Contrôle du titre du peroxyde d’hydrogène – Dosage par manganimétrie
Par Aziz Lallam – Abdelaziz.lallam@uha.fr – ENSISA, 11 rue Alfred Werner 68093 Mulhouse
Sur le plan chimique, le peroxyde d’hydrogène, couramment désignée par eau oxygénée, est une molécule de structure simple, H2O2. Cette molécule est fabriquée depuis plus de 150 ans. Le marché du peroxyde d’hydrogène est mondial. La consommation de ce produit est toujours en croissance car il est de plus en plus utilisé en remplacement de certains produits industriels ayant de fortes contraintes réglementaires. A titre d’exemples, on peut citer les industries textiles et la fabrication du papier et cartons. Le peroxyde d’hydrogène a supplanté la plupart des agents oxydants halogénés. Il a quasiment remplacé l’hypochlorite de sodium ou eau de javel, générateur des composés AOX, dans les prétraitements textiles notamment dans les opérations de blanchiment du coton. La qualité de blanchiment et le degré de blanc que l’on obtient par le peroxyde d’hydrogène sont comparables à ceux que l’on obtient par l’hypochlorite de sodium. En revanche la stabilité du degré de blanc est moindre sur le long terme. En effet un léger jaunissement sur certains types de coton blanchis par peroxyde d’hydrogène peut réapparaitre en raison de la présence de composés hémi cellulosiques.
I. Propriétés chimiques du peroxyde d’hydrogène
Le peroxyde d’hydrogène est une substance chimique très réactive. Il se décompose très facilement au contact de nombreux agents oxydants tels que l’hypochlorite, le permanganate, le Fer etc. Dans la pratique, le simple fait d’ouvrir et de laisser ouvert le flacon contenant l’eau oxygénée conduit à baise de sa concentration dans la solution par décomposition. Pour garder une reproductibilité optimale dans qualité du degré de blanc, il convient de contrôler régulièrement le titre de l’eau oxygénée après ouverture du contenant. La décomposition s’opère selon la réaction suivante :
H2O2 —– 2H+ + O2— (1)
L’ion O2— se transforme en oxygène moléculaire en cédant ses électrons à l’oxydant. Dans le cas du permanganate de potassium, le mécanisme d’oxydoréduction suit le schéma réactionnel est suivant :
O2— —– O2 + 2e– (2)
KMnO4 ———– K+ + MnO4– (3)
L’ion magnésium Mn7+ dans le permanganate se réduit en Mn2+comme le montre la demi réaction suivante :
Mn7+ +5e – —- Mn2+ (4)
Le permanganate de potassium, kMnO4, est un oxydant puissant. En milieu aqueux, il se décompose en ions potassium (K+) et permanganate (MnO4– ) selon la réaction (3)
En milieu acide, le MnO4– se décompose à son tour selon la demie réaction :
MnO4 – + 8 H+ + 5 e– ↔ Mn2+ + 4H2O (5)
La réaction d’oxydation du peroxyde d’hydrogène par le permanganate s’écrit sous forme moléculaire comme suit :
2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 —- 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O + 5O2 (6)
L’ion permanganate MnO4– peut réagir avec un grand nombre de substances chimiques réductrices comme par exemple l’oxydation du fer(II) en Fe(III) selon la réaction :
Réaction d’oxydation : Fe(II) ↔ Fe(III) + 1e¯………. (7)
Réaction de réduction : MnO4 – + 8 H+ + 5 e– ↔ Mn2+ + 4H2O …..(5)
L’ion MnO4 – est intensément coloré en violet alors que l’ion Mn2+, produit d’oxydation de MnO4– est incolore. De ce fait il n’est pas nécessaire d’utiliser un indicateur coloré comme dans la plupart des réactions d’oxydo-réduction pour marquer le virage de fin de titrage.
II. Description des étapes du dosage de l’eau oxygénée par manganimétrie
- Préparation d’une solution de KMnO4 avec une concentration précise
- Vérification du titre de la solution de KMnO4 par une solution titrée avec précision
- Dosage de l’eau oxygénée par le KMnO4–.
III. Principe de la détermination des titres des solutions
La titration de la solution du KMnO4 consiste à oxyder le Fe(II) par l’ion MnO4¯ selon la réaction suivante :
MnO4¯ + 5 Fe2+ + 8 H+↔ 5 Fe3+ + Mn2+ + 4 H2O (8)
Ce dosage ne sera pas effectué dans cet article. Nous prendrons une solution commerciale avec une concentration précise.
Le dosage de la solution d’eau oxygénée repose sur l’oxydation du peroxyde d’hydrogène (H2O2) par le permanganate :
2 MnO4 – + 5H2O2 + 6H+ ↔ 2Mn2+ + 5O2 + 8H2O (9)
Sous forme moléculaire, la réaction s’écrit :
5H2O2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 —- 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O + 5O2 …(6bis)
IV. Matériel de dosage & réactifs
- Matériel – Verrerie: un bécher de 500 ml, deux pipettes, une de 10 ml et une de 25 ml, deux fioles jaugées de 100 ml chacune, une burette et agitateur magnétique
- Réactifs:
- Solution de permanganate de potassium de concentration précise, on de concentration [C] = 2.10-2 mol/l,
- Solution d’eau oxygénée ayant une concentration de 110 volumes d’après l’étiquette du flacon. C’est cette solution dont on voudrait déterminer le titre.
- Solution d’acide sulfurique [C] = 10-1 mol/l
V. Mode opératoire
- Dilution de l’eau oxygénée – A l’aide d’une pipette jaugée, prélever une volume précis d’eau oxygénée et le diluer 50 fois avec de l’eau distillée. La solution diluée dont on veut déterminer la concentration est désigné par Sd ayant un volume Vd.
- Dosage de l’eau oxygénée
Dans un bécher de 500ml, introduire 1ml de la solution Sd, 10ml d’acide sulfurique de concentration [C] égale à 10-1 mol/l et 10 ml d’eau distillée. Le mélange obtenu doit être incolore, c’est ce mélange qui constitue la solution à titrer.
- Remplir une burette avec une solution aqueuse de permanganate de potassium de couleur violette de concentration connue, ici, [C] = 2.10-2 mol/l et ajuster le niveau au trait de jauge.
- Verser, goutte à goutte, la solution de permanganate de potassium dans le mélange à doser jusqu’à l’obtention du volume équivalent qui se traduit par l’apparition d’une légère coloration rose-violacée. Le volume équivalent est noté Ve. C’est ce volume qui va servir à la détermination de la concentration de l’échantillon de l’eau oxygénée à titrer.
VI. Détermination du titre de l’eau oxygénée et méthode de calcul – Concentration molaire de l’eau oxygénée
Exemple d’application
On connaît la concentration C0 = 2.10-2 mol.l-1 de la solution de permanganate, le volume équivalent Ve et le volume de la solution diluée d’eau oxygénée de 1 ml. Le résultat expérimental de 3 essais donne une valeur de Ve = 10 ml de la solution de permanganate.
A l’équivalence, le nombre de moles des ions permanganate et des peroxyde d’hydrogène sont en proportions stœchiométriques comme l’indique l’équation bilan du dosage :
2MnO4- + 5H2O2+6H+ 2Mn2+ + 5O2 + 8H2O
D’où l’écriture :
N1.V1 = N2.Ve
N1, V1, N2 et Ve sont les normalité et les volumes respectives de l’eau oxygénée et du permanganate de potassium considérés dans le dosage. A l’équivalence on peut écrire :
N1.n1V1 = N2.n2Ve
N1.n1 = Cx, concentration en eau oxygénée
N2.n2 = C0, concentration en permanganate
En tenant compte des rapports stœchiométrique, on écrit :
Cx.5.V1 = C0.2.Ve
D’où
Cx = (2/5).10.2.10-2
Cx = 0,08 mol/l
En tenant compte de la dilution de l’eau oxygénée on peut remonter à la concentration initiale
Cx = 0,08 * 50 = 4 mol/l
C’est la concentration de l’eau oxygénée avant dilution.
VII. Détermination du titre de l’eau oxygénée
Le peroxyde d’hydrogène se décompose selon l’équation bilan :
H2O2 —- 02 + H2O
Dans les conditions standard de pression et de température, une mole de H2O2 libèrent 22,4 litres d’oxygène moléculaire O2, donc
4 moles de H2O2 libèrent 22.4 * 4 = 89,9 litres de O2.
Le titre de l’eau oxygénée est approximativement égal 90 volumes.
Conclusion
L’eau oxygénée est un produit chimique très oxydant employé dans beaucoup d’applications industrielles, médicales voire domestiques. Compte tenu de la forte réactivité du peroxyde d’hydrogène la concentration de la solution évolue rapidement après ouverture du récipient qui contient le produit. Les résultats du dosage montrent clairement la baisse de la concentration après ouverture du récipient. Il est recommandé de contrôler régulièrement le titre des solutions déjà entamées pour garantir la reproductibilité des traitements chimiques faisant intervenir l’utilisation de l’eau oxygénée.