◎Objectifs et prérequis
À la fin du chapitre, je sais…
- identifier le soluté et le solvant d'une solution ;
- calculer une concentration en masse \(c_m = m/V\) et la distinguer d'une masse volumique ;
- préparer une solution par dissolution et par dilution, avec le bon matériel ;
- déterminer une concentration par un dosage par étalonnage.
Ce que je dois déjà savoir
- (chapitre 1) mélange homogène, espèce chimique, masse volumique \(\rho = m/V\) ;
- (collège) unités de volume : 1 L = 1 000 mL, 1 mL = 1 cm³ ;
- (maths) proportionnalité, lecture graphique.
?Point de départ : le sucre invisible
Une canette de soda de 33 cL contient environ 35 g de sucre, soit à peu près six morceaux. Pourtant, la boisson est parfaitement limpide : le sucre s'est dissous, ses molécules sont dispersées entre les molécules d'eau. Pour savoir combien il y en a sans évaporer la boisson, on mesure une grandeur qui en dépend (sa masse volumique) et on la compare à des solutions de concentrations connues.
1Solution et concentration en masse
Une solution est un mélange homogène obtenu en dissolvant une espèce chimique, le soluté, dans une autre, le solvant, présent en grande quantité. Si le solvant est l'eau, c'est une solution aqueuse. Une solution peut contenir plusieurs solutés (une eau minérale contient de nombreux ions).
La concentration en masse d'un soluté est la masse de soluté dissoute par litre de solution :
\(m\) en grammes (g), \(V\) en litres (L), \(c_m\) en grammes par litre (g/L ou \(\text{g}\cdot\text{L}^{-1}\)).
La masse volumique \(\rho = m_{solution}/V_{solution}\) concerne la masse de toute la solution (solvant compris) : environ 1 000 g/L pour une solution aqueuse. La concentration en masse ne compte que la masse du soluté : 9 g/L pour le sérum physiologique.
On ne peut pas dissoudre une quantité illimitée de soluté : au-delà d'une concentration maximale, appelée solubilité, le soluté ne se dissout plus et se dépose au fond. La solution est alors saturée. La solubilité dépend du soluté, du solvant et de la température : environ 360 g de sel par litre d'eau à 20 °C, environ 2 000 g de sucre.
2Préparer une solution par dissolution
Simulation — Dissoudre du sulfate de cuivre
Choisis la fiole jaugée et la masse de sulfate de cuivre pesée. Observe la couleur de la solution et sa concentration. Que se passe-t-il si tu dépasses la solubilité ?
Solubilité du sulfate de cuivre anhydre prise égale à 200 g/L (valeur approchée à 20 °C). La teinte est d'autant plus foncée que la solution est concentrée.
3Préparer une solution par dilution
Diluer une solution, c'est lui ajouter du solvant : on obtient une solution fille moins concentrée que la solution mère. Au cours d'une dilution, la masse de soluté se conserve : celle que l'on a prélevée dans la solution mère se retrouve entièrement dans la solution fille.
\(c_0\), \(V_0\) : concentration de la solution mère et volume prélevé ; \(c_1\), \(V_1\) : concentration et volume de la solution fille. Le facteur de dilution est \(F = \dfrac{c_0}{c_1} = \dfrac{V_1}{V_0}\) (toujours supérieur à 1).
Simulation — Diluer une solution mère
La solution mère de sulfate de cuivre a une concentration \(c_0 = 50\ \text{g/L}\). Choisis la pipette et la fiole, et compare les teintes.
4Déterminer une concentration : le dosage par étalonnage
Doser une espèce, c'est déterminer sa concentration. Dans un dosage par étalonnage, on prépare une gamme de solutions étalons de concentrations connues, on mesure pour chacune une grandeur qui dépend de la concentration (couleur, masse volumique…), puis on compare la mesure faite sur la solution inconnue.
On compare la couleur de la solution inconnue à celle des étalons, dans des tubes identiques. On obtient un encadrement : « entre 10 et 15 g/L ».
On trace la grandeur mesurée en fonction de \(c_m\). Si les points sont alignés, on modélise par une droite, et on lit la concentration de l'inconnue : on obtient une valeur.
Simulation — Le sucre d'un soda
Les points sont les masses volumiques de solutions de sucre étalons. Règle la masse volumique mesurée pour un soda dégazé, et lis sa concentration en sucre sur la droite d'étalonnage.
Modèle des étalons : \(\rho = 0{,}998 + 3{,}85\times10^{-4} \times c_m\) (ρ en g/mL, \(c_m\) en g/L), valable pour des solutions de saccharose à 20 °C.
✎Méthode : préparer une dilution
Énoncé. On dispose d'une solution mère de chlorure de sodium à \(c_0 = 90\ \text{g/L}\). On veut préparer \(V_1 = 100{,}0\ \text{mL}\) de sérum physiologique à \(c_1 = 9{,}0\ \text{g/L}\).
!Erreurs fréquentes
\(c_m\) se calcule avec le volume de solution (celui de la fiole jaugée), pas avec le volume d'eau ajoutée.
5,0 g dans 250 mL : \(c_m = 5{,}0/0{,}250 = 20\ \text{g/L}\), et non \(5{,}0/250 = 0{,}020\ \text{g/L}\).
Une eau sucrée à 100 g/L a une masse volumique d'environ 1 036 g/L : la seconde compte toute la solution, la première le seul soluté.
Pour un volume précis, on utilise une pipette jaugée (prélever) et une fiole jaugée (contenir). Les graduations d'un bécher sont seulement indicatives.
Diluer ajoute du solvant ; la masse de soluté prélevée reste la même, c'est la concentration qui diminue.
★L'essentiel
Solution
Soluté dissous dans un solvant. Solution aqueuse : solvant eau. Au-delà de la solubilité : solution saturée.
Concentration en masse
\(c_m = m_{soluté}/V_{solution}\), en g/L. Différente de la masse volumique.
Dissolution et dilution
Dissolution : \(m = c_m V\), fiole jaugée. Dilution : \(c_0 V_0 = c_1 V_1\), pipette + fiole jaugées.
Étalonnage
Gamme d'étalons, grandeur mesurée, courbe ou échelle de teintes, lecture de la concentration inconnue.
✓Quiz : vérifie que tu as compris
1. Dans l'eau sucrée, le sucre est :
2. On dissout 2,0 g de sel dans une fiole de 200 mL. La concentration en masse vaut :
3. Pour prélever précisément 10,0 mL de solution mère, on utilise :
4. On dilue 10 fois une solution à 40 g/L. La solution fille a une concentration de :
5. Au cours d'une dilution, ce qui se conserve, c'est :
6. Une solution dont le soluté ne se dissout plus est :
→S'entraîner et expérimenter
Parties 1 et 2 du cours → exercices 1 à 4 → TP dissolution et dilution → partie 3 → exercices 5 à 7 → partie 4 → TP Python → exercices 8 à 10 → quiz.