chimie 9 concentration -...

Chi

mie

9Concentration

Mai 2008

CUEEP/USTL - SÉVERINE CANCIANI

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 19

CUEEP/USTL - Séverine canciani3

I - Qu'est ce qu'unesolution ?

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

SolutionLe mélange homogène liquide est appelé solution

SolutéLa substance dissoute est appelée soluté

SolvantL'eau, composant majoritaire du mélange, joue le rôle de solvant

Solution aqueuseLorsque le solvant est l'eau on parle de solution aqueuse.

B. Solution : complément

Solution = solvant + soluté Une solution est électriquement neutre.


II - La dissolution II

A. La dissolution du sucre

La vidéo est consultable sur la version internet du cours

ExpérienceSi 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 bilanCette 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

ExpérienceSi 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


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.


La dissolution

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 cobaltPrenons 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.


Concentration de la solution : C=nC oC l 2V

C= 0 ,100 ,50 0

=0 ,20mol . L- 1

ComplémentLors 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++ 2Cl-

La 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.

RemarqueLes 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=mV

Si la masse est exprimée en g et le volume en L alors le titre massique est en g.L-1


La masse molaire de la soude (hydroxyde de sodium) est M(NaOH) = 40,0 g.mol-1.


Calculons le titre massique de la solution de soude précédente de concentration molaire égale à 0,20 mol-1.


Concentration

D. Titre massique d'un constituant

1. Titre massique d'un constituant

Titre massique d'un constituantSi 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 minéraleSur 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


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.


Concentration

IV - Préparation desolution aulaboratoire

IV

A partir d'une pesée 13

Préparation d'un solution par dilution d'une solution

concentrée 15

A. A partir d'une pesée

1. A partir d'une pesée

DescriptionOn 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, 5H2OLa quantité de matière de sulfate de cuivre contenue dans le volume V est n(CuSO4) = C . V = 1,00 . 0,1000 = 0,100 molLorsqu'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 1Peser le sulfate de cuivre hydraté dans un petit becher ou dans un sabot de pesée (après avoir taré le récipient)...


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)...


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).


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.


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 ».



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 1Prélever 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)...



Etape 4...boucher et homogénéiser...

Etape 5...conserver la solution dans un flacon approprié.



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.



Solution des exercices de TD

> Solution n°1 (exercice p. 9)

La concentration du saccharose en solution est [saccharose] = 0,200,250

=0,80mol.L−1

Si la même quantité de saccharose se trouvait dissoute dans un plus grand volume d'eau la concentration en saccharose serait plus faible.


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 aO H =mN aO H

V=8 ,0 g . L-1


La masse de chlorure de sodium nécessaire est m(NaCl) = t.V = 11,7.2,5 = 29,25gQuantité de matière de NaCl mise en solution :

n N aC l = m N aC l M N aC l

=29 ,9558 ,5

=0 ,5mol

Or n(NaCl) = n(Na+) = n(Cl-) = 0,5 mol

Par conséquent : [N a+ ]=[C l - ]=n N a+

V=0 ,52 ,5

=0 ,2mol .L -1


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


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.



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 2C 1=0 ,0010 /0 ,10=0 ,01 L

On utilisera donc la pipette jaugée de 10 mL.


Annexes

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