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Solutions aqueuses
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Cours
Solutions aqueuses
Introduction
Au chapitre précédent, tu as appris à distinguer corps purs et mélanges. Les solutions aqueuses sont un type de mélange homogène particulièrement important : elles sont omniprésentes dans la vie quotidienne (eau salée, sirop, sérum physiologique, eau de mer…) et dans les laboratoires de chimie. Comprendre comment on les prépare, comment on décrit leur composition et comment on détermine la quantité de soluté qu'elles contiennent est indispensable pour la suite du programme.
1. Qu'est-ce qu'une solution aqueuse ?
1.1 Définitions : solvant et soluté
Une solution est un mélange homogène obtenu en dissolvant une ou plusieurs espèces chimiques dans un liquide.
- Le solvant est l'espèce chimique largement majoritaire dans la solution. C'est lui qui « accueille » les autres espèces. Quand le solvant est l'eau, on parle de solution aqueuse.
- Le soluté est l'espèce chimique dissoute dans le solvant. Il peut être solide, liquide ou gazeux avant dissolution. Il y a souvent un seul soluté, mais il peut y en avoir plusieurs.
Exemples :
- Eau sucrée : solvant = eau ; soluté = saccharose (sucre).
- Eau de mer : solvant = eau ; solutés = chlorure de sodium (NaCl), chlorure de magnésium (MgCl₂), etc.
- Sérum physiologique : solvant = eau ; soluté = chlorure de sodium à 9 g·L⁻¹.
- Vinaigre : solvant = eau ; soluté = acide acétique (acide éthanoïque).
1.2 Comment identifier le soluté et le solvant ?
On identifie le soluté et le solvant de deux façons :
À partir de la composition : l'espèce présente en plus grande quantité est le solvant, les autres sont les solutés.
À partir du mode opératoire : lors de la préparation, on dissout le soluté dans le solvant. L'espèce qu'on introduit dans le récipient contenant le liquide est le soluté.
Attention : une solution aqueuse est toujours un mélange homogène. Si on observe deux phases (par exemple de l'huile sur de l'eau), il ne s'agit pas d'une solution.
2. Concentration en masse
2.1 Définition
La concentration en masse d'un soluté dans une solution, notée C_m, est la masse de soluté dissoute par litre de solution :
- m_soluté : masse du soluté dissous (en g)
- V_solution : volume total de la solution (en L)
- C_m : concentration en masse (en g·L⁻¹)
Exemple : on dissout 9,0 g de chlorure de sodium dans de l'eau pour obtenir 1,0 L de solution (sérum physiologique). La concentration en masse vaut :
C_m = 9,0 / 1,0 = 9,0 g·L⁻¹
Attention aux unités : si le volume est en mL, il faut le convertir en L avant d'appliquer la formule (diviser par 1 000).
2.2 Ne pas confondre concentration en masse et masse volumique
C'est une erreur très fréquente ! Ces deux grandeurs ont la même unité (g·L⁻¹ ou kg·m⁻³) mais ne décrivent pas la même chose :
| Grandeur | Formule | Ce qu'elle décrit |
|---|---|---|
| Concentration en masse C_m | m_soluté / V_solution | Masse d'un seul soluté dans 1 L de solution |
| Masse volumique ρ | m_solution / V_solution | Masse de toute la solution (solvant + soluté) dans 1 L |
Exemple concret : une solution d'eau sucrée a une concentration en masse de sucre de 200 g·L⁻¹. Sa masse volumique est de 1 080 g·L⁻¹ (soit 1,08 g·mL⁻¹). La masse volumique est bien supérieure car elle prend en compte la masse de l'eau et du sucre, pas seulement du sucre.
3. Préparer une solution
Il existe deux façons de préparer une solution de concentration connue : la dissolution et la dilution.
3.1 Préparation par dissolution
On part du soluté pur (solide, liquide ou gazeux) et on le dissout dans le solvant.
Protocole :
- Calculer la masse de soluté nécessaire : m_soluté = C_m × V_solution.
- Peser cette masse à l'aide d'une balance.
- Introduire le soluté dans une fiole jaugée (de volume V_solution).
- Ajouter de l'eau distillée jusqu'à environ la moitié de la fiole, puis agiter pour dissoudre.
- Compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge, en ajustant le ménisque avec une pipette.
- Homogénéiser en retournant la fiole bouchée plusieurs fois.
Exemple : préparer 250 mL de solution de chlorure de sodium à 20 g·L⁻¹.
m = C_m × V = 20 × 0,250 = 5,0 g de NaCl à peser.
3.2 Préparation par dilution
On part d'une solution mère (concentrée) et on ajoute du solvant pour obtenir une solution fille (moins concentrée).
Principe fondamental : lors de la dilution, la masse de soluté ne change pas. On ajoute seulement du solvant. Cela donne la relation de conservation :
ou, plus simplement :
Cette relation permet de calculer le volume de solution mère à prélever.
Protocole :
- Calculer le volume de solution mère à prélever : V_1 = (C_2 × V_2) / C_1.
- Prélever ce volume à l'aide d'une pipette jaugée (ou graduée).
- Introduire le prélèvement dans une fiole jaugée de volume V_2.
- Compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.
- Homogénéiser.
Exemple : on dispose d'une solution mère de concentration C_1 = 50 g·L⁻¹. On veut préparer V_2 = 100 mL de solution fille à C_2 = 10 g·L⁻¹.
V_1 = (C_2 × V_2) / C_1 = (10 × 100) / 50 = 20 mL de solution mère à prélever.
3.3 Choix de la verrerie
La précision de la préparation dépend du choix de la verrerie. En chimie, on distingue la verrerie jaugée (précise) et la verrerie graduée (moins précise).
| Verrerie | Précision | Utilisation |
|---|---|---|
| Fiole jaugée | Très précise | Contenir un volume exact de solution |
| Pipette jaugée | Très précise | Prélever un volume exact de liquide |
| Éprouvette graduée | Moyenne | Mesurer approximativement un volume |
| Bécher | Faible | Contenir, mélanger (jamais pour mesurer) |
| Pipette graduée | Moyenne | Prélever un volume variable |
Règle d'or : pour une préparation précise, on utilise toujours une fiole jaugée pour le volume final et une pipette jaugée pour le prélèvement.
4. Concentration maximale et solubilité
4.1 Définition
Il existe une limite à la quantité de soluté qu'on peut dissoudre dans un volume donné de solvant, à une température donnée. Au-delà de cette limite, le soluté ajouté ne se dissout plus et reste visible (dépôt solide au fond, par exemple) : la solution est dite saturée.
La concentration maximale (ou solubilité) est la concentration en masse du soluté dans la solution saturée, à une température donnée.
Exemple : à 20 °C, on peut dissoudre au maximum environ 360 g de chlorure de sodium dans 1 L d'eau. La concentration maximale du NaCl dans l'eau à 20 °C est donc d'environ 360 g·L⁻¹.
4.2 Influence de la température
En général, la solubilité d'un solide dans l'eau augmente avec la température : on peut dissoudre plus de sucre dans de l'eau chaude que dans de l'eau froide. Attention, ce n'est pas toujours le cas (la solubilité de certains sels diminue quand la température augmente), mais c'est la tendance générale.
5. Dosage par étalonnage
5.1 Principe
Le dosage par étalonnage est une méthode expérimentale qui permet de déterminer la concentration en masse d'un soluté dans une solution inconnue, en la comparant à des solutions de concentrations connues.
On prépare une gamme d'étalonnage : une série de solutions de même soluté, à des concentrations croissantes et connues. On mesure ensuite une propriété physique qui dépend de la concentration (couleur, masse volumique…) pour chaque solution de la gamme. Enfin, on mesure la même propriété pour la solution inconnue et on en déduit sa concentration par comparaison.
5.2 Méthode par échelle de teinte
Si le soluté est coloré, l'intensité de la couleur augmente avec la concentration. On compare visuellement la teinte de la solution inconnue avec celles de la gamme d'étalonnage.
5.3 Méthode par mesure de masse volumique
Si le soluté n'est pas coloré, on peut utiliser la masse volumique : elle augmente généralement avec la concentration du soluté. On trace le graphe ρ = f(C_m) à partir des mesures faites sur la gamme d'étalonnage, puis on lit graphiquement la concentration correspondant à la masse volumique mesurée pour la solution inconnue.
Démarche :
- Préparer la gamme : solutions de concentrations C₁ < C₂ < C₃ < C₄ < C₅ connues.
- Mesurer la masse volumique de chaque solution de la gamme.
- Tracer le graphe ρ = f(C_m).
- Mesurer la masse volumique de la solution inconnue.
- Reporter cette valeur sur le graphe pour lire la concentration correspondante.
L'essentiel du chapitre
Solution aqueuse : mélange homogène d'un solvant (eau) et d'un ou plusieurs solutés.
Concentration en masse : C_m = m_soluté / V_solution (en g·L⁻¹). Ne pas confondre avec la masse volumique ρ = m_solution / V_solution.
Dissolution : on dissout un soluté pur dans un solvant. La masse de soluté se calcule par m = C_m × V.
Dilution : on ajoute du solvant à une solution mère. Conservation du soluté : C₁ × V₁ = C₂ × V₂.
Verrerie précise : fiole jaugée (volume final) + pipette jaugée (prélèvement).
Concentration maximale : concentration du soluté dans une solution saturée. Au-delà, le soluté ne se dissout plus.
Dosage par étalonnage : comparer la solution inconnue à une gamme de solutions connues (échelle de teinte ou courbe de masse volumique) pour déterminer sa concentration.
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