm - mesurée à 5 kHz : 0,64 - 0,69 cm (1) Calculée sur la base de la relation k = S/L
ou S est la surface d'une électrode et L la distance inter-électrode (L = 5 mm et le diamètre des électrodes
est de 5 mm). (2) Valeurs moyennes mesurées sur un lot de 10 sondes à 500 Hz et 5 kHz.
Le montage permet d’obtenir la conductance G =
I
exprimée en siemens (S) si I est en
U
ampères et U en volts.
La conductance G d’une solution, qui est d’autant plus grande que cette solution « conduit
bien » l’électricité, peut être décomposé en deux facteurs de la façon suivante,
G = k ×σ
La constante de cellule k décrit les
paramètres de la cellule utilisée : elle
dépend de la surface S et de
l’écartement l des électrodes selon la
relation
S
k=
l
k en mètres si S en m² et l en m
La conductivité σ décrit les propriétés
conductrices de la solution : elle dépend de
la nature et de la concentration des ions en
solution selon la loi de Kohlrausch,
σ = ∑ λi × ci = λ1 × c1 + λ2 × c2 + ...
i
où λi est la conductivité molaire de l’ion i en
S.m².mol−1 et ci sa concentration en
mol.m−3.
Les ions oxonium H3O+ sont les champions avec une conductivité molaire de l’ordre de 35
mS.m².mol−1 ; ils sont suivis par les ions hydroxyde HO−, de conductivité molaire proche de 20
mS.m².mol−1. La conductivité molaire des autres ions est plus faible, de l’ordre de quelques
mS.m².mol−1.
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En TP, une maquette de montage permet de faciliter le câblage.
Le générateur est un GBF (voir ci-dessous) : il soumet le circuit à une tension alternative de
fréquence fixée au fréquencemètre (multimètre).
Pour simplifier les calculs, la valeur de la tension délivrée par le générateur, mesurée par le
voltmètre, est fixée au plus près de 1,000 V. Dans ce cas, l’indication de l’ampèremètre
correspond directement à la valeur de la conductance G.
Composante continue moyenne.
Ce potentiomètre doit, le plus
souvent, être bien à zéro.
Gestion de la
fréquence
Les poussoirs
donnent la gamme.
Gestion de l’amplitude
de sortie.
Les poussoirs donnent
la gamme (le plus
souvent : 1).
Choix de la
forme du signal
de sortie
Sortie du GBF