Les solutions aqueusesCours

I

La composition d'une solution

La solution est le mélange composé d'au moins un soluté dissout dans un solvant.

Une solution est composée d'un soluté et d'un solvant.

Soluté

Un soluté est l'espèce chimique qui est dissoute.

Solvant

Le solvant est le liquide dans lequel on dissout une autre espèce chimique.

Lorsque le solvant est l'eau, on parle de solution aqueuse.

-

Dans une solution d'eau salée, le soluté est le sel et le solvant est l'eau.

Une solution est dite saturée lorsque le soluté ne se dissout plus dans le solvant.

À 20 °C, on peut dissoudre au maximum 360 g de sel dans 1 L d'eau. Ensuite la solution est saturée et le sel versé en excès se dépose au fond du récipient.

Dans un protocole, on peut reconnaître le solvant, liquide majoritaire, et le soluté, espèce solide ou liquide minoritaire.

Dans le protocole suivant, le soluté est le glucose et le solvant est l'eau distillée.

  • Peser 4,0 g de glucose.
  • Dissoudre le glucose dans une fiole jaugée de 100,0 mL en ajoutant de l'eau distillée.
II

La concentration en masse d'une solution

La concentration en masse Cm d'une solution indique la masse de soluté dissoute par litre de solution :

-

Une solution de chlorure de sodium de volume 250 mL est préparée en dissolvant 2,0 g de chlorure de sodium dans de l'eau, sa concentration est donc :

\textcolor{magenta}{C_m}=\dfrac{\textcolor{Red}{m}}{\textcolor{black}{V}}=\dfrac{\textcolor{Red}{2{,}0}}{\textcolor{black}{250.10^{-3}}}=\textcolor{magenta}{8{,}0} \textcolor{black}{\text{ g.L}^{-1}}

Il ne faut pas confondre : 

-

La masse volumique du glucose est donnée par la relation :

\rho_{\text{glucose}}=\dfrac{m_{\text{glucose}}}{V_{\text{glucose}}}

On ne s'intéresse alors qu'à un échantillon de glucose, de masse et volume donnés, et non pas à une solution de glucose dont la concentration en masse aurait pour expression :

C_m = \dfrac{m_{\text{glucose}}}{V_{\text{solution}}}

III

La préparation de solutions

A

La dissolution

La dissolution consiste à préparer une solution à partir d'un soluté que l'on dissout dans le solvant.

Étape 1

Peser le soluté.

-

Étape 2

Introduire le soluté dans une fiole et ajouter du solvant jusqu'aux deux tiers et agiter.

-

Étape 3

Compléter avec le solvant jusqu'au trait de jauge. 

-

La masse de soluté à peser se calcule à partir de la concentration en masse et du volume de la solution à préparer :

\text{Masse de soluté à peser}=m=C\times V

Par dissolution, on souhaite préparer 250 mL d'une solution de glucose de concentration 4{,}0 \text{ g.L}^{-1} . La masse de glucose à dissoudre est :

m = C_m \times V\\m = 4{,}0 \times 250.10^{-3}\\m = 1{,}0 \text{ g}

B

La dilution

La dilution consiste à préparer une solution, appelée solution fille, à partir d'une solution fournie, appelée solution mère, en y ajoutant du solvant, ce qui diminue sa concentration en masse.

Étape 1 

Prélever le volume de solution mère.

-

Étape 2

Verser la solution mère dans une fiole jaugée, ajouter du solvant jusqu'aux deux tiers et agiter.

-

Étape 3

Compléter avec le solvant jusqu'au trait de jauge et agiter.

-

Lors de la dilution, la masse de soluté est conservée. On a donc :

m_{\text{mère}}=m_{\text{fille}}\\C_{\text{mère}}\times V_{\text{mère}} = C_{\text{fille}} \times V_{\text{fille}}

Dans les formules relatives à la dilution, les volumes peuvent être exprimés dans un multiple du litre (L), notamment en millilitres (mL).

L'expression « diluer x fois une solution » signifie que le facteur de dilution vaut x. Le facteur de dilution est le rapport des concentrations en masse des solutions mère et fille, il est donc aussi égal au rapport des volumes des solutions fille et mère :

F_{d}=\dfrac{C_{\text{mère}}}{C_{\text{fille}}}=\dfrac{V_{\text{fille}}}{V_{\text{mère}}}

Le volume de solution mère à prélever peut se déterminer à partir des concentrations en masse des solutions mère et fille ou du volume de la solution fille et du facteur de dilution :

V_{\text{mère}}=\dfrac{C_{\text{fille}}}{C_{\text{mère}}}\times V_{\text{fille}}=\dfrac{V_{\text{fille}}}{F_{d}}

Application

Par dilution, on souhaite préparer 100 mL d'une solution de diiode de concentration 1,0  \text{g.L}^{-1} (la solution fille) à partir d'une solution de diiode de concentration 4,0 \text{g.L}^{-1} (la solution mère).

Le volume de solution mère à prélever est :

V_{\text{mère}}=\dfrac{C_{\text{fille}}}{C_{\text{mère}}}\times V_{\text{fille}}=\dfrac{1{,}0}{4{,}0}\times 100=25 \text{ ml}

Et la solution aura été diluée 4 fois car :

F_{d}=\dfrac{C_{\text{mère}}}{C_{\text{fille}}}=\dfrac{4{,}0}{1{,}0}=4

Il faut donc prélever 25 mL de solution mère et réaliser la dilution dans une fiole jaugée de 100 mL :

-
C

L'incertitude liée aux instruments de mesure

Les mesures de masse et de volume sont entachées d'une incertitude qui est liée aux instruments de mesure utilisés :

-

Lors de la préparation d'une solution, il convient de choisir le matériel qui minimise les incertitudes absolues sur les masses ou les volumes, afin que la concentration en masse de la solution obtenue soit la plus proche possible de celle attendue.

IV

Détermination de la concentration en masse d'une solution

A

À partir d'une échelle de teinte

La teinte d'une solution augmente avec sa concentration en masse.

-

L'ensemble des solutions de concentration en masse et teinte croissantes est appelé « échelle de teinte ».

Ainsi, on peut encadrer la concentration en masse d'une solution en comparant sa teinte à celles de solutions de concentrations connues.

-
B

À partir de mesures de masse volumique

La masse volumique d'une solution augmente avec sa concentration en masse.

Ainsi, on peut déterminer la concentration en masse d'une solution inconnue à partir d'une droite d'étalonnage, celle-ci étant obtenue grâce aux mesures de masse volumique de solutions de concentrations connues : les solutions étalons.

Étape 1

On mesure la masse volumique ρ des solutions étalons, leur concentration en masse Cm étant connue.

Étape 2

On trace le graphique représentant la masse volumique ρ en fonction de la concentration en masse Cm. On obtient alors la courbe d'étalonnage.

-

Étape 3

On mesure la masse volumique de la solution inconnue \textcolor{Red}{\rho_{inc}} et on reporte la valeur obtenue pour déterminer sa concentration en masse \textcolor{Red}{C_{\text{m inc}}} à l'aide de la courbe d'étalonnage :

-