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I. Le dispositif de préparation d’une solution
Dans le laboratoire de chimie, l’utilisation des solutions demande une préparation de solution de concentration donné avec précisément. Pour préparer des solutions ayant une concentration précise, les masses et les volumes doivent être mesurés avec la meilleure précision. Pour ce faire, on utilisera une balance électronique de précision 0,0001 g et des pièces de verreries ayant une bonne précision par exemple la pipette, la burette ou encore la fiole jaugée…
Figure 6.1 Équipement de matériel de préparation des solutions
II. Préparation d’une solution
Il existe principalement deux modes de préparation d'une solution : par dissolution d’un composé solide ou par dilution d’une solution de concentration connue.
2.1. Préparation d’une solution par dissolution d’un composé solide
La préparation d’une solution par dissolution d’un composé solide se fait en pesant la masse du composé qu’on voudrait dissoudre et introduire dans quelques parties de solvant, ensuite ajouter du solvant et agiter pour homogénéiser la solution de volume désiré.
Il y a deux méthodes de calculer dans cette préparation : - Calcul par la règle de trois.
- Calcul en utilisant la formule : n = 1000
CV d’où n =
0
0 V
V N
N M
m
n : nombre de moles
C : concentration en mol/L m : masse du soluté
M : masse molaire moléculaire du soluté
N : nombre de particules (molécules, atomes ou ions) N0 : nombre d’Avogadro = 6,021023
V : volume de la solution
V0 : volume de gaz dans les conditions normales de température et de pression (CNTP ou STP)
Déterminer la quantité du soluté
Exemple. Quelle masse de chlorure de sodium (NaCℓ) doit-on utiliser pour la préparation de 250 cm3 de solution de chlorure de sodium de concentration 1 mol/dm3 ? Comment la préparer (quel est le protocole expérimentale) ?
Solution
- Masse molaire moléculaire de NaCℓ = 23 + 35,5 = 58,5 - La solution a un volume de 250 cm3
- Calcul la masse de chlorure de sodium utilisée par la formule : D’après la formule :
1000 CV M
m
m =
1000 CVM =
1000 5 , 58 250 1
= 14,625 g
- Calcul la masse de chlorure de sodium en utilisant la règle de trois :
La solution de concentration 1 mol/dm3 veut dire que dans 1 L ou 1000 cm3 de solution a 1,0 mol ou 58,5 g de NaCℓ.
La masse de NaCℓ utilisée dans une solution de 250 cm3 : x = 1000
250 5 , 58
= 14,625 g
Il faut donc peser 14,625 g de NaCℓ et faire dissoudre dans l’eau distillée pour avoir une solution de 250 mL.
Protocole expérimentale pour avoir cette solution :
- Placer une capsule ou un verre de montre bien sèche sur la balance et agir le bouton tare.
- Peser avec précision la masse de chlorure de sodium précédemment calculée.
- Introduire avec précaution le chlorure de sodium dans une fiole jaugée de volume 250 mL en utilisant un entonnoir.
- Rincer la capsule ou le verre de montre avec de l’eau distillée, l’eau de rinçage étant recueillie dans la fiole jaugée.
- Remplir la fiole jaugée aux 2/3 avec de l’eau distillée et, après l’avoir bouchée, agiter-la pour dissoudre le chlorure de sodium.
- La dissolution étant terminée, ajouter l’eau distillée à l’aide de la pissette jusqu’au trait de jauge.
- Reboucher et homogénéiser par retournement successifs.
- On dispose alors 250 cm3 de solution de chlorure de sodium à 1 mol/dm3. 2.2. Préparation d’une solution de concentration connue
La préparation d’une solution pour qu’elle soit concentrée ou diluée est utilisée dans le cas où il y a déjà une solution mais qu’on voudrait la préparer à nouveau pour avoir une concentration désirée, des méthodes à utiliser se fait ainsi :
a) Pour concentrer une solution, il faut rajouter du soluté ou réduire la quantité de solvant, par exemple par évaporation sélective.
b) Pour diluer une solution, il faut rajouter du solvant ou diminuer la quantité de soluté pour obtenir une solution moins concentrée. On utilise alors la formule :
C1V1 = C2V2
Cette relation permet d’obtenir une solution de concentration voulue.
C1 et C2 : concentrations initiales et finales successives (mol/L ou mol/dm3) V1 et V2 : volumes initiales et finales successives (dm3 ou cm3)
Le volume (V) d’eau distillée rajouté dans la solution : V = V2 – V1
Exemple 1 : On dispose 250 mL d’une solution d’hydroxyde de sodium (NaOH) de concentration 0,1 mol/L dans un flacon. On voudrait préparer une solution de concentration à 2 mol/L, comment doit-on faire?
Solution
De l’énoncé, on voudrait concentrer une solution de 0,1 mol/L à 2 mol/L.
Il y a deux méthodes pour calculer : Premier méthode :
On calcule d’abord le volume de la solution de concentration 2 mol/L.
D’après la formule : C1V1 = C2V2
C1 = 0,1 mol/L V1 = 250 mL C2 = 2 mol/L V2 = ? V2 =
L mol
mL L
mol C
V C
/ 2
250 /
1 , 0
2 1
1 = 12,5 mL
Pour obtenir une solution de concentration 2 mol/L, il faut réduire le volume du solvant pour que le volume de la solution reste de 12,5 mL.
Deuxième méthode : M (NaOH) = 40 g/mol
On calcule d’abord la masse de 250 mL de NaOH de concentration 0,1 mol/L : D’après la formule :
1000 CV M
m m =
1000 CVM =
1000 40 250 1 ,
0
= 1 g Ensuite la masse de 250 mL de NaOH de concentration 2 mol/L :
D’après la formule :
1000 CV M
m m =
1000 CVM =
1000 40 250 2
= 20 g
Pour obtenir une solution de concentration 2 mol/L, il faut rajouter la masse de NaOH.
La masse de NaOH à ajouter : 20 – 1 = 19 g
Exemple 2 : On veut préparer 250 mL de solution d’hydroxyde de potassium (KOH) de concentration 0,2 mol/L à partir de la solution d’hydroxyde de potassium, précédemment préparée, de concentration 5 mol/L, comment procéder ?
Solution
Données de l’énoncé :
C1 = 5 mol/L C2 = 0,2 mol/L V2 = 250 mL V1 = ?
On calcule d’abord le volume de la solution d’hydroxyde de potassium de concentration 5 mol/L.
D’après la formule :
C1V1 = C2V2 V1 =
L mol
mL L
mol C
V C
/ 5
250 /
2 , 0
1 2
2
= 10 mL
Prélever 10 mL ou 10 cm3 de la solution initiale de KOH, ajouter de l’eau distillée jusqu’à l’obtention de 250 mL de solution à 0,2 mol/L (M).
c) La préparation d’une solution à partir des solutions de concentrations différentes se fait en mélangeant des mêmes solutions différés par des concentrations, la formule utilisé est :
CV = C1V1 + C2V2 + C3V3 + … + CnVn
C1, C2…Cn : concentrations des solutions initiales (mol/dm3 ou mol/L) V1, V2…Vn : volumes des solutions initiales (dm3 ou cm3)
V : volume finale de la solution (V = V1 + V2 + … + Vn) C : concentration finale de la solution
Exemple : On mélange trois solutions d’acide sulfurique (H2SO4) de concentration 0,1 mol/L, 0,3 mol/L, 0,5 mol/L et de volume 300 mL, 250 mL et 50 mL respectivement. Quelle est la concentration de la solution après avoir mélangé ?
Solution
Données de l’énoncé :
C1 = 0,1 mol/L C2 = 0,3 mol/L C3 = 0,5 mol/L V1 = 300 mL V2 = 250 mL V3 = 50 mL D’après la formule : CV = C1V1 + C2V2 + C3V3
V = V1 + V2 + V3 = 300 + 250 + 50 = 600 mL
C =
V
V C V C V
C1 1 2 2 3 3
=
600
50 5 , 0 250 3 , 0 300 1 ,
0
= 0,216 mol/L
III. Transformation d’unité de concentration
Pour passer d’une unité de concentration à une autre on doit établir clairement celle que l’on possède et celle que l’on veut. Lorsqu’on doit passer d’un volume de solution à une masse on doit utiliser la masse volumique.
3.1. Pourcentage en masse par masse en mole par litre Soit n = nombre de moles de la substance
C = concentration de la solution V = volume de la solution m = masse du soluté
M = masse molaire moléculaire du soluté Ʃ m = la somme du soluté et du solvant D’après n =
1000
CV et n =
M
m C =
V M
m
1000
D’après % de la substance =
m m
100 m =
100
%m
Remplacer par la valeur, on a : C =
MV m 1000 100
%
= MV m 10
%
Parce que
V
m = D (D = densité) On a donc :
M C %10D
Exemple : Le vinaigre est composé de 8% en masse de l’acide acétique (CH3COOH) et a une masse volumique de 1,13 g/cm3. Quelle est la concentration en mol/L de cette solution ?
Solution
Sachant que : D = 1,13 g/cm3 X = 8% M (CH3COOH) = 60 g/mol Déterminer la concentration C :
D’après la formule :
M C D
% 10
= 60 13 , 1 10
% 8
= 1,5 mol/L 3.2. Pourcentage en masse par volume en mole par litre
Dans ce cas, la densité de la solution n’a pas d’importance, mais on pourrait utiliser la formule suivante :
C %M10
Exemple : Une solution de chlorure de sodium (NaCℓ) de 15% en masse par volume. Transformer cette concentration en mol/L.
Solution
Sachant que : X = = 15% M (NaCℓ) = 58,5 g/mol Déterminer la concentration C :
D’après la formule :
C %M10=
5 , 58
10
% 15
= 2,56 mol/L
3.3. Transformation de molarité en normalité Normalité = molariténombre d’équivalents
Exemple : Calculer la normalité des solutions ci-dessous : a) Une solution de NaOH à 0,2 M
b) Une solution de H2SO4 à 0,5 M Solution
D’après la relation : Normalité = molariténombre d’équivalents a) Une solution de NaOH à 0,2 M : Normalité = 0,2 1 = 0,2 N ou NaOH se dissocie en une seule étape :
NaOH Na+ + OH
1 M 1 N
0,2 M x =
M N M 1
1 2 ,
0
= 0,2 N
b) Une solution de H2SO4 à 0,5 M : Normalité = 0,5 2 = 1 N ou H2SO4 se dissocie en une seule étape :
H2SO4 2H+ + SO24
1 M 2 N
0,5 M x =
M N M
1 2 5 ,
0
= 1 N
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1. On a 50 cm3 d’une solution de chlorure d’ammonium (NH4Cℓ) de concentration 40 % en masse par volume. Quelle masse de NH4Cℓ doit-on ajouter à cette solution pour que sa concentration augmente jusqu’au 60 % en masse par volume ?
2. Une solution d’acide nitrique est préparée par mélange 50,00 mL d’une solution d’acide nitrique à 0,1 M avec 100 mL l’acide nitrique à 0,20 M et en ajoutant 50 mL d’eau, quelle est la molarité (concentration en mol/L) de cette solution ?
3. Le vinaigre contient 5% en masse par masse d’acide acétique (CH3COOH) et de densité 1,06 g/cm3. En déduire :
a) la concentration en mol/L (M) du vinaigre.
b) la masse de l’eau contenant dans 500 cm3 du vinaigre.
(Données : H = 1 ; C = 12 ; O = 16)
4. Quelle est la masse d’hydrogénophosphate de sodium (Na2HPO4) dans 1,75 L d’une solution de concentration 0,460 M ?
(Données : H = 1 ; O = 16 ; Na = 23 ; P = 31)
5. Comment préparer 250 mL d’une solution d’hydroxyde de potassium (KOH) de concentration 0,50 mol/L à partir :
a) de KOH solide ;
b) d’une solution de KOH à 1,25 M.
(Données : H = 1 ; O = 16 ; K = 39)
6. On désire préparer 100 cm3 d’une solution de nitrate de plomb (II), Pb(NO3)2, de concentration 0,05 M à partir de la solution de nitrate de plomb (II) de concentration 0,2 mol/dm3.
a) Quelle est le volume de la solution de nitrate de plomb (II) de concentration 0,2 M doit-on utiliser ?
b) Quelle masse de nitrate de plomb (II) dissous dans la solution diluée ? (Données : N = 14 ; O = 16 ; Pb = 207)
7. Quels sont la masse et le nombre de moles de sulfate de magnésium hydraté (MgSO4.7H2O) doit-on utiliser pour préparer 100 cm3 d’une solution de sulfate de magnésium de concentration 0,1 mol/L ?
(Données : H = 1 ; O = 16 ; Mg = 24 ; S = 32)
8. Comment doit-on préparer 250 cm3 d’une solution de nitrate d’argent (AgNO3) de concentration 0,1 mol/dm3 à partir du nitrate d’argent solide.
(Données : N = 14 ; O = 16 ; Ag = 108)
9. Quels sont la masse et le nombre de moles d’iodure de potassium (KI) doit-on utiliser pour préparer 250 cm3 d’une solution d’iodure de potassium de concentration 2 mol/L ? (Données : K = 39 ; I = 127)
10. On dissout 3,31 g de nitrate de plomb (II), Pb(NO3)2, dans l’eau pour préparer une solution de concentration de 0,25 mol/dm3. En déduire le volume de la solution ainsi que le nombre de moles de nitrate de plomb (II) ?
11. Quel est le volume de la solution initial doit-on utiliser pour préparer :
a) 500 cm3 d’une solution d’acide chlorhydrique (HCℓ) de concentration 6,0 mol/L à partir de la solution d’acide chlorhydrique de concentration 12 mol/L.
b) 100 cm3 d’une solution d’acide nitrique (HNO3) de concentration 1,0 mol/L à partir de la solution d’acide nitrique de concentration 6 mol/L.
12. Quelle est la molarité (M) d’une solution d’acide sulfurique (H2SO4) à 27 % en masse par masse et de densité 1,198 g/cm3 ?
(Données : H = 1 ; O = 16 ; S = 32)
13. Quelle est la normalité des solutions ci-dessous :
a) 6,66 g d’acide nitrique (HNO3) dans 1 dm3 de la solution.
b) 20,5 g de carbonate de sodium (Na2CO3) dans 1 dm3 de la solution.
(Données : H = 1 ; C = 12 ; N = 14 ; O = 16 ; Na = 23)
14. On désire préparer 150 mL d’une solution d’acide acétique de concentration 0,5 M à partir de la solution d’acide acétique de concentration 2 M. Quel est le volume de cette solution ? Quel est le volume (en mL) d’eau distillée doit-on ajouter ?
15. Quelle masse d’acide nitrique (HNO3) doit-on utiliser pour préparer 2 L d’une solution de concentration 0,1 mol/dm3 ?
(Données : H = 1 ; N = 14 ; O = 16)
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