Concentration. Sévrine Canciani CUEEP-USTL Département Sciences

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1 Concentration Sévrine Canciani CUEEP-USTL Département Sciences Octobre2007

2 Table des matières ChapitreI Qu'est ce qu'une solution?5 ChapitreII La dissolution7 A Le sucre7 B Le chlorure de sodium7 ChapitreIII Concentration9 A Concentration molaire d'une espèce en solution9 A1 Exercice d'application9 B Concentration molaire d'une solution10 C Titre massique d'une solution11 C1 Exercicie d'application11 D Titre massique d'un constituant12 D1 Exercice d'application13 ChapitreIV Préparation de solution au laboratoire14 A A partir d'une pesée14 A1 Réalisation pratique14 A2 Exercice d'application16 B Préparation d'un solution par dilution d'une solution concentrée17 B1 Réalisation pratique18 B2 Exercice d'application19 Concentration 2

3 ChapitreI Qu'est ce qu'une solution? Nous allons nous intéresser à des mélanges homogènes dont l'eau est le constituant principal Exemples : sirop de menthe eau salée solution d'eau de Javel Définition - Solution Le mélange homogène liquide est appelé solution Définition - Soluté La substance dissoute est appelée soluté Définition - Solvant L'eau, composant majoritaire du mélange, joue le rôle de solvant Définition - Solution acqueuse Lorsque le solvant est l'eau on parle de solution aqueuse Complement - Solution Solution = solvant + soluté Complement - Solution Une solution est électriquement neutre Concentration 3

4 ChapitreII La dissolution A Le sucre La dissolution du sucre La vidéo est accessible sur la version internet du cours Expérience Si l'on dissout du sucre dans l'eau on n'observe plus de solide : toutes les molécules de saccharose qui constituaient le sucre solide se sont dispersées au milieu des molécules d'eau Les espèces chimiques présentes dans la solution d'eau sucrée sont des molécules d'eau et des molécules de saccharose Lors de la dissolution, la molécule de saccharose ( de formule brute C 6 H 12 O 6 ) n'a pas changé, on parle alors de dissolution moléculaire Complement - Equation bilan Cette dissolution peut être schématisée par l'équation-bilan suivante : C 6 H 12 O 6 (solide) > C 6 H 12 O 6 (aqueux) La notation C 6 H 12 O 6 (solide) ou C 6 H 12 O 6 (aqueux) signifie que dans la solution aqueuse, toutes les molécules de saccharose sont entourées de molécules d'eau, on dit alors que le saccharose est solvaté B Le chlorure de sodium Expérience Si l'on dissout du sel de cuisine (chlorure de sodium) dans l'eau on observe la disparition du solide Le chlorure de sodium NaCl est constitué d'ions chlorure Cl - et d'ions sodium Na + Concentration 4

5 qui se dispersent au milieu des molécules d'eau lors de la dissolution Les espèces chimiques présentes dans la solution d'eau salée sont donc des molécules d'eau, des ions sodium et des ions chlorure Complement - Equation bilan Cette dissolution, appelée dissolution ionique est schématisée par l'équation suivante : NaCl(solide) > Na + (aq) + Cl - (aq) Parfois, pour ne pas alourdir les notations, la notation (aq) sera sous-entendue La dissolution du sulfate de cuivre Vous pouvez visualisez dans la vidéo suivante la dissolution du sulfate de cuivre CuSO 4 La vidéo est accessible sur la version internet du cours Conclusion Ce qui différencie le sirop de menthe dans la bouteille, du verre de menthe à l'eau prêt à être bu, c'est la plus ou moins grande quantité de soluté par rapport à l'eau La solution de menthe dans le verre est moins concentrée (ou plus diluée) que le sirop de menthe dans la bouteille Pour caractériser quantitativement une solution nous allons donc préciser ce qu'on appelle sa concentration Concentration 5

6 ChapitreIII Concentration A Concentration molaire d'une espèce en solution Définition - Espéce X en solution Soit une espèce X en solution La concentration molaire de l'espèce X dans la solution, notée [X], est égale au quotient de la quantité de matière de X présente en solution par le volume de la solution La quantité de matière de X est notée n(x) (unité la mole : mol) Le volume de la solution V (unité courante le litre : L) La concentration molaire de X dans la solution est : [ X ]= n(x) V L'unité : mole par litre = moll -1 A1 Exercice d'application Un volume de 250 cm 3 d'eau contient 0,20 mol de saccharose dissous Quelle est la concentration molaire en saccharose dans cette solution? A11 Solution de l'exercice Concentration 6

7 La concentration du saccharose en solution est [saccharose] = 0,20 =0,80 moll 1 0,250 Si la même quantité de saccharose se trouvait dissoute dans un plus grand volume d'eau la concentration en saccharose serait plus faible B Concentration molaire d'une solution Exemple - Chlorure de cobalt Prenons l'exemple d'une solution de chlorure de cobalt(ii) obtenue en dissolvant 0,10 mol de chlorure de cobalt (II) solide CoCl 2 dans 500 cm 3 d'eau La concentration de fabrication de la solution de chlorure de cobalt est égale à la quantité de matière de CoCl 2 divisée par le volume de la solution Concentration de la solution : C= ncocl 2 V C= 0,10 =0,20 moll 1 0,500 Complement Lors de la dissolution d'1 mole de chlorure de cobalt il se forme 1 mole d'ions cobalt (II) (Co 2+ ) et 2 moles d'ions chlorure (Cl - ) : CoCl 2 (solide) >Co Cl - La quantité d'ions chlorure en solution est le double de la quantité d'ion cobalt (II) : n(cl - ) = 2 n(co 2+ ) = 2 n(cocl 2 ) La concentration molaire en ions chlorure [Cl - ] est donc le double de la concentration de fabrication de la solution [Cl - ]= 2 C = 0,40 moll -1 [Co 2+ ] = C = 0,20 moll -1 Vous comprenez ainsi pourquoi il est nécessaire de distinguer C et [X] alors que bien souvent elles sont l'une comme l'autre appelées simplement «concentration» La notation [X] correspond à une espèce X qui existe effectivement en solution La solution de chlorure de cobalt ne contenant pas d'espèce CoCl 2 mais seulement des ions distincts Co 2+ et Cl - (en plus des molécules d'eau), la notation [CoCl 2] n'a pas de sens Concentration 7

8 Remarque Les concentrations de fabrication des solutions sont encore souvent notées M pour moll -1 Ainsi une solution de soude 0,20 M est une solution d'hydroxyde de sodium à 0,20 mol/l, c'est à dire de concentration C=0,20 moll -1 C Titre massique d'une solution Définition - Titre massique d'une solution Le titre massique d'une solution est le rapport de la masse de soluté au volume de solution t= m V Si la masse est exprimée en g et le volume en L alors le titre massique est en gl -1 C1 Exercicie d'application Exercice d'application La masse molaire de la soude (hydroxyde de sodium) est M(NaOH) = 40,0 gmol -1 Calculons le titre massique de la solution de soude précédente de concentration molaire égale à 0,20 mol -1 C11 Solution de l'exercice mol Un volume V = 1,00 L contient une quantité d'hydroxyde de sodium n(naoh) = 0,20 Concentration 8

9 Celui-ci a une masse m(naoh) = n(naoh)m(naoh) = 0,20 40,0 = 8,0 g Le titre massique d'une solution est : t NaOH = m(naoh) V =8,0 gl 1 D Titre massique d'un constituant Définition - Titre massique d'un constituant Si l'espèce X se trouve en solution, le titre massique de X est le rapport de la masse de X au volume de la solution L'eau minérale Sur cette étiquette d'eau minérale on indique les masses des différentes espèces contenues dans 1 litre de solution C'est donc le titre massique de chacun des ions qui est indiqué Le titre massique du l'ion magnésium est ici t(mg 2+ ) = 110 mg/l Concentration 9

10 D1 Exercice d'application Question 1 Quelle masse de chlorure de sodium doit-on dissoudre dans 2,5L d'eau pour obtenir une concentration massique (ou titre massique) égale à 11,7 gl -1? Question 2 Calculer alors les concentrations molaires et massiques des espèces présentes en solution Masses molaires : M(Na ) = 23 gmol -1, M(Cl) = 35,5 gmol -1 D11 Solution de l'exercice Question 1 La masse de chlorure de sodium nécessaire est m(nacl) = tv = 11,72,5 = 29,25g Quantité de matière de NaCl mise en solution : n NaCl = m(nacl) M(NaCl) = 29,25 58,5 =0,5mol Or n(nacl) = n(na + ) = n(cl - ) = 0,5 mol Par conséquent : [ Na + ]=[Cl - ]= n Na+ V = 0,5 =0,2 mol 1 2,5 Question 2 Pour calculer les concentrations massiques ioniques : t(na + ) = [Na + ]M(Na) = 0,223 = 4,6 gl -1 t(cl - )= [Cl - ]M(Cl) = 0,235,5 = 7,1 gl -1 Concentration 10

11 ChapitreIV Préparation de solution au laboratoire A A partir d'une pesée Explication - Description On souhaite préparer un volume V = 100,0 ml d'une solution de sulfate de cuivre (II) de concentration C = 1,00 moll -1 à partir de sulfate de cuivre solide Ce sulfate de cuivre solide est pentahydraté, c'est à dire que le solide renferme 5 mol d'eau pour 1 mol de CuSO 4 On écrit sa formule : CuSO 4, 5H 2 O La quantité de matière de sulfate de cuivre contenue dans le volume V est n(cuso 4 ) = C V = 1,00 0,1000 = 0,100 mol Lorsqu'on prélève 1 mol de sulfate de cuivre pentahydraté on a bien 1 mol de sulfate de cuivre : n(cuso 4, 5H 2 O) = n(cuso 4 ) = 0,100 mol La masse de solide à prélever est donc m(cuso 4, 5H 2 O = n(cuso 4, 5H 2 O) M (CuSO 4, 5H 2 O) comme M(CuSO 4, 5H 2 O)=M(Cu) + M(S) + 9M(O) + 10M(H) = 249,7 gmol -1 Il faut prélever m(cuso 4, 5H 2 O) = 0, ,7 = 0,250 g A1 Réalisation pratique Etape 1 Peser le sulfate de cuivre hydraté dans un petit becher ou dans un sabot de pesée (après Concentration 11

12 avoir taré le récipient) Etape 2 en l'entraînant avec un peu d'eau (pissette), introduire le solide dans une fiole jaugée de 100 cm 3 Etape 3 s'assurer de la dissolution complète du solide Etape 4 ajouter de l'eau jusqu'au trait de jauge de la fiole (marque 100 ml sur le col de la fiole) Concentration 12

13 Etape 5 boucher et homogénéiser Etape 6 stocker dans un récipient de conservation de la solution et nettoyer la fiole (qui n'est pas un récipient de stockage) A2 Exercice d'application On souhaite préparer 0,5L de solution de sulfate de zinc (Zn 2+ 2-, SO 4 ) de concentration égale à 0,1 moll -1 par pesée de sulfate de zinc ZnSO 4 solide Concentration 13

14 Déterminer la masse de sulfate de zinc nécessaire Quelle est la verrerie à utiliser? Masse molaire : M(Zn) =65,4 gmol -1, M(O) =16 gmol -1, M(S) = 32 gmol -1 A21 Solution de l'exercice La quantité de matière à peser sera égale à : n(znso 4 ) = c(znso 4 ))V = 0,10,5 = 0,05 mol m(znso 4 )) = n(znso 4 ))M(ZnSO 4 )) = 0,05161,4 = 8,07 g On dissoudra cette masse de sulfate de zinc dans une fiole jaugée de 500mL B Préparation d'un solution par dilution d'une solution concentrée Explication - Description Diluer une solution correspond à diminuer sa concentration Pour cela, il faudra donc ajouter du solvant Mais il faudra connaître le volume de solvant ajouté afin de connaître la concentration de la nouvelle solution obtenue Pour désigner la solution la plus concentrée, on utilise souvent le terme de «solution mère» tandis que la solution diluée sera appelée «solution fille» On souhaite préparer un volume V = 50,0 ml d'une solution de permanganate de potassium(kmno 4 ) de concentration C=2, moll -1 à partir d'une solution mère de concentration C'=0,100 moll -1 La quantité de permanganate de potassium contenue dans la solution diluée est : n(kmno 4 ) = C V = 50, , = 1, mol Cette quantité de matière de permanganate de potassium doit se trouver dans le volume V' de solution mère de concentration C' : dans la solution diluée il y a seulement davantage d'eau Il y a conservation de la quantité de matière lors de la dilution On a donc aussi (solution diluée) : n(kmno 4 ) = C' V' = 1, mol on en déduit que V' = = 1, L = 10,0 ml Il faut donc prélever V' = 10,0 ml de solution mère concentrée et compléter à 50,0 ml avec de l'eau pour obtenir la solution diluée Concentration 14

15 Lorsque l'on dit que l'on dilue 10 fois par exemple une concentration, cela signifie que la concentration de la solution mère est divisée par 10 pour obtenir la solution fille B1 Réalisation pratique Etape 1 Prélever à la pipette jaugée le volume V' de solution mère : prélever la solution mère, préalablement versée dans un bécher (figure b), avec une pipette jaugée Faire monter le liquide jusqu'au trait de jauge supérieur (c) Etape 2 introduire le volume V' de solution mère dans une fiole jaugée de 50,0 ml (a) en vidant la pipette jusqu'au trait inférieur (b) Concentration 15

16 Etape 3 ajouter de l'eau jusqu'au trait de jauge (marque 50,0 ml sur le col de la fiole) Etape 4 boucher et homogénéiser Etape 5 conserver la solution dans un flacon approprié Concentration 16

17 B2 Exercice d'application On désire préparer V2=100 ml d'une solution de sulfate de sodium (2 Na + 2-, SO 4 ) de concentration C2 égale à 0,010 moll -1 en diluant une solution de sulfate de sodium de concentration égale à c1 = 0,10 moll -1 Précisez la verrerie à utiliser B21 Solution de l'exercice On désire préparer 100 ml de solution, la solution sera donc contenue dans une fiole jaugée de 100mL Calculons la quantité de matière contenue dans cette fiole : n ( Na 2 SO 4 ) = C2V2 = 0,0100,100 = 0,0010 mol Cette quantité de matière doit être contenue dans la pipette jaugée qui permet de prélever le volume V1 de solution mère : n ( Na 2 SO 4 ) = C2V2 = C1V1 On en déduit V1= C2V2 C1 = 0,0010/0,10 = 0,01 L On utilisera donc la pipette jaugée de 10 ml Concentration 17

18 Concentration 18

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