Les grandeurs à connaître en chimie des solutions
Masse volumique
À partir de la masse $m$ et du volume $V$ d’un échantillon de matière, on peut déterminer sa
$\rho$ est la masse par unité de volume de l'échantillon.
La masse volumique caractérise un corps pur.
Masse volumique $\rho$ d’un échantillon de matière :
Unité : $\pu{kg*m-3}$
Conversions :
- 1 $\pu{kg*L-1}$ = 1 $\pu{kg*dm-3}$ = $10^3$ $\pu{kg*m-3}$
- 1 $\pu{kg*L-1}$ = 1 $\pu{t*m-3}$
- 1 $\pu{kg*L-1}$ = 1 $\pu{g*mL-1}$ = 1 $\pu{g*cm-3}$
La masse volumique d’un échantillon peut permettre de l’identifier en comparant aux valeurs
répertoriées dans les tables.
Quelle est la masse volumique de l’eau pure ?
1 litre d’eau a une masse de 1 kilogramme.
Donc $\rho_{eau} = $ 1 $\pu{kg*L-1}$
soit $\rho_{eau}=$ 1000 $\pu{kg*m-3}$
ou encore $\rho_{eau} = $ 1 $\pu{g*cm-3}$
Et la masse volumique approximative de l’air ?
$\approx$ 1 $\pu{g*L-1}$
soit $\approx$ 1 $\pu{kg*m-3}$
Densité
La densité $d$ d’une espèce chimique est le rapport de sa masse volumique $\rho$ à la masse volumique de l’eau $\rho_{\text{eau}}$.
⚠️‼️⚠️‼️⚠️
La densité n’a pas d’unité.
Mais il faut faire attention faire correspondre
les unités de $\rho$ et de $\rho_{\text{eau}}$.
Concentration en masse
La concentration en masse $C_m$ d’un soluté (espèce chimique dissoute) dans une solution est
la masse du soluté par litre de solution.
Unité : le g/L
Quantité de matière
Les moles sont l’unité de comptage adaptée pour compter des entités microscopiques comme les atomes ou molécules dans un échantillon macroscopique.
Dans une mole, il y a $N_A\approx \pu{6,02E23}$ éléments (602 mille milliards de milliards).
$N_A$ est le nombre d'Avogadro
Masse molaire
La masse molaire atomique $M$ d’un élément
est la masse d’une mole de cet élément.
Unité de $M$ :
gramme par mole
$\pu{g*mol-1}$
La masse molaire de $\text{X}$ s’obtient en multipliant la masse de l’entité $m_\text{X}$ par le nombre d’Avogadro : $M(X)=N_A\times m_\text{X}$
Mais en pratique, les masses molaires atomiques
seront toujours données (à part peut-être les plus courantes comme celles de l'hydrogène,
du carbone et de l'oxygène).
La masse molaire atomique est généralement indiquée
dans la classification périodique des éléments.
- $M(\ce H)=$ $\pu{1,0 g*mol-1}$
- $M(\ce C)=$ $\pu{12,0 g*mol-1}$
- $M(\ce O)=$ $\pu{16,0 g*mol-1}$
- $M(\ce Cl)=$ $\pu{35,5 g*mol-1}$
- $M(\ce S)=$ $\pu{32,1 g*mol-1}$
Les masses molaires des ions monoatomiques
se déduisent des masses molaires atomiques :
- $M(\ce{H+})=$ $\pu{1,0 g*mol-1}$
- $M(\ce{Cl-})=$ $\pu{35,5 g*mol-1}$
De même, les masses molaires des molécules
et ions moléculaires se déduisent de celles
des atomes qui les constituent :
- $M(\ce{H2O})=$ $M(\ce O) + 2\times M(\ce H) $
$\phantom{M(\ce{H2O})} = \pu{18 g*mol-1}$ - $M(\ce{C3H8})=$ $ 3\times M(\ce C) + 8\times M(\ce H)$
$\phantom{M(\ce{C3H8})} = \pu{44 g*mol-1}$ - $M(\ce{SO4^2-})=$ $ M(\ce S) + 4\times M(\ce O)$
$\phantom{M(\ce{SO4^2-})} = \pu{96,1 g*mol-1}$
Volume molaire
Le volume molaire d’un gaz
est le volume occupé par une mole de ce gaz.
Unité de $V_m$ :
le litre par mole
$\pu{L*mol-1}$
⚠️
Le volume molaire dépend
de la température
et de la pression.
⚠️ ⚠️ ⚠️
Le volume molaire ne dépend pas
de l'espèce chimique !!!
Exemple :
- à une température de 0°C et à pression atmosphérique ($P_{atm}=\pu{1,013 bar}$), ce qu'on appelle les conditions normales de température
et de pression (CNTP), $V_m = \pu{22,4 L*mol-1}$. - à 20°C et pression atmosphérique, $V_m = \pu{24 L*mol-1}$
On peut obtenir le volume molaire
par la relation suivante :
$$ V_m = \frac{M}{\rho} $$
Concentration en quantité de matière
On peut définir la concentration en quantité
de matière $C$ d’un soluté sur le modèle
de la concentration en masse $C_m$ :
Unité de $C$ :
mole par litre
$\pu{mol*L-1}$
On note $C_X$ ou $[X]$ la concentration
en quantité de matière d’une espèce X.
On utilise généralement $C$ lorsqu’on parle de la concentration apportée en soluté et $[X]$ lorsqu’il s’agit de la concentration de l’espèce dissoute.
Exemple : imaginons que l’on dissolve $n=\pu{1,2 mol}$ d’un sel de chlorure de cuivre $\ce{CuCl2}$ dans un volume $V=\pu{0,50 L}$ d’eau distillée.
Que vaut $C_{\ce{CuCl2}}$ ?
$\displaystyle C_{\ce{CuCl2}} =\frac{n}{V}$
$\displaystyle \phantom{C_{\ce{CuCl2}}}=\frac{1,2}{0,50}$
$\displaystyle \phantom{C_{\ce{CuCl2}}}=\pu{2,4 mol*L-1}$
En supposant que le sel se dissolve complètement
$\ce{CuCl2 (s) -> Cu^2+ (aq) + 2 Cl- (aq)}$
Les concentrations en quantité de matière
des ions en solution s’écrirons plutôt :
$\displaystyle [\ce{Cu^2+}] = \pu{2,4 mol*L-1}$
et $\displaystyle [\ce{Cl-}] = \pu{4,8 mol*L-1}$
Si on connait la masse de soluté dissoute $m$ dans
un volume de solution $V$, on peut déterminer
la concentration en quantité de matière en
calculant la quantité de matière dissoute :
$\displaystyle n=\frac{m}{M}$
Et on détermine ensuite
la concentration en quantité de matière :
$\displaystyle C=\frac{n}{V}$
Mais on peut aussi passer de la concentration en masse à la concentration en quantité de matière :
- Comment varie $C$ si on ouvre le robinet du bas ?
- Comment augmenter $C$ ?
- Comment diminuer $C$ ?
- Déterminer la masse $m$ de soluté présent.