La mole, unité de quantité de matière Solutions et concentrations

Chapitre
15 :
La mole, unité de quantité de matière
Solutions et concentrations molaires
I. La mole : l’unité de quantité de matière
I.1. Nécessité d'un changement d'échelle
La masse d'un atome ou d'une molécule est très petite (de l'ordre de 10-26kg). Les réactions chimiques font donc
intervenir un nombre considérable d'espèces chimiques.
Exemple (vu en TP) : un clou de masse 10g contient environ 1024 atomes.
Le nombre obtenu n'est évidemment pas pratique à manipuler car il s'agit d'un nombre extrêmement grand. Ce
calcul met en évidence la nécessité d'introduire une nouvelle échelle, plus commode, pour manipuler des
quantités de matière en chimie.
I.2. Définition de la mole
D'après ce qui précède, il est nécessaire de définir une nouvelle unité de quantité de matière :
Définition : Une mole (1 mol) est un nombre qui mesure une quantité de matière. Ce nombre est égal au
12
nombre d'atomes qu’il y a dans 12,00 g de carbone 6 C .
I.3. Constante d'Avogadro
12
Le nombre d'atomes contenus dans 1 mol de carbone 6 C est appelé nombre d'Avogadro et on le note NA.
NA = 6,02.1023 mol-1
Une mole (1 mol) représente une quantité de matière composée de 6,02.1023 entités élémentaires.
Une mole est un « paquet » de 6,02.1023 éléments.
I.4. Calcul d’une quantité de matière
Pour déterminer la quantité de matière n contenue dans un échantillon, il faut connaître le nombre d’atomes N.
N
Alors on en déduit que : n 
NA
Exemple : Combien de moles y-a-t-il avec 1,2.1022 atomes ?
1, 2.1022
N
 0,01 mol
n
n 
NA
6.1023
II. Masses molaires
II.1. Masse molaire atomique
La masse molaire atomique d'un élément est la masse d'une mole d'atomes de cet élément, en tenant compte des
proportions des différents isotopes que l’on rencontre dans la nature.
Les masses molaires atomiques figurent dans le tableau périodique des éléments.
Exemple : M(Cu) = 63,5 g.mol-1 ; M(H) = 1,0 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1
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1
II.2. Masse molaire moléculaire
La masse molaire moléculaire est la masse d'une mole de molécules de l'espèce considérée.
On la calcule en effectuant la somme des masses molaires atomiques des atomes qui constituent la molécule.
Exemple : M(H2O) = 2M(H) + M(O) = 2×1 + 16 = 18 g.mol-1
II.3. Relation entre masse et quantité de matière
Soit M la masse d'une mole d'entités chimiques. La masse de n moles de ces entités est m=n×M, d'où la relation
fondamentale de la chimie :
m
n=
M
n : quantité de matière (en mol)
m : masse de l'échantillon (en g)
M : masse molaire (en g/mol ou g.mol-1)
C’est équivalent à : m  n  M
III. Volume molaire (pour les gaz)
III.1. Définition
Dans les mêmes conditions de température et de pression, une mole de gaz occupe le même volume quelque soit sa
nature.
On appelle volume molaire d'une espèce chimique le volume occupé par une mole de cette espèce.
On le note Vm (unité : L/mol ou L.mol-1).
Le volume molaire dépend de la température et de la pression.
- A la pression atmosphérique, et à 0°C : Vm=22,4L.
- A la pression atmosphérique, et à 0°C : Vm=24L.
III.2. Expression (formule utile)
Le volume V de n moles de gaz est V=n × Vm. On en déduit :
V
n=
Vm
n : quantité de matière (en mol)
V : volume de gaz (en L)
Vm: volume molaire (en L/mol ou L.mol-1)
C’est équivalent à : V  n Vm
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III. Concentration molaire
III.1. Définition
Définition : La concentration molaire d'une espèce chimique en solution est la quantité de matière de cette espèce
présente dans un litre de solution.
C : concentration de l'espèce X en solution (mol.L-1 )
n 
C
n : quantité de matière de l'espèce X en solution (mol)
V 
V : volume de la solution (L)

III.2. Exemple
Remarque : pour les ions, on notera C ou [X] la concentration molaire des ions X en solution.
Exemple : on sait que 0,02 mol d’ions chlorure sont présentes dans 200 mL d’eau. Quelle est leur concentration
molaire ?
n
0,02
C  C
 0,1 mol.L1
0, 200
V
IV. Préparation des solutions aqueuses
IV.1. Par dissolution d'un solide
La dissolution a pour effet de disperser les entités chimiques constituant le
soluté.
Détermination de la masse m de soluté à peser
On désire préparer un volume V d'une solution contenant l'espèce X, de masse molaire M, à la concentration C. Il
faut, en général, déterminer la masse de l'espèce X à peser. Soit m cette masse.
C
n
m
m
et n= , donc C 

V
M
M.V
m= C.V.M
Opérations à effectuer : voir TP
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3
IV.2. Par dilution d'une solution (la solution mère)
Diluer une solution consiste, en ajoutant du solvant, à obtenir une solution moins concentrée.La dilution nécessite
une verrerie de précision (pipette et fiole jaugées).
Principe
On prélève un volume V0 de la solution mère de concentration C0 que l'on dilue avec de l'eau distillée pour obtenir
une solution diluée de volume V1 et de concentration désirée C1.
Détermination du volume V0 à prélever
La quantité de matière de soluté dans le volume V0 est : n0=C0.V0
Cette quantité de matière se retrouve dans la solution après dilution. Cela traduit la conservation de la quantité de
matière. Donc : n1= n0= C1.V1
On en déduit que : C0 .V0  C1.V1
; le volume à prélever est donc : V0 
C1.V1
C0
Opérations à effectuer : Voir TP
IV.3. Relation entre concentration molaire et concentration massique
Rappel: Concentration massique: Cm = m
V
Or
n= m
M
Cm = m =
V
On en déduit :
Cm = C x M
C : concentration massique ( en g.L-1)
m : masse de la solution ( en g)
V : volume de la solution (en L)
et m = n xM
n xM
V
Cm : concentration massique de la solution ( en g.L-1)
C : concentration molaire de la solution ( en mol.L-1)
M : masse molaire (en g.mol-1)
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