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Mesurer la densité des acides

Les acides ont une multitude d'utilisations dans différentes industries, y compris les industries chimique, de nettoyage, alimentaire, métallurgique, minière, pétrochimique, pharmaceutique et textile. Ces secteurs mettent en évidence la polyvalence et l'importance des acides dans diverses applications industrielles, les rendant des produits chimiques essentiels dans de nombreuses activités de fabrication et de transformation. 

Déterminer la concentration des acides est essentiel pour optimiser la performance et la sécurité dans ces applications, avec des options incluant le titrage acide-base ou la méthode plus efficace de mesure.

Le tableau 1 contient une liste partielle des acides courants, ainsi que leurs formules chimiques et applications.

Tableau 1 : Acides courants et leurs applications

Nom chimique Formule chimique Applications
Acide chlorhydrique HCl Affinage des métaux, décapage de l'acier, production de chlorures métalliques, contrôle du pH de l'eau de process et neutralisation des flux de déchets, nettoyage ménager, régénération des échangeurs d'ions (ChemicalSafetyFacts, 2022)
Acide sulfurique H2SO4 Dans les batteries de voiture, la fabrication d'engrais, la production de détergents, de résines synthétiques, de colorants, de produits pharmaceutiques, de catalyseurs pétroliers et d'insecticides (Les Éditeurs de l'Encyclopædia Britannica, 2024)
Acide nitrique HNO3 Fabrication d'engrais, d'explosifs, de précurseurs de nylon et de composés organiques, en tant que propergol de fusée, lors du traitement des métaux, séparation de l'or (PubChem, pas de date)
Acide phosphorique H3PO4 Fabrication d'engrais, acidification des aliments et des boissons, en tant que conservateur, pour le polissage chimique de l'aluminium et la passivation de l'acier, en tant qu'agent désinfectant dans les industries laitières, alimentaires et de la brasserie (PubChem, pas de date)
Acide acétique CH3COOH Réactif chimique pour la production d'acétate de vinyle, d'esters et d'anhydride acétique, en tant que solvant et vinaigre (Brown, 2024)
Acide fluorhydrique HF Production de composés organofluorés et de fluorures inorganiques, en tant qu'agent de gravure dans l'industrie des semi-conducteurs (CDC, 2018)

Mesurer la densité des acides

Les acides de concentrations définies sont couramment nécessaires pour des raisons importantes liées à la sécurité, à l'efficacité des coûts, aux attributs chimiques et aux exigences pratiques.

  • Risques/réduction de la manipulation : Les acides concentrés sont hautement corrosifs et peuvent endommager les matériaux et nuire aux êtres vivants. Les acides dilués sont plus sûrs à transporter, à stocker et moins dangereux à manipuler, réduisant ainsi le risque d'accidents.
  • Contrôle de la vitesse de réaction : Les acides dilués réagissent plus lentement, ce qui est important pour éviter les réactions secondaires et maintenir le contrôle des processus chimiques, réduisant le risque de réactions exothermiques violentes, qui peuvent entraîner une surchauffe et des situations potentiellement dangereuses.
  • Concentrations spécifiques : De nombreux processus chimiques et applications industrielles nécessitent des acides à des concentrations spécifiques. La dilution permet d'atteindre les concentrations exactes nécessaires pour une application particulière (Tableau 1).
  • Économique : Dans de nombreux cas, il est plus économique de diluer des acides concentrés plutôt que d'acheter et de stocker de grandes quantités d'acide pré-dilué.

Il est donc crucial de déterminer rapidement, facilement et avec précision la densité des acides des échantillons à la fois dilués et concentrés. Un densimètre numérique moderne combine ces qualités en un seul appareil.

Les acides dilués consistent généralement en un système binaire de l'acide respectif et de l'eau comme solvant. En utilisant un tableau de concentration approprié, ou plus généralement, une formule de conversion, la densité d'acide mesurée peut facilement être convertie en la concentration d'acide correspondante.

Que considérer lors de la mesure des acides à l'aide d'un densimètre numérique ?

Il y a certaines considérations à garder à l'esprit lors de la mesure de la densité des acides à l'aide d'un densimètre numérique. La plupart des densimètres de laboratoire modernes sont équipés d'une cellule de mesure en verre borosilicate 3.3, qui est chimiquement résistante contre la plupart des acides dilués et concentrés, et même leurs mélanges. Cependant, sa stabilité chimique n'est pas seulement liée à la concentration d'une substance donnée, mais aussi à la température et au temps de contact.

  • Les échantillons corrosifs doivent être laissés à l'intérieur de la cellule le moins de temps possible et un nettoyage approprié doit être effectué immédiatement après la mesure.
  • Comme des températures plus élevées peuvent augmenter le taux de corrosion, des températures de cellule plus basses sont généralement recommandées.
  • Des contrôles réguliers des instruments (par exemple avec de l'eau distillée) peuvent détecter des problèmes de corrosion et d'abrasion de surface associés à la paroi cellulaire, entraînant des lectures de densité plus élevées lors du contrôle de l'eau.
  • Si la corrosion ne peut être évitée, un ajustement peut être effectué pour compenser l'abrasion de la paroi cellulaire au fil du temps, garantissant que des résultats précis sont maintenus.
  • En plus de la cellule de mesure, d'autres pièces mouillées doivent également être vérifiées pour leur résistance à l'échantillon.

Acide chlorhydrique

L'acide chlorhydrique (HCl) est un acide fort, inorganique (= minéral). Ses propriétés physiques, y compris la densité, dépendent de la concentration ou de la molarité de HCl dans la solution aqueuse, qui varient de celles de l'eau à des concentrations très faibles approchant 0 % HCl à des valeurs pour le HCl fumant supérieures à 40 % HCl. Cette plage de concentration peut être mesurée avec précision à l'aide d'un densimètre numérique avec une cellule en verre borosilicate 3.3.

Acide nitrique

La plupart des acides nitriques (HNO3) disponibles dans le commerce ont une concentration d'environ 68 % à 70 % dans l'eau (grade concentré). Lorsque la solution contient plus de 86 % HNO3, elle est appelée acide nitrique fumant. Il existe deux types en fonction de la présence de dioxyde d'azote (NO2) : l'acide nitrique fumant blanc, qui ne contient que de petites quantités de NO2 et apparaît incolore, et l'acide nitrique fumant rouge, qui contient une quantité significative de NO2, lui donnant une couleur rouge ou jaune. Analogique à HCl, toute la plage de concentration d'intérêt peut être couverte avec un densimètre numérique avec une cellule en verre borosilicate 3.3.

Acide fluorhydrique

L'acide hydrofluorique (HF) est généralement fabriqué en diluant 100 % de fluorure d'hydrogène avec de l'eau, et est normalement vendu à l'industrie en concentrations de 49 % HF et 70 % HF. Bien que l'HF soit considéré comme un acide faible dans des solutions aqueuses diluées, il est très corrosif, attaquant même le verre lorsqu'il est hydraté. Bien que le verre borosilicate 3.3 ne soit pas résistant à l'HF même à faibles concentrations, une mesure à l'aide d'un densimètre numérique est possible lorsqu'il est équipé d'une cellule de mesure en alliage métallique (par exemple, Hastelloy C-276, un alliage de nickel-molybdène-chrome avec du tungstène). Étant donné que l'abrasion de surface est également à prévoir même avec une cellule en métal, les températures doivent être maintenues aussi basses que possible et le temps de contact aussi court que possible. Les mesures de HF sont possibles jusqu'à une concentration de 40 % HF à 20 °C.

Remarque : En fonction de l'acide ou du mélange d'acides, les cellules en verre borosilicate ou en alliages métalliques peuvent offrir une meilleure résistance.
 

Acide phosphorique

L'acide phosphorique (H3PO4) est disponible commercialement sous forme de solutions aqueuses de diverses concentrations, ne dépassant généralement pas 85 %. Le verre borosilicate 3.3 présente une stabilité limitée contre l'acide phosphorique, surtout lorsqu'il est chaud. Par conséquent, l'acide phosphorique chaud ne doit pas être rempli dans la cellule, mais à des températures modérées (20 °C), des mesures allant jusqu'à environ 40 % H3PO4 sont possibles.

Acide sulfurique, oléum

L'acide sulfurique (H2SO4) est un acide minéral incolore, inodore et visqueux qui peut être dilué avec de l'eau dans n'importe quel rapport. Sous sa forme pure, il est très hygroscopique, absorbant facilement la vapeur d'eau de l'air. H2SO4 avec 98,3 % est généralement décrit comme de l'acide sulfurique concentré, et plusieurs concentrations inférieures sont couramment utilisées en fonction de l'application (par exemple, 29 % à 32 % comme acide de batterie).

L'acide sulfurique fumant, ou oléum, est un terme qui fait référence aux solutions de trioxyde de soufre dans l'acide sulfurique, ce qui prolonge effectivement la plage de concentration au-delà de 100 % lorsqu'il est considéré comme de l'acide sulfurique (0 % à 65 % d'oléo correspond à 100 % à 114 % d'acide sulfurique) et il présente une autre caractéristique intéressante. La densité et la concentration ne montrent pas de relation linéaire sur l'ensemble de la plage. L'acide sulfurique peut être mesuré jusqu'à une concentration de 90 % par la densité seule. À cette concentration, la valeur de densité montre un maximum, et des concentrations plus élevées ne peuvent plus être corrélées à une seule concentration (Figure 1). Par conséquent, un autre paramètre, par exemple la vitesse du son, doit être mesuré pour couvrir l'ensemble de la plage de concentration. Des appareils capables de mesurer à la fois la densité et la vitesse du son en combinaison sont disponibles sur le marché. Cependant, si cette plage de haute concentration n'est pas pertinente, un densimètre numérique avec une cellule en verre borosilicate est suffisant.

Figure 1 : Densité et vitesse du son en fonction de la concentration d'acide sulfurique

Le mélange d'acide sulfurique concentré et d'eau provoquera une très forte réaction exothermique pouvant détruire la cellule de mesure et provoquer des blessures graves.

Acide acétique

L'acide acétique (CH3COOH) est un composé organique et un liquide incolore. Sa forme anhydre est appelée acide acétique glaciaire. Comme avec l'acide sulfurique, il n'y a pas de relation linéaire entre la densité et la concentration sur toute la plage de 0 % à 100 %. La densité peut couvrir la plage entre 0 % et 60 %, mais au-delà, un paramètre supplémentaire tel que la vitesse du son est requis.

Avantages de la mesure de la densité des acides par rapport à la titration acido-basique

Pour déterminer la concentration d'un acide donné, la titration acido-basique est l'approche classique. Cependant, l'utilisation d'un densimètre numérique présente plusieurs avantages. 

Les densimètres fournissent des résultats plus rapides, nécessitent moins de préparation et moins de produits chimiques qu'une titration. Ils sont souvent automatisés, nécessitent moins d'intervention manuelle et peuvent fournir des mesures très précises et reproductibles. De plus, ils ne dépendent pas des indicateurs de pH utilisés dans les titrations, ce qui peut conduire à des résultats inexactes. La manipulation est plus sûre et plus respectueuse de l'environnement : le personnel de laboratoire a moins de contact avec des substances corrosives ou dangereuses et les densimètres peuvent être utilisés pour une variété d'acides et de concentrations sans avoir besoin de développer des méthodes de titration spécifiques. 

De plus, les appareils modernes offrent souvent une compensation de température pour garantir la précision des mesures à différentes températures.

Conclusion

L'utilisation de densimètres numériques améliore considérablement la précision et l'efficacité de la mesure des concentrations d'acide dans diverses applications industrielles. Ces instruments offrent une alternative pratique et fiable à la titration acido-basique traditionnelle, minimisant le temps de préparation, réduisant l'utilisation de produits chimiques et améliorant la sécurité.

Les densimètres numériques sont particulièrement avantageux pour la manipulation des acides corrosifs, offrant des mesures automatisées et précises qui garantissent des résultats cohérents et reproductibles. Leur polyvalence à accueillir différents types et concentrations d'acides, associée à des caractéristiques telles que la compensation de température et la mesure de la vitesse du son pour des acides hautement concentrés, en fait un outil essentiel dans les laboratoires modernes.

En résumé, les densimètres numériques non seulement rationalisent le processus de mesure de la concentration d'acide mais contribuent également à des pratiques de laboratoire plus sûres et plus durables, les rendant indispensables tant dans les milieux de recherche que dans les milieux industriels.

Pour en savoir plus

Références

Brown, W. H., 2024. Acide acétique [En ligne] 
Disponible à: www.britannica.com/science/acetic-acid
[Consulté le 24 juin 2024].

CDC, 2018. Faits sur le fluorure d'hydrogène (acide fluorhydrique). [En ligne] 
Disponible à: emergency.cdc.gov/agent/hydrofluoricacid/basics/facts.asp
[Consulté le 24 juin 2024].

ChemicalSafetyFacts, 2022. Acide chlorhydrique [En ligne] 
Disponible à: www.chemicalsafetyfacts.org/chemicals/hydrochloric-acid/
[Consulté le 24 juin 2024].

PubChem, n.d. Acide nitrique. [En ligne] 
Disponible à: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Nitric-Acid
[Consulté le 24 juin 2024].

Acide phosphorique [En ligne] 
Disponible à: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Nitric-Acid
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Les éditeurs de l'Encyclopædia Britannica, 2024. Acide sulfurique [En ligne] 
Disponible à: www.britannica.com/science/acetic-acid
[Consulté le 24 juin 2024].

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