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Combien y a-t-il de molécules d'eau dans un verre ? Des milliards de milliards… beaucoup trop pour les compter une à une. Pour dénombrer les atomes et les molécules, les chimistes les comptent par paquets géants : des moles. Ce chapitre présente cette unité et la grandeur qui l'utilise, la quantité de matière.

La quantité de matière

Compter par paquets

Question

Vous connaissez la masse d'un sac d'huîtres et la masse d'une huître. Comment savoir combien de douzaines d'huîtres contient le sac, sans les compter ?

Animation

Compter des huîtres… en les pesant

Une mole, c'est comme une douzaine : c'est une unité de comptage, un paquet d'objets. Mais dans une mole, il y a beaucoup, beaucoup plus que 12 éléments… il y en a 602 mille milliards de milliards ! Plus précisément, il y en a exactement :

602 214 076 000 000 000 000 000

soit $\pu{6,02214076E23}$, que l'on arrondit le plus souvent à $\pu{6,02E23}$.

Question

Pourquoi avoir choisi un nombre aussi étrange ?

RéponsePour qu'une mole de nucléons pèse un gramme

Un nucléon (proton ou neutron) a une masse d'environ $\pu{1,67E-24 g}$. Pour obtenir un gramme de nucléons, il en faut donc environ $\dfrac{\pu{1 g}}{\pu{1,67E-24 g}} \approx \pu{6,0E23}$ : c'est justement le nombre d'éléments dans une mole. Ainsi, une mole de nucléons pèse environ un gramme, et une mole d'atomes de carbone 12 (12 nucléons) pèse environ 12 g.

Du microscopique au macroscopique

La mole est l'unité de comptage adaptée pour dénombrer des entités microscopiques (atomes, molécules, ions) dans un échantillon macroscopique, c'est-à-dire à notre échelle.

échelle microscopiquequelques molécules d'eau× 6,02 × 10²³une mole d'entitéséchelle macroscopique18 g d'eau, à notre échelle

Animation

À quoi ressemble une mole de…

Une mole d'entités contient toujours le même nombre d'entités, mais n'a pas toujours la même masse, ni le même volume : tout dépend de la masse de chaque entité.

Quantité de matière et constante d’Avogadro

Définitions

La quantité de matière $n$ d'une espèce chimique dans un échantillon est le nombre de moles d'entités (atomes, molécules, ions) de cette espèce qu'il contient. Elle s'exprime en mole, de symbole mol.

Le nombre d'entités par mole est la constante d'Avogadro : $N_\text{A} = \pu{6,02E23 mol-1}$, en hommage au physicien et chimiste italien Amedeo Avogadro (1776-1856).

Formule

$n = \dfrac{N}{N_\text{A}}$

$n$ : quantité de matière en mol$N$ : nombre d'entités (sans unité)$N_\text{A}$ : constante d'Avogadro en mol−1

Remarque

On dit parfois « nombre d'Avogadro » pour le nombre sans unité $\pu{6,02E23}$, et « constante d'Avogadro » pour $N_\text{A} = \pu{6,02E23 mol-1}$, le nombre d'entités par mole. C'est cette constante qui intervient dans les calculs.

Calculer une quantité de matière

Méthode

Pour déterminer la quantité de matière d'une espèce dans un échantillon de masse $m$ :

  1. Déterminer la masse $m_\text{entité}$ d'une entité (atome, molécule…), par exemple à partir du nombre de nucléons qu'elle contient.

  2. En déduire le nombre d'entités : $N = \dfrac{m}{m_\text{entité}}$ (avec $m$ et $m_\text{entité}$ dans la même unité).

  3. En déduire la quantité de matière : $n = \dfrac{N}{N_\text{A}}$.

C'est exactement le raisonnement des huîtres : la masse d'une huître, puis le nombre d'huîtres, puis le nombre de douzaines.

Une bouteille d’eau pure

Exercice 1

Combien y a-t-il de moles de molécules d'eau dans un litre d'eau pure (de masse 1,0 kg) ?

Données :

  • la molécule d'eau $\ce{H2O}$ est formée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène ;
  • écriture conventionnelle des deux noyaux : $\ce{^1_1H}$ et $\ce{^{16}_8O}$ ;
  • masse d'un nucléon : $m_\text{nucléon} \approx \pu{1,7E-27 kg}$.
RéponseEnviron 53 moles

Masse d'une molécule. En négligeant la masse des électrons, une molécule d'eau contient $2 \times 1 + 16 = 18$ nucléons : $m_{\ce{H2O}} \approx 18 \times \pu{1,7E-27 kg} \approx \pu{3,1E-26 kg}$.

Nombre de molécules. $N = \dfrac{\pu{1,0 kg}}{\pu{3,1E-26 kg}} \approx \pu{3,2E25}$ molécules.

Quantité de matière. $n = \dfrac{N}{N_\text{A}} = \dfrac{\pu{3,2E25}}{\pu{6,02E23 mol-1}} \approx \pu{53 mol}$.

La valeur précise est d'environ $\pu{55,5 mol}$ : l'écart vient surtout de l'arrondi de la masse du nucléon ($\pu{1,67E-27 kg}$ plutôt que $\pu{1,7E-27 kg}$).

L’air de la salle de classe

Exercice 2

Déterminer les quantités de matière de dioxygène et de diazote dans l'air de la salle de cours.

Données :

  • masse volumique de l'air : $\rho_\text{air} = \pu{1,2 kg*m-3}$ ;
  • masse d'une molécule de dioxygène : $m_{\ce{O2}} = \pu{5,3E-26 kg}$ ;
  • masse d'une molécule de diazote : $m_{\ce{N2}} = \pu{4,7E-26 kg}$ ;
  • composition massique de l'air : 76 % de diazote et 23 % de dioxygène (le reste est surtout de l'argon).

Animation

Et dans votre salle ?

RéponsePour une salle de 10 m × 5 m × 3 m

Volume de la salle. $V = \pu{10 m} \times \pu{5 m} \times \pu{3 m} = \pu{150 m3}$.

Masse d'air. $m_\text{air} = \rho_\text{air} \times V = \pu{1,2 kg*m-3} \times \pu{150 m3} = \pu{180 kg}$.

Masses de chaque gaz. $m_{\ce{O2}} = 23\,\% \times \pu{180 kg} \approx \pu{41 kg}$ et $m_{\ce{N2}} = 76\,\% \times \pu{180 kg} \approx \pu{137 kg}$.

Nombres de molécules. $N_{\ce{O2}} = \dfrac{\pu{41 kg}}{\pu{5,3E-26 kg}} \approx \pu{7,7E26}$ et $N_{\ce{N2}} = \dfrac{\pu{137 kg}}{\pu{4,7E-26 kg}} \approx \pu{2,9E27}$.

Quantités de matière. $n_{\ce{O2}} = \dfrac{\pu{7,7E26}}{\pu{6,02E23 mol-1}} \approx \pu{1,3E3 mol}$ et $n_{\ce{N2}} = \dfrac{\pu{2,9E27}}{\pu{6,02E23 mol-1}} \approx \pu{4,8E3 mol}$.

Il y a donc environ 1 300 moles de dioxygène et 4 800 moles de diazote dans la salle !

Une pièce de 50 centimes

Exercice 3

Déterminer les quantités de matière des différents métaux présents dans une pièce de 50 centimes d'euro, en « or nordique ».

Données :

  • composition massique de la pièce : 89 % de cuivre, 5 % d'aluminium, 5 % de zinc et 1 % d'étain ;
  • masse de la pièce : $\pu{7,8 g}$ ;
  • masses des atomes : $m_{\ce{Cu}} = \pu{1,1E-22 g}$, $m_{\ce{Al}} = \pu{4,5E-23 g}$, $m_{\ce{Zn}} = \pu{1,1E-22 g}$, $m_{\ce{Sn}} = \pu{2,0E-22 g}$.
RéponseQuatre métaux, quatre calculs
métalmasse dans la piècenombre d'atomesquantité de matière
cuivre$89\,\% \times \pu{7,8 g} = \pu{6,9 g}$$\dfrac{\pu{6,9 g}}{\pu{1,1E-22 g}} \approx \pu{6,3E22}$$\pu{0,10 mol}$
aluminium$5\,\% \times \pu{7,8 g} = \pu{0,39 g}$$\dfrac{\pu{0,39 g}}{\pu{4,5E-23 g}} \approx \pu{8,7E21}$$\pu{14 mmol}$
zinc$5\,\% \times \pu{7,8 g} = \pu{0,39 g}$$\dfrac{\pu{0,39 g}}{\pu{1,1E-22 g}} \approx \pu{3,5E21}$$\pu{5,8 mmol}$
étain$1\,\% \times \pu{7,8 g} = \pu{0,078 g}$$\dfrac{\pu{0,078 g}}{\pu{2,0E-22 g}} \approx \pu{3,9E20}$$\pu{0,65 mmol}$

Les quantités de matière s'obtiennent en divisant chaque nombre d'atomes par $N_\text{A} = \pu{6,02E23 mol-1}$ ; on rappelle que $\pu{1 mmol} = \pu{1E-3 mol}$.

Animation

Même masse, même nombre d'atomes ?

Entraînement

Calculer une quantité de matière

mol

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Pour aller plus loinDivulgâchage : la masse molaire

Vous verrez l'an prochain (pour ceux qui feront de la physique-chimie) que les deux étapes du calcul, $N = \dfrac{m}{m_\text{entité}}$ puis $n = \dfrac{N}{N_\text{A}}$, peuvent se résumer en un seul calcul, grâce à la masse molaire $M$ de l'entité : la masse d'une mole de cette entité, en $\pu{g*mol-1}$.

$n = \dfrac{m}{M}$   avec   $M = N_\text{A} \times m_\text{entité}$

Les masses molaires sont alors toujours données. Par exemple, avec $M(\ce{H2O}) = \pu{18 g*mol-1}$, un verre de $\pu{200 mL}$ d'eau (soit $\pu{200 g}$) contient $n = \dfrac{\pu{200 g}}{\pu{18 g*mol-1}} \approx \pu{11 mol}$ de molécules d'eau.

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