De l’étable au laboratoire Une nouvelle méthode d’analyse au lycée : la conductimétrie

1. De l’étable au laboratoireUne nouvelle méthode d’analyse au lycée : la conductimétrie Dosage des ions chlorure du lait par conductimétrie

2. La détection des mammites cliniques par mesure de la conductivité • Les mammites constituent une pathologie majeure en élevage laitier. Leur coût économique est considérable. La précocité de détection des infections conditionne l’efficacité des traitements curatifs mis en œuvre. Une voie de diagnostic rapide non contraignante pour les trayeurs est la mesure de la conductivité électrique du lait. Cette mesure pendant la traite permet la détection d’un certain nombre de mammites cliniques mais toutes les mammites ne peuvent pas être décelées par ce procédé car d’autres facteurs d’élevage peuvent intervenir. Se référer uniquement à un seuil de conductivité pour détecter une infection mammaire semble à priori difficile. • La conductivité d’une substance dépend de sa résistance électrique. Pour le lait, cette caractéristique est déterminée par sa concentration en ions Na+, K+ et Cl-. Les mammites provoquent un changement important des équilibres ioniques entre le lait, le sang et le liquide extracellulaire, qui se traduit par une diminution de sa concentration en lactose et en ion K+ et par une augmentation de sa concentration en ions Na+ et Cl-, ceci afin de maintenir l’équilibre osmotique de la mamelle. Ce changement d’équilibre ionique se traduit par une brusque augmentation de la conductivité du lait. D’après « Intérêt de la mesure de la conductivité du lait pour la détection des mammites cliniques chez la vache laitière » Institut de l’élevage. Chambre d’agriculture de Loire Atlantique. Mars 2001

3. Dosage des ions chlorure du lait • Principe • Protocole • Résultats obtenus

4. Principe On réalise le titrage conductimétrique d’une solution diluée de lait introduite dans un becher par une solution de nitrate d’argent de concentration C0 connue contenue dans une burette. L’équation chimique de la réaction, support du titrage est Ag+ + Cl- AgCl K = 1/Ks = 5.109 • Avant l’équivalence, les ions Cl- disparaissent et sont remplacés par des ions NO3-. Les conductivités molaires à dilution infinie à 25°C sont : 0(Cl-) = 7,63 mS.m2.mol-1 et 0(NO3-) = 7,14 mS.m2.mol-1 : la conductivité de la solutiondiminue très légèrement. Elle est une fonction affine du volume de la solution titrante tant que ce volume reste très inférieur au volume initial de la solution diluée de lait. • Après l’équivalence, la transformation chimique est terminée, on ajoute des ions Ag+ et NO3- en excès. La conductivité de la solution augmente. Elle est aussi une fonction affine du volume de la solution titrante tant que ce volume reste petit devant le volume de la solution à l’équivalence. • L’équivalence du titrage intervient pour un volume versé Véq. Ce volume est repéré par l’intersection des deux portions de droite d’équation  = f(v) • La quantité d’ions chlorure présente initialement dans le becher est égale à C0Véq.

5. Quelques informations • Dans le lait frais de vache la teneur moyenne des ions chlorure se situe entre 0,8 et 1,2 g/L. Dans le cas de laits dits « mammiteux », la valeur moyenne avoisine 1,4 g/L. • Dans l’industrie laitière, les ions chlorure sont dosés à l’aide d’un chloruremètre. [L’échantillon à doser de 0,5 mL est ajouté à une solution tampon acide (acides nitrique et acétique), un courant constant et continu circule entre 2 électrodes d’argent : il y a libération régulière d’ions argent qui précipitent avec les ions chlorure . Après l’équivalence, l’apparition d’ions argent libres modifie la tension entre les électrodes.] • Il existe une norme nationale (NF V04-212) fondée sur la potentiométrie : après défécation du lait, on réalise un dosage potentiométrique des ions chlorure dans le filtrat par une solution titrée de nitrate d’argent en milieu acide fort (électrode d’argent et une électrode de référence).

6. Protocole Une solution de 20 mL de lait entier et 250 mL d’eau distillée dans un bécher à température constante. Une solution de nitrate d’argent à 0,080 mol.L-1 à la même température dans une burette. On mesure la conductivité de la solution contenue dans le becher au cours de l’addition de la solution de nitrate d’argent. On trace la courbe donnant la conductivité  de la solution en fonction du volume v de solution de nitrate d’argent versé.

7. Résultats Les courbes suivantes ont été obtenues avec le conductimètre Lutron (avec son logiciel dédié) et la burette automatique (non reliée à l’ordinateur). • 1- Courbe 1 : courbe de titrage des ions chlorure dans un lait (solution dosée : 20 mL de lait demi écrémé UHT dans 250 mL d’eau). • 2- Conclusions courbe 1 • 3- Courbe 2 : courbe de titrage des ions chlorure dans une solution de chlorure de potassium connue (solution dosée : 20 mL d’une solution de KCl à 0,036 mol.L-1 dans 250 mL d’eau). • 4- Conclusions courbe 2 • 5-Validation du protocole de dosage des ions chlorure du lait par conductimétrie retour à « dosage des ions chlorures »

8. Conductivité en mS.cm-1 conductivité en mS.cm-1 Volume AgNO3 en mL Véq = 8,2 mL Résultats / courbe 1

9. Conclusions courbe 1 • On trouve que la quantité d’ions chlorure présente initialement dans le volume de 20,0 mL de ce lait est : n0(Cl-) = c(Ag+).véq = 0,080.8,2.10-3 = 6,6.10-4 mol. La concentration en ion chlorure de ce lait est 33.10-3 mol.L-1 soit 1,16 g.L-1. • Ce résultat est-il juste?

10. Résultats / courbe 2

11. Conclusions courbe 2 • La quantité d’ions chlorure trouvée dans le volume de 20,0 mL de cette solution de KCl est : n0(Cl-) = c(Ag+).véq = 0,080.9,3.10-3 = 7,4.10-4 mol. La concentration en ion chlorure de cette solution est 37.10-3 mol.L-1 • L’écart relatif est de 1 / (36.10-3) = 3%. • La méthode utilisée pour le dosage des ions chlorure dans l’eau donne de bons résultats.

12. Validation du protocole de dosage des ions chlorure du lait par conductimétrie • En utilisant un protocole voisin de celui défini par la norme NF V04-212 permettant le dosage des chlorure du lait par potentiométrie, on trouve une concentration en ion chlorure égale à 0.97 g.L-1 . Avec le protocole de dosage par conductimétrie défini précédemment on trouve, pour le même lait, une concentration égale à 1,16 g.L-1. • Cette différence importante s’explique : certaines protéines du lait réagissent avec les ions Ag+ introduits. Il est nécessaire de réaliser l’étape de défécation du lait (c’est-à-dire précipitation des protéines) avant d’effectuer le dosage des chlorure sur un filtrat exempt de protéines. • Une défécation simplifiée consiste à introduire un certain volume d’acide nitrique à 1 mol/L dans la solution diluée de lait. Le dosage des ions chlorure par conductimétrie peut se faire directement dans cette solution acidifiée de lait. • Pour déterminer le volume d’acide nitrique à 1 mol/L à ajouter on étudie l’évolution du pH lors de l’addition d’acide nitrique à une solution S0 diluée de lait (20 mL de lait + 250 mL d’eau par ex.). On note le volume v correspondant au point d’inflexion obtenu : v est de l’ordre de 1,4 mL (soit 30 gouttes) pour un lait demi écrémé.Remarque : le résultat du dosage des ions chlorure par conductimétrie n’est pas modifié si on utilise un volume compris entre 20 et 40 gouttes d’acide.

13. Protocole de dosage des ions chlorure du lait par conductimétrie • a) Soit une solution So diluée de lait (20 mL et 250 mL d'eau distillée). On fait un suivi pH-métrique de cette solution quand on ajoute de l'acide nitrique à 1 mol/L. On note le volume équivalent (de l'ordre de 1,5 mL soit 30 gouttes). • b) On prépare une nouvelle solution So et on rajoute le volume d'acide nitrique précédemment trouvé. On effectue sur cette solution un dosage conductimétrique par AgNO3 à 0,080 mol/L • Rem : le nombre de gouttes est approximatif ; entre 20 et 40 gouttes les résultats obtenus (pour la concentration en ion chlorure) sont les mêmes. Il ne faut pas mettre trop d'acide car la conductivité de la solution devient trop importante et le conductimètre "perd" en précision. • Résultats : voir courbe 3. Le volume équivalent est égal à 6,7 mL (à 0,1 mL près) donc la concentration des ions chlorure est 0,95 g/L. (le dosage potentiométrique donne 0,97 g/L).

14. Norme Française NF V 04-212 : Détermination de la teneur en chlorure du lait (1/3) • Principe : après défécation du lait, dosage potentiométrique des ions chlorures dans le filtrat par une solution titrée de nitrate d’argent en milieu acide fort. • Réactifs : • Hexacyanoferrate (II) de potassium K4Fe(CN)6,3H2O solution à 150 g/L • Acétate de zinc Zn(CH3COO)2,2H2O solution à 300g/L • Hydroxyde de sodium solution environ 0,1 N • Nitrate de baryum Ba(NO3)2 solution à 50g/L • Nitrate d’argent solution titrée à 0,08 mol/L (dissoudre 13,6 g de nitrate dans de l’eau pratiquement exempte de CO2 et compléter à 1000mL). • Acide nitrique solution environ 4 mol/L • Papier tournesol • Appareillage : • Potentiomètre muni d’une électrode de mesurage appropriée pour la détermination des chlorures (électrode d’argent et une électrode de référence, par exemple électrode au sulfate de mercure). • Mode opératoire : • a- Prélever à la pipette 20 mL et peser à 0,001g près l’échantillon pour essai de lait et les introduire dans une fiole jaugée de 200 mL • b-Défécation • 1. cas du lait non dichromaté • ajouter successivement dans la fiole jaugée contenant la prise d’essai : • -2mL de la solution d’hexacyanoferrate (II) de potassium et agiter puis, • -2mL de la solution d’acétate de zinc et agiter. • Laisser reposer 10 à 15 min. Compléter au trait repère avec de l’eau puis ajouter 2 mL d’eau pour tenir compte du volume du précipité. Agiter, laisser reposer puis filtrer.

15. Norme Française NF V 04-212 : Détermination de la teneur en chlorure du lait(2/3) • 2 . cas du lait dichromaté • ajouter successivement dans la fiole jaugée contenant la prise d’essai : • -30 à 40 mL d’eau • -2mL de la solution d’hexacyanoferrate (II) de potassium et agiter puis, • -2mL de la solution d’acétate de zinc et agiter. • Attendre 2 minutes et neutraliser à l’aide de la solution d’hydroxyde de sodium en vérifiant la neutralité à l’aide du papier tournesol. • Après 5 minutes, ajouter 10 mL de la solution de nitrate de baryum. Laisser reposer 10 à 15 min. puis ajouter 2 mL d’eau pour tenir compte du volume du précipité. Agiter, laisser reposer puis filtrer. • c- dosage potentiométrique • mesurer 100 mL du filtrat obtenu à l’aide d’une fiole jaugée. Les introduire dans un becher de 250 mL • Ajouter 2 mL de la solution d’acide nitrique • Immerger l’électrode du potentiomètre dans la solution contenue dans le becher. Titrer le contenu du bécher avec la solution de nitrate d’argent en agitant constamment et en modifiant le volume des additions successives en fonction des variations de potentiel observées jusqu’à l’obtention du point d’équivalence qui correspond au maximum de variation rapporté au volume de solution titrante correspondant. • d- essai à blanc : effectuer un essai à blanc en remplaçant le filtrat par 100 mL d’eau

16. Norme Française NF V 04-212 : Détermination de la teneur en chlorure du lait (3/3) • Calculs • La teneur en chlorure en pourcentage en masse est : (V1-V0).c.f / m • V0 = vol en mL de la sol de nitrate d’argent utilisé pour l’essai à blanc, • V1= vol en mL de la sol de nitrate d’argent utilisé pour la détermination c) • c = concentration en mol/L de la solution de nitrate d’argent • m = masse en g de la prise d’essai • f = facteur permettant d’exprimer les résultats en pourcentage d’un certain type de chlorure • f= 3,55 pour exprimer en % de Cl- • f = 7,46 pour exprimer en % de KCl

17. Protocole pour le dosage des ions chlorure du lait par potentiométrie (variante de la norme NF V04-212) • On prélève à la pipette 20,0 mL de lait. • On ajoute 2 mL de la solution d’hexacyanoferrate (II) de potassium à 150 g/L, on agite. • On ajoute 2 mL de la solution d’acétate de zinc à 300 g/L. On agite. On laisse reposer 10 à 15 minutes. • On ajoute ensuite environ 200 mL d’eau distillée et on filtre soigneusement cette solution sur buchner en lavant bien le précipité. • On ajoute au filtrat 4 mL d’acide nitrique à environ 4 mol/L. • On réalise ensuite le dosage potentiométrique sur la totalité du filtrat acidifié obtenu. La concentration de la solution de nitrate d’argent est 0,080 mol/L.

18. Courbe N°3 Série 1 : évolution de la conductivité lors de l’addition d’une solution de nitrate d’argent à 0,080 mol/L à une solution contenant (20 mL de lait demi écréme + 250 mL d’eau + 35 gouttes HNO3 à 1 mol/L). Le volume équivalent est de 6,7 mL. Série 2 : titrage potentiométrique d’une solution contenant (20 mL de lait demi écréme + 250 mL d’eau + 35 gouttes HNO3 à 1 mol/L) par une solution de nitrate d’argent à 0,080 mol/L. Le volume équivalent est de 6,8 mL.