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Sommaire: Solutions

• Solution, solvant et soluté
  • Dilué, concentré
• Concentration d’une solution
  • Concentration massique
  • Concentration molaire
  • Convertion
• Solution mère
• Masse volumique
  • Pourcentage massique
• Densité
  • Quantité immergée

Solutions

Solution, solvant et soluté

• Une solution est un mélange homogène d’au moins deux constituants.
  Le solvant est le composé qui est présent en plus grande quantité dans la solution.
  Le soluté est la (ou les) autre(s) substance(s), minoritaire(s), dissoute dans le solvant.

• Un soluté peut être présent dans l’eau sous forme d’ions ou de molécules. Pour déterminer le type de particules, il suffit de vérifier si la solution conduit le courant électrique: le courant étant un flux de charges électriques, seules les solutions contenant des ions conduisent l’électricité.

• Bien que les termes solution, solvant et soluté soient principalement adoptés lorsqu’on caractérise un liquide, un mélange de composés solides peut également constituer une solution.

Dilué, concentré

• Si une faible quantité de soluté est dissoute dans le solvant, alors la solution est diluée.
  Inversemment, s’il y a une grande quantité de soluté, la solution est concentrée.

Concentration d’une solution

• La concentration d’une solution est une expression mathématique qui permet de chiffrer la quantité de soluté présente dans une solution par unité de volume.

Concentration massique

• Si la quantité de soluté est exprimée masse, alors on calcule la concentration massique (notée Cm). Elle est égale à la masse du soluté divisé par le volume total de la solution et est exprimée en gramme par litre.

  Concentration massique (Cm):
  Masse de soluté (g) / Volume de solution (L)
  
  
  

• Exemple 1:
  On ajoute 5g de sulfate de cuivre dans 400 mL d’eau.
  Quelle est alors la concentration massique du sulfate de cuivre?

  Cm = 5g / 0.4L
     = 12.5g/L
  

  Exemple 2:
  On dispose d’une solution de concentration massique de 2,5g/L. Cette solution content 0,5g de soluté.
  Quel est le volume de la solution?

  2.5g/L      = 0.5g/V
  0.5g/2.5g/L = V
  0.2L        = V
  

Concentration molaire

• Si la quantitée de soluté est exprimée en mole, alors on calcule la concentration molaire (notée C). Elle est égale à la quantité de soluté divisé par le volume total de la solution et est exprimée en mole par litre.

  Concentration molaire (C):
  Quantité de soluté (mol) / Volume de solution (L)
  
  
  

• Exemple:
  On dispose d’une solution aqueuse de 50mL. On ajoute 1mL d’acide chlorhydrique de concentration 1mol/L.
  Quelle est la concentration en acide chlorhydrique dans la solution?

                Ci Vi = Cf Vf
    1.0 mol/l × 1 ml = Cf × 51 mL
    1.0 mol/l × 1/51 = Cf
          0.02 mol/l = Cf
  

Convertion

• On peut passer de la concentration molaire (C) à la concentration massique (C_m)
  en multipliant par la masse molaire du soluté (M_soluté).

  Et inversemment, on peut convertir la concentration massique (C_m) en concentration molaire (M)
  en divisant par la masse molaire du soluté.

  Attention à ne pas confondre M majuscule: la masse molaire (en g/mol)
  et m minuscule: la masse (en g).

• Exemple:
  On dispose d’une solution de sulfate de cuivre pentahydraté (CuSO₄⋅5H₂O) de concentration massique de 4.3g/L.
  Quelle est la concentration molaire de cette solution?

  C = Cm / M
    = 4.3g/L / (M(Cu) + M(S) + 4M(O) + 10M(H) + 5M(O))
    = 4.3g/L / (63.55 + 32.07 + 64 + 10.1 + 80)
    = 4.3g/L / 249.72g/mol
    = 1.7219 ⋅ 10-2mol/L
  

Solution mère

• En laboratoire de chimie, il est courant de préparer des solutions concentrées, appelées solutions mères, souvent plus stables, et de les utiliser pour créer des solutions diluées adaptées aux réactions chimiques.

• On sait que le nombre de moles d’une solution est égal à la concentration de la solution fois son volume (n = C × V).
  Si l’on considère la concentration de la solution mère et celle de la concentration fille, on obtient l’égalité suivante: la concentration de la solution fille fois son volume, le tout divisé par la concentration de la solution mère, est égal au volume prélevé: C(fille) × V(fille) / C(mère) = V(mère)

• Exemple 1:
  On dispose d’une solution de sulfate de cuivre pentahydraté (CuSO₄⋅5H₂O) de concentration massique de 4.3g/L.
  On prelève 100mL de cette solution et on y ajoute de l’eau jusqu’à atteindre 500mL.
  Quelle est la concentration molaire de la solution obtenue?

  Concentration de la solution mère
  C = Cm / M
    = 4.3g/L / (M(Cu) + M(S) + 4M(O) + 10M(H) + 5M(O))
    = 4.3g/L / (63.55 + 32.07 + 64 + 10.1 + 80)
    = 4.3g/L / 249.72g/mol
    = 1.729 ⋅ 10-2mol/L
  
  Concentration de la solution fille
  C = 1.729 ⋅ 10-2 × (100 ⋅ 10-3 / 500 ⋅ 10-3)
    = 3.4 ⋅ 10-3mol/L
  

  Exemple 2:
  On dispose d’1L de solution de saccharose de concentration 7 ⋅ 10^-2mol/L
  (ça correspond à un morceau de sucre d’environ 5g dans une tasse de 200mL).
  Quelle quantité doit-on prélever pour préparer 250mL d’une solution de saccharose de concentration 1.3 ⋅ 10^-3 mol/L?

  (7 ⋅ 10-2) × V = (1.3 ⋅ 10-3) × (250 ⋅ 10-3)
              V = (325 ⋅ 10-6) / (7 ⋅ 10-2)
                = 4.643 ⋅ 10-3L
                = 4.6mL
  

  Exemple 3:
  On prélève 10mL d’une solution aqueuse de chlorure de calcium dont la concentration molaire est de 0.137mol/L,
  et on l’amène à 250mL au moyen d’eau pure.
  Quelle est la concentration massique en chlorure de calcium de la solution obtenue par dilution?

  Concentration molaire de la solution diluée
  C = 0.137 × 0.01 / 0.25
    = 0.0055 mol/L
  
  Concentration massique de la solution diluée
  Cm = 0.0055 × (40.08 + 2⋅35.45)
     = 0.61g/L
  

Masse volumique

• La masse volumique est le rapport entre la masse d’un échantillon (en kg ou g) et son volume (en m³).
  Elle est notée ρ — prononcer “rhô”.

  Masse volumique (ρ):
  Masse échantillon (kg) / volume échantillon (m³)
  
  
  

  Notons que pour la concentration massique, on divise la masse du soluté par le volume de solution (soluté / solution).
  Pour la masse volumique, on divise la masse de la solution par le volume de solution (solution / solution).

• La masse volumique est particulièrement intéressante lorsqu’on travaille en phase liquide ou gazeuse: on mesure fréquemment le volume d’un liquide ou d’un gaz plutôt que d’en mesurer la masse. Elle permet de faire le lien entre volume et masse.

• Exemple:
  Sachant que la masse volumique de l’éthanol à 20°C est de 789kg/m³,
  quelle serait la masse de 14.0mL de cette substance?

Pourcentage massique

• Le pourcentage massique est une grandeur qui exprime la proportion des différentes espèces chimiques dans un mélange. Il se calcule en divisant la masse par la masse totale et en multipliant par 100.

  Pourcentage massique:
  100 × (masse de soluté / masse de solution)
  

• Relations:

  

Densité

• La densité d’une substance (noté d) est le rapport entre la masse volumique d’une substance et la masse volumique d’une substance de référence. On prend généralement pour référence la masse volumique de l’eau pure à 4°C et sous une pression de 1 bar, qui vaut 1000kg/m³. La densité n’a pas d’unité puisque c’est un rapport.

  Densité (d):
  Masse volumique échantillon / masse volumique référence
  
  
  

• Exemple:
  Densité de l’huile de noix: 900/1000 = 0.9

  

Quantité immergée

• Connaître la densité d’une substance permet de calculer la quantité immergée.

  Par exemple:
  Si on plonge un cube de bois dont la densité vaut 0.6 dans l’eau,
  alors 60% de son volume va être immergé.

  

• Si la densité d’une substance est supérieure à celle du fluide de référence,
  alors 100% de son volume va être immergé — l’objet coule.

  

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