Chapitre 7 : Les quantités de matière en chimie : comment compte t-on?

Transcription

1 Chapitre 7 : Les quantités de matière en chimie : comment compte t-on? Introduction : Dans la vie courante, on compte les quantités de matière à l'état :...,..., ou... généralement en utilisant la notion de... (unité :...) et l'instrument physique de mesure est la.... Parfois, pour les liquides ou les gaz, on utilise la notion de... (unité :... ou... avec l'équivalence :... =...), et on peut, de toute manière revenir du... à la... en passant par la masse volumique (unité :... ou...) par la relation :... On va maintenant voir que le chimiste ne peut se contenter de ces deux grandeurs! I) La mole Question préliminaire : "Quel est le point commun entre ces 5 situations?" ) Nécessité d'un comptage particulier : la môle Pourquoi masse et volume ne suffisent ils pas à déterminer la quantité de matière d'une espèce chimique donnée? Il faut se tourner vers ce qui intéresse au plus haut point les chimistes : les réactions chimiques... En effet, on sait déjà comment sont modélisées les réactions chimiques : par une qui décrit quelles espèces chimiques doivent se... (...) et les espèces chimiques qui se... (...). Exemple (combustion du butane, gaz de ville) : 2 C 4 H O 2 8 CO H 2 O Cela signifie que : il faut... molécules de butane pour... molécules de dioxygène pour produire... molécules de dioxyde de carbone et... molécules d'eau.

2 Dans cette réaction, connaître la masse est..., cette réaction a lieu quelle que soit la masse de ces molécules. Seules les... en termes de nombre de molécules est important ici, pour savoir combien disparaissent, combien apparaissent... Réaction chimique : pour connaître les quantités de matière lors d'une réaction chimique, il faut connaître le nombre d'espèces chimiques, leur masse importe peu. 2) Les espèces chimiques regroupées en "paquets" Compte t-on, alors, directement, les espèces chimiques? Pour y répondre, un petit calcul s'impose : 56 "L atome de fer est représenté symboliquement par 26Fe. Les protons et les neutrons ont des masses presque égales : m n ~ m p = 1, kg. On considère un bloc de fer de masse m = 100 g" a) Calculer la masse approchée d'un atome de fer (notation scientifique). b) Calculer le nombre N d'atomes contenus dans 100g de Fer. Le nombre d espèces chimiques (atomes, molécules ou ions) qui constituent un échantillon de matière à l échelle macroscopique (c est à dire à l échelle humaine) est toujours gigantesque. Pour éviter de manipuler des nombres aussi grands, le chimiste comptabilise ces entités par paquets... tout comme dans la vie courante, dont voici quelques exemples : Boîte d'oeufs :...,..., Rames de papier :... ou... Boîte de comprimés :...,... ou ou...

3 3) Définition de la môle Les chimistes ont donc défini une nouvelle grandeur appelée "quantité de matière", notée n, dont l'unité est la mole (mol). Les normes internationales ont fixé dans les années 1970, la quantité de matière comptant pour 1 mole... Une mole d entités (atomes, molécules ou ions) est un paquet d espèces chimiques (atomes, ions ou molécules) contenant autant d entités qu il y a d atomes 12 dans 12 g de carbone C 6. Application : Calculer la quantité d'atomes contenus dans 12 g de Carbone :... Par déduction, 1 mole correspond donc à... entités (atomes, molécules ou ions) d'une espèce chimique donnée. Ce nombre est noté : N A =... : c'est la constante d'avogadro. (du nom du chimiste italien ayant travaillé sur cette notion primordiale de chimie et sur les gaz, au début du XIX ème siècle). 4) Les quantités de matière Amadeo Avogadro ( ) La quantité de matière d un échantillon constitué d atomes est le nombre n de moles d espèces chimiques (le nombre de "paquets", donc) que contient l échantillon de matière Application : Calculer la quantité de matière de Fer (contient des...) contenue dans un bloc de 100g. Conclusion : On peut calculer la quantité de matière de n'importe quelle entité par la relation :...

4 Remarque : En revanche, on n'utilisera quasiment jamais cette relation, car connaître le nombre réel d'espèces chimiques, sachant que c'est un nombre... n'est pas intéressant et surtout pas... d'un point de vue calculatoire, donc on se contentera de compter par "paquets", donc en môles! Mais comment, alors, relier une quantité de matière n (nombre de paquets) avec les grandeurs réellement mesurables : masse et volume? II)La masse molaire 1) Masse molaire atomique La masse molaire (notée M) d une espèce chimique est la masse d 1 mole de cette espèce chimique. Elle s exprime en... Masse molaire atomique : Exemples : trouver les masses molaires M des atomes suivants (dans le tableau périodique de votre livre ou de la classe...) : M(H) =... M(C) =... M(N) =... M(O) =... M(Cl) =... M(Na) =... 2) Masse molaire moléculaire Le calcul de la masse molaire moléculaire est obtenue à partir de la masse molaire de tous ses constituants, donc pour une molécule X x Y y : M(X x Y y ) = x.m(x) + y.m(y) Exemples : calculer les masses molaires des molécules suivantes : M(H 2 O) =... M(CO 2 ) =... M(Fe 3 O 4 ) =... 3) Masse molaire des ions Les ions ont juste... ou... des électrons, dont la masse est négligeable devant celle des nucléons, donc, pour connaître la masse molaire d'un ion, on va... la charge de cet ion et le considérer comme un atome (ion monoatomique) ou une molécule (ion polyatomique). Exemples : M(Fe 3+ ) ~ M(...) =... M(SO 4 2- ) ~ M(...) =...

5 4) Relation Masse Molaire et quantité de matière La quantité de matière n (mol) est donnée à partir de la masse m (g) de l'espèce chimique et de sa masse molaire M (g.mol -1 ) par la relation :... III) Les quantités de matière en pratique : Comment manipuler des quantités de matière au laboratoire? 1) Espèces chimiques solides On peut manipuler des quantités de matière de produits chimiques solides purs, en accédant à l'information de... de ces composés à l'aide d'une... de précision. Pour accéder à la quantité de matière, on utilise la relation suivante : balance de précision Pour prélever une quantité de matière de produit solide, on utilise : Question : "Quel problème se pose lorsque le produit n'est pas pur?" 2) Espèces chimiques liquides Pour une espèce chimique liquide, 2 cas se présentent, soit on dispose d'un liquide... ou d'une dans laquelle un... a dissous une espèce chimique solide ionique ou moléculaire (appelé...). Pour prélever un volume de liquide, on utilise une accompagnée de sa... (voir ci contre, à gauche). Pour prélever quelques gouttes d'un liquide, on utilise une (voir ci contre, à droite)

6 a) Liquide pur On peut manipuler une quantité de matière concernant un liquide pur en connaissant sa , qui nous permet d'accéder à l'information de masse à partir d'un volume de ce liquide pur, par la relation :... Enfin, comme précédemment, on déduit la quantité de matière n à partir de la relation :... b) Solution aqueuse contenant une espèce chimique Lorsque cette fois ci, une espèce chimique est dissoute dans une solution aqueuse, alors on parle de... de cette espèce chimique, qui correspond à la quantité de matière n de cette espèce chimique présente dans un volume V donné de solution. On a la relation :... Pour préparer des solutions aqueuses de concentrations données, on peut utiliser les 2 techniques de... et..., et on utilise les (voir ci-contre) pour contrôler précisément les volumes de solutions préparées (voir TP n 4 et 5). Lors d'une dilution, on peut obtenir une solution aqueuse de concentration donnée, à partir d'une solution aqueuse... concentrée. On utilise la grandeur appelée qui permet d'obtenir le rapport des concentrations désiré et de choisir le volume... Vi et le volume de la fiole jaugée Vf, soit :... 3) Concentrations d'une espèce chimique Dès lors qu'on maîtrise les notions de masse, de volume et de quantités de matière d'une espèce chimique, on peut, dans le cas d'une espèce chimique présente dans un solution aqueuse, définir la notion de concentration, qui est en fait la... de cette espèce chimique présente dans un...

7 de solution aqueuse. Si cette quantité est mesurée en..., alors on parlera de concentration..., et si on mesure cette quantité en..., alors on parlera de concentration..., et donc, on a : Concentration massique : Concentration molaire : Remarque : pour les dissolutions et les dilutions, les raisonnements, notamment pour l'utilisation du rapport de dilution restent les mêmes! IV) Récapitulatif des formules utilisables Cas des solides

8 Cas des liquides purs Cas des solutions aqueuses