Outils de description d`un système

Lycée Mangin
Sarrebourg
Seconde
I
Thème n°2
Le sport
La quantité de matière
.DL
De l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique : la mole
I.1
Qu’est ce qu’une mole ?
A chaque fois que nous considérons à notre échelle humaine – échelle macroscopique - un échantillon de matière, cet
échantillon comprend toujours un nombre important de constituants élémentaires ( atomes, molécules, ions ) – échelle
microscopique -.
Exemple : le rayon d’un atome de Fer est rFe = 124 pm.
 Combien faut-il d’atomes de fer pour former une ligne de 5mm ?
 Un cube de 5mm de côté ?
Lors d’une tranformation chimique par exemple, nous voyons les effets macroscopiques de phénomènes de recombinaisons
ou d’associations ayant lieu à l’échelle microscopique.
Les chimistes ont donc besoin d’une unité désignant un très grand nombre d’atomes, d’ions ou de molécules : cette unité est
la mole ( mol )
La mole est simplement un paquet, un groupe composé d’un grand nombre de constituants élémentaires.
Mais un paquet de combien exactement ?
La définition de la mole est la suivante :
La mole est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes de carbone dans
12 g de carbone 12.
Autrement dit : il y a une mole d’atomes dans 12 g de carbone 12.
 Un atome de carbone ayant une masse de 2,004.10-26kg , combien y a t-il d’atomes dans une mole ?
Ce nombre est appelé constante d’Avogadro et vaut précisément NA = 6,022137.1023
Ce nombre est très grand
La quantité de matière n en mol d’un échantillon de matière contenant N constituants élémentaires vaut :
Avec NA = 6,022.1023
I.2
Masse molaire atomique, moléculaire ou ionique
La masse molaire atomique Matome d’un élément chimique est la masse d’une mole d’atomes de cet élément.
Attention ! si la masse s’exprime en g alos Matome s’exprime en g.mol-1 ou g/mol
Comment trouver Matome ?
Une valeur approchée de Matome est la valeur de A vue dans le symbole de l’atome.
 Donnez les masses molaires atomiques des atomes de carbone, d’oxygène, d’hydrogène, de phosphore et d’aluminium.
Certaines masses molaires tiennent compte des abondances isotopiques.
 Dans un échantillon d’une mole de chlore, il y a 75,77% de chlore 35 et 24,23 % de chlore 37. Calculez MCl
La masse molaire moléculaire Mmolécule d’une molécule est la masse d’une mole de cette molécule.
Attention ! si la masse s’exprime en g alors Mmolécule s’exprime en g.mol-1 ou g/mol
Comment calculer Mmolécule ?
On fait simplement la somme des masses molaires atomiques de chacun des atomes constituant la molécule.
Exemple : MCO2 = MC + 2.MO = 12 + 2.16 = 44 g/mol
 Calculez les masses molaires moléculaires des molécules suivantes : H2O, O2, HCl, C6H1206 (glucose )
Pour vous entraîner : http://pagesperso-orange.fr/dep23/flash/masmol.html
Et pour les ions ?
La masse molaire ionique Mion d’un ion est la masse d’une mole de cet ion ( toujours en g/mol)
Or nous savons que la masse d’un ion monoatomique est très proche de celle de l’atome à partir duquel il est formé car la
quasi-totalité de leur masse se concentre dans leur noyau.
Conclusion : pour la masse molaire d’un ion monoatomique nous prendrons la masse molaire de l’atome.
Pour la masse molaire d’un ion polyatomique, nous prendrons la masse molaire de la molécule.
 Donnez les masses molaires des ions suivants : Fe2+, Fe3+, Cl-, NH4+, SO42-
Pour la suite du cours nous noterons M la masse molaire en g/mol d’une entité chimique
I.3
Calcul de la quantité de matière
I.3.1
Quantité de matière et masse ( pour les solides, les liquides et les gaz )
 Quelle est la masse m d’une mole de carbone 12 ? …………………………………..
 Quelle est la masse m de 2 moles de carbone 12 ? …………………………………..
 Quelle est la masse m de n moles de carbone 12 ? …………………………………..
 Quelle est la masse m d’une mole de silicium ? …………………………………..
 Quelle est la masse m de 2 moles de silicium ? …………………………………..
 Quelle est la masse m de n moles de silicium ? …………………………………..
 Quelle est la masse m d’une mole d’entités chimiques de masse molaire M ? …………………………………..…
 Quelle est la masse m de 2 moles d’entités chimiques de masse molaire M ? …………………………………..
 Quelle est la masse m de n moles d’entités chimiques de masse molaire M ? …………………………………..
La formule reliant la masse m, la quantité de matière n et la masse molaire M d’une entité chimique est :
 Quelle est la quantité de matière contenue dans un glaçon de 10g ?
 Quelle est la quantité de matière contenue dans un demi-litre d’eau ?
 Quelle est la quantité de matière contenue dans un kilo de vapeur d’eau ?
Attardons-nous sur ce dernier exemple : pour un gaz, il est peu aisé de mesurer la masse, on mesurera plus aisément
le volume.
I.3.2
Quantité de matière et volume d’un gaz
Pour une température donnée et une pression donnée, une mole de gaz ( quel que soit le gaz ) occupe toujours le
même volume : c’est ce qu’on appelle le volume molaire Vm qui s’exprime le L/mol ou L.mol-1
Dans des conditions ambiantes moyennes T = 20°C et P = 1013 hPa on a :
Vm = 24,0 L.mol-1
Si nous connaissons le volume V d’un gaz, nous pouvons donc en déduire dans les conditions normales :
II
Les solutions
II.1
Définitions
Une solution est obtenue par la dissolution d’une espèce chimique dans un liquide.
L’espèce chimique que l’on souhaite dissoudre est le soluté, il peut être liquide, solide ou gazeux.
Le liquide dans lequel on dissout le soluté est appelé le solvant : il est en très grande quantité par rapport au soluté.
Si le solvant est de l’eau, on parle de solution aqueuse.
 Citez 3 boissons courantes dans lesquelles le soluté est liquide, solide ou gazeux
Une solution dans laquelle tout le soluté n’est pas dissous après agitation est dite saturée.
 exemple :
Si le soluté est ionique, la solution obtenue est formée d’ions entourés par des molécules d’eau : c’est une solution aqueuse
ionique.
 exemple :
Si le soluté est moléculaire, la solution est constituée de molécules de soluté entourées par des molécules d’eau : c’est une
solution aqueuse moléculaire.
 exemple :
II.2
La concentration molaire
Lorque nous travaillons avec des solutions il est important de connaître deux grandeurs :
-
Le volume ( en L ) : le volume de la solution étant celui du soluté ( s’il est liquide ) et principalement du
solvant.
La quantité de matière du soluté ( en mol )
Ces deux grandeurs peuvent être ‘résumées’ dans la concentration molaire C en mol/L
C=
Remarque : la concentration molaire d’une espèce X en solution pourra être notée CX ou [X]
 Donnez la concentration molaire en glucose d’une solution aqueuse préparée de la façon suivante :
on dissout m = 50 g de glucose (C6H1206 ) dans 200 mL d’eau
 Donnez la concentration molaire en ion chlorure d’une solution aqueuse préparée de la façon suivante :
on dissout m = 5 g de sel dans 150 mL d’eau ( les ions chlore représentant environ 60% de la masse du sel )
II.3
Relation entre la concentration molaire et la concentration massique
On fera attention aux unités pour distinguer la concentration massique ( Cm en g/L ) de la concentration molaire
(C en mol/L)
 Soit une espèce chimique de masse molaire M dissoute dans un volume V de solvant. Donnez la relation entre C et Cm
pour cette espèce.
II.4
Dilution d’une solution
A la terrasse d’un café 2 personnes commandent chacune un verre de sirop à l’eau.
La première boit son verre normalement
La seconde complète son verre à ras bord avec de l’eau avant de le boire.
 Qui a bu le plus de sirop ? …………………..
Considérons la solution aqueuse formée par l’eau et le
sirop.
Dans les 2 cas :
 Le volume de solution est-il le même ?
……………………………………………….
 La quantité de matière de sirop est-elle la même ?
………………………………………………
 La concentration molaire en sirop est-elle la même ?
…………………………………….
Verre initial 1
Verre après
‘remplissage’ 2
Sans le savoir, le client n°2 a effectué une dilution.
La solution initiale ( verre n°1 ) de volume V 1, de concentration molaire C1 contenant n1 moles de soluté est appelée solution
mère.
La solution finale ( verre n°2 ) de volume V2, de concentration molaire C2 contenant n2 moles de soluté est appelée solution
fille.
 Donnez la relation entre n1 et n2
 En déduire une relation entre C1, C2,V1 et V2
A retenir :
Lors d’une dilution, la quantité de matière ne change pas.
Soient une solution mère de volume V1, de concentration molaire C1 contenant n1 moles de soluté et une solution fille volume
V2, de concentration molaire C2 contenant n2 moles de soluté, alors :
C1.V1 = C2.V2 = n1 = n2
On utilise souvent la dilution pour obtenir des solutions de concentration donnée