Les solutions aqueusesCours

I

La solution, le solvant, le soluté et la saturation

Une solution est constituée d'un solvant et d'un soluté. Le solvant permet de dissoudre un soluté. Lorsque le soluté ne se dissout plus, on dit que la solution est saturée.

A

La composition d'une solution

Une solution est constituée d'un solvant, majoritaire, dans lequel est dissout un soluté, minoritaire.

Solution

La solution est le mélange composé d'au moins un soluté dissout dans un solvant. Une solution est composée d'un solvant et d'un ou plusieurs solutés.

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.

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B

La saturation

Lorsqu'un soluté ne se dissout plus dans un solvant, on parle de saturation. 

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, le liquide majoritaire ;
  • 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 d'une solution est le rapport entre la masse de soluté dissout et le volume de la solution. La concentration en masse s'exprime en grammes par litre.

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

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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 :

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

Il ne faut pas confondre concentration massique (Cm) qui concerne une solution et masse volumique (\rho) qui concerne un corps isolé. 

III

La préparation de solutions et l'incertitude instrumentale

Il est possible de préparer une solution par dissolution ou par dilution. La précision d'une préparation dépend de l'incertitude de mesure des instruments utilisés.

A

La dissolution

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

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

\bf m_{soluté}=C_{masse}\times V_{solution}

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 à partir d'une solution fournie en y ajoutant du solvant, ce qui diminue sa concentration en masse. La solution à préparer s'appelle la solution fille, la solution de départ s'appelle la solution mère.

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

\bf m_{\text{mère}}=m_{\text{fille}}

\bf 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 :

\bf 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}}

Par dilution, on souhaite préparer 100 mL d'une solution de diiode de concentration 1,0 g.L−1 (la solution fille) à partir d'une solution de diiode de concentration 4,0 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.

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C

L'incertitude liée aux instruments de mesure de volume et de masse

Chaque instrument de mesure possède une incertitude. Cette incertitude entache les mesures de masse et de volume.

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.

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

Instruments de mesure Balances utilisées en chimie Verrerie de précision, comme les fioles et les pipettes jaugées
Indications Incertitude absolue ou précision variant entre 1 \text{ g} et 0{,}0001 \text{ g} Tolérance t proportionnelle à l'incertitude absolue sur le volume mesuré V :
U(V) = \dfrac{t}{\sqrt{3}}
Exemples Si une balance électronique de précision 0{,}1 \text{ g} affiche comme résultat de pesée «  5{,}3 \text{ g}  », le résultat de la mesure est :
m=5{,}3 \pm 0{,}1 \text{ g}
La masse pesée est ainsi comprise entre 5{,}2 \text{ g} et 5{,}4 \text{ g} .

La tolérance d'une fiole jaugée de classe B de 100 \text{ mL} est 0{,}20 \text{ mL}. L'incertitude sur le volume mesuré est donc :
U(V)=\dfrac{t}{\sqrt{3}}=\dfrac{0{,}20}{\sqrt{3}}=0{,}12\text{ mL}
Ainsi, le volume contenu dans cette fiole jaugée est : 

V = 100{,}0 \pm 0{,}12\text{ mL}

Cette fiole peut contenir entre 99{,}88 \text{ mL} et 100{,}12 \text{ mL} quand la jauge indique 100 mL.

IV

La détermination de la concentration en masse d'une solution

À l'aide d'une gamme d'étalonnage, il est possible de déterminer la concentration en masse d'une solution inconnue grâce à une échelle de teinte ou à des mesures de masse volumique.

A

La détermination de la concentration en masse d'une solution grâce à une échelle de teinte

La constitution d'une échelle de teinte, à partir de solutions colorées de concentration en masse connue, permet de retrouver la concentration en masse d'une solution inconnue.

L'ensemble des solutions de concentration en masse et teinte croissantes est appelé « échelle de teinte ». La teinte d'une solution augmente avec sa concentration en masse.

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

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B

La détermination de la concentration en masse d'une solution grâce à des mesures de masse volumique

La connaissance de la masse volumique de solutions dont la concentration en masse est différente permet de construire une courbe d'étalonnage. La concentration en masse d'une solution inconnue se retrouve en reportant la masse volumique mesurée sur la courbe d'étalonnage.

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.

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