Composition d'un mélange : Fiche de cours - Physique-chimie

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

Définition

Solution :

Une solution est un mélange homogène d’au moins un soluté dissout dans un solvant.

Définition

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.

Définition

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.

Nous avons ainsi : solvant + soluté = solution

Exemple

Un verre de grenadine : le soluté est le sirop (liquide) et le solvant est l’eau (liquide).
Un verre de soda : le soluté est le dioxyde de carbone $\text{CO}_2$ (gaz) et le solvant est l’eau (liquide).
Un verre d’eau salée : le soluté est le chlorure de sodium $\text{NaCl}$ (solide) et le solvant est l’eau (liquide).

Dans une solution, l’espèce chimique qui constitue le solvant reste majoritaire par rapport à l’espèce chimique qui constitue le soluté.

Composition massique d’un mélange

Définition

Concentration massique :

Dans un mélange, la concentration massique $C_m$ d’un soluté en solution est le quotient de la masse $m$ de ce soluté par le volume total $V$ de solution.

$C_m=\dfrac{m}{V}$

Avec :

$m$ la masse du soluté en $\text{g}$ ;
$V$ le volume en $\text{L}$ ;
$C_m$ la concentration massique en $\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$ .

Astuce

Il ne faut pas confondre concentration massique et masse volumique !
La concentration massique $C_m$ est la masse en gramme d’un litre d’une solution (mélange d’un solvant et d’un soluté). En revanche, la masse volumique $\rho$ est la masse en kilogramme d’un mètre cube d’une même espèce chimique ou d’un même corps. Autrement dit :

$C_m=\dfrac{\text{masse de soluté}}{\text{volume de solution}}$ et $\rho=\dfrac{\text{masse d’un produit}}{\text{volume de ce produit}}$

La composition massique 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 $w$ est le quotient de la masse du soluté $m$ i $m_{i}$ par la masse de la solution $m_{tot}$ .

$wi=100\times\dfrac{mi}{m_{tot}}$

Avec :

$m_i$ la masse de soluté en $\text{g}$ ;
$m_{tot}$ la masse totale de la solution en $\text{g}$ ;
$w$ la fraction massique $w$ i $w_{i}$ en pourcentage.
Lorsque la concentration massique $C_m$ d’un soluté en solution est maximale, la solution est dite saturée. Le soluté ne peut ainsi plus se dissoudre.

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.

Définition

Fraction volumique :

Dans un mélange, la fraction volumique d’un fluide $i$ est le quotient du volume de ce fluide, noté $v$ , par le volume total de tous les fluides du mélange, noté $v$ t $v_{t}$ .

La fraction volumique $V$ d’un fluide, le volume $v$ i $v_{i}$ du même fluide et volume total de fluide $v_t$ vérifient la relation :

$V$

Le volume du fluide (noté $v$ ) et le volume total de fluide (noté $v$ t $v_{t}$ ) s’expriment dans la même unité. La fraction volumique $V_i$ s’exprime en pourcentage.

L’air est un gaz homogène qui se compose d'azote ( $78,08\,\%$ ), de dioxygène ( $20,95\,\%$ ) et, pour moins de $1\,\%$ , de gaz rares comme l’argon ( $0,93\,\%$ ), le néon ( $18,18\,\text{ppmv}$ ), le krypton ( $1,14\,\%\,\text{ppmv}$ ), le xénon ( $0,08\,\text{ppmv}$ ) et l’hélium ( $5,24\,\text{ppmv}$ ).

À retenir

La partie par million en volume ( $\text{ppmv}$ ) exprime une fraction volumique valant $10^{-6}$ soit : $1\,\text{ppmv}=1\,\mu{L}\cdot\text{L}^{-1}=0,0001\,\%$ .

Les solutions aqueuses

Définition

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

Définition

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.

Peser le soluté dans une coupelle.
Vider le contenu de la coupelle dans une fiole jaugée, à l’aide d’un petit entonnoir.
Dans un premier temps, remplir seulement les deux tiers de la fiole avec le solvant, afin de permettre une bonne homogénéisation de la solution.
Boucher la fiole et l’agiter pour bien dissoudre le soluté dans le solvant.
Remplir la fiole avec du solvant jusqu’au trait de jauge.

Préparation d’une solution par dissolution

Remarques :

Lors de la dissolution, les atomes, ions ou molécules du soluté se dispersent et interagissent avec les molécules du solvant. Cette interaction s’appelle la solvatation.
Lors d’une dissolution, il y a conservation de la masse : la masse totale du solvant et du soluté mélangés est égale à la masse de la solution aqueuse obtenue.

Exemple

Conservation de la masse lors d’une dissolution

Dans cet exemple, $5\,\text{g}$ de sel sont mélangés à $50\,\text{g}$ d’eau, ainsi la fraction massique du sel est :

$w$

Préparation d’une solution aqueuse par dilution

Définition

Dilution :

La dilution d’une solution a pour principe de diminuer la concentration (molaire ou massique) 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.

Prélever le volume de la solution à diluer à l’aide d’une pipette jaugée et le verser dans une fiole.
Remplir les deux tiers de la fiole avec le solvant.
Boucher la fiole et l’agiter pour bien dissoudre le soluté dans le solvant.
Remplir la fiole avec du solvant jusqu’au trait de jauge.

Préparation d’une solution par dilution

Variation de la concentration massique au cours d’une dilution :

Soit une solution de volume $V$ dont le soluté a une concentration massique $C$ ; la masse de soluté $m$ est alors égale à $C$ m\times{V} $C_{m} \times V$ . Si l’on ajoute un volume $V_1$ de solvant à cette solution alors après dilution :

le volume total est $V+V_1$ ;
la masse du soluté reste inchangée et égale à $m$ . Par conséquent, la nouvelle valeur de concentration massique $C^{\prime}$ , est : $C^{\prime}$ {m}=\dfrac{m}{V1+V} $C_{m}^{'} = \frac{m}{V _{1} + V}$ soit $C^{\prime}$ m=\dfrac{Cm\times{V}}{V1+V} $C_{m}^{'} = \frac{C _{m} \times V}{V _{1} + V}$

Variation de la fraction massique au cours d’une dilution :

La fraction massique du soluté $w$ , est $w$ i=100\times\dfrac{mi}{m{tot}} $w_{i} = 100 \times \frac{m _{i}}{m _{t o t}}$
Or $m$ reste inchangée au cours d’une dilution mais $m$ {tot} $m_{t o t}$ augmente
Ainsi, comme la concentration massique, la fraction massique d’un soluté diminue au cours d’une dilution.

Concentration et dosage

Définition

Dosage :

Un dosage est une technique expérimentale qui permet de déterminer la concentration molaire (exprimée en $\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ ) ou la concentration massique (exprimée en $\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$ ) 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 ( $C$ ) et nous voulons déterminer la concentration d’une 6^e 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 :

l’abscisse correspond à la concentration des solutions connues ;

l’ordonnée correspond à la grandeur physique mesurée.

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 $C$ ) à partir de la valeur de la grandeur physique mesurée (notée $X$ {solution} $X_{s o l u t i o n}$ ).

Traçage d’une courbe d’étalonnage

À retenir

La courbe d'étalonnage est le plus souvent linéaire.

Avantages et limites du dosage par étalonnage

Avantages

Cette technique est une technique non destructive : l’échantillon de solution peut être récupéré et il n’a subi aucune dégradation.

Cette technique est rapide et reproductible.

Limites

Il faut connaître la nature exacte de l’espèce présente en solution.

La méthode n’est pas applicable quand il y a un mélange de solutés.

Il faut que la concentration ne soit pas trop élevée.

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 massique (en $\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$ ) et les fractions volumique et massique (en $\%$ ). Un dosage par étalonnage permet de déterminer ces grandeurs.