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Chimie

Cours : Chimie > Chapitre 8 

Leçon 2: Mélanges et solutions
Sciences
Chimie
États de la matière et forces intermoléculaires
Mélanges et solutions
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Concentration molaire ou molarité

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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 :
start text, C, o, n, c, e, n, t, r, a, t, i, o, n, space, m, o, l, a, i, r, e, space, end text, equals, start fraction, start text, space, n, o, m, b, r, e, space, d, e, space, m, o, l, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, e, with, \', on top, end text, divided by, start text, n, o, m, b, r, e, space, d, e, space, l, i, t, r, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, i, o, n, end text, end fraction
  • 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, space, percent 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, space, percent de diazote, 21, space, percent de dioxygène et 1, space, percent 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 !) :
start text, C, o, n, c, e, n, t, r, a, t, i, o, n, space, m, o, l, a, i, r, e, space, end text, equals, start fraction, start text, space, n, o, m, b, r, e, space, d, e, space, m, o, l, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, e, with, \', on top, end text, divided by, start text, n, o, m, b, r, e, space, d, e, space, l, i, t, r, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, i, o, n, end text, end fraction
La molarité s'exprime en start fraction, start text, m, o, l, end text, divided by, start text, L, end text, end fraction, ce qui s'abrège par start text, M, end text (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 open bracket, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket. 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, space, percent de cuivre et d'à peu près 12, space, percent d'étain. Quel est le soluté et quel est le solvant de cette solution ?

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

Considérons une solution qu'on réalise en dissolvant 2, comma, 355, start text, g, end text d'acide sulfurique start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript dans de l'eau. Le volume total de la solution obtenue est de 50, comma, 0, start text, m, L, end text. Que vaut la concentration molaire en acide sulfurique, que l'on note open bracket, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, close bracket ?
Pour déterminer open bracket, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, close bracket, on doit calculer le nombre de moles d'acide sulfurique présent en 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, comma, 08, start fraction, start text, g, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, end fraction, ce qui donne :
start text, N, o, m, b, r, e, space, d, e, space, m, o, l, e, s, space, d, e, space, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, equals, 2, comma, 355, start cancel, start text, g, end text, end cancel, start text, space, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, times, start fraction, 1, start text, m, o, l, end text, divided by, 98, comma, 08, start cancel, start text, g, end text, end cancel, end fraction, equals, 0, comma, 02401, start text, m, o, l, space, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript
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 soluteˊVolume de solution (en L)=0,02401 mol0,050 L=0,48 M\begin{aligned} [\text H_2 \text{SO}_4]&= \dfrac{\text{Nombre de moles de soluté}}{\text{Volume de solution (en L)}}\\ \\ &=\dfrac{0{,}02401\,\text{mol}}{0{,}050\,\text L}\\ \\ &=0{,}48 \,\text M\end{aligned}
Exemple d'application : quelle est la concentration molaire en ions start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript dans une solution de start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript ayant une concentration molaire de 4, comma, 8, start text, M, end text ?

Exemple 2 : Faire une solution de concentration spécifique

Parfois, on dispose d'un volume de solution et d'une concentration molaire souhaités et on veut connaître la quantité de soluté qu'on devra utiliser pour fabriquer la solution. Dans cette situation, on doit réarranger la relation permettant de calculer la concentration molaire afin de pouvoir trouver le nombre de moles de soluté.
start text, N, o, m, b, r, e, space, d, e, space, m, o, l, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, e, with, \', on top, end text, equals, start text, C, o, n, c, e, n, t, r, a, t, i, o, n, space, m, o, l, a, i, r, e, end text, times, start text, V, o, l, u, m, e, space, d, e, space, s, o, l, u, t, i, o, n, end text
Par exemple, disons qu'on veut faire 0, comma, 250, start text, L, end text d'une solution aqueuse contenant 0, comma, 800, start text, M, end text de start text, N, a, C, l, end text. Quelle masse de chlorure de sodium start text, N, a, C, l, end text devra-t-on utiliser pour fabriquer cette solution ?
On peut réarranger la relation permettant de calculer la concentration molaire de façon à calculer le nombre de moles de start text, N, a, C, l, end text, ce qui donne ici :
Nombre de moles de NaCl=[NaCl]×Volume de solution=0,800 molL×0,250 L=0,200 mol de NaCl\begin{aligned}\text{Nombre de moles de NaCl}&= [\text{NaCl}]\times{\text{Volume de solution}}\\ &=0{,}800\,\dfrac{\text{mol}}{\cancel{\text L}} \times 0{,}250\,\cancel{\text{L}}\\ &=0{,}200\,\text {mol de NaCl}\end{aligned}
Ensuite, on utilise la masse molaire du chlorure de sodium qui est de 58, comma, 44, start fraction, start text, g, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, end fraction pour passer de la quantité de matière (en mol) à la masse (en g) de start text, N, a, C, l, end text :
start text, M, a, s, s, e, space, d, e, space, N, a, C, l, end text, equals, 0, comma, 200, start cancel, start text, m, o, l, end text, end cancel, times, start fraction, 58, comma, 44, start text, g, end text, divided by, 1, start cancel, start text, m, o, l, end text, end cancel, end fraction, equals, 11, comma, 7, start text, g, space, d, e, space, N, a, C, l, end text
En pratique, on peut utiliser cette information pour faire notre solution comme suit :
Étape 1, point, spacePeser 11, comma, 7, start text, g, end text de chlorure de sodium.
Étape 2, point, spaceTransférer le chlorure de sodium dans une fiole propre et sèche.
Étape 3, point, spaceAjouter de l'eau dans la fiole contenant le start text, N, a, C, l, end text jusqu'à ce que le volume de la solution soit de 250, start text, m, L, end text.
Étape 4, point, spaceBoucher 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 présent dans 1 L de solution, ce que l'on peut calculer avec la formule suivante :
start text, C, o, n, c, e, n, t, r, a, t, i, o, n, space, m, o, l, a, i, r, e, space, end text, equals, start fraction, start text, space, n, o, m, b, r, e, space, d, e, space, m, o, l, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, e, with, \', on top, end text, divided by, start text, n, o, m, b, r, e, space, d, e, space, l, i, t, r, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, i, o, n, end text, end fraction
  • 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 start text, P, b, left parenthesis, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis et l'iodure de potassium start text, K, I, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis. Quand ces deux solutions se mélangent, un précipité jaune clair d'iodure de plomb start text, P, b, I, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, s, right parenthesis se forme. L'équation équilibrée de cette réaction est :
start text, P, b, left parenthesis, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, 2, start text, K, I, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start text, P, b, I, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, s, right parenthesis, plus, 2, start text, K, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis
Si on dispose de 0, comma, 1, start text, L, end text d'une solution de nitrate de plomb start text, P, b, left parenthesis, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript à 0, comma, 10, start text, M, end text, quel volume d'iodure de potassium start text, K, I, end text à 0, comma, 10, start text, M, end text doit-on ajouter de manière à faire réagir tout le nitrate de plomb ?
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