Chapitre 1 — Déterminer la composition d'un système à l'aide de grandeurs physiques
Masse volumique, concentration en masse, pourcentage massique, dissolution et dilution.
Progression du chapitre
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1Introduction
Ce que tu vas apprendre. Décrire la composition d'un système chimique (un mélange, une solution) à l'aide de grandeurs physiques mesurables : masse, volume, masse volumique, concentration en masse, pourcentage massique.
Pourquoi c'est important. Avant de faire réagir un système, un chimiste doit savoir exactement ce qu'il contient et en quelle quantité. C'est la base de tout protocole expérimental au lycée comme en laboratoire.
Où on l'utilise. Préparer une solution de concentration précise (TP de chimie), lire l'étiquette d'un produit ménager ou d'un médicament, comprendre un degré alcoolique ou une teneur en sucre.
- Définir et calculer une masse volumique, une concentration en masse et un pourcentage massique
- Distinguer espèce chimique et mélange, soluté et solvant
- Préparer une solution par dissolution et par dilution
- Choisir la verrerie adaptée à une mesure précise
2Chapitre complet
Corps purs et mélanges
Un corps pur est constitué d'une seule espèce chimique (eau distillée, sel pur). Un mélange contient plusieurs espèces chimiques : l'air, l'eau minérale, le lait sont des mélanges.
Un mélange est homogène si on ne distingue pas ses constituants à l'œil nu (eau salée) et hétérogène sinon (eau + huile, eau + sable).
Solution aqueuse
Quand on dissout une espèce (le soluté) dans l'eau (le solvant), on obtient une solution aqueuse. Le solvant est toujours le constituant majoritaire.
- Soluté : espèce dissoute (ex. le sel)
- Solvant : espèce qui dissout (ex. l'eau)
- Solution : soluté + solvant
- Concentration : quantité de soluté par litre de solution
La masse volumique
La masse volumique ρ (rhô) d'une espèce est la masse d'un volume donné de cette espèce. Elle caractérise une espèce chimique : l'eau a une masse volumique de 1 000 kg·m⁻³ (ou 1,0 g·mL⁻¹) à 4 °C.
ρ = mV
m : masse (kg ou g)
V : volume (m³ ou L, mL)
ρ : masse volumique (kg·m⁻³, g·L⁻¹, g·mL⁻¹)
Attention aux unités
1 g·mL⁻¹ = 1 000 g·L⁻¹ = 1 000 kg·m⁻³. Convertis toujours le volume dans l'unité cohérente avec celle demandée pour ρ avant de calculer.
Concentration en masse et pourcentage massique
La concentration en masse Cm d'un soluté est la masse de soluté dissous par litre de solution : Cm = m / V, en g·L⁻¹. À ne pas confondre avec la masse volumique de la solution !
Le pourcentage massique P d'une espèce dans un mélange est le rapport de sa masse sur la masse totale, exprimé en % : P = m(espèce) / m(mélange) × 100. Un vinaigre à 8 % contient 8 g d'acide éthanoïque pour 100 g de vinaigre.
Titre massique et étiquettes
Les étiquettes des produits (détartrant, javel, sirop) indiquent souvent des pourcentages massiques. Savoir les convertir en concentration est un classique des contrôles.
Préparer une solution : dissolution et dilution
Dissolution : on pèse une masse m de soluté, on l'introduit dans une fiole jaugée, on ajoute de l'eau aux deux tiers, on agite pour dissoudre, puis on complète jusqu'au trait de jauge.
Dilution : on prélève un volume V₀ d'une solution mère de concentration C₀ pour préparer une solution fille de concentration C₁ < C₀. La quantité de soluté prélevée se conserve : C₀ × V₀ = C₁ × V₁.
Conservation lors de la dilution :
C₀ × V₀ = C₁ × V₁
Facteur de dilution : F = C₀C₁ = V₁V₀
Verrerie de précision
Fiole jaugée et pipette jaugée : volumes précis (2 chiffres après la virgule). Éprouvette graduée et bécher : volumes approchés, réservés au solvant.
3Définitions importantes
- Espèce chimique
- Ensemble d'entités chimiques identiques (atomes, molécules ou ions), caractérisée par une formule.
- Corps pur
- Système constitué d'une seule espèce chimique.
- Mélange homogène
- Mélange dont les constituants ne sont pas distinguables à l'œil nu après agitation.
- Soluté
- Espèce chimique dissoute dans un solvant.
- Solvant
- Constituant majoritaire d'une solution, qui dissout le soluté.
- Masse volumique ρ
- Masse par unité volume d'une espèce : ρ = m/V, en kg·m⁻³ ou g·mL⁻¹.
- Concentration en masse Cm
- Masse de soluté par litre de solution : Cm = m/V, en g·L⁻¹.
- Dilution
- Préparation d'une solution moins concentrée par ajout de solvant à une solution mère.
4Formules à connaître
Masse volumique
ρ = mV
| ρ | masse volumique de l'espèce | kg·m⁻³ (ou g·mL⁻¹, g·L⁻¹) |
| m | masse de l'échantillon | kg (ou g) |
| V | volume de l'échantillon | m³ (ou mL, L) |
Quand l'utiliser : Identifier une espèce, vérifier si un corps flotte, relier masse et volume d'un liquide.
Conditions : Échantillon homogène ; la masse volumique dépend de la température.
Exemple : Une bouteille de 1,5 L d'huile (ρ = 0,92 kg·L⁻¹) contient m = 0,92 × 1,5 = 1,4 kg d'huile.
Concentration en masse
Cm = mV
| Cm | concentration en masse du soluté | g·L⁻¹ |
| m | masse de soluté dissous | g |
| V | volume de la solution (pas du solvant !) | L |
Quand l'utiliser : Caractériser une solution, préparer une dissolution, comparer des solutions.
Exemple : Cm = 20 g·L⁻¹ dans V = 100 mL = 0,100 L : m = 20 × 0,100 = 2,0 g de soluté.
Pourcentage massique
P = m(espèce)m(total) × 100
| P | pourcentage massique de l'espèce | % (sans unité physique) |
| m(espèce) | masse de l'espèce considérée | g |
| m(total) | masse totale du mélange | g |
Quand l'utiliser : Lire une étiquette commerciale, exprimer la composition d'un mélange.
Exemple : Un détartrant à 9 % contient 9 g d'acide pour 100 g de produit, soit 90 g pour 1 kg.
Conservation lors d'une dilution
C₀ × V₀ = C₁ × V₁
| C₀ | concentration de la solution mère | g·L⁻¹ |
| V₀ | volume de solution mère prélevé | L ou mL |
| C₁ | concentration de la solution fille | g·L⁻¹ |
| V₁ | volume final de la solution fille | L ou mL (même unité que V₀) |
Quand l'utiliser : Calculer le volume à prélever pour préparer une solution diluée.
Conditions : V₀ et V₁ dans la même unité ; C₀ et C₁ dans la même unité.
Exemple : C₀ = 100 g·L⁻¹, on veut V₁ = 250 mL à C₁ = 10 g·L⁻¹ : V₀ = 10 × 250 / 100 = 25 mL.
5Méthodes à connaître
Préparer une solution par dissolution
- Calculer la masse à peser : m = Cm × V.
- Peser le soluté dans une coupelle sur une balance tarée.
- Introduire le soluté dans une fiole jaugée avec un entonnoir, rincer la coupelle.
- Remplir la fiole aux deux tiers d'eau distillée et agiter jusqu'à dissolution complète.
- Compléter jusqu'au trait de jauge, ajuster au compte-gouttes, boucher et homogénéiser.
Préparer une solution par dilution
- Calculer le volume à prélever : V₀ = C₁ × V₁ / C₀.
- Prélever V₀ avec une pipette jaugée munie d'une propipette.
- Verser dans une fiole jaugée de volume V₁.
- Compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.
- Boucher et agiter pour homogénéiser.
6Exemple guidé
Un technicien doit préparer 500 mL d'une solution de sel de concentration en masse C₁ = 5,0 g·L⁻¹ à partir d'une solution mère de concentration C₀ = 50 g·L⁻¹.
Données
- C₀ = 50 g·L⁻¹ (solution mère)
- C₁ = 5,0 g·L⁻¹ (solution fille)
- V₁ = 500 mL = 0,500 L
Ce qu'on cherche
Raisonnement
- C'est une dilution : la quantité de sel prélevée dans la solution mère se retrouve entièrement dans la solution fille.
- On applique la conservation : C₀ × V₀ = C₁ × V₁.
- On isole V₀ = C₁ × V₁ / C₀.
- Le facteur de dilution F = C₀ / C₁ = 10 : la solution est diluée 10 fois.
Formules utilisées
Calculs
V₀ = (5,0 × 500) / 50
V₀ = 2 500 / 50 = 50 mL
Résultat
Conclusion
La méthode à retenir
7⚠️ Les erreurs à éviter
✗ Confondre volume de solvant et volume de solution.
Pourquoi : Cm = m/V utilise le volume final de la solution, pas le volume d'eau ajoutée : le soluté modifie légèrement le volume total.
✓ En dissolution, on complète toujours jusqu'au trait de jauge : c'est le volume de la fiole qui compte.
✗ Mélanger les unités de volume dans C₀V₀ = C₁V₁.
Pourquoi : Si V₀ est en mL et V₁ en L, le résultat est faux d'un facteur 1 000.
✓ Convertir les deux volumes dans la même unité avant le calcul.
✗ Utiliser une éprouvette pour préparer une solution de concentration précise.
Pourquoi : L'éprouvette graduée a une précision trop faible (au mL près).
✓ Pipette jaugée pour prélever, fiole jaugée pour le volume final.
✗ Croire que diluer 10 fois signifie ajouter 10 fois plus d'eau.
Pourquoi : Diluer 10 fois signifie que le volume final est 10 fois le volume prélevé : on complète à 100 mL, on n'ajoute pas 100 mL.
✓ Retenir F = V₁ / V₀ : c'est le volume final qui compte.
8À retenir
Notions essentielles
- • Corps pur, mélange homogène et hétérogène
- • Soluté, solvant, solution
- • Dissolution et dilution
- • Verrerie de précision
Formules
- • ρ = m / V
- • Cm = m / V
- • P = m(espèce)/m(total) × 100
- • C₀ × V₀ = C₁ × V₁
Unités
- • ρ : kg·m⁻³, g·mL⁻¹, g·L⁻¹
- • Cm : g·L⁻¹
- • V : L ou mL (cohérent)
- • P : %
Méthodes
- • Dissolution en fiole jaugée
- • Dilution par prélèvement à la pipette jaugée