LABORATOIRES DE CHIMIE Préparation des solutions

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1 LABORATOIRES DE CHIMIE Préparation des solutions La préparation des solutions est un des actes majeurs de la chimie. Une solution se prépare toujours dans une fiole jaugée. Tout prélèvement se fait avec une pipette jaugée à 2 traits (plus précis) ou à 1 trait. Dans le cas où le volume du prélèvement ne correspond pas à la verrerie jaugée, on utilise une pipette graduée. Trois cas sont à distinguer. A. Préparation d une solution par dissolution d un composé solide 1. Objectif Préparer un volume V de solution de concentration molaire apporté c par dissolution d'un composé de masse molaire M. 2. Calcul La quantité de matière à dissoudre est : n = m M (m : masse à dissoudre) Or : c = n V => c = m M.V et m = c.m.v (avec m en g, M en g.mol-1, V en L et c en mol.l -1 ). Soit à préparer, par exemple, un volume V = 100,0 ml d'une solution de sulfate de cuivre (II) de concentration c = 1,00 x 10-1 mol.l -1 en soluté apporté, à partir de sulfate de cuivre (II), solide pentahydraté, de formule CuSO 4, 5 H 2 O et de masse molaire M = 249,7 g.mol -1. La masse à peser est : m = 1,00 x 10-1 x 249,7 x 100,0 x 10-3 = 2,50 g 3. Protocole a) Peser 1 précisément la masse m en prélevant le solide avec une spatule propre et sèche. b) Pour cela, le placer dans une capsule de pesée ou un verre de montre préalablement taré c) Introduire le solide dans une fiole jaugée de 100,0 ml avec un entonnoir à solide. Rincer la capsule de pesée (ou le verre de montre) et l entonnoir avec de l eau distillée : verser l eau de rinçage dans la fiole jaugée. c) 1 : voir le chapitre «Manipulations élémentaires».

2 d) Remplir la fiole jaugée aux trois quarts avec de l eau distillée. e) Après l avoir bouchée, agiter pour dissoudre le solide. d) e) f) Une fois la dissolution terminée, ajouter de l eau à la pissette. g) Terminer à la pipette simple pour ajuster au trait de jauge. f) g) h) Reboucher la fiole jaugée et la retourner plusieurs fois pour bien homogénéiser la solution. h) i) La solution est prête : elle peut être stockée dans un flacon, étiquetée et utilisée ultérieurement. i)

3 B. Préparation d une solution par dilution d une solution de concentration molaire connue 1. Objectif Préparer un volume V de solution (dite solution fille) de concentration molaire c en soluté apporté par dilution d'une solution (dite solution mère) de concentration molaire c 0 connue. 2. Calcul Une dilution ne change pas les quantités de matière : n 0 = n => c 0.V 0 = c.v (V 0 : volume de solution mère à diluer) et V 0 = (avec c et c 0 en mol.l -1, V et V 0 en L ou en ml). c.v c 0 Remarque : on peut aussi écrire V 0 = V F (F est le facteur de dilution : F = Soit à préparer, par exemple, un volume V = 50,0 ml d'une solution de permanganate de potassium de concentration c = 2,00 x 10-2 mol.l -1 en soluté apporté par dilution d'une solution mère de concentration c 0 = 1,00 x 10-1 mol.l , ,0 Le volume à prélever est : V 0 = = 10,0 ml 1 1, Protocole c 0 c ) a) Verser la solution à diluer dans un bécher. b) et c) Prélever 10,0 ml de solution mère à l aide d une pipette jaugée 2 (à 1 trait ou à 2 traits) munie d une propipette ou d un pipeteur d) et e) Introduire la solution prélevée dans une fiole jaugée de 50,0 ml. d) e) 2 : voir le chapitre «Manipulations élémentaires».

4 f) Remplir la fiole jaugée aux trois quarts avec de l eau distillée. g) Après l avoir bouchée, agiter pour favoriser la dilution. f) g) h) Une fois la dissolution terminée, ajouter de l eau à la pissette. i) Terminer à la pipette simple pour ajuster au trait de jauge. h) i) j) Reboucher la fiole jaugée et la retourner plusieurs fois pour bien homogénéiser la solution. j) k) La solution est prête : elle peut être stockée dans un flacon, étiquetée et utilisée ultérieurement. k)

5 C. Préparation d'une solution par dilution d'une solution commerciale de concentration molaire inconnue 1. Objectif Préparer un volume V de solution de concentration molaire c en soluté apporté par dilution d'une solution commerciale de densité d, de pourcentage massique P et de masse molaire M. 2. Calcul Remarque préliminaire : la densité d d un liquide est le rapport de la masse m d un m certain volume de ce liquide et de la masse m eau du même volume d eau : d = m. Or : m =.V et m eau = eau.v (avec et eau les masses volumiques respectives du liquide et de l eau) => d = et = d. eau : la masse volumique d un liquide eau s exprime (en g.cm -3 ) par le même nombre que sa densité. Soit à préparer, par exemple, un volume V = 200,0 ml d'une solution d'acide chlorhydrique de concentration c = 5,00 x 10-1 mol.l -1 en soluté apporté par dilution d'une solution commerciale de densité d = 1,16, de pourcentage massique P = 37,0 % et de masse molaire M = 36,5 g.mol -1. Calcul de la concentration molaire c 0 en soluté apporté de la solution commerciale : - 1,00 cm 3 de la solution commerciale a une masse de 1,16 g. - 1,00 L de la solution commerciale a une masse de 1,16 x 10 3 g. 3 1, , 0-1,00 L de la solution commerciale contient une masse m = g d acide 100 pur. 3 1, , 0-1,00 L de la solution commerciale contient une quantité n = mol ,5 d acide pur. La concentration molaire de la solution commerciale est : c 0 = 11,8 mol.l -1 Volume à prélever : c.v Le volume à prélever est V 0 = (voir paragraphe B.2). c Soit V 0 = 1 5, ,0 11,8 0 = 8,47 ml eau

6 3. Protocole Remarques préliminaires : - on est dans l obligation d utiliser une pipette graduée, - les pipettes n étant pas graduées au 1/00 ème de ml, on va prélever 8,50 ml de solution mère. La solution étant très corrosive et très concentrée, mettre des lunettes et des gants de protection. Verser la solution à diluer dans un bécher et, à l'aide d'une pipette graduée de 10,0 ml munie d une propipette (ou d un pipeteur), prélever 8,50 ml de solution. La solution prélevée est introduite dans une fiole jaugée de 200,0 ml contenant environ 100 ml d'eau distillée, afin de modérer l'élévation de température accompagnant la dilution et de limiter les éventuelles projections. La fin de la préparation est analogue à celle de la dilution d'une solution de concentration connue (voir paragraphe B.3.f à k).

7 D. Cas particulier : préparation, contrôle et ajustage de solutions d hydroxyde de sodium (soude) 3 L hydroxyde de sodium NaOH (s) se présente souvent sous forme de pastilles : il n'est pas toujours possible de peser la masse exacte nécessaire. C'est pourquoi on prépare une solution de concentration légèrement supérieure (solution plus riche) : cette solution est alors dosée à l'aide d'une solution étalon puis ajustée à la concentration voulue. Dans ce qui suit, on souhaite préparer un volume V = 250,0 ml d une solution de soude de concentration molaire c = 1,0 x 10-1 mol.l -1 en soluté apporté ( masse molaire de l hydroxyde de sodium : M = 40,0 g.mol -1 ). 1. Préparation de la solution plus riche Calcul de la masse à peser m = c.m.v (voir paragraphe A.2) soit : m = 1,00 x 10-1 x 40,0 x 250,0 x 10-3 = 1,0 g Préparation de la solution Selon le protocole décrit au paragraphe A.3, on pèse une masse d hydroxyde de sodium supérieure à la masse calculée (1,2 g par exemple) et on prépare la solution dans une fiole jaugée de 250,0 ml. 2. Dosage de la solution préparée Protocole Le dosage est effectué avec une solution d acide oxalique H 2 C 2 O 4. La réaction entre l acide oxalique et la soude est modélisée par l équation : C 2 H 2 O 4(aq) + 2 HO - (aq) = 2 H 2 O + C 2 O 4 2- (aq) Quand on effectue un dosage 4, on utilise une prise d'essai de façon que la chute de burette à l'équivalence (c'est à dire au moment du virage de l'indicateur coloré) soit de 10 à 20 ml (si ce volume est trop faible, le dosage n est pas assez précis et, s il est trop élevé, le contenu de la burette ne suffit pas). Dans le cas présent, on utilise une solution d'acide oxalique de concentration molaire c A = 7,5 x 10-2 mol.l -1 en soluté apporté. A l aide d une pipette jaugée 5, on prélève un volume V A = 10,0 ml de la solution d acide oxalique que l on verse dans un erlenmeyer de 100 ml. On ajoute quelque gouttes de phénolphtaléine (virage en milieu basique). On remplit la burette 6 avec la solution d hydroxyde de sodium préalablement préparée et on verse lentement la soude jusqu au virage au rose pâle de l indicateur coloré : on note alors le volume V E versé à cet instant (V E = 11,9 ml par exemple). 3 Source : Alain Drouglazet (académie de Poitiers). 4 : voir le chapitre «Techniques de dosage». 5 et 5 : voir le chapitre «Manipulations élémentaires».

8 Calcul de la concentration molaire c B de la solution préparée A l équivalence du dosage, la quantité d ions hydroxyde apportés par la solution d hydroxyde de sodium est égale au double de la quantité de molécules d acide oxalique initialement placées dans l erlenmeyer : n(ho - ) E = 2.n(C 2 H 2 O 4 ) 0 2.c A.VA Il s ensuit : c B.V E = 2.c A.V A et c B = V Soit : c B = 2 2 7, ,0 11,9 = 1,3 x 10-1 mol.l Ajustage de la solution d hydroxyde de sodium E Ajuster une solution plus riche (ici c B > 1,0 x 10-1 mol.l -1 ) c'est la diluer légèrement (c B étant proche de la valeur souhaitée) afin de réduire sa concentration pour l'amener à 1,0 x 10-1 mol.l -1 exactement. Calcul du volume V B de solution mère (solution plus riche) à prélever pour V B = c.v c B (voir paragraphe B.2) soit : V B = les chiffres significatifs). 1 1, ,0 1, = 192,3 ml (on garde ici tous Protocole Il n'existe pas d'instrument permettant de mesurer précisément ce volume V B à prélever en une seule fois. C'est pourquoi on mesure le volume V eau d'eau à ajouter pour faire cette dilution puis on complète avec la solution mère : V eau = V V B = 250,0 192,3 = 57,7 ml. Il n est pas possible de mesurer ce volume d eau en une seule fois avec une burette graduée. On utilise une éprouvette graduée bien choisie (de 100 ml par exemple). Le volume d eau ainsi mesuré est versé dans une fiole jaugée de volume V = 250,0 ml (cette fiole sera rincée préalablement avec la solution mère). On complète ensuite avec la solution mère jusqu au trait de jauge puis on homogénéise. Remarque : pour vérification, il est possible de doser la solution ainsi ajustée avec la solution d acide oxalique dans les mêmes conditions que précédemment.

9 E. Préparation de solutions tampons 1. Définition On appelle solution tampon, une solution dont le ph varie peu lorsque l on ajoute de faibles quantités d acides ou de bases. Elles peuvent être fabriquées en utilisant un mélange équimolaire d un acide faible et de sa base conjuguée. La composition d une solution tampon correspond à la partie sensiblement rectiligne des courbes de réaction entre un acide faible et une base forte, ou d une base faible et d un acide fort, au voisinage de la demi-équivalence. Exemples : - mélange équimolaire d une solution d acide éthanoïque et d une solution d éthanoate de sodium, - mélange équimolaire d ammoniaque et d une solution de chlorure d ammonium. Remarque : le sang, la salive, les sucs gastriques, le lait sont des milieux naturellement tamponnés. 2. Principe Le pk A d un couple acide-base HA (aq) /A - (aq) et le ph d une solution contenant ce couple sont HA(aq) liés par la relation : ph = pk A + log. A (aq) Lorsqu on est en présence d un mélange équimolaire des deux formes conjuguées du couple, la relation précédente devient : ph = pk A. La solution tampon a donc un ph égal au pk A du couple acide-base mis en jeu. 3. Recettes de préparation Ci-dessous, une liste non exhaustive de recettes qui couvre la gamme de ph réalisée avec des produits relativement courants : ph = 1,0 Mélanger 25,0 ml d une solution de chlorure de potassium à 0,20 mol.l -1 et 54,2 ml d acide chlorhydrique à 0,20 mol.l -1. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée ph = 2,0 Mélanger 25,0 ml d une solution de chlorure de potassium à 0,20 mol.l -1 et 5,9 ml d acide chlorhydrique à 0,20 mol.l -1. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée. ph = 3,0 Mélanger 50,0 ml d une solution d hydrogénophtalate de potassium (C 8 H 5 O 4 K) à 0,10 mol.l -1 et 22.3 ml d acide chlorhydrique à 0,10 mol.l -1. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée. ph = 4,0 Préparer 50,0 ml d une solution d hydrogénophtalate de potassium à 0,10 mol/l. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée.

10 ph = 5,0 Mélanger 50,0 ml d une solution d hydrogénophtalate de potassium à 0,10 mol.l ml de soude à 0,10 mol.l -1. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée. ph = 6,0 Mélanger 50,0 ml d une solution d hydrogénophtalate de potassium à 0,10 mol.l -1 45,0 ml de soude à 0,10 mol.l -1. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée. ph = 7,0 Mélanger 50,0 ml d une solution de dihydrogénophosphate de potassium (KH 2 PO 4 ) à 0,10 mol.l -1 et 29,1 ml de soude à 0,10 mol.l -1. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée. ph = 8,0 Mélanger 50,0 ml d une solution de dihydrogénophosphate de potassium à 0,10 mol.l -1 et 46,7 ml de soude à 0,10 mol.l -1. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée. ph = 9,0 Mélanger 50,0 ml de borax (tétraborate de sodium : Na 2 B 4 O 7 ) à 0,025 mol.l -1 et 4,6 ml d acide chlorhydrique à 0,10 mol.l -1. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée. ph= 10,0 Mélanger 50,0 ml de borax à 0,025 mol/l et 18,3 ml de soude à 0,10 mol/l. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée. ph = 11,0 Mélanger 50 ml d hydrogénophosphate de sodium (Na 2 HPO 4 ) à 0,050 mol.l -1 et 4,1 ml de soude à 0,10 mol.l -1. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée. ph = 12,0 Mélanger 50 ml d hydrogénophosphate de sodium à 0,050 mol/l et 26,9 ml de soude à 0,10 mol/l. Compléter à 100,0 ml avec de l eau distillée. F. Concentration molaire d une eau oxygéné à x volumes Une eau oxygénée à x volumes libère x litres de dioxygène par litre d eau oxygénée dismutée. L équation de la réaction de dismutation s écrit : 2 H 2 O 2 = 2 H 2 O + O 2 Dans un volume V = 1,0 L d eau oxygénée, on a une quantité d eau oxygénée n(h 2 O 2 ) telle que : n(h 2 O 2 ) = [H 2 O 2 ].V D après l équation de dismutation : n(o 2 ) = 1 2.n(H x 2O 2 ) = V = 1 2. [H 2O 2 ].V => [H 2 O 2 ] = 2x V.V et [H 2O 2 ] = m x 11, 2 (avec : V m = 22,4 L.mol -1 ) Remarque : on peut aussi calculer [H 2 O 2 ] avec le pourcentage (massique), la densité et la masse molaire (34 g.mol -1 ). m et et

11 G. Préparation d une solution de diiode Soit à préparer un volume V = 1,0 L d une solution de diiode de concentration c = 1,0 x 10-1 mol.l -1 en soluté apporté dans une solution d iodure de potassium. Travailler sour la hotte aspirante car les vapeurs de diiode sont très toxiques. Dans un mortier, broyer une masse m 1 = 33,2 d iodure de potassium KI (masse molaire M 1 = 166,01 g.mol -1 ), ce qui représente une quantité n 1 = 0,20 mol. Dissoudre dans environ 0,5 L d eau distillée en agitant. Dans un mortier, broyer une masse m 2 = 25,4 g de diiode bisublimé I 2 (masse molaire M 2 = 253,81 g.mol -1 ), ce qui représente une quantité n 2 = 0,10 mol. Verser dans la solution aqueuse d iodure de potassium. Compléter à 1,0 L avec de l eau distillée. Homogénéiser.