Mesures de quantités de matière en chimie

A
Z
12
6
37
17
35
17
35
17
Mesures de quantités de matière en chimie
Réaction de dissolution d'un soluté dans l’eau :
Introduisons du sucre solide dans un verre d’eau, puis agitons le mélange : on constate que le solide disparaît à la vue.
On dit que le sucre s’est dissout dans l’eau (et non pas que les cristaux ont fondu ! pour les faire fondre, il faudrait
chauffer à une température très élevée).
L’eau est appelé le solvant, le sucre est le soluté.
En dissolvant un soluté dans le solvant « eau », on obtient une solution aqueuse de ce soluté, soit ici une solution
aqueuse de sucre.
Le soluté peut être :
* un composé moléculaire qui se dissout en restant sous forme de molécules qui se séparent au sein de l’eau.
Ex: le saccharose (sucre) C
12
H
22
O
11(s)
C
12
H
22
O
11(aq)
* Un cristal ionique : les ions sont déjà présents dans le solide, et ne font que se séparer lors de la dissolution.
Ces ions n'apparaissent pas dans la formule chimique du solide qui doit être électriquement neutre.
Ex: le chlorure de sodium (sel de cuisine) de formule NaCl
(s)
est constitué en moyenne de 1 ion Cl
–
pour un ion Na
+
.
NaCl
(s)
Na
+(aq)
+ Cl
–(aq)
Remarques :
* Une réaction de dissolution est totale tant que la solution n'est pas saturée: au delà d'une certaine concentration, le
soluté ne se dissout plus. Cette concentration maximale s’appelle solubilité de ce soluté.
* Un cristal est constitué par un arrangement régulier d’atomes (diamant), de molécules (sucre) ou d’ions (chlorure
de sodium=sel de cuisine).
* La dissolution d’un solide cristallin ionique dans l’eau s’effectue en 3 étapes :
1- séparation des ions qui constituent le solide.
2- hydratation des ions qui s’entourent de molécules d’eau… ce que l’on note (aq) à droite de l’ion ( Cl
–(aq)
, …)
3- dispersion des ions dans toute la solution aqueuse, qui peut être accélérée en agitant la solution. Celle-ci
devient alors homogène (propriétés identiques en tout point).
Mesures de quantités de matière en chimie : la môle
Un maçon ne manipule jamais un gravier, un grain de sable ou un cristal de ciment, mais toujours un grand nombre de ces
entités, et il doit les mélanger avec de l’eau dans des proportions bien définies pour que le béton obtenu soit résistant.
De même, un chimiste ne manipule jamais un seul atome, ou une seule molécule, ou un seul ion, car leurs dimensions
sont bien trop petites à notre échelle !
Mais lorsqu’il fait réagir des espèces chimiques entre-elles, il doit les mélanger dans des proportions bien définies. Pour
cela, il doit être capable de mesurer les quantités de matière de chaque espèce concernée.
Les quantités de médicament administrées à un malade doivent également être déterminées avec précision, sinon le
médicament risque de rester inactif, ou au contraire de provoquer des effets secondaires indésirables pouvant aller jusqu’à
la mort du patient.
On appelle môle un ensemble d’atomes, de molécules ou d’ions identiques contenant 6,02.10
23
atomes, molécules ou ions
Le symbole de la môle est mol
N
A
=6,02.10
23
mol
–1
est appelé nombre d’Avogadro.
Ce nombre a été choisi de façon à ce que la masse d’une môle d’un atome de symbole X s’exprime en mol. L
–1
par la
même valeur que le nombre de nucléon A dans le noyau.
Exemple : la masse d’une môle d’atomes de carbone C se note M(C) = 12 g.mol
–1
le nombre d’atomes de carbone contenus dans 12g de carbone est donc égal à 6,02.10
23
atomes.
la masse d’un atome de carbone est donc égale à 12 / 6,02.10
23
= 2,0.10
–23
g
Remarque : la masse molaire d’un élément chimique est une moyenne sur l’ensemble des isotopes qui constituent cet
élément chimique. Par exemple pour l’élément chlore (75% de Cl et 25% de Cl) : M(Cl) = 35,5 g.mol
–1
On définit de même une masse molaire moléculaire pour un groupe de 6,02.10
23
molécules identiques.
Dans une môle d’alcool de formule brute C
2
H
6
O il y a 2 mol de carbone, 6 mol d’hydrogène et 1 mol d’oxygène.
M(C
2
H
6
O) = 2 x 12 + 6 x 1 +1 x 16 = 46g.mol
–1
sachant que M(C) = 12g.mol
–1
M(H) = 1g.mol
–1
et M(O) = 16g.mol
–1
eau
eau

Préparation d’un volume V d’une solution aqueuse de concentration en soluté apporté C
par dissolution d’un composé solide :
Le nombre de môle de soluté X à prélever est n = C . V n en mol V en L C en mol.L
–1
La masse correspondante est m = n . M où M est la masse molaire du soluté X m en g M en g.mol
–1
Exemple : saccharose C
12
H
22
O
12(s)
masse molaire moléculaire : M(C
12
H
22
O
11
) = (12x12)+(22x1)+(11x16) = 342g.mol
–1
Pour préparer V=200mL soit 0,200L d’une solution sucrée de concentration en soluté apporté C=5,00.10
–2
mol.L
–1
il faut prélever n = C . V = 5,00.10
–2
x 0,200 =1,00.10
–2
mol de sucre, soit une masse m = n . M = 1,00.10
–2
x 342 = 3,42g
Placer un bécher sur la balance. Tarer la balance.
Prélever la masse m=3,42g de cristaux à l’aide d’une spatule propre et sèche.
Rincer la paroi intérieure d’une fiole jaugée de volume V
à l’aide d’une pissette d’eau distillée.
Verser les cristaux dans la fiole jaugée à l’aide d’un entonnoir
Rincer le bécher et l’entonnoir avec de l’eau distillée de façon
à récupérer la totalité des cristaux dans la fiole.
Remplir la fiole à moitié d’eau distillée et, après l’avoir
bouchée, l’agiter pour dissoudre les cristaux.
Lorsque la dissolution est terminée, ajouter de l’eau distillée
à la pissette pour terminer au niveau du trait de jauge.
Reboucher la fiole jaugée et la retourner plusieurs fois
pour bien homogénéiser la solution obtenue.
Dilution d’une solution :
Diluer une solution aqueuse, c’est rajouter de l’eau pour augmenter son volume
sans modifier la quantité de soluté.
Exemple : on dilue environ 10 fois le sirop de menthe avant de le boire, c'est-à-dire
qu’on rajoute de l’eau jusqu’à ce que le volume final de la boisson soit environ 10
fois plus grand que le volume initial de sirop prélevé.
Soit à préparer un volume V 2 d’une solution de concentration en soluté apporté C 2
par dilution d’un volume V 1 de la solution mère S 1 de concentration C 1 .
Le nombre de môle de soluté ne variant pas lorsqu’on rajoute de l’eau, on peut écrire : n(soluté) = V 2 .C 2 = V 1 .C 1
Le facteur (ou rapport) de dilution est F = C 1 / C 2 = V 2 / V 1
Exemple :
On veut préparer V 2 =100mL soit 0,100L d’une solution sucrée de concentration en soluté
apporté C 2 =1,00.10
–2
mol.L
–1
à partir de la solution mère de concentration en soluté
apporté C 1 =5,00.10
–2
mol.L
–1
.
Le facteur de dilution est F = C1 / C2 = 5,00.10
–2
/ 1,00.10
–2
= 5,00
Le volume de solution mère à prélever est donc : V 1 = V 2 / F = 100 / 5,00 = 20,0 mL.
Verser la solution mère dans un bécher
Rincer une pipette jaugée de volume V 1 = 20,0 mL avec cette solution mère S 1 ,
puis la remplir jusqu’au trait de jauge.
Verser le contenu de cette pipette dans une fiole jaugée de volume V 2 =100mL
préalablement rincée à l’eau distillée, et à moitié remplie d’eau.
Boucher la fiole jaugée et la retourner plusieurs fois pour homogénéiser la solution obtenue.
Ajouter de l’eau distillée à la pissette pour terminer au niveau du trait de jauge.
Boucher la fiole jaugée et la retourner plusieurs fois pour homogénéiser la solution obtenue.
Attention : La pipette doit être rincée avec la solution à prélever, la fiole jaugée avec de l’eau distillée.