Notions abordées

  • Relation entre concentration massique, volume et masse.
  • Manipulation de la relation et calculs
  • Laboratoire : différence entre solution, soluté et solvant - préparer une solution par dissolution
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C'est parti

Quelques brefs rappels

Le volume

On utilise le mètre cube de symbole m3.
On utilise plutôt le litre en chimie (L).

1 m3 = 1000 L et 1 mL = 1 cm3

La masse volumique d'un échantillon est le rapport de la masse m de cet échantillon à son volume v. (ρ est la masse volumique)

[ rho = frac { m } { V } ] ou [ m = rho times v ] ou [ v = frac { m } { rho } ]

La densité d'un liquide est égale au quotient de la masse d'un volume v par la masse d'un même volume d'eau. (La densité s'exprime sans unité)

[ d = frac { text { masse d un volume v de liquide } }{ text { masse d un volume v d'eau } } ]

Définition

Selon le domaine dans lequel ce mot est utilisé, la définition peut être différente. Mais, dans tous les cas, le volume représente une grandeur qui permet la mesure de l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.

  • En sciences physique, le volume d'un objet permet de mesurer l'extension dans l'espace physique que celui-ci possède et ce dans les trois directions de façon simultanée et de façon similaire à l'aire d'une figure dans le plan qui, quant à elle, mesure l'extension que celle-ci possède dans deux directions de façon simultanée.
  • En mathématiques, le volume d'une partie de l'espace géométrique correspond à sa mesure dans le sens de la théorie de la mesure de Lebesgue.

Il peut être intéressant de connaître la notion de volume afin de déduire la masse d'un objet défini grâce notamment à la bien connue masse volumique !

La mole

La mole est une unité de quantité de matière.

La quantité de matière se note n et s'exprime en mole de symbole mol.

Le nombre d'entités élémentaire contenue dans une mole est appelé Constante d'Avogadro, noté Na.

Il faut savoir que la valeur du nombre d'Avogadro a évolué au court du temps :

  • Avant le 20 Mai 2019, le nombre d'Avogadro, et donc la mole, était défini comme correspondant au nombre d'atome de carbone dans 12 grammes (donc 10-3 kg) de carbone 12. On avait alors : NA = 6,022 140 857 . 1023 mol−1.
  • Or, depuis le 20 Mai 2019, le kilogramme a été redéfini. Ainsi, on fit le choix de définir le nombre d'Avogadro comme étant une constante fixée par convention. Aujourd'hui, la valeur du nombre d'Avogadro est donc : NA = 6,022 140 76 . 1023 mol−1

Il y a proportionnalité entre le nombre N d'entités élémentaires dans un échantillon et sa quantité de matière n :

[ N = n times N _ { A } ] [ n = frac { N } { N _ { A } } ]

La masse

Comment utiliser une balance à deux plateaux ?
Attention à ne pas confondre la masse et le poids

En physique, la masse correspond à une grandeur physique positive et intrinsèque d'un corps.

De façon plus précise, en physique newtonienne, la masse correspond à une grandeur extensive. Cela signifie alors que la masse d'un corps formé de parties correspond à la somme des masses de ces différentes parties qui le compose.

De plus, il est essentiel de noter que la masse est une grandeur conservative. De ce fait, elle reste constante dans le cas d'un système isolé qui n'échange donc pas de matière avec son environnement.

Pour une espèce donnée, la masse m, la quantité de matière n et la masse molaire M sont liés par : [ n = frac { m } { M } ] [ m = n times M ]

Les propriétés

La masse peut se manifester au travers de deux propriétés fondamentales :

En effet, en mécanique statique, la masse est correspond à l'un des premières grandeurs facilement mesurables par les gens via le système de pesée puisque celle-ci permet de comparer la masse de l'objet défini avec un masse étalon connue. On appellera alors ce système la masse pesante. C'est ainsi que l'on liera la quantité de matière d'un corps à sa masse.

Tandis qu'en mécanique dynamique, la masse correspond à une grandeur qui intervient dans le principe fondamental de la dynamique comme étant la résistance de la matière au changement de vitesse. En effet, plus la masse d'un corps est importante, plus il faudra exercer une force importante pour modifier la direction ou encore sa vitesse. On appelle alors ce phénomène "masse inerte".

Ainsi, cet aspect de la masse présente un rôle essentiel dans tous les domaines de la dynamique puisqu'elle correspond à une notion présente dans grand nombre de relations de physique classique ou encore dans les calculs qui permettent de les définir. En effet, il est possible de constater une proportionnalité entre la masse inerte et la masse pesante et cela de façon totalement indépendante de la nature du matériau mis en jeu. Cela permet alors de prendre la même unité pour la masse pesante et la masse inerte et donc de pouvoir les définir comme étant égale. Ainsi, cette équivalence a permis de définir un principe d'équivalence.

L'unité

L'unité de masse est le kilogramme dans le Système international d'unités (S.I.).

Comme pour le litre il existe des sous-unités : kg ; hg ; dag ; g ; dg ; cg ; mg.

Attention à ne pas faire comme une majorité et confondre la masse avec le poids. En effet, dans le vocabulaire de la physique, le poids correspond à la force exercée par la gravité sur un corps pesant.

La masse molaire

La masse d'une mole d'atomes est appelée masse molaire atomique, noté M et d'unité g / mol. En chimie, on ne compte pas en nombre d'ions ou d'atomes mais en nombre de paquets, un paquet s'appelle une mole (mol). Une mole contient 6,02 . 1023 entités.

Le nombre de masse d’un atome correspond au nombre de nucléons qu’il contient. Il s’agit donc de la somme du nombre de protons et du nombre de protons qui constituent le noyau de l’atome.

La masse molaire correspond aussi au nombre de nucléons dans le noyau. A = 59, signifie qu'il y a 56 nucléons dans le noyau (et 59 grammes dans une mole).

Dans le tableau périodique, la masse molaire est souvent différente de A à cause des isotopes.

Des isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

Définissons la solution électrolytique

On appelle solution électrolytique toute solution obtenue par la dissolution d'une substance appelée soluté dans un liquide que l'on appelle solvant. Le soluté peut être sous la forme de solide, de gaz ou de liquide et si l'eau constitue le solvant de la solution, on parle alors de solution aqueuse.

De ce fait, une solution électrolytique correspond à une solution contenant des ions. Elle est alors conductrice tout en étant électriquement neutre

Créer une solution électrolytique par dissolution de cristaux ioniques

Détermination de la masse de soluté à peser

Soit à préparer un volume V d'une solution contenant l'espèce X, de masse molaire M(X), à la concentration [X]. Il faut, en général, déterminer la masse de l'espèce X à peser.
Soit m(X) cette masse.

[ left[ X right] = frac { n left( X right) } { V } ] or [ n left( X right) = frac { m left( X right) } { M left( X right) } ]

Donc [ left[ X right] = frac { m left( X right) } { M left( X right) times V } ] et [ m left( X right) = left[ X right] times M left( X right) times V ]

 Définissons le cristal ionique

Comment reconnaître un cristal ionique ?
Le sel de table est un cristal ionique très connu

Les cristaux ioniques sont constitués d'anions et de cations tenus entre eux par l'attraction électrique. Cette attraction est responsable de la structure géométrique qu'adoptent les ions pour former un cristal. Un ion positif va s'entourer d'ions négatifs et réciproquement et de la même manière que les atomes ou molécules forment les solides, les ions forment les cristaux.

Exemple

Dans un cristal de chlorure de sodium NaCl, les ions adoptent une structure cubique où un anion est entouré de 6 cations. Un cristal ionique est toujours électriquement neutre donc il y a autant de charges positives que négatives. Par conséquent, certains cristaux possèdent plus d'anions et de cations (ou inversement).

Cohésion des cristaux ioniques

Les ions étant jointifs, la distance qui les sépare correspond à la distance entre leur centre.

La cohésion du cristal est due à l'interaction coulombienne qui correspond à la force qui lie deux ions. La valeur de cette force peut paraître faible mais elle est bien plus importante par rapport au poids de l'ion. A cette échelle, c'est la force électrique qui domine. La température de fusion des solides ioniques est assez élevée (801 °C) pour le sel, ce qui veut dire que les liaisons entre ions sont très solides.

La loi de Coulomb

Coulomb, un physicien français, a établi en 1758 que le champ doit varier comme le carré inverse de la distance entre les charges à une précision de 0,02 sur l'exposant avec l'aide d'un dispositif appelé balance de Coulomb. Cette balance est constituée d'un fil de torsion en argent sur lequel est fixé des matériaux chargés. Ainsi, la loi d'attraction entre deux charges ponctuelles notées q1 et q2 , fixes dans le référentiel défini et séparées par une distance r, se définit ainsi :

  • La force est dirigée selon la droite reliant les deux charges ;
  • Elle est attractive si les charges sont de signes opposée et répulsive sinon ;
  • Son intensité est proportionnelle aux valeurs de q1 et q2 et varie en raison inverse du carré de la distance r.

Il est alors possible de traduire ces caractéristiques en une formule exprimant la force exercée par q1 sur q2 :

[ overrightarrow{ f _ { e } } = frac { 1 } { 4 pi epsilon _ { 0 } } frac { q _ { 1 } q _ { 2 } }{ r ^ { 2 } } overrightarrow { e _ { r } } ]

Avec :

  • [ overrightarrow { e _ { r } } ] le vecteur unitaire de la droite reliant q1 et q2 qui est dirigée dans le sens 1 vers 2
  • [ epsilon _ { 0 } ] la permittivité diélectrique du vide

Ce qui peut rendre la compréhension de cette formule compliquée est la notion de force à distance. En effet, comment une charge peut savoir qu'une autre charge ponctuelle se trouve à une certaine distance d'elle et alors exercer sur force sur cette charge en fonction de la distance qui les sépare.

Dans ce cas, tout comme pour un champ gravitationnel, il peut être utile de séparer dans la loi de force ce qui dépend de la charge subissant la force et donc d'obtenir la relation suivante :

[ begin{cases} overrightarrow { f } = q _ { 2 } left[ frac { 1 } { 4 pi epsilon _ { 0 } } frac { q _ { 1 } } { r ^ { 2 } } overrightarrow { e _ { r } } right] = q _ { 2 } overrightarrow { E }
overrightarrow{ E } = frac { 1 } { 4 pi epsilon } frac { q _ { 1 } }{ r ^ { 2 } } overrightarrow { e _ { r } } end{cases} ]

Avec :

  • [ overrightarrow { E }  ] un champ électrique électrostatique créé à partie de la charge q1 au point où se trouve la seconde charge q2

Ainsi, avec cette relation, il est plus aisé d'interpréter l’existence d'une force à distance. En effet, la charge considérée comme "source", c'est-à-dire q1, crée en tout point de l'espace un champ électrique dont la forme est donnée par la relation exprimée ci-dessus, et une charge quelconque considérée comme "test" subira l'effet de ce champ sous la forme d'une force égale au produit de cette charge par le champ électrostatique. Dans ce cas, ce champ électrostatique apparaîtra comme la force entre deux particules ponctuelles fixes par unité de charge.

Calculer la concentration massique

La concentration massique est une grandeur qui reflète la proportion de soluté dissout dans une solution aqueuse.

On la note communément Cm mais le Bureau International des poids et mesures (BIPM) (voir aussi onglet "Le savais-tu?") préconise d’utiliser davantage ρi ou γi.

Note : Ici, nous nous contenterons de la notation usuelle, à savoir Cm.

La concentration massique se calcule en divisant la masse de soluté (m) par le volume de la solution (V) ce qui peut se traduire par la relation suivante :

Cm =  m/V

  • m en gramme ( g )
  • V en litre ( L)
  • Cm en gramme par litre (g.L-1)

Exemple

On dissout 5 g de sulfate de cuivre dans 400 mL d’eau. Quelle est alors la concentration massique du sulfate de cuivre ?

On a : m = 5g, V= 400 mL

Il faut, dans un premier temps convertir en litres le volume d’eau V. Ainsi, V = 400 mL = 0,4 L

On peut donc écrire : Cm =   5/o,4

Ainsi : Cm = 12,5 g.L-1

La concentration massique du sulfate de cuivre est de 12,5 g.L-1.

Remarque : Comme pour toute autre concentration, il est possible d’exprimer la concentration massique avec d’autres unités. Il est néanmoins impératif de veiller à utiliser des unités de masses et de volumes qui restent cohérentes.

Par exemple pour une concentration massique en milligramme par litre (mg/L) alors la masse doit être exprimée en milligramme (mg) et le volume en litre (L). C’est logique ! Mais il est facile de faire des erreurs d’unités alors il faut faire attention.

Calculer une masse à partir de la concentration massique

Pour calculer une masse, on revient à la relation précédente qui permettait de calculer la concentration massique et on a :

m = Cm x V

  • m en gramme (g)
  • V en litre (L)
  • Cm en gramme par litre (g.L-1)

Exemple

Prenons une solution de concentration massique Cm =15 g.L-1  et de volume V = 3 L. Quelle est alors la masse de la solution ?

On sait que : m = Cm x V

D’où :            m = 15 x 3

Donc :           m  = 45 g

La masse de la solution est donc de 45 g.

Calculer le volume de solution contenant une masse m de soluté

Tout comme pour le calcul de masse il suffit de modifier l’expression de la concentration massique:

V =  m/Cm

  • m en gramme (g)
  • V en litre (L)
  • Cm en gramme par litre (g.L-1)

Exemple

On a une solution de concentration massique de 2,5 g.L-1. De plus, le volume de solution renferme 0,5 g de soluté. Quelle est donc le volume de solution présent ?

On sait que : V =  m/Cm

  • m en gramme (g)
  • V en litre (L)
  • Cm en gramme par litre (g.L-1)

Donc : V = 0,5/2,5

Ainsi, V = 0,2 L.

Le volume de solution présent est de 0,2L.

Somme des concentrations massiques et masse volumique

Il existe également une relation entre la concentration massique et la masse volumique.

Prenons une solution qui est composée de plusieurs espèces chimiques et nous sommes amenés à additionner les concentrations massiques des différents composants de cette solution. Cette somme des concentrations massiques est en fait égale à la masse volumique de la solution. On peut alors écrire :

ρ = (Cm)

Explications (voir aussi la fiche sur la masse volumique)

Comme Cm = m/V on a :

Cm = (m)/V = M/V = ρ

Concentration massique et concentration molaire

Concentration massique et concentration molaire sont également deux grandeurs liées par la relation suivante :

Cm = C * M où C est la concentration molaire et M la masse molaire d’une solution

Comment peut-on expliquer cela mathématiquement ?

Il suffit de reprendre toutes les relations que nous connaissons liées à la concentration molaire, la masse molaire, la masse et la quantité de matière.

On sait en effet que : m = n * M

On sait aussi que : C = n/V

Ainsi on peut remplacer m dans notre relation de base par n * M et on a alors :

Cm = m/V = (n*M)/V = (n/V)*M

Comme C = n/V, on peut donc écrire : Cm = C * M.

LABO - Préparer une solution de concentration massique donnée par dissolution

Définitions

Il faut être attentif aux notions que l’on utilise et savoir faire la distinction entre solvant, soluté et solution. Ces trois termes sont extrêmement liés et souvent sujets à confusion.

En fait, la solution est le résultat de la dissolution d’une espèce chimique quelconque dans un solvant. Cette espèce, une fois dissoute, est appelée soluté.

En d’autres termes, le solvant est le liquide dans lequel se dissout le soluté. Ce dernier peut, quant à lui, prendre toutes les formes physiques : liquide, gazeuse ou solide.

Le solvant très souvent utilisé en laboratoire est l’eau. On parle alors de solution aqueuse.

Matériels

Comment choisir sa fiole jaugée ?
En chimie, il faut choisir sa verrerie en réfléchissant. en effet, selon le matériel, des incertitudes sont à prendre en compte lors des mesures.
  • Balance
  • Spatule
  • Capsule
  • Fiole jaugée de volume V
  • Eau distillée

Protocole

En laboratoire, il est possible de préparer une solution d’un volume V donné et une concentration massique Cm donnée. Ainsi, il s’agit là d’une dissolution !

  • Pour ce faire, il faut, dans un premier temps calculer la masse de soluté nécessaire à la préparation. On utilise alors la relation suivante : m = Cm x V.
  • On mesure ainsi la masse calculée à l’aide d’une balance. Pour cela, on utilise une spatule propre et sèche et on prend délicatement du soluté que l’on verse ensuite dans une capsule. Attention à peser cette capsule préalablement et à tarer.
  • On verse ensuite la quantité de soluté mesuré dans une fiole jaugée au volume V donné.
    • On ajoute de l’eau distillée aux deux-tiers. On bouche la fiole jaugée et on agite.
    • On complète enfin jusqu’au trait de jauge sans oublier de d’agiter à nouveau pour que le soluté soit complètement dissous.
  • La solution est prête !

Concentration massique : le saviez-vous ?

Il existe donc une institution qui fixe et règle les mesures afin de mettre en place un système d’unités qui soit commun à l’ensemble des pays du monde.

Aujourd’hui, quasiment tous les pays du monde y adhèrent ; seuls un bon nombre de pays d’Afrique sont en marge. Cette institution est en fait le Bureau International des poids et mesures (BIPM). Il se charge également de maintenir la coordination des fuseaux horaires à travers le monde.

Il est d’ailleurs basé en France, près de Paris !

Quelques informations concernant la dilution

La dilution correspond à un procédé qui consiste en l'obtention d'une solution finale qui présentera une concentration inférieure à la concentration de la solution de départ. Il est alors possible de procéder à cela grâce à un ajout de solvant ou encore en prélevant une partie de la solution puis de compléter jusqu'à atteindre le volume souhaité avec du solvant. Il est alors possible de caractériser une dilution par son taux de dilution. Mais pour cela, il est nécessaire de présupposer que le corps dilué est soluble dans le solvant qui est utilisé.

Dilution par ajout de solvant

On note la concentration d'une solution C et il est possible de la calculer avec la formule suivante : [ C = frac { n } { V } ]

Avec :

  • C la concentration molaire. Cette unité s'exprime en mol.L-1 ;
  • n la quantité de matière du soluté en solution. Cette unité s'exprime en mol ;
  • Et V le volume de solvant. Cette unité s'exprime en L.

Ainsi, si on procède à une dilution par ajout de solvant, la solution initiale et la solution finale contiennent autant de quantité de soluté. Cela signifie alors que ninitialenfinale .

On a alors les relations suivantes qui se dégagent :

[ C _ { text { initiale } } = frac { n _ { text { initiale } } } { V _ { text { initial } } } ]

[ C _ { text { finale } } = frac { n _ { text { finale } } } { V _ { text { final } } } ]

On peut déduire de ces relations le rapport suivant :

[ frac { C _ { text { initiale } } } { C _ { text { finale } } } = frac { V _ { text { initial } } } { V _ { text { final } } } ]

Définissons le taux de dilution

Il est possible d'exprimer le taux de dilution avec la relation suivante :

[ T = frac { text { concentration finale } } { text { concentration initiale } } = frac { text { volume final } } { text { volume initial } } ]

Il est important de savoir que le taux de dilution, noté T, est une grandeur sans unité et qui présente obligatoirement une valeur positive et inférieure à 1.

Quant au taux de dilutions successives, il correspond au produit des taux de dilution de chaque dilution.

Exemple

Si on procède à une dilution à 3 % puis à 5 %, on a T qui est égal à :

[ T = frac { 3 } { 100 } times frac { 5 } { 100 } = frac { 15 } { 100 } = 15 times 10 ^ { - 4 } ]

Lien entre l'homéopathie et la dilution

Comment se faire prescrire des billes homéopathiques ?
L'homéopathie est une pratique très controversée qui n'est désormais plus remboursée par la sécurité sociale française.

L'homéopathie correspond à une pratique pseudo-scientifique de médecine alternative qui a été inventée en 1796 par Samuel Hahnemann.

Cette pratique repose essentiellement sur le principe qu'il est possible de soigner un patient en diluant très fortement des substances qui, lorsqu'elles sont concentrées, pourraient provoquer des symptômes assez similaires à ceux que le patient rencontre.

Or, au-delà d'un certain nombre de dilutions, les remèdes se basant sur l'homéopathie sont totalement dépourvus de tout principes actifs.

Afin de mettre au point un remède homéopathique, il est nécessaire d'utiliser la technique de dilutions infinitésimales. Ce principe consiste à diminuer la toxicité des substances choisies dans la composition du remède par application du principe de similitude. Par suite de cela, il est nécessaire d'agiter très fortement les préparations. Ainsi, après chaque dilution, la préparation est secouée de façon énergique manuellement ou mécaniquement. Cela permettrait de conserver les effets pharmacologiques du principe malgré des dilutions importantes.

Le mécanisme de la mémoire de l'eau

Pour expliquer cette méthode, Jacques Benveniste, en 1987, mettra au point l'hypothèse de la mémoire de l'eau. Cette hypothèse reposerait sur la possibilité que l'eau garderait en mémoire les propriétés de la substances précédemment diluées même lorsque ces substances sont absente sous la forme d'une empreinte électromagnétique de la molécule.

Cependant, cette hypothèse est considérée comme scientifiquement invraisemblable, et les précédentes démonstrations de cette hypothèse ne furent nullement convaincantes car truquées ou biaisées par la présence d'artefacts de manipulations.

La dilution utilisée lors des dosages colorimétriques

Un dosage colorimétrique correspond à un type de dosage qu'il est possible de réaliser lorsqu'une réaction chimique donne des produits colorés et si l'intensité de la coloration est proportionnelle à la concentration de l'élément chimique à doser. Cette réaction repose donc logiquement sur la loi de Beer-Lambert.

Notez qu'il est aussi possible de procéder à un dosage colorimétrique en utilisant des indicateurs colorés qui vont se colorer selon les variations de pH et donc indiquer le point d'équivalence de la réaction. Dans ce cas, on parle alors de titrage colorimétrique.

Pour procéder à un tel dosage, il est alors nécessaire de procéder à la conception d'une gamme étalon.

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !