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Concentration molaire ou molarité

Définitions de solution, soluté et solvant. Comment la molarité est-elle utilisée pour quantifier la concentration de soluté et comment se calcule-t-elle ?

Points clés

  • Les mélanges ayant une composition uniforme sont appelés mélanges homogènes ou solutions.
  • Les mélanges dont la composition n'est pas uniforme sont des mélanges hétérogènes.
  • La substance chimique présente en plus grande quantité dans le mélange est nommée solvant et les autres constituants du mélange sont les solutés.
  • La molarité ou la concentration molaire est le nombre de moles de soluté présent dans 1 litre de solution. On peut la calculer grâce à l'équation suivante :
Concentration molaire = nombre de moles de soluténombre de litres de solution
  • On utilise la concentration molaire pour passer du nombre de moles de soluté au volume de la solution.

Introduction : Mélanges et solutions

Dans la vie quotidienne, on rencontre souvent des substances qui sont des mélanges de différents éléments et composés chimiques. Un exemple de mélange est le corps humain. Saviez-vous qu'environ 57 % de la masse du corps humain est constituée d'eau ? Essentiellement, notre corps est un mélange de molécules, de gaz et d'ions inorganiques dissous dans l'eau. Je ne sais pas ce que vous en pensez, mais moi, je trouve cela stupéfiant !
Une photographie d'une plage en bord de mer. Le sable jaune est occupé par des personnes sur des serviettes de plage, et il y a aussi des nageurs dans l'océan bleu-vert. La plage est aussi entourée par les maisons d'une petite ville.
En plus des corps des plagistes, le sable de la plage et l'eau de la mer sont aussi des mélanges ! Photo de Bondi Beach par penreyes sur flickr, CC BY 2.0
Si, dans un échantillon, les substances sont mélangées de façon à ce que la composition soit uniforme, on parle alors de mélange homogène. A contrario, un échantillon constitué d'un mélange dont la composition n'est pas uniforme est un mélange hétérogène.
Les mélanges homogènes sont aussi connus sous le nom de solutions, et les solutions peuvent contenir des composants solides, liquides et/ou gazeux. On veut souvent pouvoir quantifier la quantité d'une espèce qu'il y a dans une solution : c'est ce qu'on appelle la concentration de l'espèce. Dans cet article, on va s'intéresser à la façon dont on peut décrire quantitativement les solutions et discuter de la manière dont on peut utiliser cette information quand on fait des calculs stœchiométriques.

Concentration molaire

Le constituant d'une solution qui est présent en quantité plus importante que les autres est appelé solvant. Toute espèce chimique mélangée au solvant est un soluté, soluté pouvant être un gaz, un liquide ou un solide. Par exemple, l'atmosphère terrestre est un mélange de plusieurs gaz : 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1 % d'argon, de dioxyde de carbone et d'autres gaz. Ainsi, on peut voir l'atmosphère comme une solution dont le diazote serait le solvant et dont les solutés seraient l'oxygène, l'argon, le dioxyde de carbone, etc.
La molarité, aussi appelée concentration molaire d'un soluté, est définie par le nombre de moles de soluté présentes dans 1 litre de solution (et non dans un litre de soluté !) :
Concentration molaire = nombre de moles de soluténombre de litres de solution
La molarité s'exprime en molL, ce qui s'abrège par M (prononcé "molaires"). La concentration molaire en soluté est parfois notée par des crochets que l'on place autour de la formule brute du soluté. Par exemple, la concentration molaire en ions chlorure dans une solution peut s'écrire [Cl]. La concentration molaire nous permet de faire le lien entre volume d'une solution et nombre de moles (ou masse) d'un soluté.
Exercice d'application : le bronze est un alliage qu'on peut visualiser comme une solution solide constituée d'environ 88 % de cuivre et d'à peu près 12 % d'étain. Quel est le soluté et quel est le solvant de cette solution ?

Exemple 1 : Calcul de la concentration molaire d'un soluté

Considérons une solution qu'on réalise en dissolvant 2,355g d'acide sulfurique H2SO4 dans de l'eau. Le volume total de la solution obtenue est de 50,0mL. Que vaut la concentration molaire en acide sulfurique, que l'on note [H2SO4] ?
Pour déterminer [H2SO4], on doit calculer le nombre de moles d'acide sulfurique présentes dans la solution. On peut passer de la masse de soluté au nombre de moles en utilisant la masse molaire de l'acide sulfurique qui est de 98,08gmol, ce qui donne :
Nombre de moles de H2SO4=2,355g H2SO4×1mol98,08g=0,02401mol H2SO4
On peut maintenant lier le nombre de moles d'acide sulfurique au volume total de solution afin de calculer la concentration molaire en acide sulfurique qui est :
[H2SO4]=Nombre de moles de solutéVolume de solution (en L)=0,02401mol0,050L=0,48M
Exercice d'application : quelle est la concentration molaire en ions H+ dans une solution de H2SO4 ayant une concentration molaire de 4,8M ?

Exemple 2 : Faire une solution de concentration spécifique

Parfois, on souhaite préparer une solution de volume et de concentration molaire donnés, et on veut connaître la quantité de soluté qu'on devra utiliser pour ce faire. Dans cette situation, on doit réarranger la relation permettant de calculer la concentration molaire afin de calculer le nombre de moles de soluté, et finalement la masse de soluté à utiliser.
Nombre de moles de soluté=Molarité×Volume de solution
Par exemple, disons qu'on veut préparer 0,250L d'une solution aqueuse de NaCl, avec [NaCl]=0,800M. Quelle masse de chlorure de sodium NaCl devra-t-on utiliser ?
On peut réarranger la relation permettant de calculer la concentration molaire de façon à calculer le nombre de moles de NaCl, ce qui donne ici :
Nombre de moles de NaCl=[NaCl]×Volume de solution=0,800molL×0,250L=0,200mol de NaCl
Ensuite, on utilise la masse molaire du chlorure de sodium qui est de 58,44gmol pour passer de la quantité de matière (en mol) à la masse (en g) de NaCl :
Masse de NaCl=0,200mol×58,44g1mol=11,7g de NaCl
En pratique, on peut utiliser cette information pour faire notre solution comme suit :
Étape 1. Peser 11,7g de chlorure de sodium.
Étape 2. Transférer le chlorure de sodium dans une fiole propre et sèche.
Étape 3. Ajouter de l'eau dans la fiole contenant le NaCl jusqu'à ce que le volume de la solution soit de 250mL.
Étape 4. Boucher la fiole et mélanger de manière à ce que le chlorure de sodium soit complètement dissous.
La précision de la concentration molaire dépend aussi bien du choix de la verrerie que de la précision de la balance utilisée pour peser le soluté. La verrerie détermine la précision sur le volume de la solution. Si on ne tient pas à être pointilleux, on peut mélanger la solution dans un erlenmeyer ou un bécher. Mais si on veut être très précis, comme quand on prépare une solution standard pour une expérience de chimie analytique, il faudra probablement mélanger le soluté et le solvant dans une fiole jaugée (voir la photo ci-dessous).
Photographie d'une fiole jaugée, qui possède une base en forme de poire avec un col très mince et droit sur sur le dessus. La fiole est remplie avec une solution bleu foncée qui remplit partiellement le col étroit de la fiole.
Une fiole jaugée contenant une solution de bleu de méthylène, un colorant. Photo d'Amanda Slater sur flickr, CC BY-SA 2.0

À retenir

  • Les mélanges ayant une composition uniforme sont des mélanges homogènes qu'on appelle aussi solutions.
  • Les mélanges dont la composition n'est pas uniforme sont des mélanges hétérogènes.
  • La substance chimique présente en plus grande quantité dans le mélange est le solvant et les autres composants sont des solutés.
  • La molarité (ou concentration molaire) est le nombre de moles de soluté présentes dans 1 L de solution, ce que l'on peut calculer avec la formule suivante :
Concentration molaire = nombre de moles de soluténombre de litres de solution
  • On utilise la concentration molaire pour passer du nombre de moles de soluté au volume de la solution.

Exercice : La stoechiométrie d'une réaction de précipitation

La molarité est un concept utile pour les calculs stœchiométriques mettant en jeu des réactions en solution comme la précipitation et la neutralisation. Par exemple, considérons la réaction de précipitation se produisant entre le nitrate de plomb Pb(NO3)2(aq) et l'iodure de potassium KI(aq). Quand ces deux solutions se mélangent, un précipité jaune clair d'iodure de plomb PbI2(s) se forme. L'équation équilibrée de cette réaction est :
Pb(NO3)2(aq)+2KI(aq)PbI2(s)+2KNO3(aq)
Si on dispose de 0,1L d'une solution de nitrate de plomb Pb(NO3)2 à 0,10M, quel volume d'iodure de potassium KI à 0,10M doit-on ajouter de manière à faire réagir tout le nitrate de plomb ?
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