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TP8 – Titrage iodométrique de la vitamine C

Détermination de la teneur en acide ascorbique dans un comprimé de vitamine C par titrage redox (oxydoréduction) à l'aide des ions triiodure et l'amidon.

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Description

Laboratoire CHM 1979

TP8 – TITRAGE IODOMÉTRIQUE DE LA VITAMINE C

Nom, prénom : Perrault-Lévesque, David Nom du coéquipier : Achille, Allahnah

Date de l’expérience : 17/11/16 Date d’échéance du rapport : 1/12/16

Groupe et jour : B, jeudi Numéro de la hotte : H25 Nom du démonstrateur : Gallant, Stéphanie Titre moyen de thiosulfate de sodium : 0,2507 ± 0,0007 M Teneur en acide ascorbique moyenne (p/p) : 79 ± 1 % Intervalle de confiance sur la teneur en acide ascorbique (p/p) : 79 ± 4%

! 1. INTRODUCTION Le but de ce laboratoire consiste à déterminer la teneur d’acide ascorbique présente dans un comprimé de Vitamine C de marque « Life » en terme de pourcentage massique. (1)Afin de mener à terme ce but, la technique utilisée sera un titrage iodométrique en retour, en déterminant la quantité de moles initiales d’ions triiodure et celle titrée : le reste des ions triiodure aura réagi avec l’acide ascorbique et la variation des deux valeurs (initiales et finales) permettra de déterminer ce paramètre. Par calculs stœchiométriques dans un rapport un pour un, il sera ainsi possible de déduire la masse d’acide ascorbique dans un comprimé. Le point important dans ce laboratoire réside dans la succession de réactions d’oxydoréduction impliquant les ions triiodures. (1) En plus de réagir avec l’acide ascorbique, ils se révèlent également un bon indicateur lors d’un titrage redox par réaction avec l’amidon : ceux-ci s’insèrent dans la structure hélicoïdale de l’amidon pour changer la couleur de l’eau iodée, la faisant virer d’une couleur jaune à une couleur violette, voire brunâtre. (2) Ainsi, en absence d’ions triiodure, la solution reste incolore, puisque l’amidon, naturellement incolore, n’est pas complexé aux ions triiodures. (2) (3) En premier lieu, il faut donc synthétiser ces ions triiodures pour déterminer la quantité initiale en solution. Cette réaction se fait en milieu acide agissant comme catalyseur (1) :

3 I3- + 3 H2O

IO3- + 8 I- excès + 6 H+ excès

Cette même quantité d’ions triiodures réagira ensuite avec l’acide ascorbique, le réactif limitant (1) :

! ! ! ! ! !

HO

HO

H

H

O

O

O

HO

O

HO

+ 2 H+ + 3 I -

+ I3 HO

O OH

O

1

! En conséquence, les ions triiodures en excès n’ayant pas réagi pourront être titrés avec une solution de thiosulfate, préalablement étalonnée. (1) Ce titrage est de type redox et implique donc une réaction d’oxydoréduction entre le titrant (la solution de thiosulfate) et l’espèce titrée (les ions triiodure) (1):

3 I- + S 4O62-

I3 - + 2 S 2O3 -

Tel mentionné, une standardisation de la solution de thiosulfate permettra de déterminer son titre exact, en déterminant le volume équivalent à partir d’une quantité connue d’ions triiodure en solution (1) : 𝑁𝑎# 𝑆# 𝑂& = (𝑉(𝐼𝑂& + (1000𝑚𝐿/𝐿)+3 [𝐼𝑂& + ](

3(𝑚𝑜𝑙(𝐼& + 2(𝑚𝑜𝑙(𝑆# 𝑂& #+ ( 1 )( )( )(1000𝑚𝐿 /𝐿) 𝑚𝑜𝑙(𝐼𝑂& + ( 𝑉:; 𝑚𝑜𝑙(𝐼&+ (

La concentration exacte du titrant permet donc de calculer avec précision, dans un rapport 1 :2, la quantité d’ions triiodure en excès après la réaction impliquant l’acide ascorbique. (1)Tel mentionné tout à l’heure, le point d’équivalence du titrage est déterminé là où il n’y a plus d’ions triiodure : l’amidon permet de définir qualititvement le volume équivalent par la disparition du complexe iodé laissant la solution incolore. (2) Puisqu’on connaît également la quantité initiale d’ions triiodures, la quantité D’ions triiodures ayant réagi avec l’acide ascorbique est désormais accessible par l’équation suivante (1) :

𝑛(= ( = (( 𝑛 > −( 𝑛𝑆

2 𝑂3

2−

( (

𝑚𝑜𝑙(𝐼&+ 2(𝑚𝑜𝑙(𝑆2 𝑂3

2−

)( (

Puisque la deuxième équation à la page précédente fait réagir l’acide ascorbique et les ions triiodure dans un rapport un pour un, la quantité molaire d’ions triiodures est égale à celle impliquant l’acide ascorbique (1). La masse d’acide ascorbique est calculable de cette façon. Enfin, le pourcentage massique dans le comprimé se veut tout simplement le rapport entre cette quantité calculable et la masse du comprimé pesée en laboratoire.

2

!

𝑚 = ( 𝑛=

𝑚𝑜𝑙(𝑎𝑐𝑖𝑑𝑒(𝑎𝑠𝑐𝑜𝑟𝑏𝑖𝑞𝑢𝑒 1000𝑚𝑔 (𝑀( ) 𝑚𝑜𝑙(𝐼&+ 𝑔

%(massique = (

mS.S (100) 1000mg mU (X g

! 2. PARTIE EXPÉRIMENTALE ! Les procédures expérimentales détaillées liées à cette expérience se trouvent dans l’étendue de pages indiquées en référence dans le cahier de laboratoire. (1) La figure 7.1 de la page 73 illustre le type de montage utilisé pour tout titrage incluant ceux de type redox. (1)On prépare un indicateur amidon en ajoutant 5 g à 450-500 mL d’eau bouillante. (1)La solution de thiosulfate standardisée à 0,2507 ± 0,0007 M est préparée en dissolvant 15,811 g de 𝑁𝑎# 𝑆# 𝑂& et 0,6 g de 𝑁𝑎# 𝐶𝑂& dans 1 L d’eau. (1)La solution d’iodate de potassium à 0,0300 M est, quant à elle, préparée en pesant et en versant 3,21 g de KI𝑂& dans 500 mL d’eau. (1)Le volume de titrant est mesuré à ± 0,03 mL sur une burette de 25 mL. (1) On pèse les comprimés de vitamine C à ± 0,0001 g sur une balance analytique Sartorius CP2245 et les granules de KI sur une balance ordinaire (± 0,01g) de type Sartorius M-Prove. Les différents volumes de solution d’iodate de potassium sont prélevés à l’aide de pipettes jaugées de classes A de 25,00 ± 0,03 mL et 50,00 ± 0,05 mL. L’acide sulfurique est ajouté peu à peu dans le milieu réactionnel en mesurant les volumes dans un cylindre gradué de 10,00 ± 0,05 mL. Tout au long du titrage, les solutions sont agitées sur une plaque agitatrice à l’aide d’un barreau aimanté. Le protocole n’a subi aucune modification.

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! ! 3. PRÉSENTATION DES RÉSULTATS ET DISCUSSION Tableau 1 : Standardisation de la solution de thiosulfate Titrage

1 2 3

Volume équivalent de

Titre de la solution de

𝑁𝑎# 𝑆# 𝑂&

𝑁𝑎# 𝑆# 𝑂&

± 0,03 mL 17,90 18,00 17,95

M

0,2514 0,2500 0,2507

Titre moyen

Écart-type lié aux titres calculés

Écarttype relatif

± 0,0001 M 0,2507

M 0,0007

% 0,28

Tableau 2 : Titrage en retour après la réaction de l’acide ascorbique avec les ions triiodure Titrage

1 2 3

Volume équivalent de

Nombre de moles de

𝑁𝑎# 𝑆# 𝑂&

𝑆# 𝑂& #+

Écart-type lié aux quantités molaires calculées

± 0,03 mL

± 0,00001 mol

mol

11,5 11,6 11,9

0,00288 0,00291 0,00298

Moyenne liée Aux quantités molaires d’ions thiosulfate

Écart-type relatif

% mol 0,00292

0,00005

1,7

Tableau 3 : Détermination de la teneur en acide ascorbique dans le comprimé de vitamine C par titrage en retour Titrage

1 2 3

Masse du comprimé

Nombre de moles d’acide ascorbique

Masse molaire de l’acide ascorbique

Masse d’acide ascorbique calculée

Pourcentage massique d’acide ascorbique

± 0,0001 g 0,6748 0,6902 0,6797

± 0,00001 mol 0,00306 0,00305 0,00301

g/mol

± 2 mg 539 537 530

% (p/p) 79,9 77,8 78,0

176,14

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! Tableau 4 : Pourcentage massique moyen d’acide ascorbique (%), écarttype et intervalle de confiance Teneur d’acide ascorbique moyenne % (p/p) Écart-type % (p/p) Intervalle de confiance % (p/p)

79 1 79 ± 3

Tableau 5 : Observations qualitatives lors du titrage en retour (Essai 3 du tableau 3) Volume de titrant mL 0 5 10 11 (avant l’ajout d’amidon) 11 (après l’ajout d’amidon) 11,9 (volume équivalent)

Couleur de la solution Brun foncé Brun orangé Caramel Jaune Violacé obscur Incolore

Ingrédients listés dans les comprimés de vitamine C -

Acide ascorbique (500 mg) Cellulose microcristalline (non médicinal) Stéarate de magnésium de grade végétal (non médicinal)

Le but de ce laboratoire était de déterminer la teneur en acide ascorbique contenue dans un comprimé de vitamine C en vente libre. Par le biais d’un titrage redox dit « en retour », il était donc possible de déterminer indirectement la masse d’acide ascorbique contenue dans un comprimé en titrant un réactif en excès, soit les ions triiodure. La quantité initiale d’ions triiodure synthétisée à partir des ions iodate en milieu acide, soustrait à la quantité titrée, égalait ainsi la quantité d’ions triiodure ayant réagi avec l’acide ascorbique. Un titrage redox se voulait idéal afin de mener à terme cette expérience, comparativement à un titrage acido-basique. En effet, l’acide ascorbique, dont la structure est illustrée dans l’introduction,

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! possède seulement deux protons acides malgré la présence de 4 fonctions alcool : ces deux groupements forment une fonction énol sur deux carbones vicinaux et leur acidité est due à la base conjuguée stabilisée par résonance. (4) Un titrage acido-basique de cette espèce implique donc une courbe de titrage caractérisée par plusieurs zones tampons ainsi que deux points d’équivalence : l’acide ascorbique subira une double neutralisation avec une base forte, puisque c’est un acide faible. (5) Il faudrait alors trouver un indicateur acido-basique pour l’un ou l’autre des points d’équivalence et effectuer des calculs stoechiométriques afin de trouver la masse d’acide ascorbique ayant réagi. Il serait cependant difficile de faire une analyse complète de ce titrage, à moins d’effectuer des mesures potentiométriques. En effet, 2 points d’équivalence impliquent l’utilisation de deux indicateurs ayant chacun leur zone de virage respective (pKa ± 1). (5) Le premier point d’équivalence serait facilement observable en ayant une solution initiale incolore : cependant, pour le deuxième titrage, la visibilité du point de virage serait affectée dépendamment de la similitude des deux indicateurs en terme de couleur sous leur forme basique. Bref, il serait d’effectuer un titrage acido-basique acide faible/base forte afin de déterminer la teneur en acide ascorbique : l’analyse des résultats serait plus exacte avec des mesures potentiométriques, mais beaucoup plus longue en analysant les deux points d’équivalence et en traçant la double courbe de titrage. Quant au titrage redox utilité lors de ce laboratoire, le point d’équivalence est limité à l’analyse qualitative par l’expérimentateur, ce qui confère une précision moindre comparativement aux mesures potentiométriques. Ensuite, en ce qui traite de l’analyse des résultats, elle se divise en deux temps : l’étalonnage de la solution de thiosulfate de sodium et la teneur en acide ascorbique moyenne obtenue. Le titrant utilisé dans le titrage redox, soit le thiosulfate de sodium, possède un titre calculé à 0,2507 ± 0,0007 mol/L. La méthode révèle donc une exactitude, puisque l’écart-type représente environ 0,28% de la valeur totale. L’étalonnage avec l’indicateur amidon sur une série en triplicata permet donc d’évaluer un titre avec précision et exactitude. Le deuxième titrage est évidemment moins précis que le premier, puisque l’écart-type de ce

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! dernier s’évalue à environ 1,7% (Tableau 2). Cela s’explique par la loi de propagation des erreurs algébriques : en plus de nécessiter la connaissance du titre exact de thiosulfate de sodium, les quantités molaires titrées d’ions thiosulfate au 2e titrage impliquent un calcul par le biais du volume équivalent. (Voir 6.5) L’erreur du volume équivalent s’ajoute à l’incertitude du titre exact calculé du titrage 1 : cela explique pourquoi le 2e titrage reste moins précis lorsqu’on compare les deux écarts-types relatifs. Quant à la teneur massique en vitamine C dans un comprimé, le pourcentage moyen calculé est de 79 ± 1%. Les trois comprimés analysés ont donc sensiblement la même teneur en acide ascorbique, en raison de l’écart-type révélé par la série de données : celui-ci s’élève à 1% sur une donnée évaluée à 79%. On peut également confirmer ce fait en analysant l’intervalle de confiance (P=95%) : 79 ± 4%. La répétition du protocole permet donc d’établir que dans 95% des cas, le pourcentage massique résultant d’un comprimé serait dans l’intervalle [75,83] %, ce qui est une valeur valide compte tenu du petit écart-type. Un autre point pouvant être abordé concerne l’étiquetage des comprimés : ceux-ci affirment que 500 mg d’acide ascorbique est présent dans chaque comprimé. Or, ce laboratoire confirme que cette valeur est sous-estimée, puisque les masses d’acide ascorbique des trois comprimés sont supérieures à 500 mg. Afin de poursuivre l’analyse de l’étiquette des comprimés, on peut s’intéresser aux deux autres ingrédients médicinaux : la cellulose microcristalline et le stéarate de magnésium, deux excipients formant environ 21% de la masse du comprimé (puisque la teneur en acide ascorbique moyenne calculée est de 79%). (6) (7) Ces substances forment tout ce qui n’est pas actif dans le comprimé : en effet, l’acide ascorbique est le seul ingrédient actif et ces deux substances servent donc à former la pilule, lui donner sa coloration, etc. (7)Le stéarate de magnésium et la microcristalline sont donc tous deux insolubles dans l’eau afin de ne pas être absorbés par l’organisme. (7) L’analyse du protocole expérimental se complète par un élément clé du titrage, l’amidon. Ce même titrage était basé sur une réaction d’oxydoréduction entre les ions triiodure et les ions thiosulfate :

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!

I3 - + 2 S 2O32-

2 I- + S 4O62-

Dans cette réaction, on voit que les ions triiodure sont réduits (2 atomes voient leur état d’oxydation passer de 0 à -1) et les ions thiosulfate sont oxydés (2 à 5/2). Cette réaction se comporte de la même façon que celle impliquant l’acide ascorbique : celle-ci est oxydée en acide déshydroascorbique alors que les ions triiodure sont réduits. (1) L’amidon se veut un acteur quant à l’indication du volume équivalent : lorsque les ions triiodure sont complètement réduits en ions iodure, la réaction d’oxydoréduction est complétée. Puisque les ions triiodure colorent la solution de façon brune/jaunâtre, l’approche du point d’équivalence rend cette coloration moins prononcée en raison de la diminution du taux d’ions triiodure en solution. (3) Le tableau 5 montre qu’à l’approche du volume équivalent, la coloration devient de plus en plus claire. L’ajout d’amidon à ce point permet de créer un complexe violacé (Tableau 5) avec les ions triiodure : ceux-ci s’insèrent dans la structure hélicoïdale de l’amidon, le polysaccharide jouant le rôle d’indicateur pour ce titrage. (3) Ainsi, au point où il n’y a plus d’ions triiodure, aucun complexe violacé ne se forme, la coloration jaunâtre est absente et le volume équivalent est atteint. On peut maintenant se poser la question suivante : qu’en serait-il du même titrage si on mesurait plutôt la teneur en acide ascorbique issu d’un jus d’orange ? Le protocole serait en fait le même et les nouvelles complications seraient surtout reliées à la coloration. (8) Il faudrait d’abord s’assurer de l’homogénéité du mélange : pour avoir une teneur en acide ascorbique exacte et représentative, le jus doit donc être bien mélangé et pressé si c’est le cas d’un jus frais. Ensuite, il sera certes plus difficile d’obtenir une précision et une exactitude sur le volume équivalent. Comme le jus présente une coloration naturelle orangée et que les ions triiodure colorent la solution de façon jaunâtre avant le volume équivalent, les changements de couleur seront plus subtils à l’œil. (8)L’ajout d’amidon devra donc se faire un plus tôt afin de ne pas dépasser le point d’équivalence et il sera normal de ne pas obtenir une solution incolore à la fin du titrage : cela est dû à la coloration naturelle du jus d’orange. (8)

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!

Enfin, les causes d’erreurs dans ce laboratoire sont multiples afin d’expliquer les écarts entre les différents essais pour le calcul de la concentration du titrant et la détermination de la teneur en acide ascorbique d’un comprimé. Il y a d’abord une cause d’erreur au niveau de la masse des 3 comprimés sélectionnés : même si ceux-ci sont fabriqués en série, des défauts surgissent et la balance analytique, hautement précise, détecte ces imperfections. Au niveau des titrages, il ne faut pas oublier que le volume équivalent est déterminé de façon qualitative par les expérimentateurs. Or, si plusieurs expérimentateurs prennent ces mesures, les changements de coloration ne sont pas perçus de façon identique par les deux personnes. Cela peut amener des variations des valeurs au niveau des volumes équivalents, où la solution devait être complètement incolore et non très légèrement colorée (pour avoir un point d’équivalence exact). Le protocole impliquait également l’écrasement des comprimés au mortier afin de solubiliser le tout en solution. Cette étape se faisait après la pèse de ceux-ci : il est fortement probable qu’une certaine quantité de masse ait été perdue durant les manipulations, soit l’écrasement au mortier et la dissolution. Cela expliquerait en partie pourquoi les teneurs en acide ascorbique ne sont pas totalement exactes. 4. CONCLUSION En conclusion, l’objectif principal du laboratoire a été atteint, soit de déterminer de la teneur en acide ascorbique d’un comprimé de vitamine C via un tirage redox en retour. Cette façon indirecte de déterminer la teneur en acide ascorbique du comprimé était possible grâce au titrage d’ions triiodure en excès, n’ayant pas réagi avec l’acide ascorbique, ainsi que par la connaissance de leur quantité initiale. Le titrage redox a permis d’obtenir des données précises et la méthode expérimentale s’est révélée bonne dans l’ensemble. Toutefois, des difficultés furent observées les manipulations : les étapes de pilage et de dissolution des comprimés ont nécessairement entraîné des pertes en acide en acide ascorbique. Il serait donc efficace de limiter ces pertes en utilisant plutôt un broyeur automatique plutôt qu’un classique mortier, nécessitant l’intervention humaine.

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! Afin de refaire cette expérience, une alternative serait simplement de déterminer la teneur en acide ascorbique dans un autre composé comme le jus d’orange, où le titrage par changement de couleur serait suivi différemment. On pourrait ensuite comparer la précision des deux titrages, soit celui impliquant le comprimé et celui impliquant le jus d’orange. 5. RÉFÉRENCES

! 1. Faculté des arts et des sciences, Département de chimie. CHM 1501-1979A16 CHIMIE EXPÉRIMENTALE. [éd.] Université de Montréal. Montréal : s.n., 2016. pp. 80-84. 2. Auclair, Jean-Jacques. Coloration du glycogène par l'eau iodée, explication moléculaire. [En ligne] [Citation : 30 novembre 2016.] http://jeanjacques.auclair.pagesperso-orange.fr/polysaccharides/lugol.htm. 3. Lebel, Simon-Philippe et Chaput, Hélène. Physiologie - Cahier de notes de cours, Session Hiver 2016. 2016. p. 205. 4. Rossi, Sandrine. Expériences de chimie organique 2, 3e édition. [éd.] Cégep régional de Lanaudière à L'Assomption. 2016. p. 91. 5. Chang, Raymond. Chimie des solutions. [éd.] McGraw Hill Education. [trad.] Luc Papillon et Azélie Arpin. 4e édition. 2014. pp. 156,203. 6. ScienceDirect. Microcrystalline cellulose, a direct compression binder in a quality by design environment—A review. ScienceDirect. [En ligne] [Citation : 1 décembre 2016.] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378517314004840. 7. DrugTopics. Overview of pharmaceutical excipients used in tablets and capsules. DrugTopics. [En ligne] [Citation : 1 décembre 2016.] http://drugtopics.modernmedicine.com/drugtopics/news/modernmedicine/modern-medicine-news/overview-pharmaceuticalexcipients-used-tablets. 8. Kumar, V., Pourie, P. et Haley, S. Quantitative Microscale Determination of Vitami...