Le soluté moléculaire et ionique
A) La dissolution d’un soluté ionique
La formule d’un solide ionique comporte le nombre minimal de cations (chargés positivement) et d’anions (chargés négativement) permettant la neutralité électrique. Elle commence toujours par la formule du cation.
Exemple
Le carbonate de calcium CaCO3, est constitué d’ions calcium Ca2+ et d’ions carbonate . Il y a deux charges positives et deux charges négatives, ainsi l’ensemble est neutre électriquement.
Exemple
Déterminer la formule chimique de l’iodure de magnésium.
Ce solide comporte l’ion magnésium Mg2+ et l’ion iodure I– : or l’ensemble doit être neutre, il faut donc deux ions iodure I– par ion magnésium Mg2+ soit Mg2+ + 2 I–. La formule du solide ionique est donc MgI2(s). L’écriture Mg2+ + 2 I– est la formule des ions en solution si on précise l’état aqueux des ions.
L’équation de dissolution d’un soluté ionique s’écrit : formule du soluté → ions hydratés.
Exemple
Déterminer l’équation de dissolution du sulfate de sodium.
Ce solide comporte l’ion sodium Na+ et l’ion sulfate : l’ensemble doit être neutre, il faut donc deux ions sodium Na+ par ion sulfate soit 2 Na+ + .La formule du solide ionique est donc Na2SO4 (s).
L’équation de dissolution s’écrit : Na2SO4(s) → 2 Na+(aq) + (aq).
B) Les concentrations : rappels
La concentration massique Cm d’une espèce chimique en solution est la masse de l’espèce chimique par litre de solution. C’est le rapport de la masse de l’espèce chimique par le volume de solution. Elle s’exprime en gramme par litre g.L–1.
La concentration molaire C d’une espèce chimique en solution est la quantité de matière de l’espèce chimique contenue par litre de solution. C’est le rapport de la quantité de matière de l’espèce chimique par le volume de solution. Elle s’exprime en mole par litre mol.L–1.
Remarque
La concentration massique est liée à la concentration molaire : Cm = C × M, où M est la masse molaire de l’espèce chimique dissoute.
C) Les protocoles de dissolution et de dilution
On souhaite préparer un volume V d’une solution de soluté de concentration C par dissolution.
Il faut d’abord déterminer la masse ou le volume de soluté à prélever. On calcule d’abord la quantité de matière de soluté n = C × V.
Si le soluté est solide, on détermine la masse m = n × M(soluté). Si le soluté est liquide, on détermine le volume de soluté à prélever V = m/ρsoluté ou on pèse le soluté liquide.
Pour préparer une solution aqueuse de concentration massique précise par dissolution, il faut utiliser une balance et de la verrerie jaugée. Le mode opératoire est le suivant :
peser la masse m sur un verre de montre taré (ou prélever le volume précis de soluté liquide éventuellement) ;
introduire cette masse, en utilisant un entonnoir, dans une fiole jaugée (ayant le volume approprié) propre et remplie à moitié avec de l’eau distillée ou déminéralisée ;
rincer le verre de montre et l’entonnoir, mettez les eaux de rinçage dans la fiole jaugée ;
dissoudre totalement le solide ;
compléter la fiole jaugée jusqu’au trait de jauge avec de l’eau déminéralisée. Homogénéiser.
Application
Déterminer la masse puis le volume d’éthanol à prélever pour obtenir un volume V = 300 ml d’une solution aqueuse d’éthanol de concentration C = 0,586 mol.L–1.
Données : la masse volumique de l’éthanol est ρ = 0,789 g.mL–1 et sa masse molaire M(C2H6O) = 46,0 g.mol–1.
On calcule la quantité de matière d’éthanol n = C × V = 0,586 × 0,300 = 0,176 mol et on trouve la masse à peser m = n × M(C2H6O) = 0,176 × 46,0 = 8,07 g.
On détermine le volume d’éthanol à prélever V = m/ρ éthanol = 8,07/0,789 = 10,2 ml.
L’équation de dissolution s’écrit : C2H6O (liq) → C2H6O(aq).
Il est possible d’obtenir une solution aqueuse d’une espèce chimique de concentration donnée à partir d’une solution contenant la même espèce mais ayant une concentration plus importante : on opère alors une dilution.
La solution la plus concentrée s’appelle la solution mère et la solution diluée est la solution fille.
Le volume de solution mère à prélever est obtenu avec la relation Cfille × Vfille = Cmère × Vmère.
Cfille est la concentration de la solution diluée.
Cmère est la concentration de la solution mère.
Vfille est le volume final de la solution diluée.
Vmère est le volume à prélever de la solution mère.
Le rapport Cmère/Cfille ou Vfille/Vmère s’appelle « facteur de dilution ». Il indique que la solution a été diluée x fois.
Pour préparer une solution aqueuse de concentration précise par dilution, il faut utiliser de la verrerie jaugée. Le mode opératoire est le suivant :
rincer la pipette jaugée avec la solution mère ;
prélever le volume de solution mère nécessaire avec la pipette jaugée munie d’une propipette ;
introduire le volume de solution mère dans une fiole jaugée (ayant le volume approprié) propre et remplie à moitié avec de l’eau distillée ou déminéralisée ;
compléter la fiole jaugée jusqu’au trait de jauge avec de l’eau déminéralisée ;
homogénéiser.
Application
Déterminer le volume de solution aqueuse d’éthanol à prélever pour obtenir un volume V = 100 ml d’une solution aqueuse d’éthanol de concentration C = 0,0586 mol.L–1 à partir de la solution mère précédente.
1re méthode : facteur de dilution
On détermine le facteur de dilution Cmère/Cfille = 0,586/0,0586 = 10. La solution fille est donc dix fois plus diluée que la solution mère.
Il faut donc prélever un volume de solution mère égal à un dixième du volume de solution fille souhaité soit 10 ml.
2de méthode : formule de dilution
On utilise la formule Cfille × Vfille = Cmère × Vmère soit Vmère = Cfille × Vfille/Cmère = 0,586 × 100/0,0586 = 10,0 ml. On trouve le même résultat.
Le dosage à l’aide des rayonnements du spectre visible
A) Le spectre d’une solution colorée
Le spectre de la lumière blanche est continu : il est constitué de radiations dont les longueurs d’onde λ sont comprises entre 380 et 780 nm. Lorsque cette lumière blanche traverse une solution colorée, une partie est absorbée.
L’absorbance A d’une solution colorée est une grandeur positive sans unité : plus les espèces présentes dans la solution absorbent la radiation, plus l’absorbance est élevée. Elle est mesurée à l’aide d’un spectrophotomètre.
Dispositif mesurant l’absorbance d’une solution colorée
Exemple
On règle l’absorbance A = 0 pour le solvant.
Si A = 0, I = I0 : 0 % de l’énergie lumineuse de la radiation incidente est absorbée.
Si A = 1,0 : 90 % de l’énergie lumineuse de la radiation incidente est absorbée.
Si A = 2,0 : 99 % de l’énergie lumineuse de la radiation incidente est absorbée.
L’absorbance A d’une solution contenant une espèce chimique colorée dépend en général :
de la concentration C de l’espèce colorée dans la solution ;
de la longueur d’onde λ du rayonnement incident ;
de l’épaisseur e de solution traversée (plus e est grand, plus A est grand et vice-versa) ;
de la nature de l’espèce chimique colorée.
Si on trace l’évolution de l’absorbance en fonction de la longueur d’onde, on obtient le spectre d’absorption de l’espèce chimique colorée. Ce spectre permet :
de déterminer qualitativement la couleur de la substance, c’est sa « signature » ;
de choisir les longueurs d’onde pour lesquelles l’absorbance est maximale dans le cadre d’un dosage.
Exemple
Spectre d’absorption d’une solution aqueuse de permanganate de potassium (magenta) qui absorbe dans le domaine des radiations vertes : le vert est la couleur complémentaire du magenta.
B) La loi de Beer-Lambert
L’absorbance A d’une solution colorée diluée est proportionnelle à la concentration molaire C de l’espèce chimique responsable de sa couleur.
Remarque
Ceci est valable avec des concentrations massiques A = k × Cm avec k en L.g–1 et Cm en g.L–1.
Si l’on trace l’évolution de l’absorbance en fonction de la concentration (à partir d’un ensemble de solution de concentrations connues : échelle de teinte), on obtient une droite linéaire qui valide la loi de Beer-Lambert : c’est une droite d’étalonnage.
C) Le dosage par étalonnage
Une fois la droite d’étalonnage tracée, il est possible de déterminer la concentration de la même espèce chimique en travaillant dans les mêmes conditions (même cuve, même longueur d’onde) et en plaçant l’absorbance de la solution sur la droite d’étalonnage : c’est un dosage par étalonnage.
Il s’agit d’une simple lecture graphique. Il est aussi possible d’opérer par calcul à partir de l’équation modélisant le graphe : A = k × C.
