CH 13 Les Solutions.

Sciences physiques
CH 13
I- Dissolution d’une espèce chimique.
1)- Définitions.
2)- Exemple.
3)- Solution saturée.
4)- Propriétés des solutions.
CH13 Les solutions.
Les Solutions.
II- Concentration d’une solution.
1)- Concentration massique ou teneur massique.
2)- Concentration molaire.
3)- Relation entre quantité de matière, masse, volume et
concentrations.
4)- Notation.
5)- Calcul d’une concentration.
III- Préparation de solutions
aqueuses.
IV- Applications.
1)- Le matériel utilisé.
1)- QCM : QCM Questy
2)- Dissolution d’une espèce solide
moléculaire.
2)- Exercices :
3)- Dilution d’une solution aqueuse.
Exercices
a)- Exercice 1 : Connaître les constituants d’une solution.
b)- Exercice 3 : Calculer une concentration massique.
c)- Exercice 5 : Calculer une concentration molaire.
d)- Exercice 8 : Préparer une solution par dissolution.
e)- Exercice 12 : Solution aqueuse pour décontamination de
lentilles de contact.
f)- Exercice 13 : à boire avec modération.
g)- Exercice 15 : diluer un berlingot d’eau de Javel.
h)- Exercice 17 : L’arnica : un médicament homéopathique.
i)- Exercice 19 : solution de Dakin.
1
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
I- Dissolution d’une espèce chimique.
1)- Définitions.
►
Lorsqu’on dissout une espèce chimique dans un liquide on obtient une solution.
►
L’espèce chimique dissoute est appelée le soluté.
►
Le liquide dans lequel on dissout l’espèce chimique est appelé le solvant.
►
Si le solvant utilisé est l’eau, on obtient une solution aqueuse.
2)- Exemple.
Dissolution du sucre (le glucose) dans l’eau C 6 H 12 O 6 (s).
On obtient une solution sucrée qui est une solution aqueuse qui contient des molécules de glucose C 6 H 12 O 6
(aq).
Dissolution du permanganate de potassium dans l’eau K Mn O 4 (s).
On obtient une solution aqueuse colorée qui contient des ions permanganate Mn O 4 – (aq) et des ions
potassium K +(aq).
Dissolution de chlorure de sodium dans l’eau NaCl (s).
-
On obtient une solution aqueuse salée qui contient des ions chlorure Cl – (aq) et des ions sodium Na +(aq).
2
Sciences physiques
►
CH13 Les solutions.
Remarque : dans l’eau, on peut dissoudre des solides, des liquides ou des gaz.
Solides
Glucose
Chlorure de sodium
Liquide
éthanol
gaz
Dioxygène
Dioxyde de carbone
-
Certaines espèces chimiques sont insolubles dans l’eau comme le sable, l’huile.
-
Une espèce chimique est insoluble dans l’eau si on la retrouve tel quelle et présence d’eau.
-
Exemple : le diiode est très peu soluble dans l’eau.
-
Le soluté n’est pas totalement dissous.
-
La solution obtenue est saturée.
-
Il y a dans ce cas un dépôt de solide au fond du récipient. La solution n’est pas homogène.
3)- Solution saturée.
Exemple : on ne peut pas dissoudre plus de 350 g de chlorure de sodium pour disposer d’un litre de solution à 25
° C.
-
Au-delà de cette masse, le chlorure de sodium ne se dissous plus.
-
On est en présence d’une solution saturée dans laquelle on observe un dépôt de soluté au fond du récipient.
-
Une solution est saturée lorsque le soluté introduit n’est pas totalement dissous.
-
Une solution dans laquelle après agitation, tout le soluté solide introduit n’a pas disparu, est une solution saturée.
4)- Propriétés des solutions.
►
Une solution est un liquide homogène contenant plusieurs constituants.
►
L’espèce chimique mise en solution peut être constituée de :
►
Molécules (solide moléculaire, liquide ou gaz)
►
D’ions (solides ioniques).
-
Le soluté est ionique si la solution obtenue est formée d’ions parmi des molécules d’eau.
-
C’est le cas de la solution aqueuse de sulfate de cuivre II.
-
La solution contient des ions cuivre II Cu 2+ (aq) et des ions sulfate SO 4 2– (aq).
-
Lors de la réalisation de la solution avec le cristal ionique, le soluté réagit avec l’eau.
3
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
Le soluté est moléculaire si la solution obtenue contient des molécules de soluté (soluté moléculaire) et des
molécules d’eau.
-
Lors de la réalisation de la solution, le soluté de réagit pas avec l’eau.
-
C’est le cas de la solution de saccharose (C 12 H 22 O 11) et de celle du diiode I 2.
La solution de saccharose contient des molécules de saccharose et celle de diiode contient des molécules de diiode
et bien sur des molécules de solvant : l’eau.
-
Remarque : il se peu que le soluté moléculaire réagisse partiellement avec l’eau pour donner des ions.
-
La solution aqueuse contient alors : des ions et des molécules de soluté n’ayant pas réagi.
-
En conséquence :
-
►
De manière générale, une solution aqueuse peut contenir
►
Des molécules
►
Des ions
►
Des molécules et des ions.
Pour séparer le soluté du solvant, il faut effectuer : Soit une distillation, soit une évaporation.
4
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
II- Concentration d’une solution.
1)- Concentration massique ou teneur massique.
a)- Définition :
► La concentration massique d’une espèce chimique est la masse de cette
espèce chimique dissoute dans un litre de solution
-
Relation :
Cas d’une espèce chimique A
-
►
t (A) concentration massique en soluté apporté en g / L
►
m (A) masse de soluté apporté en g.
►
V = V sol volume de la solution aqueuse obtenue en L.
Exemple : Étiquettes d’une eau minérale.
Eau de source de montagne
Analyse moyenne
Calcium (Ca 2+)
64,5 mg / L
2+
Magnésium (Mg )
3,5 mg / L
+
Sodium (Na )
12,0 mg / L
+
Potassium (K )
0,5 mg / L
–
Fluorure (F )
< 0,1 mg / L
–
Hydrogénocarbonate (HCO3 ) 195,0 mg / L
Chlorure (Cl – )
20,0 mg / L
2–
Sulfate (SO4 )
6,0 mg / L
–
Nitrate (NO3 )
2,5 mg / L
–
Nitrite (NO2 )
< 0,05 mg / L
Résidu sec à 180 ° C : 223,0 mg / L
-
L’étiquette donne la concentration massique des ions présents dans l’eau minérale.
5
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
2)- Concentration molaire.
a)- Définition.
► La concentration molaire d’une espèce chimique en solution est
la quantité de matière de soluté présente dans un litre de solution.
-
Relation :
Cas d’une espèce chimique A
-
►
C (A) concentration molaire en soluté apporté en mol / L
►
n (A) quantité de matière de soluté apporté en mol.
►
V = V sol volume de la solution aqueuse obtenue en L.
Exemple :
Les résultats d’analyses médicales indiquent les concentrations massiques et molaires des espèces chimiques
dosées dans le sang.
6
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
3)- Relation entre quantité de matière, masse, volume et concentrations.
-
On considère l’espèce chimique A de masse molaire M (A).
-
On peut écrire les trois relations suivantes :
Cas d’une espèce chimique A
-
►
n (A) quantité de matière de l’espèce A en mol.
►
m (A) masse de l’espèce A en g.
►
►
M (A) masse molaire de l’espèce A en g / mol
C (A) concentration molaire en soluté apporté en mol / L
►
n (A) quantité de matière de soluté apporté en mol.
►
►
V = V sol volume de la solution aqueuse obtenue en L.
t (A) concentration massique en soluté apporté en g / L
►
m (A) masse de soluté apporté en g.
►
V = V sol volume de la solution aqueuse obtenue en L.
On en déduit la relation liant la concentration massique et la concentration molaire.
-
ou -
4)- Notation.
-
Cas d’une solution qui contient des molécules de soluté X. Il y a deux façons de noter la concentration :
Soit CX ou [X] .
-
Exemple : Pour une solution aqueuse de diiode de concentration 0,020 mol / L, on peut écrire :
-
C (I 2) ≈ 0,020 mol / L ou [ I 2] ≈ 0,020 mol / L
Car la solution aqueuse contient des molécules de diiode parmi des molécules d’eau.
Cas d’une solution ionique.
Exemple : une solution aqueuse de sulfate de cuivre II.
C (CuSO 4) ≈ 0,020 mol / L ou [Cu 2+ ] ≈ 0,020 mol / L et [SO4 2 –] ≈ 0,020 mol / L
Mais l’écriture : [CuSO 4] ≈ 0,020 mol / L n’a pas de sens car la molécule de formule CuSO 4 n’existe pas.
Le cristal de sulfate de cuivre II de formule CuSO 4 est un cristal ionique dans lequel il y a en proportion, un ion
cuivre II pour un ion sulfate.
Ceci est une formule statistique.
-
La solution aqueuse obtenue contient autant d’ions cuivre II que d’ions sulfate.
7
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
5)- Calcul d’une concentration.
Application 1 : L’éthanol est un alcool que l’on retrouve dans les boissons alcoolisées. Sa formule brute est
C2 H6 O.
-
-
L’éthanol a une structure moléculaire. Donner sa formule développée et sa formule semi-développée.
Dans une fiole jaugée de 100 mL, on introduit 0,020 mol d’éthanol, puis on complète avec de l’eau distillée
jusqu’au trait de jauge.
-
On mélange afin d’homogénéiser la solution.
-
Calculer la concentration en éthanol de la solution obtenue.
-
Application 2 :
On dissout une masse m = 5,5 g de glucose dans de l’eau distillée. La solution obtenue a un volume
V = 100 mL.
-
Calculer la concentration molaire en glucose de la solution préparée. M (C6 H12 O6) = 180 g / mol.
-
Réponse :
-
Dans un premier temps, il faut déterminer la quantité de matière de glucose utilisé
-
Quantité de matière de glucose utilisé :
-
(1)
Avec n quantité de matière en mol, m la masse du morceau de sucre en g et M la masse molaire du glucose en
g / mol.
-
-
Concentration en glucose de la solution :
(2)
En combinant (1) et (2) :
-
8
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
III- Préparation de solutions aqueuses.
1)- Le matériel utilisé.
-
La balance qui sert à peser les espèces chimiques solides et liquides.
-
Les capsules et verres de montre qui peuvent contenir des solides (on les utilise lors des pesées)
Les récipients comme les béchers et erlenmeyers qui peuvent contenir des espèces chimiques liquides ou des solutions
aqueuses.
-
La verrerie qui permet la mesure du volume d’une solution :
-
l’éprouvette graduée, la pipette jaugée, la pipette graduée, la fiole jaugée et la burette graduée.
-
Une pipette simple pour ajuster les volumes et une pissette d’eau distillée.
Burette
Graduée
9
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
2)- Dissolution d’une espèce solide moléculaire.
Application 3 :On souhaite préparer un volume V = 100 mL d’une solution aqueuse de glucose de concentration
C = 0,100 mol / L à partir de glucose solide.
M (C6 H12 O6) = 180 g / mol
Indiquer le matériel utilisé et donner le mode opératoire.
Déterminer la masse de glucose nécessaire à la préparation de la solution.
Matériel utilisé : une balance pour peser le glucose, un verre de montre, un entonnoir, une fiole jaugée de 100 mL et de
l’eau distillée.
Mode opératoire :
On pèse la masse m de soluté au moyen d’une balance. .
On place le soluté dans un récipient et on utilise la fonction tare de la balance pour lire directement la masse du contenu
du récipient.
On introduit le solide dans une fiole jaugée de volume V = 100 mL en utilisant un entonnoir.
On rince le récipient utilisé et l’entonnoir avec une pissette d’eau distillée. L’eau de rinçage doit couler dans la fiole
jaugée.
On remplit la fiole jaugée environ aux trois quarts avec de l’eau distillée et on agite pour accélérer la dissolution et
homogénéiser la solution.
On complète avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge.
On ajuste le niveau avec une pipette simple.
On bouche et on agite pour homogénéiser.
Masse de glucose nécessaire : On connaît la concentration C de la solution et son volume V. On peut en déduire la
quantité de matière nécessaire : n = C . V (1)
Masse de glucose nécessaire : m = n . M (2) En combinant (1) et (2) : m = C . V . M
Application numérique : m ≈ 0,100 x 0,100 x 180 m ≈ 1,80 g
Schématisation des différentes étapes :
Protocole
10
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
Fiole jaugée de 100 mL
11
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
3)- Dilution d’une solution aqueuse.
a)- Principe de la dilution.
-
Diluer une solution, c’est en ajoutant du solvant, préparer une nouvelle solution moins concentrée que la
solution initiale.
Lors d’une dilution, la concentration molaire du soluté diminue, mais sa quantité de matière ne change pas.
On dit qu’au cours d’une dilution, la quantité de matière de soluté se conserve.
La solution de départ est appelée la solution mère et la solution diluée est appelée la solution fille.-
-
Si A représente l’espèce présente dans la solution.
La quantité de matière n (A) de cette espèce est la même dans la solution mère et dans la solution fille.
Il y a conservation de la quantité de matière de soluté :
La quantité de matière de soluté présente dans la solution mère : n (A) = C 1 . V 1 (1)
Conséquence :
La quantité de matière de soluté présente dans la solution fille : n (A) = C 2 . V 2 (2)-
-
Avec obligatoirement V 1 < V 2 . -
Le facteur de dilution
, F est toujours supérieur à 1.
b)- Réalisation pratique d’une dilution.
La dilution nécessite d’effectuer des mesures précises de volumes. On utilise pour ces opérations le matériel
suivant :
Burette graduée, ou pipette graduée ou jaugée, fiole jaugée.
Application 4 : On désire préparer une un volume V1 = 200 mL d’une solution de diiode de concentration
C1 = 1,0 x 10-3 mol / L à partir d’une solution mère de diiode de concentration C = 2,0 x 10-2 mol / L.
Déterminer le volume de solution mère nécessaire à la préparation de la solution. Indiquer le matériel utilisé et donner le
mode opératoire.
-
Réponse : Au cours de la dilution, il y a conservation de la quantité de matière de soluté :
-
si on note n la quantité de matière de soluté utilisé :
Matériel : Récipient : bécher ou erlenmeyer. Matériel permettant la mesure précise de volumes :Une pipette jaugée de 10
mL muni de sa propipette, une fiole jaugée de 200 mL, pipette simple pour ajuster le volume.
Solutions : solution mère et pissette d’eau distillée.
12
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
Mode opératoire :
-
On verse un peu de solution mère dans un bécher (on ne pipette jamais dans le récipient qui contient la solution mère).
On prélève le volume V = 10 mL à l’aide d’une pipette jaugée muni de sa propipette.
On verse le volume V = 10 mL dans une fiole jaugée de 200 mL.
On remplit la fiole jaugée environ aux trois quarts avec de l’eau distillée. On mélange.
On complète avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge.
On ajuste le niveau avec une pipette simple.
On bouche et on agite pour homogénéiser.
Schématisation des différentes étapes :
Deuxième étape :
Première étape :
Troisième étape :
On prélève le volume
nécessaire de solution
Mère à l’aide d’une
pipette jaugée munie de sa
propipette
Verser suffisamment de
solution Mère dans un bécher
On verse le volume nécessaire
de solution dans la fiole jaugée
de volume approprié..
On ne pipette jamais directement dans le
flacon qui contient la solution Mère
Cinquième étape :
Quatrième étape :
On ajoute de l’eau distillée et on agite,
mélanger et homogénéiser
On complète avec une
pissette d’eau distillée
jusqu’au trait de jauge.
Sixième étape :
On agite pour homogénéiser.
La solution est prête.
IV- Applications.
1)- QCM : Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).
Énoncé
1
Dans une solution aqueuse de diiode
A
B
C
Le soluté
Le solvant
Le soluté
Répon
se
BC
13
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
est l’eau
2
Une solution aqueuse est saturée lorsque :
3
Unr ampoule contient du gluconate de
magnésium à 5,0 mg / L. Cette valeur est :
4
5
Une solution de volume 0,10 L contient 0,50 g
de saccharose dissous. La concentration
massique en saccharose est :
Une solution de volume 500 mL contient 500
mmol de saccharose. La concentration molaire
en saccharose est :
Les deux solutions de diiode ci-dessous ont
même teinte
6
Le soluté
est
totalement
dissous
Une
concentrati
on
massique
est l’eau
Il reste du
soluté non
dissous
est le
diiode
Il y a
autant de
soluté que
de solvant
B
Une
concentrati
on molaire
Une masse
molaire
A
0,50 g / L
5,0 g / L
50 g / L
B
1,00 mol /
L
100 mol /
L
0,100 mol /
L
A
Elles ont la
même
concentrati
on molaire
Elles
contiennen
t la même
quantité de
matière
Elles ont la
même
concentrati
on
massique
AC
Une
pipette
graduée
Une
pipette
jaugée
Une fiole
jaugée
B
1,58 g
15,8 g
0,158 g
B
C 1 ≈ 10
mol / L
C 1 ≈ 2,5
mol / L
C 1 ≈ 0,40
mol / L
C
Une fiole
jaugée de
100,0 mL
et une
pipette
jaugée de
10,0 mL
Un bécher
de 100 mL
et une
pipette
graduée de
10,0 mL
Une fiole
jaugée de
200,0 mL
et une
pipette
jaugée de
20,0 mL
AC
La verrerie ci-dessous est :
7
8
9
1
0
Pour préparer 1,0 L d’une solution de
permanganate de potassium (solide de masse
molaire 158 g / mol) à la concentration molaire
0,10 mol / L, il faut peser une masse de :
Une solution mère de concentration molaire C 0
= 2,0 mol / L est diluée 5 fois. La concentration
C 1 de la solution fille est :
Pour diluer précisément 10 fois une solution
mère, on peut utiliser :
14
Sciences physiques
CH13 Les solutions.
2)- Exercices :
a)- Exercice 1 : Connaître les constituants d’une solution.
b)- Exercice 3 : Calculer une concentration massique.
c)- Exercice 5 : Calculer une concentration molaire.
d)- Exercice 8 : Préparer une solution par dissolution.
e)- Exercice 12 : Solution aqueuse pour décontamination de lentilles de contact.
f)- Exercice 13 : à boire avec modération.
g)- Exercice 15 : diluer un berlingot d’eau de Javel.
h)- Exercice 17 : L’arnica : un médicament homéopathique.
i)- Exercice 19 : solution de Dakin.
15