Chapitre 4 − Solutions aqueuses

1. Notion de solution

1.a. solution

Une solution se constitue d’un liquide, le solvant, dans lequel est dissout le soluté qui est une espèce chimique moléculaire ou ionique. Si le solvant est de l’eau, on parle de solution aqueuse.

Qu’est-ce que le solvant, la solution et le soluté ?|<ul><li>le soluté est le solide que l'on dissout (espèce minoritaire)<li>le solvant est le liquide dans lequel on dissout (espèce majoritaire)<li>la solution est le mélange du solvant et du soluté</ul>

Équation de dissolution

On décrit une dissolution par une équation de dissolution.

ex : CaCℓ2(s) ⟶ Ca2+(aq) + 2 Cℓ−(aq)

1️⃣ Compléter les équations de dissolutions suivantes :

1.b. concentration en masse de soluté

La concentration en masse \(τ\) (ou \(γ\), ou \(C_m\)) d’une solution est le rapport entre la masse \(m\) de soluté présent et le volume \(V\) de solution :

\[τ = \frac{m}{V}\]

avec

Quelle est la différence entre la concentration en masse τ et la masse volumique ρ ?

Concentration en masse τ, avec unité|\[τ = \frac{m}{V}\]<ul><li>m en g<li>V en ℓ<li>τ en g.ℓ<sup>−1</sup></ul>

2️⃣ exercice 1 :

Si on dissout une masse \(m = 5,75\text{ kg}\) de sucre dans un volume \(V = 0,75\text{ m³}\). Déterminer la concentration en masse \(τ\) de cette solution.

\(m = 5,75\text{ kg} = 5\,750\text{ g}\)

\(V = 0,75\text{ m}^3 = 750\text{ L}\)

\(τ = \frac{m}{V}\)

\(τ = \frac{5\,750}{750}\)

\(τ = 7,67\text{ g.L}^{−1}\)

exercice 2 :

La surconsommation de sucre est la cause de nombreux problèmes de santé dans les pays développés. Selon l’Organisation mondiale de la santé (OMS), il est conseillé de restreindre l’apport quotidien en sucres libres à 50 g. Une réduction supplémentaire, limitant cet apport à 25 g par jour, est associée à des bénéfices additionnels pour la santé.

Une canette de coca de volume \(V = 250\text{ mℓ}\) contient \(m = 27,0\text{ g}\) de sucre ainsi que d’autres substances. Il s’agit d’une solution aqueuse.La boisson pèse \(m_1 = 257\text{ g}\).

  1. Indiquer quel est le soluté et quel est le solvant de la solution.
  2. Calculer la concentration en masse \(τ_s\) de la solution en sucre. On donnera le résultat en gramme par litre (g.L-1).
  3. Calculer la masse volumique ρ de la solution en gramme par millitre puis en kilogramme par litre.
  4. Calculer le volume \(V_1\) de cola que l’on peut boire au maximum par jour pour ne pas dépasser la quantité maximale de sucre. Donner le résultat en litre puis en millilitre.

1.c. solubilité

solubilité
Il existe une concentration maximale appelée solubilité et notée s, à partir de laquelle le soluté ne se dissout plus dans le solvant. La solubilité dépend notamment du solvant, du soluté et de la température.

solubilité en g/L, c’est la masse de soluté que l’on peut dissoudre dans 1 L de solvant.

Si la concentration en masse τ est supérieure à la solubilité, alors la solution est saturée .

Que signifie qu’une solution est saturée en soluté ?|Une solution est saturée en soluté, lorsque elle ne peut plus dissoudre davantage de ce soluté.

3️⃣ exercice :

  1. Déterminer la solubilité dans l’eau de ces trois espèces. Donner le résultat en g.L−1.

Vous pouvez utiliser la proportionnalité, ou le calcul de la concentration.

4️⃣ exercice : La solubilité du sucre étant de \(s_\text{sucre} = 2000\text{g.L}^{−1}\), avons-nous une chance de réaliser une solution saturée en sucre en mettant une masse \(m_\text{sucre} = 14\text{ g}\) dans un volume \(V_\text{solution} = 100\text{ mL}\) d’eau ?

Pour cela, il faut déterminer la concentration massique en sucre de la solution \(τ_m\) et vérifier que \(τ_m < s_\text{sucre}\).

Convertir le volume en ℓ :100 mℓ = 0,1 ℓ

\(\begin{aligned} τ_m &= \frac{m_s}{V}\\ τ_m &= \frac{14}{0,1}\\ τ_m &= 140\text{ g.L}^{-1} < s_\text{sucre}\\ \end{aligned}\)

Comme la concentration massique est inférieure à la solubilité, on peut réaliser cette solution.

2. Réalisation de solutions

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résumé

2.a. préparation par dissolution d’un solide

Étapes et matériel pour une dissolution ?|<ul><li>Peser à l'aide d'une <strong>coupelle de pesée</strong> et d'<strong>une balance</strong></li><li>Verser dans une <strong>fiole jaugée</strong> avec <strong>un entonnoir à solide</strong> ;</li><li>ajouter un peu d'eau distillée et homogenéiser ;</li><li>compléter jusqu'au trait de jauge.</li>

2.b. préparation par dilution d’une solution-mère

La masse de soluté dans la solution mère prélevée est égale à la masse de soluté dans la solution fille.

facteur de dilution
Le facteur de dilution \(F\), correspond au nombre de fois que la solution mère a été diluée.

\[F = \frac{V_{\text{fille}}}{V_{\text{mère}}}\]

mais aussi : \[F = \frac{τ_{\text{mère}}}{τ_{\text{fille}}}\]

définition du facteur de dilution|\[F = \frac{V_{\text{fille}}}{V_{\text{mère}}}\qquad F = \frac{τ_{\text{mère}}}{τ_{\text{fille}}}\]

Étapes et matériel pour une dilution ?|<ul><li>Prélever un volume <i>V</i><sub>mère</sub> de solution mère à la <strong>pipette (jaugée ou graduée)</strong> ;</li><li>Délivrer dans une <strong>fiole jaugée</strong> de volume <i>V</i><sub>fille</sub> ;</li><li>Compléter avec le solvant jusqu'au trait de jauge.</li>

exercice-type

On dispose d’une solution mère de sulfate de cuivre (CuSO₄) de concentration \(τ_0=0,100\text{ g.L}^{−1}\)

On souhaite préparer un volume \(V_1 = 100,0\text{ mL}\) d’une solution fille de concentration \(τ_1=0,020\text{ g.L}^{−1}\)

  1. Calculer le facteur de dilution F.
  2. Déterminer le volume de solution mère \(V_0\)​ qu’il faut prélever pour préparer la solution fille.
correction

  1. \(\begin{aligned} F &=\frac{τ_0}{τ_1}\\ F &= \frac{0,100}{0,020}\\ F &= 5 \end{aligned}\)

  2. On sait que : \(\begin{aligned} F &= \frac{V_1}{V_0}\\ \iff \quad V_0 &= \frac{V_1}{F}\\ V_0 &= 0,02\text{ L} = 20\text{ mL} \end{aligned}\)

3. Dosage par étalonnage

voir TP