Sciences physiques CH13 Les solutions. II- Concentration d une solution. 2)- Concentration molaire. 5)- Calcul d une concentration. IV- Applications.

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1 CH 13 Les Solutions. I- Dissolution d une espèce chimique. 1)- Définitions. 2)- Exemple. 3)- Solution saturée. 4)- Propriétés des solutions. II- Concentration d une solution. 1)- Concentration massique ou teneur massique. 2)- Concentration molaire. 3)- Relation entre quantité de matière, masse, volume et concentrations. 4)- Notation. III- Préparation de solutions aqueuses. 1)- Le matériel utilisé. 2)- Dissolution d une espèce solide moléculaire. 5)- Calcul d une concentration. IV- Applications. 1)- QCM : QCM Questy 2)- Exercices : 3)- Dilution d une solution aqueuse. Exercices a)- Exercice 1 : Connaître les constituants d une solution. b)- Exercice 3 : Calculer une concentration massique. c)- Exercice 5 : Calculer une concentration molaire. d)- Exercice 8 : Préparer une solution par dissolution. e)- Exercice 12 : Solution aqueuse pour décontamination de lentilles de contact. f)- Exercice 13 : à boire avec modération. g)- Exercice 15 : diluer un berlingot d eau de Javel. h)- Exercice 17 : L arnica : un médicament homéopathique. i)- Exercice 19 : solution de Dakin. 1

2 1)- Définitions. I- Dissolution d une espèce chimique. Lorsqu on dissout une espèce chimique dans un liquide on obtient une solution. L espèce chimique dissoute est appelée le soluté. Le liquide dans lequel on dissout l espèce chimique est appelé le solvant. Si le solvant utilisé est l eau, on obtient une solution aqueuse. 2)- Exemple. Dissolution du sucre (le glucose) dans l eau C 6 H 12 O 6 (s). - On obtient une solution sucrée qui est une solution aqueuse qui contient des molécules de glucose C 6 H 12 O 6 (aq). Dissolution du permanganate de potassium dans l eau K Mn O 4 (s). - On obtient une solution aqueuse colorée qui contient des ions permanganate Mn O 4 (aq) et des ions potassium K + (aq). Dissolution de chlorure de sodium dans l eau NaCl (s). - On obtient une solution aqueuse salée qui contient des ions chlorure Cl (aq) et des ions sodium Na + (aq). 2

3 Remarque : dans l eau, on peut dissoudre des solides, des liquides ou des gaz. Solides Liquide gaz Glucose éthanol Dioxygène Chlorure de sodium Dioxyde de carbone - Certaines espèces chimiques sont insolubles dans l eau comme le sable, l huile. - Une espèce chimique est insoluble dans l eau si on la retrouve tel quelle et présence d eau. - Exemple : le diiode est très peu soluble dans l eau. - Le soluté n est pas totalement dissous. - La solution obtenue est saturée. - Il y a dans ce cas un dépôt de solide au fond du récipient. La solution n est pas homogène. 3)- Solution saturée. - Exemple : on ne peut pas dissoudre plus de 350 g de chlorure de sodium pour disposer d un litre de solution à 25 C. - Au-delà de cette masse, le chlorure de sodium ne se dissous plus. - On est en présence d une solution saturée dans laquelle on observe un dépôt de soluté au fond du récipient. - Une solution est saturée lorsque le soluté introduit n est pas totalement dissous. - Une solution dans laquelle après agitation, tout le soluté solide introduit n a pas disparu, est une solution saturée. 4)- Propriétés des solutions. Une solution est un liquide homogène contenant plusieurs constituants. L espèce chimique mise en solution peut être constituée de : Molécules (solide moléculaire, liquide ou gaz) D ions (solides ioniques). - Le soluté est ionique si la solution obtenue est formée d ions parmi des molécules d eau. - C est le cas de la solution aqueuse de sulfate de cuivre II. - La solution contient des ions cuivre II Cu 2+ (aq) et des ions sulfate SO 4 2 (aq). - Lors de la réalisation de la solution avec le cristal ionique, le soluté réagit avec l eau. 3

4 - Le soluté est moléculaire si la solution obtenue contient des molécules de soluté (soluté moléculaire) et des molécules d eau. - Lors de la réalisation de la solution, le soluté de réagit pas avec l eau. - C est le cas de la solution de saccharose (C 12 H 22 O 11) et de celle du diiode I 2. - La solution de saccharose contient des molécules de saccharose et celle de diiode contient des molécules de diiode et bien sur des molécules de solvant : l eau. - Remarque : il se peu que le soluté moléculaire réagisse partiellement avec l eau pour donner des ions. - La solution aqueuse contient alors : des ions et des molécules de soluté n ayant pas réagi. - En conséquence : De manière générale, une solution aqueuse peut contenir Des molécules Des ions Des molécules et des ions. - Pour séparer le soluté du solvant, il faut effectuer : Soit une distillation, soit une évaporation. 4

5 II- Concentration d une solution. 1)- Concentration massique ou teneur massique. a)- Définition : La concentration massique d une espèce chimique est la masse de cette espèce chimique dissoute dans un litre de solution - Relation : Cas d une espèce chimique A t (A) concentration massique en soluté apporté en g / L m (A) masse de soluté apporté en g. V = V sol volume de la solution aqueuse obtenue en L. - Exemple : Étiquettes d une eau minérale. Eau de source de montagne Analyse moyenne Calcium (Ca 2+ ) 64,5 mg / L Magnésium (Mg 2+ ) 3,5 mg / L Sodium (Na + ) 12,0 mg / L Potassium (K + ) 0,5 mg / L Fluorure (F ) < 0,1 mg / L Hydrogénocarbonate (HCO 3 ) 195,0 mg / L Chlorure (Cl ) 20,0 mg / L Sulfate (SO 2 4 ) 6,0 mg / L Nitrate (NO 3 ) 2,5 mg / L Nitrite (NO 2 ) < 0,05 mg / L Résidu sec à 180 C : 223,0 mg / L - L étiquette donne la concentration massique des ions présents dans l eau minérale. 5

6 2)- Concentration molaire. a)- Définition. La concentration molaire d une espèce chimique en solution est la quantité de matière de soluté présente dans un litre de solution. - Relation : Cas d une espèce chimique A C (A) concentration molaire en soluté apporté en mol / L n (A) quantité de matière de soluté apporté en mol. V = V sol volume de la solution aqueuse obtenue en L. - Exemple : - Les résultats d analyses médicales indiquent les concentrations massiques et molaires des espèces chimiques dosées dans le sang. 6

7 3)- Relation entre quantité de matière, masse, volume et concentrations. - On considère l espèce chimique A de masse molaire M (A). - On peut écrire les trois relations suivantes : Cas d une espèce chimique A n (A) quantité de matière de l espèce A en mol. m (A) masse de l espèce A en g. M (A) masse molaire de l espèce A en g / mol C (A) concentration molaire en soluté apporté en mol / L n (A) quantité de matière de soluté apporté en mol. V = V sol volume de la solution aqueuse obtenue en L. t (A) concentration massique en soluté apporté en g / L m (A) masse de soluté apporté en g. V = V sol volume de la solution aqueuse obtenue en L. - On en déduit la relation liant la concentration massique et la concentration molaire. - ou - 4)- Notation. - Cas d une solution qui contient des molécules de soluté X. Il y a deux façons de noter la concentration : - Soit C X ou [X]. - Exemple : Pour une solution aqueuse de diiode de concentration 0,020 mol / L, on peut écrire : - C (I 2 ) 0,020 mol / L ou [ I 2 ] 0,020 mol / L - Car la solution aqueuse contient des molécules de diiode parmi des molécules d eau. - Cas d une solution ionique. - Exemple : une solution aqueuse de sulfate de cuivre II. - C (CuSO 4 ) 0,020 mol / L ou [Cu 2+ ] 0,020 mol / L et [SO 4 2 ] 0,020 mol / L - Mais l écriture : [CuSO 4 ] 0,020 mol / L n a pas de sens car la molécule de formule CuSO 4 n existe pas. - Le cristal de sulfate de cuivre II de formule CuSO 4 est un cristal ionique dans lequel il y a en proportion, un ion cuivre II pour un ion sulfate. - Ceci est une formule statistique. - La solution aqueuse obtenue contient autant d ions cuivre II que d ions sulfate. 7

8 5)- Calcul d une concentration. - Application 1 : L éthanol est un alcool que l on retrouve dans les boissons alcoolisées. Sa formule brute est C 2 H 6 O. - L éthanol a une structure moléculaire. Donner sa formule développée et sa formule semi-développée. - Dans une fiole jaugée de 100 ml, on introduit 0,020 mol d éthanol, puis on complète avec de l eau distillée jusqu au trait de jauge. - On mélange afin d homogénéiser la solution. - Calculer la concentration en éthanol de la solution obtenue. - - Application 2 : - On dissout une masse m = 5,5 g de glucose dans de l eau distillée. La solution obtenue a un volume V = 100 ml. - Calculer la concentration molaire en glucose de la solution préparée. M (C 6 H 12 O 6 ) = 180 g / mol. - Réponse : - Dans un premier temps, il faut déterminer la quantité de matière de glucose utilisé - Quantité de matière de glucose utilisé : - (1) - Avec n quantité de matière en mol, m la masse du morceau de sucre en g et M la masse molaire du glucose en g / mol. - Concentration en glucose de la solution : - (2) - En combinant (1) et (2) : - 8

9 III- Préparation de solutions aqueuses. 1)- Le matériel utilisé. - La balance qui sert à peser les espèces chimiques solides et liquides. - Les capsules et verres de montre qui peuvent contenir des solides (on les utilise lors des pesées) - Les récipients comme les béchers et erlenmeyers qui peuvent contenir des espèces chimiques liquides ou des solutions aqueuses. - La verrerie qui permet la mesure du volume d une solution : - l éprouvette graduée, la pipette jaugée, la pipette graduée, la fiole jaugée et la burette graduée. - Une pipette simple pour ajuster les volumes et une pissette d eau distillée. Burette Graduée 9

10 2)- Dissolution d une espèce solide moléculaire. - Application 3 :On souhaite préparer un volume V = 100 ml d une solution aqueuse de glucose de concentration C = 0,100 mol / L à partir de glucose solide. - M (C 6 H 12 O 6 ) = 180 g / mol - Indiquer le matériel utilisé et donner le mode opératoire. - Déterminer la masse de glucose nécessaire à la préparation de la solution. - Matériel utilisé : une balance pour peser le glucose, un verre de montre, un entonnoir, une fiole jaugée de 100 ml et de l eau distillée. Mode opératoire : - On pèse la masse m de soluté au moyen d une balance.. - On place le soluté dans un récipient et on utilise la fonction tare de la balance pour lire directement la masse du contenu du récipient. - On introduit le solide dans une fiole jaugée de volume V = 100 ml en utilisant un entonnoir. - On rince le récipient utilisé et l entonnoir avec une pissette d eau distillée. L eau de rinçage doit couler dans la fiole jaugée. - On remplit la fiole jaugée environ aux trois quarts avec de l eau distillée et on agite pour accélérer la dissolution et homogénéiser la solution. - On complète avec de l eau distillée jusqu au trait de jauge. - On ajuste le niveau avec une pipette simple. - On bouche et on agite pour homogénéiser. - Masse de glucose nécessaire : On connaît la concentration C de la solution et son volume V. On peut en déduire la quantité de matière nécessaire : n = C. V (1) Masse de glucose nécessaire : m = n. M (2) - Application numérique : m 0,100 x 0,100 x 180 m 1,80 g - Schématisation des différentes étapes : En combinant (1) et (2) : m = C. V. M Protocole 10

11 Fiole jaugée de 100 ml 11

12 3)- Dilution d une solution aqueuse. a)- Principe de la dilution. - Diluer une solution, c est en ajoutant du solvant, préparer une nouvelle solution moins concentrée que la solution initiale. - Lors d une dilution, la concentration molaire du soluté diminue, mais sa quantité de matière ne change pas. - On dit qu au cours d une dilution, la quantité de matière de soluté se conserve. - La solution de départ est appelée la solution mère et la solution diluée est appelée la solution fille.- - Si A représente l espèce présente dans la solution. - La quantité de matière n (A) de cette espèce est la même dans la solution mère et dans la solution fille. - Il y a conservation de la quantité de matière de soluté : - La quantité de matière de soluté présente dans la solution mère : n (A) = C 1. V 1 (1) - La quantité de matière de soluté présente dans la solution fille : n (A) = C 2. V 2 (2)- Conséquence : - Avec obligatoirement V 1 < V 2. - Le facteur de dilution, F est toujours supérieur à 1. b)- Réalisation pratique d une dilution. - La dilution nécessite d effectuer des mesures précises de volumes. On utilise pour ces opérations le matériel suivant : - Burette graduée, ou pipette graduée ou jaugée, fiole jaugée. - Application 4 : On désire préparer une un volume V 1 = 200 ml d une solution de diiode de concentration C 1 = 1,0 x 10-3 mol / L à partir d une solution mère de diiode de concentration C = 2,0 x 10-2 mol / L. - Déterminer le volume de solution mère nécessaire à la préparation de la solution. Indiquer le matériel utilisé et donner le mode opératoire. - Réponse : Au cours de la dilution, il y a conservation de la quantité de matière de soluté : - si on note n la quantité de matière de soluté utilisé : - - Matériel : Récipient : bécher ou erlenmeyer. Matériel permettant la mesure précise de volumes :Une pipette jaugée de 10 ml muni de sa propipette, une fiole jaugée de 200 ml, pipette simple pour ajuster le volume. - Solutions : solution mère et pissette d eau distillée. 12

13 Mode opératoire : - On verse un peu de solution mère dans un bécher (on ne pipette jamais dans le récipient qui contient la solution mère). - On prélève le volume V = 10 ml à l aide d une pipette jaugée muni de sa propipette. - On verse le volume V = 10 ml dans une fiole jaugée de 200 ml. - On remplit la fiole jaugée environ aux trois quarts avec de l eau distillée. On mélange. - On complète avec de l eau distillée jusqu au trait de jauge. - On ajuste le niveau avec une pipette simple. - On bouche et on agite pour homogénéiser. - Schématisation des différentes étapes : Première étape : Verser suffisamment de solution Mère dans un bécher Deuxième étape : On prélève le volume nécessaire de solution Mère à l aide d une pipette jaugée munie de sa propipette Troisième étape : On verse le volume nécessaire de solution dans la fiole jaugée de volume approprié.. On ne pipette jamais directement dans le flacon qui contient la solution Mère Quatrième étape : On ajoute de l eau distillée et on agite, mélanger et homogénéiser Cinquième étape : On complète avec une pissette d eau distillée jusqu au trait de jauge. Sixième étape : On agite pour homogénéiser. La solution est prête. IV- Applications. 1)- QCM : Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s). Énoncé A B C Répon se 1 Dans une solution aqueuse de diiode Le soluté Le solvant Le soluté BC 13

14 2 Une solution aqueuse est saturée lorsque : Unr ampoule contient du gluconate de magnésium à 5,0 mg / L. Cette valeur est : Une solution de volume 0,10 L contient 0,50 g de saccharose dissous. La concentration massique en saccharose est : Une solution de volume 500 ml contient 500 mmol de saccharose. La concentration molaire en saccharose est : Les deux solutions de diiode ci-dessous ont même teinte est l eau est l eau est le diiode Le soluté Il y a Il reste du est autant de soluté non totalement soluté que dissous dissous de solvant Une concentrati on massique Une concentrati on molaire Une masse molaire 0,50 g / L 5,0 g / L 50 g / L B 1,00 mol / L 100 mol / L 0,100 mol / L B A A 6 Elles ont la même concentrati on molaire Elles contiennen t la même quantité de matière Elles ont la même concentrati on massique AC La verrerie ci-dessous est : 7 Une pipette graduée Une pipette jaugée Une fiole jaugée B Pour préparer 1,0 L d une solution de permanganate de potassium (solide de masse molaire 158 g / mol) à la concentration molaire 0,10 mol / L, il faut peser une masse de : Une solution mère de concentration molaire C 0 = 2,0 mol / L est diluée 5 fois. La concentration C 1 de la solution fille est : Pour diluer précisément 10 fois une solution mère, on peut utiliser : 1,58 g 15,8 g 0,158 g B C 1 10 mol / L Une fiole jaugée de 100,0 ml et une pipette jaugée de 10,0 ml C 1 2,5 mol / L Un bécher de 100 ml et une pipette graduée de 10,0 ml C 1 0,40 mol / L Une fiole jaugée de 200,0 ml et une pipette jaugée de 20,0 ml C AC 14

15 2)- Exercices : a)- Exercice 1 : Connaître les constituants d une solution. b)- Exercice 3 : Calculer une concentration massique. c)- Exercice 5 : Calculer une concentration molaire. d)- Exercice 8 : Préparer une solution par dissolution. e)- Exercice 12 : Solution aqueuse pour décontamination de lentilles de contact. f)- Exercice 13 : à boire avec modération. g)- Exercice 15 : diluer un berlingot d eau de Javel. h)- Exercice 17 : L arnica : un médicament homéopathique. i)- Exercice 19 : solution de Dakin. 15

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