Les solutions
Question
L'étiquette d'une eau minérale indique que cette eau contient des « minéraux » (calcium, magnésium, sodium…). Pourtant, l'eau est parfaitement limpide. Où sont ces minéraux ?
RéponseVoir la réponse
Ils sont dissous dans l'eau, sous forme d'ions : on ne peut plus les distinguer. L'eau minérale est une solution.
Solution aqueuse
Une solution aqueuse est un mélange homogène dans lequel l'eau est le constituant ultra-majoritaire. Elle y joue le rôle de solvant ; les espèces chimiques dissoutes sont qualifiées de solutés.
Exemples
- Le vinaigre est, en première approximation, une solution aqueuse d'acide éthanoïque (le soluté).
- Le soluté peut être dissous sous forme de molécules : les molécules de saccharose $\ce{C12H22O11}$ dans une eau sucrée.
- Il peut aussi être dissous sous forme d'ions : les ions sodium $\ce{Na+}$ et chlorure $\ce{Cl-}$ dans une eau salée.
Remarque
La dissolution est l'opération qui consiste à dissoudre un soluté dans un solvant. Le solvant n'est pas toujours l'eau : l'éthanol, par exemple, sert de solvant dans les parfums.
Quiz
Solvant, soluté, solution
La concentration en masse
Question
Même soluté, même solvant : qu'est-ce qui change d'une solution à l'autre ? Et qu'arrive-t-il à la dernière ?
RéponseVoir la réponse
C'est la quantité de soluté dissous dans un même volume de solution qui change : plus il y en a, plus la solution est foncée. Dans la dernière, on a ajouté trop de sulfate de cuivre : une partie ne se dissout plus et reste au fond. La solution est saturée (voir plus bas).
Concentration en masse
La concentration en masse $C_m$ d'un soluté est la masse de cette espèce chimique dissoute par litre de solution. Elle peut s'exprimer en g/L.
Concentration en masse
$$C_m = \frac{m_\text{soluté}}{V_\text{solution}}$$
Exemple
Une solution de chlorure de sodium de concentration en masse 10 g/L est obtenue en introduisant 10 g de chlorure de sodium dans une fiole jaugée de 1,0 L, et en ajoutant de l'eau jusqu'à obtenir un volume final de mélange égal à 1,0 L.
Pour trouver la masse
$$m = C_m \times V$$
Pour trouver le volume
$$V = \frac{m}{C_m}$$
Attention aux unités
- Le volume doit être en litres : 500 mL = 0,500 L ; 1 m³ = 1 000 L.
- Pour les très faibles concentrations, on utilise le mg/L : 2 mg/L = 0,002 g/L.
Exercice 1
On dissout 25 g de sucre dans de l'eau, de façon à obtenir 500 mL de solution. Que vaut la concentration en masse du sucre ?
RéponseVoir la résolution
Données : $m$ = 25 g, $V$ = 500 mL = 0,500 L. On cherche $C_m$.
$C_m = \dfrac{m}{V} = \dfrac{25}{0{,}500} = 50$ g/L
Exercice 2
Une piscine de 50 m³ doit contenir des ions hypochlorite $\ce{ClO-}$ à une concentration en masse de 2,0 mg/L. Quelle masse d'ions hypochlorite doit-on verser dans la piscine ? On suppose que l'ajout du soluté ne modifie pas le volume de la piscine.
RéponseVoir la résolution
Données : $V$ = 50 m³ = 50 000 L ; $C_m$ = 2,0 mg/L = 0,0020 g/L. On cherche $m$.
$m = C_m \times V = 0{,}0020 \times 50\,000 = 100$ g, soit 0,10 kg.
Exercice 3
On veut préparer le plus grand volume possible de sérum physiologique (solution aqueuse de chlorure de sodium de concentration en masse 9,0 g/L). On dispose de 4,5 kg de sel. Quel volume de solution peut-on préparer ?
RéponseVoir la résolution
Données : $m$ = 4,5 kg = 4 500 g ; $C_m$ = 9,0 g/L. On cherche $V$.
$V = \dfrac{m}{C_m} = \dfrac{4\,500}{9{,}0} = 500$ L, soit 0,50 m³.
Entraînement
Calculer une concentration, une masse ou un volume
Piège : concentration en masse et masse volumique
Une masse volumique est aussi une masse divisée par un volume, mais ce n'est pas la même masse !
- Concentration en masse : $C_m = \dfrac{m_\text{soluté}}{V_\text{solution}}$, la masse du soluté seul.
- Masse volumique de la solution : $\rho = \dfrac{m_\text{solution}}{V_\text{solution}}$, la masse de toute la solution (solvant compris).
Par exemple, l'eau de mer contient environ 35 g/L de sel, mais sa masse volumique vaut environ 1 025 g/L.
Concentration maximale et saturation
Concentration maximale d'un soluté
La concentration maximale d'un soluté est la masse maximale de cette espèce chimique qui peut être dissoute par litre de solution.
La solution est alors dite saturée : si on ajoute encore du soluté, il se dépose au fond sans se dissoudre.
Exemple
La concentration maximale du chlorure de sodium dans l'eau à 25 °C est égale à 360 g de sel par litre de solution.
Animation interactive
Dissoudre de plus en plus de soluté
Dans cette animation, on prend une concentration maximale de 200 g/L, ordre de grandeur pour le sulfate de cuivre dans l'eau à 20 °C.
À retenir
Pour augmenter la concentration d'une solution, on peut :
- dissoudre plus de soluté (tant que la solution n'est pas saturée) ;
- évaporer une partie du solvant.
Question
Dans tous les bassins de récolte de la photo, la concentration en masse du sel est la même. Pourquoi ?
RéponseVoir la réponse
Le soleil et le vent évaporent l'eau : la concentration du sel augmente jusqu'à atteindre la concentration maximale. Les bassins sont alors saturés : tout sel supplémentaire cristallise et se dépose, c'est le sel que l'on récolte. La concentration ne peut plus augmenter, elle est la même partout : c'est la concentration maximale du sel.
Exercice 4
À 25 °C, on peut dissoudre au maximum 1,0 g d'aspirine dans 300 mL de solution. On prépare 400 mL de solution à partir de 1,20 g d'aspirine pure.
Peut-on dissoudre toute l'aspirine ?
Quelle masse maximale d'aspirine peut-on dissoudre dans ces 400 mL ?
RéponseVoir la résolution
Concentration maximale : $C_\text{max} = \dfrac{1{,}0}{0{,}300} \approx 3{,}3$ g/L. Si les 1,20 g étaient dissous dans 0,400 L, on aurait $C = \dfrac{1{,}20}{0{,}400} = 3{,}0$ g/L. Comme $C \leq C_\text{max}$, toute l'aspirine peut être dissoute.
$m_\text{max} = C_\text{max} \times V = 3{,}3 \times 0{,}400 \approx 1{,}3$ g.
Préparer une solution par dissolution
Le matériel
- une balance, et une coupelle ou un sabot de pesée ;
- une fiole jaugée et son bouchon, un entonnoir ;
- une spatule et une pissette d'eau distillée.
Protocole : préparer une solution par dissolution
surligné : à écrire sur une copiegestes utiles en TP
Peser la masse m de soluté dans une coupelle posée sur la balance.
Poser la coupelle vide sur la balance et faire la tare (remise à zéro) avant d'ajouter le soluté avec la spatule.
Introduire le soluté dans la fiole jaugée, à l'aide d'un entonnoir.
Rincer la coupelle et l'entonnoir à l'eau distillée, au-dessus de la fiole : l'eau de rinçage entraîne le soluté resté collé.
Remplir la fiole aux trois quarts d'eau distillée, la boucher et agiter jusqu'à dissolution complète du soluté.
Compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.
Terminer goutte à goutte : le bas du ménisque doit affleurer le trait de jauge, l'œil à la hauteur du trait.
Boucher et agiter pour homogénéiser la solution.
Question
Si l'on dépasse un peu le trait de jauge en remplissant la fiole, pourquoi ne peut-on pas retirer le trop-plein avec une pipette ?
Question
Pourquoi récupère-t-on dans la fiole l'eau de rinçage de la coupelle et de l'entonnoir ?
RéponseVoir les réponses
Dans les deux cas, pour la même raison : du soluté est dissous dans cette eau. Retirer le trop-plein enlèverait du soluté ; ne pas récupérer l'eau de rinçage en perdrait aussi. Dans les deux cas, la masse de soluté dans la fiole ne serait plus celle qu'on a pesée. Si l'on dépasse le trait de jauge, il faut tout recommencer.
Diluer une solution
À retenir
Pour diminuer la concentration d'une solution, on ajoute du solvant : on dilue. On prélève un volume $V_\text{mère}$ de solution mère à la pipette jaugée, on le verse dans une fiole jaugée de volume $V_\text{fille}$, et on complète avec de l'eau distillée.
Démonstration
Lors d'une dilution, on ne fait qu'ajouter de l'eau : la masse de soluté se conserve. Donc :
$m_\text{fille} = m_\text{mère} \quad\Leftrightarrow\quad C_\text{fille}\times V_\text{fille} = C_\text{mère}\times V_\text{mère}$
Facteur de dilution
$$F = \frac{C_\text{mère}}{C_\text{fille}} = \frac{V_\text{fille}}{V_\text{mère}} = \frac{V_\text{fiole}}{V_\text{pipette}}$$
Le cours complet sur la dilution : protocole détaillé, propipette, quiz et entraînement
Doser une espèce par étalonnage
Dosage par étalonnage
Un dosage par étalonnage est une méthode de détermination d'une concentration, généralement non destructive, utilisant une courbe de référence liant la valeur d'une grandeur physique (absorbance, conductivité, masse volumique…) à la concentration d'un soluté.
Cette courbe de référence, appelée courbe d'étalonnage, doit être monotone sur l'intervalle de concentration qui encadre la concentration inconnue. Elle n'est pas nécessairement une droite, mais une droite permet d'obtenir une précision constante, quelle que soit la concentration recherchée.
Exemples
Dosage du chlorure de sodium dans du sérum physiologique par mesure de la conductance ; dosage du sucre dans une boisson sucrée par mesure de la masse volumique ; dosage des ions permanganate par mesure de l'absorbance.
Avec une échelle de teinte
Pour une espèce colorée, on peut comparer la teinte de la solution à celles d'une série de solutions de concentrations connues : une échelle de teinte.
Animation interactive
Préparer une échelle de teinte, puis encadrer la concentration d'un colorant
Solution mère du colorant : 20,0 mg/L. Chaque tube de l'échelle contient 10,0 mL de solution.
TP : dosage du colorant d'une boisson par échelle de teinte
Avec une courbe d’étalonnage
Pour doser le sucre d'une boisson, on mesure la masse volumique de solutions étalons de concentrations connues, on trace la courbe d'étalonnage, puis on y reporte la masse volumique de la boisson.
Animation interactive
Combien de sucre dans une boisson ?
| Cm (g/L) | masse de 10,0 mL (g) | ρ (g/L) |
|---|
Mesurez la masse de 10,0 mL de chaque solution étalon.