Concentration

Chimie 9
Concentration
CUEEP/USTL - SÉVERINE CANCIANI
Mai 2008
Table des matières
Table des matières
3
I - Qu'est ce qu'une solution ?
5
A. Définitions........................................................................................5
B. Solution : complément.......................................................................5
II - La dissolution
7
A. La dissolution du sucre.......................................................................7
B. Le chlorure de sodium........................................................................7
1. La dissolution du sulfate de cuivre..........................................................7
C. Conclusion........................................................................................8
III - Concentration
9
A. Concentration molaire d'une espèce en solution....................................9
1. Espéce X en solution............................................................................9
2. Exercice d'application...........................................................................9
B. Concentration molaire d'une solution...................................................9
C. Titre massique d'une solution............................................................10
1. Titre massique d'une solution..............................................................10
2. Exercice d'application.........................................................................10
D. Titre massique d'un constituant........................................................11
1. Titre massique d'un constituant...........................................................11
2. Exercice d'application.........................................................................11
IV - Préparation de solution au laboratoire
13
A. A partir d'une pesée........................................................................13
1. A partir d'une pesée...........................................................................13
2. Exercice d'application.........................................................................15
B. Préparation d'un solution par dilution d'une solution concentrée............15
1. Description.......................................................................................15
2. Exercice d'application.........................................................................18
Solution des exercices de TD
CUEEP/USTL - Séverine canciani
19
3
Qu'est ce qu'une
solution ?
I -
I
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......
A. Définitions
Solution
Le mélange homogène liquide est appelé solution
Soluté
La substance dissoute est appelée soluté
Solvant
L'eau, composant majoritaire du mélange, joue le rôle de solvant
Solution aqueuse
Lorsque le solvant est l'eau on parle de solution aqueuse.
B. Solution : complément
Solution = solvant + soluté
Une solution est électriquement neutre.
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5
II -
La dissolution
II
A. La dissolution du sucre
La vidéo est consultable 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 C6H12O6 ) n'a pas changé,
on parle alors de dissolution moléculaire.
Equation bilan
Cette dissolution peut être schématisée par l'équation-bilan suivante :
C6H12O6(solide) ---------> C6H12O6(aqueux)
La notation C6H12O6(solide) ou C6H12O6(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+ 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.
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.
1. La dissolution du sulfate de cuivre
Vous pouvez visualisez dans la vidéo suivante la dissolution du sulfate de cuivre
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La dissolution
CuSO4
La vidéo est consultable sur la version internet du cours
C. 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.
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III -
Concentration
III
Concentration molaire d'une espèce en solution
9
Concentration molaire d'une solution
9
Titre massique d'une solution
10
Titre massique d'un constituant
11
A. Concentration molaire d'une espèce en solution
1. 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 = mol.L-1
2. Exercice d'application
Un volume de 250 cm3 d'eau contient 0,20 mol de saccharose dissous.
Question
[Solution n°1 p 19]
Quelle est la concentration molaire en saccharose dans cette solution ?
B. Concentration molaire d'une solution
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 CoCl2 dans 500 cm3 d'eau. La
concentration de fabrication de la solution de chlorure de cobalt est égale à la
quantité de matière de CoCl2 divisée par le volume de la solution.
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9
Concentration
Concentration de la solution : C=
C=
nC oC l2
V
0 , 10
=0 , 2 0 m o l . L- 1
0 , 50 0
Complément
Lors de la dissolution d'1 mole de chlorure de cobalt il se forme 1 mole d'ions cobalt
(II) (Co2+) et 2 moles d'ions chlorure (Cl-) : CoCl2 (solide) ----------->Co2++ 2ClLa quantité d'ions chlorure en solution est le double de la quantité d'ion cobalt (II) :
n(Cl-) = 2 . n(Co2+) = 2 . n(CoCl2)
La concentration molaire en ions chlorure [Cl-] est donc le double de la
concentration de fabrication de la solution [Cl-]= 2 . C = 0,40 mol.L-1
[Co2+] = C = 0,20 mol.L-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 CoCl2 mais seulement des
ions distincts Co2+ et Cl- (en plus des molécules d'eau), la notation [CoCl2] n'a pas
de sens.
Remarque
Les concentrations de fabrication des solutions sont encore souvent notées M pour
mol.L-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 mol.L-1
C. Titre massique d'une solution
1. 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 g.L-1
2. Exercice d'application
La masse molaire de la soude (hydroxyde de sodium) est M(NaOH) = 40,0 g.mol-1.
Question
[Solution n°2 p 19]
Calculons le titre massique de la solution de soude précédente de concentration
molaire égale à 0,20 mol-1.
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Concentration
D. Titre massique d'un constituant
1. Titre massique d'un constituant
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(Mg2+) = 110 mg/L
2. Exercice d'application
Question 1
[Solution n°3 p 19]
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 g.L-1 ?
Question 2
[Solution n°4 p 19]
Calculer alors les concentrations molaires et massiques des espèces présentes en
solution. Masses molaires : M(Na ) = 23 g.mol-1, M(Cl) = 35,5 g.mol-1.
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Préparation de
solution au
laboratoire
IV
IV -
A partir d'une pesée
Préparation
concentrée
d'un
13
solution
par
dilution
d'une
solution
15
A. A partir d'une pesée
1. A partir d'une pesée
Description
On souhaite préparer un volume V = 100,0 mL d'une solution de sulfate de cuivre
(II) de concentration C = 1,00 mol.L-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 CuSO4. On écrit sa formule : CuSO4, 5H2O
La quantité de matière de sulfate de cuivre contenue dans le volume V est
n(CuSO4) = 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(CuSO4, 5H2O) = n(CuSO4) = 0,100 mol
La masse de solide à prélever est donc
m(CuSO4, 5H2O = n(CuSO4, 5H2O) .
M (CuSO4, 5H2O) comme M(CuSO4, 5H2O)=M(Cu) + M(S) + 9.M(O) + 10.M(H) =
249,7 g.mol-1
Il faut prélever m(CuSO4, 5H2O) = 0,100 . 249,7 = 0,250 g
a) Réalisation pratique
Etape 1
Peser le sulfate de cuivre hydraté dans un petit becher ou dans un sabot de pesée
(après avoir taré le récipient)...
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Préparation de solution au laboratoire
Etape 2
...en l'entraînant avec un peu d'eau (pissette), introduire le solide dans une fiole
jaugée de 100 cm3...
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)...
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Préparation de solution au laboratoire
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).
2. Exercice d'application
On souhaite préparer 0,5L de solution de sulfate de zinc (Zn2+, SO42-) de
concentration égale à 0,1 mol.L-1 par pesée de sulfate de zinc ZnSO4 solide.
Question
[Solution n°5 p 19]
Déterminer la masse de sulfate de zinc nécessaire.
Quelle est la verrerie à utiliser ?
Masse molaire : M(Zn) =65,4 g.mol-1, M(O) =16 g.mol-1, M(S) = 32 g.mol-1
B. Préparation d'un solution par dilution d'une
solution concentrée
1. 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 ».
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Préparation de solution au laboratoire
On souhaite préparer un volume V = 50,0 mL d'une solution de permanganate de
potassium(KMnO4) de concentration C=2,00 .10-2 mol.L-1 à partir d'une solution
mère de concentration C'=0,100 mol.L-1.
La quantité de permanganate de potassium contenue dans la solution diluée est :
n(KMnO4) = C . V = 50,0 . 10-3 . 2,00 . 10-2 = 1,00 . 10-3 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(KMnO4) = C' . V' = 1,00 . 10 -3 mol on en
déduit que V' = = 1,00 . 10-2 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.
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.
a) 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)...
Etape 3
...ajouter de l'eau jusqu'au trait de jauge (marque 50,0 mL sur le col de la fiole)...
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Préparation de solution au laboratoire
Etape 4
...boucher et homogénéiser...
Etape 5
...conserver la solution dans un flacon approprié.
2. Exercice d'application
Question
[Solution n°6 p 20]
On désire préparer V2=100 mL d'une solution de sulfate de sodium (2 Na+, SO42-)
de concentration C2 égale à 0,010 mol.L-1 en diluant une solution de sulfate de
sodium de concentration égale à c1 = 0,10 mol.L-1.
Précisez la verrerie à utiliser.
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Solution des
exercices de TD
> Solution n°1 (exercice p. 9)
La concentration du saccharose en solution est [saccharose] =
0,20
=0,80 mol.L−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.
> Solution n°2 (exercice p. 10)
Un volume V = 1,00 L contient une quantité d'hydroxyde de sodium n(NaOH) =
0,20 mol.
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  N a O H =
m N a O H 
=8 , 0 g . L-1
V
> Solution n°3 (exercice p. 11)
La masse de chlorure de sodium nécessaire est m(NaCl) = t.V = 11,7.2,5 = 29,25g
Quantité de matière de NaCl mise en solution :
n  N a C l =
m N a C l  2 9 , 9 5
=
=0 , 5 mo l
M  N a C l  58 , 5
Or n(NaCl) = n(Na+) = n(Cl-) = 0,5 mol
Par conséquent : [ N
a + ]=[ C l - ]=
n  N a+  0 ,5
=
=0 , 2 mo l . L -1
V
2 ,5
> Solution n°4 (exercice p. 11)
Pour calculer les concentrations massiques ioniques :
t(Na+) = [Na+].M(Na) = 0,2.23 = 4,6 g.L-1
t(Cl-)= [Cl-].M(Cl) = 0,2.35,5 = 7,1 g.L-1
> Solution n°5 (exercice p. 15)
La quantité de matière à peser sera égale à :
n(ZnSO4) = c(ZnSO4)).V = 0,1.0,5 = 0,05 mol
m(ZnSO4)) = n(ZnSO4)).M(ZnSO4)) = 0,05.161,4 = 8,07 g
On dissoudra cette masse de sulfate de zinc dans une fiole jaugée de 500mL.
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Annexes
> Solution n°6 (exercice p. 17)
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 ( Na2SO4) = C2.V2 = 0,010.0,100 = 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 ( Na2SO4) = C2.V2 = C1.V1
On en déduit
V 1=
C 2 .V 2
=0 , 0 0 10 /0 ,1 0=0 ,0 1 L
C1
On utilisera donc la pipette jaugée de 10 mL.
20
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