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Composition d'un mélange
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Introduction :
Nous nous intéressons, dans ce cours, aux grandeurs permettant de caractériser la composition d’un mélange. Dans une première partie, nous définirons ce qu’est une solution et ses caractéristiques. Ensuite dans une seconde partie, nous parlerons plus particulièrement des solutions aqueuses. Enfin, nous aborderons les questions de concentration et de dosage d’une solution.
Qu’est-ce qu’une solution ?
Généralités
Solution :
Une solution est un mélange homogène d’au moins un soluté dissout dans un solvant.
Solvant :
Le solvant est une espèce chimique, le plus souvent liquide, qui est mélangée avec une autre espèce chimique (le soluté) pour former un mélange homogène.
Soluté :
Le soluté est une espèce chimique qui est mélangée à une autre (le solvant). Le soluté est dissout dans le solvant. Le soluté peut être un liquide, un solide ou encore un gaz.
Dans une solution, l’espèce chimique qui constitue le solvant reste majoritaire par rapport à l’espèce chimique qui constitue le soluté.
Composition en masse d’un mélange
Concentration en masse :
Dans un mélange, la concentration en masse d’un soluté en solution est le quotient de la masse de ce soluté par le volume total de solution.
Avec :
Il ne faut pas confondre concentration en masse et masse volumique !
La concentration en masse est la masse en gramme d’un litre d’une solution (mélange d’un solvant et d’un soluté). En revanche, la masse volumique est la masse en kilogramme d’un mètre cube d’une même espèce chimique ou d’un même corps.
Autrement dit :
et
La composition en masse d’un mélange nous donne les proportions en masse de ses constituants, dans les mêmes conditions de température et de pression. Nous pouvons également exprimer ce rapport en pourcentage, grâce à la fraction massique.
Dans un mélange, la fraction massique du soluté est le quotient de la masse du soluté par la masse de la solution .
wi=100\times\dfrac{mi}{m_{tot}}
Avec :
Composition volumique d’un mélange
Dans cette partie, le terme « fluide » désigne un liquide ou un gaz.
La composition volumique d’un mélange nous donne les proportions en volume de ses constituants, dans les mêmes conditions de température et de pression. Nous pouvons également exprimer ce rapport en pourcentage, grâce à la fraction volumique.
Fraction volumique :
Dans un mélange, la fraction volumique d’un fluide est le quotient du volume de ce fluide, noté , par le volume total de tous les fluides du mélange, noté .
La fraction volumique d’un fluide, le volume du même fluide et volume total de fluide vérifient la relation :
Le volume du fluide (noté ) et le volume total de fluide (noté ) s’expriment dans la même unité. La fraction volumique s’exprime en pourcentage.
L’air est un gaz homogène qui se compose d'azote (), de dioxygène () et, pour moins de , de gaz rares comme l’argon (), le néon (), le krypton (), le xénon () et l’hélium ().
La partie par million en volume () exprime une fraction volumique valant soit : .
Les solutions aqueuses
Solution aqueuse :
Une solution aqueuse est une solution dont le solvant est l’eau.
Il existe d’autres solvants que l’eau : on peut utiliser de l’alcool comme solvant, on obtient alors une solution alcoolique.
Préparation d’une solution aqueuse par dissolution
Dissolution :
La dissolution est le processus chimique par lequel un soluté est dissous dans un solvant pour former un mélange homogène appelé solution.
Méthode expérimentale de préparation d’une solution par dissolution
Voici les étapes pour préparer une solution par dissolution d’un soluté dans un solvant.
Préparation d’une solution par dissolution
Remarques :
Conservation de la masse lors d’une dissolution
Dans cet exemple, de sel sont mélangés à d’eau, ainsi la fraction massique du sel est :
Préparation d’une solution aqueuse par dilution
Dilution :
La dilution d’une solution a pour principe de diminuer la concentration (en quantité de matière ou en masse) du soluté contenu dans le solvant, en augmentant la quantité du solvant tout en conservant identique la quantité du soluté.
Méthode expérimentale de préparation d’une solution par dilution
Voici les étapes pour préparer une solution par dilution d’une solution.
Préparation d’une solution par dilution
Variation de la concentration en masse au cours d’une dilution
Soit une solution de volume dont le soluté a une concentration masse . La masse de soluté est alors égale à . Si l’on ajoute un volume de solvant à cette solution alors après dilution :
Variation de la fraction massique au cours d’une dilution
Concentration et dosage
Dosage :
Un dosage est une technique expérimentale qui permet de déterminer la concentration en quantité de matière (exprimée en ) ou la concentration en masse (exprimée en ) d’un soluté dissous dans une solution.
Parmi les différentes méthodes de dosage, on peut utiliser le dosage par étalonnage.
Principe d’un dosage par étalonnage
Le dosage par étalonnage repose sur l’utilisation de solutions (appelées solutions étalons) qui contiennent l’espèce chimique à doser en différentes concentrations connues. Il faut que la concentration de l’espèce chimique influe sur une grandeur physique qu’il est possible de mesurer (généralement la conductance ou l’absorbance) et qui est dépendante de la concentration.
Comment procéder expérimentalement ?
Nous avons à disposition 5 solutions de concentration connue () et nous voulons déterminer la concentration d’une 6e solution. Ces solutions ont des teintes différentes, on obtient alors une échelle de teintes.
Pour réaliser un dosage par étalonnage, il faut reporter sur un graphique des points dont :
On obtient ainsi une courbe appelée courbe d’étalonnage. On mesure alors la grandeur physique de la solution à doser afin d’obtenir un point de la courbe dont l’abscisse indique la concentration recherchée (notée ) à partir de la valeur de la grandeur physique mesurée (notée ).
Traçage d’une courbe d’étalonnage
La courbe d'étalonnage est le plus souvent linéaire.
Avantages et limites du dosage par étalonnage
Conclusion :
Le mélange d’un soluté dans un solvant forme une solution. Cette dernière est dite aqueuse lorsque que le solvant est l’eau. Elle peut être obtenue par dissolution d’un soluté dans un solvant ou par dilution d’une solution mère. Chacune de ces deux méthodes exige le suivi d’un protocole expérimental et l’utilisation d’une verrerie précise.
Plusieurs grandeurs physiques permettent de quantifier le soluté d’une solution, comme la concentration en masse (en ) et les fractions volumique et massique (en ). Un dosage par étalonnage permet de déterminer ces grandeurs.