PLAN OBJECTIFS 1.1 SOLUTIONS : DÉFINITIONS ET CONSTITUTION. a) Définitions

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1 1 olutons onques PLAN BJECTIF 1.1 olutons : défntons et consttuton 1.2 Expressons de la composton d une soluton 1.3 olutons réelles et solutons déales, actvté 1.4 Phénomènes régssant l apparton d ons en soluton 1.5 Force d un électrolyte Comprendre les phénomènes ms en jeu lors de la dssoluton d une espèce chmque dans un solvant, ans que les processus spécfques à la consttuton des solutons onques. avor calculer la composton d une soluton et savor convertr une unté de composton en une autre. Percevor les dfférences entre solutons réelles et solutons déales. Comprendre la nécessté d ntrodure le concept d actvté. Assocer la noton de force d un électrolyte au déplacement de l équlbre de dssocaton de cet électrolyte en ses ons. Prendre conscence de l mportance de la lo de dluton d stwald. 1.1 LUTIN : DÉFINITIN ET CNTITUTIN a) Défntons Une soluton est un mélange homogène de deux ou pluseurs consttuants. Le consttuant majortare est appelé solvant. Le ou les composé(s) mnortare(s) sont appelés soluté(s). Le solvant dsperse les molécules ou les ons du soluté.

2 4 Chaptre 1 olutons onques n dstngue les solutons lqudes et les solutons soldes (allages homogènes comme les cupronckels, par exemple). eules les solutons lqudes seront consdérées c. Une soluton est dte nfnment dluée lorsque les concentratons des solutés sont suffsamment fables pour que la soluton se comporte comme s les nteractons entre les ons ou les molécules du soluté étaent néglgeables. b) olvataton Lorsque la structure du solvant est perturbée au vosnage d une espèce dssoute, l espèce est solvatée. La solvataton résulte de l organsaton partculère d un certan nombre de molécules de solvant autour de cette espèce (on ou molécule). Cette organsaton est due à des nteractons attractves soluté/solvant. Une espèce X solvatée est notée «X solv». La solvataton par des molécules d eau s appelle l hydrataton (cf. 2.2). Une espèce X hydratée est le plus souvent représentée par «X (aq)» ou «X aq». L ensemble des molécules de solvant en nteracton avec l espèce dssoute s appelle la cage de solvataton dont le modèle est le suvant : à un nstant donné, l espèce dssoute est au contact d un certan nombre de molécules de solvant qu consttuent la sphère prmare de solvataton. La valeur moyenne du nombre de molécules de solvant de la sphère prmare est le nombre (ou degré) de solvataton prmare ; entre cette premère couche et le solvant non perturbé, se trouve la sphère secondare de solvataton, dont les molécules de solvant sont en nteracton plus fable avec l espèce dssoute ; les molécules de solvant mplquées dans ces sphères de solvataton s échangent en permanence ; le temps de résdence d une molécule de la sphère prmare dépend de la nature de l espèce dssoute, et peut aller de quelques pcosecondes (10 12 s) à des durées de l ordre de l année La force des nteractons entre les molécules de solvant et l espèce dssoute dépend de la nature de l nteracton : nteractons de type on/dpôle, ou nteractons de Van der Waals de type dpôle/dpôle (permanent ou ndut), lasons hydrogène,

3 1.2 Expressons de la composton d une soluton 5 éventuellement lasons de coordnaton donnant leu à un vértable complexe de solvataton (fgure 1.1). Zn 2+ H3 C (a) (b) Fgure 1.1 (a) Formes lmtes et forme géométrque (pyramde aplate) du dméthylsulfoxyde (DM). (b) olvataton de l on Zn 2+ par le DM et formaton du complexe [Zn(DM) 6 ] EXPREIN DE LA CMPITIN D UNE LUTIN La composton d une soluton peut être représentée par les dverses grandeurs ntensves 1 caractérstques de la composton d un mélange. a) Fracton molare, fracton massque, fracton volumque Fracton molare ot n la quantté de matère de tout consttuant de la soluton. La fracton molare x de ce consttuant s exprme par le rapport de n à la quantté de matère totale n (nombre total de moles) : n x n = --- = n avec x n Les quanttés n et n sont exprmées en mol et x est sans dmenson. 1. Une grandeur ntensve est une grandeur dont la valeur est ndépendante de la quantté de matère dans l échantllon, par opposton à une grandeur extensve dont la valeur dépend de cette quantté de matère. Toutes les grandeurs servant à exprmer la composton d une soluton sont ntensves parce qu elles sont le rapport de deux grandeurs extensves.

4 6 Chaptre 1 olutons onques Dans le cas d une soluton nfnment dluée : x soluté(s) 0, x solvant 1. Fracton massque ot masse() la masse de tout consttuant de la soluton. La fracton massque w de ce consttuant s exprme par le rapport de sa masse à la masse totale m : w = masse () = masse() avec w m masse() masse() et m sont exprmées dans la même unté de masse. w est sans dmenson. Fracton volumque ot V le volume occupé par le consttuant au sen de la soluton. La fracton volumque φ de ce consttuant s exprme par le rapport de V et du volume total de la soluton V : φ V V = ---- = avec φ V V V et V sont exprmées dans la même unté de volume et φ est sans dmenson. b) Pourcentages (ou compostons centésmales) Les quanttés précédentes peuvent être rapportées respectvement à 100 mol, 100 g ou 100 ml de mélange. n obtent alors : le % molare : x 100 le % en masse : w 100 le % en volume (v/v) : φ 100 Exemple 1.1. Les acdes mnéraux, tels l acde sulfurque ou l acde perchlorque, sont commercalsés en solutons dtes «concentrées». L eau y est mnortare, et malgré cela l usage est de la trater comme le solvant. La composton de ces solutons correspond aux azéotropes acde/ eau 1 car les acdes sont purfés par dstllaton. Les teneurs sont ndquées en % en masse : acde sulfurque à 98 % (98 g de H 2 4 dans 1. Mélanges acde eau qu, possédant un pont d ébullton supéreur à celu de l acde pur, ou de l eau pure, consttuent le dstllat.

5 1.2 Expressons de la composton d une soluton g de mélange, sot 98 g de H 2 4 pour 2 g d eau) ; acde perchlorque à 70 % (70 g de HCl 4 dans 100 g de mélange, sot 70 g de HCl 4 pour 30 g d eau). c) Concentratons molare et massque, molalté Concentraton molare La concentraton molare c d un consttuant est la quantté de matère de par unté de volume de soluton. c = n V La concentraton c est en mol L 1, n est en mol et V en L. Lorsque la dssoluton du consttuant génère pluseurs espèces X dans la soluton, les concentratons molares des espèces sont notées [X]. Exemple 1.2. La dssoluton de l acde éthanoïque CH dans l eau condut à l équlbre : CH + H 2 C +H 3 + La concentraton d acde éthanoïque ntrodut dans la soluton est écrte c CH3 CH alors que les concentratons des espèces présentes en soluton sont notées : [CH], [C ] et [H 3 + ]. La concentraton molare a été longtemps désgnée par le terme molarté, qu ne devrat plus être utlsé. Le symbole correspondant «M», pour l unté «mol L 1» n a pas été approuvé par la Conférence générale des pods et mesures, et l est fortement recommandé d écrre «mol L 1» en toutes lettres. Cependant, la commodté du symbole «M» fat qu l est resté en usage, et sera utlsé dans cet ouvrage à smple fn d alléger l écrture dans des corrgés d exercces. Concentraton massque La concentraton massque t d un consttuant est la masse de par unté de volume de soluton. t = masse() V t est en g L 1 s masse() est en g et V en L. Pour consttuer une soluton de concentraton molare ou massque donnée, l faut une balance pour peser le soluté, et un récpent volumétrque pour mesurer le volume de la soluton. Les volumes dépendant de la température, les concentratons molares et massques en dépendent également.