CHIMIE ANALYTIQUE, 3ÈME ANNÉE / OPTION : PÉTROCHIMIE INDUSTRIELLE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Finalités de la formation

La formation en chimie analytique a pour finalité de doter l’élève des compétences théoriques et pratiques nécessaires à l’identification (analyse qualitative) et à la détermination des quantités (analyse quantitative) des substances chimiques. L’objectif est de former un technicien de laboratoire rigoureux, méthodique et capable de produire des résultats d’analyse fiables, une compétence fondamentale dans le contrôle qualité des industries pétrochimiques, minières et agroalimentaires.

2. Compétences visées

À l’issue de cette année, l’élève devra maîtriser les techniques de base du laboratoire, savoir préparer et étalonner des solutions titrées, et être capable de mener une analyse complète par gravimétrie et par volumétrie (acido-basique et redox). Il pourra interpréter ses résultats en évaluant leur précision et leur exactitude, et aura été initié aux principes des méthodes de séparation et d’analyse instrumentale modernes.

3. Approche Pédagogique

L’enseignement est intrinsèquement lié à la pratique en laboratoire. Chaque méthode d’analyse est d’abord présentée sur le plan théorique (principes, réactions, calculs) avant d’être immédiatement mise en œuvre par l’élève lors des séances de travaux pratiques. Des études de cas contextualisées, telles que le dosage du fer dans un minerai du Kasaï, la détermination de l’alcalinité d’une eau de la REGIDESO à Mbuji-Mayi, ou le contrôle de la salinité d’un pétrole brut de Muanda, servent de fil conducteur à l’apprentissage.

4. Bonnes Pratiques de Laboratoire (BPL)

Une insistance particulière est placée sur l’acquisition des Bonnes Pratiques de Laboratoire. Cela inclut la tenue méticuleuse d’un cahier de laboratoire, la propreté de la verrerie, la manipulation correcte des instruments de pesée et de mesure de volume, ainsi que le respect absolu des règles de sécurité pour la manipulation et l’élimination des produits chimiques. La qualité d’un résultat d’analyse dépend directement de la rigueur de chaque étape opératoire.

Partie I : Fondements de la Chimie Analytique 📊

Cette partie établit le socle théorique indispensable à toute démarche analytique. Avant de se lancer dans les manipulations, l’élève doit comprendre la philosophie de la mesure en chimie, apprendre à gérer les incertitudes, maîtriser les calculs de concentration et les équilibres en solution, et savoir préparer des réactifs de manière rigoureuse. Cette base conceptuelle garantit la validité et la fiabilité de tous les travaux futurs.

Chapitre 1 : Introduction à la Chimie Analytique

Ce chapitre définit le champ disciplinaire et la méthodologie générale d’une analyse chimique.

1.1. Définition, Rôle et Classification des Méthodes

La chimie analytique est présentée comme la science de la mesure chimique. L’élève distinguera l’analyse qualitative (« Qu’y a-t-il ? ») de l’analyse quantitative (« Combien y a-t-il ? ») et découvrira la classification des méthodes (classiques, instrumentales, séparatives).

1.2. Les Étapes d’une Analyse Chimique

Une analyse chimique sera décomposée en une séquence logique d’opérations : définition du problème, échantillonnage, préparation de l’échantillon, mesure analytique, traitement des données et rédaction du rapport. L’importance de chaque étape sera soulignée.

1.3. L’Échantillonnage : Représentativité et Techniques

L’élève comprendra que la validité de toute l’analyse repose sur la qualité de l’échantillonnage. Les défis liés à l’obtention d’un échantillon représentatif d’un lot hétérogène (un stock de minerai, une rivière) seront discutés.

1.4. Le Langage de la Qualité en Laboratoire

Les notions de base du management de la qualité (étalonnage, contrôle qualité, traçabilité) seront introduites pour sensibiliser l’élève aux exigences des laboratoires industriels et de certification.

Chapitre 2 : Erreurs et Traitement Statistique des Données

Ce chapitre fournit les outils pour évaluer la qualité des résultats expérimentaux.

2.1. Exactitude et Précision

La distinction fondamentale entre l’exactitude (proximité de la valeur mesurée par rapport à la valeur vraie) et la précision (reproductibilité des mesures entre elles) sera établie à l’aide d’analogies claires.

2.2. Les Types d’Erreurs : Systématiques et Aléatoires

L’élève apprendra à différencier les erreurs systématiques (biais constant, affectant l’exactitude) des erreurs aléatoires (fluctuations imprévisibles, affectant la précision) et à identifier leurs sources potentielles.

2.3. Chiffres Significatifs et Propagation des Incertitudes

Les règles d’utilisation des chiffres significatifs dans les calculs pour refléter l’incertitude des mesures seront enseignées. L’élève apprendra également les bases du calcul de propagation des incertitudes.

2.4. Notions de Statistique Appliquée : Moyenne, Écart-type

Les outils statistiques de base pour traiter une série de mesures seront introduits : le calcul de la moyenne, de l’écart-type (mesure de la dispersion) et de l’intervalle de confiance, qui permettent de présenter un résultat avec un niveau de confiance défini.

Chapitre 3 : Les Solutions Aqueuses et les Équilibres Chimiques

Ce chapitre révise et approfondit la chimie des solutions, le milieu de la plupart des analyses classiques.

3.1. Les Unités de Concentration

Toutes les unités de concentration (molarité, normalité, molalité, pourcentage massique, ppm, ppb) seront définies et leur utilisation appropriée sera discutée. L’élève s’exercera intensivement aux calculs de conversion et de dilution.

3.2. La Loi d’Action de Masse et la Constante d’Équilibre

Le concept d’équilibre chimique sera révisé. L’élève appliquera la loi d’action de masse pour écrire l’expression des constantes d’équilibre (Ka, Kb, Ks, Kf), qui régissent toutes les réactions en solution.

3.3. Les Équilibres Acido-Basiques et le pH

Les équilibres de dissociation des acides et des bases faibles seront étudiés en détail. L’élève apprendra à calculer le pH de solutions simples et à comprendre l’effet tampon, crucial pour de nombreuses analyses.

3.4. Les Équilibres de Précipitation et le Produit de Solubilité (Ks)

L’équilibre entre un solide ionique peu soluble et ses ions en solution sera quantifié par le produit de solubilité. L’élève utilisera le Ks pour prédire la formation d’un précipité, base de l’analyse gravimétrique et des titrages par précipitation.

Chapitre 4 : Préparation des Échantillons et des Réactifs

Ce chapitre aborde les étapes pratiques qui précèdent la mesure analytique.

4.1. La Dissolution des Échantillons Solides

Les différentes techniques pour mettre un échantillon solide en solution (dissolution dans l’eau, attaque acide à chaud, minéralisation) seront présentées, en choisissant la méthode en fonction de la nature de l’échantillon.

4.2. La Préparation des Solutions Titrées

L’élève apprendra à préparer une solution de concentration approximative à partir d’un produit commercial, puis à déterminer sa concentration exacte par étalonnage (titrage) contre une substance de référence (étalon primaire).

4.3. Les Étalons Primaires : Critères de Qualité

Les qualités requises pour un étalon primaire (haute pureté, stabilité, masse molaire élevée) seront listées. Des exemples comme le phtalate acide de potassium (KHP) pour les bases ou le carbonate de sodium pour les acides seront étudiés.

4.4. Maîtrise de la Verrerie de Précision

L’utilisation correcte et le nettoyage de la verrerie jaugée (pipettes, fioles, burettes) seront détaillés, car la précision du résultat final en dépend directement. Les règles de lecture du ménisque et les tolérances de la verrerie seront abordées.

Partie II : Les Méthodes d’Analyse Qualitative 🧪

Cette partie est dédiée à l’identification des espèces chimiques présentes dans un échantillon. S’appuyant sur des réactions spécifiques qui produisent des changements observables (précipités colorés, dégagements gazeux, changements de couleur), l’analyse qualitative est une démarche logique et systématique, semblable à une enquête, qui permet de déterminer la composition d’une substance inconnue.

Chapitre 5 : Principes de l’Analyse Qualitative

Ce chapitre établit la logique et le vocabulaire de l’identification chimique.

5.1. Objectifs et Stratégie de l’Analyse Qualitative

L’objectif de l’analyse qualitative minérale sera défini : identifier les cations et les anions présents dans une solution. La stratégie générale, qui consiste à séparer les ions en groupes puis à les identifier individuellement, sera exposée.

5.2. Réactions Spécifiques, Sélectives et Générales

L’élève apprendra à distinguer un réactif général (qui réagit avec de nombreux ions), un réactif sélectif (qui réagit avec un groupe d’ions) et un réactif spécifique (qui ne réagit, dans des conditions données, qu’avec un seul ion).

5.3. Les Tests Préliminaires

Les tests préliminaires, tels que l’observation de la couleur de la solution, le test de pH et le test à la flamme, seront présentés comme des premières étapes fournissant des indices précieux sur la composition de l’échantillon.

5.4. Mise en Solution et Interférences

Les défis liés à la mise en solution de l’échantillon et la gestion des ions interférents, qui peuvent fausser les résultats des tests d’identification, seront discutés.

Chapitre 6 : L’Analyse Systématique des Cations

Ce chapitre présente la méthode classique de séparation et d’identification des cations métalliques.

6.1. La Classification des Cations en Groupes Analytiques

L’élève étudiera la classification traditionnelle des cations en cinq ou six groupes basée sur la précipitation sélective de leurs chlorures, sulfures, hydroxydes et carbonates.

6.2. Le Premier Groupe (Ag⁺, Pb²⁺, Hg₂²⁺)

La séparation de ce groupe par précipitation des chlorures en milieu acide sera étudiée. L’élève apprendra ensuite à séparer et identifier chaque cation du groupe en utilisant leurs différences de solubilité.

6.3. Les Groupes des Sulfures (Groupes II et III)

La précipitation des sulfures en milieu acide (Groupe II : Cu²⁺, Cd²⁺, Bi³⁺…) puis en milieu basique (Groupe III : Zn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺…) sera analysée, en insistant sur le rôle du contrôle du pH et de la concentration en ions sulfure.

6.4. Les Groupes des Hydroxydes et des Ions Solubles (Groupes IV et V)

La séparation des cations qui précipitent sous forme d’hydroxydes ou de carbonates (Groupe IV : Ca²⁺, Ba²⁺) sera vue, suivie par l’identification des cations restants qui sont très solubles (Groupe V : Na⁺, K⁺, NH₄⁺).

Chapitre 7 : L’Analyse des Anions Courants

Ce chapitre se concentre sur l’identification des principaux ions négatifs.

7.1. Stratégie d’Identification des Anions

Contrairement aux cations, l’analyse des anions est moins systématique. L’élève apprendra à réaliser une série de tests spécifiques sur des aliquotes (portions) de la solution initiale.

7.2. Identification des Halogénures (Cl⁻, Br⁻, I⁻)

Les tests de précipitation avec le nitrate d’argent, suivis de tests de confirmation basés sur la redissolution des précipités dans l’ammoniaque, seront étudiés.

7.3. Identification du Sulfate (SO₄²⁻), du Carbonate (CO₃²⁻) et du Phosphate (PO₄³⁻)

L’élève apprendra les tests caractéristiques de ces anions, comme la précipitation du sulfate de baryum (blanc), le dégagement de CO₂ des carbonates en milieu acide, ou la formation du précipité jaune de molybdatophosphate d’ammonium.

7.4. Identification du Nitrate (NO₃⁻) et de l’Acétate (CH₃COO⁻)

Les tests d’identification pour ces anions solubles seront présentés, notamment le test de l’anneau brun pour les nitrates et le test à l’ester (odeur fruitée) pour l’acétate.

Partie III : Les Méthodes Quantitatives : Gravimétrie et Volumétrie ⚖️

Cette partie constitue le cœur de la chimie analytique classique quantitative. Elle est consacrée aux méthodes qui permettent de déterminer avec une grande précision la quantité d’une substance. L’élève y maîtrisera les deux piliers de l’analyse quantitative : la gravimétrie, basée sur la mesure d’une masse, et la volumétrie (ou titrimétrie), basée sur la mesure d’un volume de réactif.

Chapitre 8 : L’Analyse Gravimétrique

Ce chapitre détaille la méthode d’analyse la plus fondamentale, basée sur la pesée.

8.1. Le Principe de l’Analyse Gravimétrique par Précipitation

Le principe sera exposé : transformer l’élément à doser (l’analyte) en un composé insoluble de composition chimique connue, l’isoler, le peser, et en déduire la masse de l’analyte initial par stœchiométrie.

8.2. Les Étapes d’une Analyse Gravimétrique

L’élève décomposera l’analyse en ses étapes clés : la précipitation, la digestion (maturation du précipité), la filtration, le lavage, le séchage ou la calcination, et la pesée.

8.3. Les Conditions d’une Précipitation Réussie

Les conditions optimales pour obtenir un précipité pur et facile à filtrer (précipitation en milieu dilué, à chaud, avec addition lente du réactif) seront étudiées pour minimiser les erreurs par co-précipitation.

8.4. Exemples d’Application : Dosage du Chlorure ou du Sulfate

Des exemples classiques seront traités en détail, comme le dosage des ions chlorure sous forme de AgCl ou le dosage des ions sulfate sous forme de BaSO₄, une analyse courante dans le contrôle qualité de l’eau.

Chapitre 9 : Principes Généraux de l’Analyse Volumétrique (Titrimétrie)

Ce chapitre introduit la méthode quantitative la plus utilisée en laboratoire.

9.1. Le Principe du Titrage

Le titrage sera défini comme l’addition contrôlée d’une solution de concentration connue (le titrant) à une solution de l’analyte jusqu’à réaction chimique complète.

9.2. Le Point d’Équivalence et le Point Final

Le point d’équivalence, point théorique où les réactifs ont été mélangés en proportions stœchiométriques, sera distingué du point final, qui est le point expérimental observé grâce à un changement physique (virage d’un indicateur).

9.3. Les Indicateurs Colorés

Le rôle d’un indicateur, substance qui change de couleur au voisinage du point d’équivalence, sera expliqué. L’élève comprendra que le choix d’un bon indicateur est crucial pour minimiser l’erreur de titrage.

9.4. Les Calculs en Titrimétrie

L’élève apprendra à utiliser la relation fondamentale à l’équivalence (par exemple, C_A.V_A = C_B.V_B pour un acide et une base monoprotiques) pour calculer la concentration inconnue de l’analyte à partir du volume de titrant versé.

Chapitre 10 : Les Titrages Acide-Base

Ce chapitre applique les principes de la volumétrie aux réactions de neutralisation.

10.1. Le Titrage d’un Acide Fort par une Base Forte

Le cas le plus simple sera étudié. L’élève apprendra à tracer la courbe de titrage (pH en fonction du volume de base ajouté) et à identifier le saut de pH marqué qui encadre le point d’équivalence à pH 7.

10.2. Le Titrage d’un Acide Faible par une Base Forte

Ce cas plus complexe, impliquant une zone tampon avant l’équivalence et un point d’équivalence en milieu basique, sera analysé. La courbe de titrage correspondante sera tracée et interprétée.

10.3. Le Choix de l’Indicateur Acido-Basique

La règle pour choisir un indicateur approprié sera établie : sa zone de virage doit coïncider avec le saut de pH autour du point d’équivalence. Des exemples comme la phénolphtaléine et le méthylorange seront discutés.

10.4. Application : Détermination de l’Alcalinité de l’Eau

Le titrage de l’alcalinité d’une eau (due aux ions carbonate et hydrogénocarbonate), une analyse clé pour la REGIDESO ou pour les eaux de chaudière dans l’industrie, sera présenté comme une application directe du titrage acido-basique.

Chapitre 11 : Les Titrages d’Oxydo-Réduction

Ce chapitre étend la volumétrie aux réactions impliquant un transfert d’électrons.

11.1. Les Réactions d’Oxydo-Réduction

Les concepts d’oxydant, de réducteur et de couple redox seront révisés. L’élève s’entraînera à équilibrer les équations de réactions redox, une étape indispensable avant tout calcul.

11.2. Les Courbes de Titrage Redox

La courbe de titrage (potentiel de la solution en fonction du volume de titrant) sera présentée. Le potentiel au point d’équivalence sera calculé à partir des potentiels standard des deux couples redox mis en jeu.

11.3. La Permanganimétrie

Le titrage utilisant le permanganate de potassium (KMnO₄) comme titrant oxydant sera étudié. L’élève notera que ce réactif a l’avantage d’être son propre indicateur, grâce à sa couleur violette intense. Le dosage du fer(II) sera un exemple d’application, pertinent pour l’analyse des minerais de fer.

11.4. L’Iodométrie et l’Iodimétrie

L’élève distinguera l’iodimétrie (titrage par une solution d’iode I₂) de l’iodométrie (titrage de l’iode libéré par une réaction préalable), deux méthodes très polyvalentes utilisant le couple I₂/I⁻ et l’empois d’amidon comme indicateur.

Partie IV : Introduction aux Méthodes Séparatives et Instrumentales 🔬

Cette dernière partie du cours constitue une ouverture vers la chimie analytique moderne. Alors que les méthodes classiques sont essentielles pour la compréhension des principes, la plupart des laboratoires industriels, comme ceux de la GECAMINES ou de la SOCIR, s’appuient aujourd’hui sur des techniques instrumentales plus rapides et plus sensibles. L’élève sera initié aux principes de base de ces techniques puissantes, ce qui le préparera aux études supérieures et au monde du travail.

Chapitre 12 : Introduction aux Méthodes de Séparation et à l’Analyse Instrumentale

Ce chapitre offre un aperçu des techniques analytiques avancées.

12.1. Le Principe de la Chromatographie

La chromatographie sera présentée comme une technique extrêmement puissante pour séparer les constituants d’un mélange complexe. Le principe de base (partition différentielle des analytes entre une phase stationnaire et une phase mobile) sera expliqué.

12.2. L’Interaction de la Lumière et de la Matière

L’élève découvrira que l’absorption ou l’émission de lumière par les molécules peut être utilisée pour les identifier et les quantifier. Le spectre électromagnétique et les transitions énergétiques seront introduits.

12.3. La Spectrophotométrie d’Absorption UV-Visible

La spectrophotométrie sera présentée comme une méthode instrumentale quantitative très répandue. L’élève découvrira la loi de Beer-Lambert (A = εlc), qui relie l’absorbance d’une solution à la concentration de l’espèce colorée.

12.4. La Potentiométrie et la Mesure du pH

La mesure du pH à l’aide d’une électrode de verre sera expliquée comme une application de la potentiométrie, une méthode électrochimique qui mesure une différence de potentiel. L’élève comprendra le fonctionnement de base d’un pH-mètre, un instrument omniprésent dans tous les laboratoires.

Annexes

Cette section fournit des documents de référence pour une consultation rapide et une meilleure assimilation des concepts.

1. Glossaire des Termes d’Analyse Chimique

Une définition claire des termes techniques clés (ex: analyte, titrant, étalon, matrice, BPL) est fournie pour assurer la maîtrise du vocabulaire spécialisé.

2. Tableaux des Constantes d’Acidité et des Potentiels Redox

Des tableaux de valeurs des constantes d’acidité (Ka) pour les principaux acides faibles et des potentiels redox standard (E°) pour les couples importants, utiles pour les calculs et la prévision des réactions.

3. Exemples de Courbes de Titrage

Une collection de courbes de titrage typiques (acide fort/base forte, acide faible/base forte, redox) avec l’indication des points clés (point de demi-équivalence, point d’équivalence) et des zones de virage d’indicateurs appropriés.

4. Fiches de Données de Sécurité pour les Réactifs Courants

Des extraits de Fiches de Données de Sécurité (FDS) pour des produits chimiques dangereux couramment utilisés en laboratoire (acides concentrés, bases fortes, solvants), mettant en évidence les pictogrammes de danger et les consignes de sécurité.