Conductimétrie
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Une solution ionique est conductrice de l'électricité. La présence d'ions, chargés électriquement, assure le caractère conducteur de la solution. La conductimétrie permet de mesurer les propriétés conductrices d'une telle solution.

En pratique, on détermine la conductance G d'un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'une solution à l'aide d'une cellule de mesure constituée de deux plaques parallèles de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et...) S et séparées d'une distance l.

Conductivité σ d'une solution ionique

La valeur de la conductance G d'une solution ionique dépend de la nature de la solution, ainsi que de la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les...) de la cellule de mesure. Elle peut être déterminée par la relation :

G = \frac{\sigma \cdot S}{l}

avec G en siemens (S), S en mètre carré (Le mètre carré (symbole m²) est l'unité d'aire du système international.) (m2), l en mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance...) (m) et σ en siemens par mètre (S.m-1).

Par ailleurs la conductance est l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) de la résistance : G = \frac{1}{R} avec G en siemens (S) et R en ohms (Ω).

On peut donc à l'aide d'une simple cellule, d'un générateur de tension (La tension est une force d'extension.) U et d'un ampèremètre (Un ampèremètre est un appareil qui mesure l'intensité d'un courant électrique dans un circuit. L'intensité est mesurée en ampères.) branché en série, déduire la conductance à l'aide de la loi d'Ohm : U = R \cdot I = \frac{I}{G} avec U en volts (V), R en ohms (Ω), I en ampères (A) et G en siemens (S). On peut aussi écrire : G = \frac{I}{U}.

On appelle σ la conductivité de la solution. Cette grandeur est caractéristique de la solution. Elle dépend :

  • de la nature des ions qui la composent,
  • de leurs concentrations,
  • de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) de la solution.

Un conductimètre (Un conductimètre, ou conductivimètre, est un appareil permettant de mesurer une propriété de conductivité.), préalablement étalonné, permet d'afficher directement la valeur de la conductivité σ de la solution.

La conductivité vérifie l'égalité suivante: \sigma = k \cdot G ou \sigma = \frac{G \cdot l}{S}

σ en S.m-1, k constance de cellule, G en S, l espace entre les deux cellules du conductimètre immergés dans la solution en m, S surface de ces cellules en m2.

Conductivité molaire ionique λi

Espèces monochargées

La valeur de la conductivité σ peut être calculée à partir des conductivités molaires ioniques λi des ions qui composent cette solution (voir tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) ci-dessous donné à titre indicatif), ainsi que de leur concentration [Xi] :

\sigma = \sum \lambda_i \cdot [X_i]

avec σ en S.m-1, λi en S.m2.mol-1 et [Xi] en mol.m-3.

Conductivités molaires ioniques à 25 °C d'ions monochargés en solution aqueuse très diluée
ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui va ».) λ (mS.m2.mol-1)
H3O+ 34,98
HO- 19,86
Br- 7,81
Rb+ 7,78
Cs+ 7,73
I- 7,68
Cl- 7,63
K+ 7,35
NH4+ 7,34
NO3- 7,14
Ag+ 6,19
MnO4- 6,10
F- 5,54
Na+ 5,01
CH3COO- 4,09
Li+ 3,87
C6H5COO- 3,23

On remarque que les ions H30+ et HO- ont, e solution aqueuse, une conductivité molaire ionique plus importante que celle des autres ions. Ces deux ions étant des dérivées de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) leur mobilité dans l'eau est en effet très importante.

Cependant, dans le cas de l'eau pure, leur concentration est très faible (10-7 mol.L-1) et leur contribution est donc négligeable : une solution d'eau pure ne conduit que très peu l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité...).

Exemple : si on pose la conductivité d'une solution de chlorure de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne...) de concentration c = [Cl-] = [Na+] = 2,00 mol.m-3 est égale à :

σ = λCl-.[Cl-] + λNa+.[Na+]
σ = 7,63.10-3 x 2,00 + 5,01.10-3 x 2,00 = 2,53.10-2 S.m-1.

Espèces polychargées

Si les ions portent plusieurs charges, les tables de valeurs donnent généralement les conductivités molaires spécifiques, c'est-à-dire ramenées à l'unité de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...).

\sigma = \sum z^i\lambda_i \cdot [X_i] où zi, est le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de charges portées par l'ion, indépendamment de leur signe.

Méthodes conductimétriques

Les mesures de conductimétrie (Une solution ionique est conductrice de l'électricité. La présence d'ions, chargés électriquement, assure le caractère conducteur de la...) permettent de déterminer la concentration des ions contenus dans cette solution. Elles sont très utilisées en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des...) pour :

  • des dosages,
  • des déterminations de cinétique chimique (La cinétique chimique est l'étude de la vitesse des réactions chimiques.),
  • des déterminations de constantes d'équilibres thermodynamiques (constante de solubilité par exemple).

Notes et références de l'article

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