Les solutions aqueuses
A) La quantité de matière n
a) Le calcul de la masse molaire M
La masse molaire M d’une espèce chimique X est la masse d’une mole de l’espèce X. Elle s’exprime en grammes par mole (g.mol–1).
Pour la calculer, on fait la somme des masses molaires atomiques des éléments la constituant.
Exemple
La masse molaire de l’acide sulfurique H2SO4 est :
M(H2SO4) = 2 M(H) + M(S) + 4 M(O) = 2 × 1,0 + 32,1 + 4 × 16,0 = 98,1 g.mol–1.
b) Le calcul de la quantité de matière n
La quantité de matière nX d’une espèce X est obtenue à partir de sa masse mX et de sa masse molaire M(X) :
Remarque
La masse de l’espèce X est calculée selon la formule : mX = nX × M(X).
B) La concentration massique Cm
a) Le calcul de la concentration massique Cm
Définition
Soluté : espèce chimique qui est dissoute par un solvant. On obtient alors une solution. Si le solvant est l’eau, on obtient une solution aqueuse.
La concentration massique Cm d’une espèce chimique en solution est la masse de l’espèce chimique par litre de solution. C’est le rapport de la masse de l’espèce chimique par le volume de solution. Elle s’exprime en kilogrammes par litre kg.L–1.
Remarque
On utilise aussi très souvent comme unité le gramme par litre (g.L–1).
b) La préparation d’une solution aqueuse de concentration massique définie
Pour préparer une solution aqueuse de concentration massique précise par dissolution, il faut utiliser une balance et de la verrerie jaugée. Le mode opératoire est le suivant :
peser la masse m sur un verre de montre taré ;
introduire cette masse, en utilisant un entonnoir, dans une fiole jaugée (ayant le volume approprié) propre et remplie à moitié avec de l’eau distillée ou déminéralisée ;
rincer le verre de montre et l’entonnoir, mettre les eaux de rinçage dans la fiole jaugée ;
dissoudre totalement le solide ;
compléter la fiole jaugée jusqu’au trait de jauge avec de l’eau déminéralisée. Homogénéiser.
C) La concentration molaire C
La concentration molaire C d’une espèce chimique en solution est la quantité de matière de l’espèce chimique contenue par litre de solution. C’est le rapport de la quantité de matière de l’espèce chimique par le volume de solution. Elle s’exprime en mole par litre mol.L–1.
Remarque
La concentration massique est liée à la concentration molaire : Cm = C × M.
D) La dilution d’une solution aqueuse
Il est possible d’obtenir une solution aqueuse d’une espèce chimique de concentration donnée à partir d’une solution contenant la même espèce mais ayant une concentration plus importante.
La solution la plus concentrée s’appelle la solution mère et la solution diluée est la solution fille.
Le volume de solution mère à prélever est obtenu avec la relation Cfille × Vfille = Cmère × Vmère :
Cfille est la concentration de la solution diluée.
Cmère est la concentration de la solution mère.
Vfille est le volume final de la solution diluée.
Vmère est le volume à prélever de la solution mère.
Le rapport x = ou s’appelle « facteur de dilution ». Il indique que la solution a été diluée x fois.
Pour préparer une solution aqueuse de concentration précise par dilution, il faut utiliser de la verrerie jaugée. Le mode opératoire est le suivant :
rincer la pipette jaugée avec la solution mère ;
prélever le volume de solution mère nécessaire avec la pipette jaugée munie d’une propipette ;
introduire le volume de solution mère dans une fiole jaugée (ayant le volume approprié) propre et remplie à moitié avec de l’eau distillée ou déminéralisée ;
compléter la fiole jaugée jusqu’au trait de jauge avec de l’eau déminéralisée. Homogénéiser.
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Dilution et dissolution
Le pH d'une solution aqueuse
A) Définitions
a) Le pH : potentiel hydrogène
La relation de définition du pH est valable entre 0 et 14, quelles que soient les concentrations des ions.
Une solution acide a un pH compris entre 0 et 7.
Une solution neutre a un pH égal à 7,0.
Une solution basique a un pH compris entre 7 et 14.
Plus le pH est bas (< 7) et plus la solution est acide, inversement, plus le pH est élevé (> 7) et plus la solution est basique.
b) La relation entre pH et concentration en ion H3O+
Les propriétés acides ou basiques d’une solution vont dépendre de la concentration en ion oxonium H3O+.
Les chimistes mesurent une grandeur liée à la concentration en ion oxonium notée [H3O+] :
Inversement, la concentration en ions oxonium [H3O+] est liée au pH par : [H3O+] = 10–pH.
Plus une solution contient des ions H3O+, plus son pH est faible.
Exemple
1. Le pH d’une solution est 3,5. La solution est-elle acide ou basique ?
2. Quelle est la concentration en ions oxonium [H3O+] ?
Réponses :
1. Comme le pH est inférieur à 7, la solution est acide.
2. La concentration en ions oxonium se calcule avec [H3O+] = 10–pH, soit :
[H3O+] = 10–3,5 = 3,1 × 10–4 mol.L–1.
B) La mesure du pH
Le pH peut être mesuré avec du papier pH en trempant un agitateur en verre dans la solution à tester et en touchant ensuite le papier pH avec celui-ci. Le papier pH prend ensuite une teinte qui correspond à un certain pH. La méthode est rapide mais peu précise : le pH est déterminé à une unité près.
Une technique plus précise consiste à utiliser un pH-mètre : il faut rincer la sonde de pH avec de l’eau déminéralisée puis l’essuyer avant de la tremper dans la solution. Il faut homogénéiser la solution pour mesurer correctement la valeur du pH. Cette méthode est plus précise : le pH est déterminé à 0,1 près.
Attention
Il faut étalonner le pH-mètre avant de l’utiliser.
C) Le produit ionique de l’eau
À 25 °C, le produit ionique de l’eau est : Ke = [H3O+] × [HO–] = 1,0 × 10–14.
Le produit ionique est une constante. Ainsi, comme le produit entre les concentrations des ions oxonium et hydroxyde doit être constant, lorsqu’une concentration augmente l’autre diminue : plus le pH devient acide, plus la concentration en ions oxonium augmente et plus celle des ions hydroxyde faiblit.
Les acides et les bases en solution aqueuse
A) Les acides et les bases selon la théorie de Brönsted
Un acide est une espèce chimique capable de céder un proton H+ en solution aqueuse.
Une base est une espèce chimique capable de capter un proton H+ en solution aqueuse.
Exemple
L’acide éthanoïque CH3COOH est un acide, il peut donc céder un proton H+ selon la demi-équation :
CH3COOH = CH3COO– + H+.
B) Les couples acide/base
a) Définitions
Un couple acide/base comporte un acide A et une base B. Une demi-équation lie les deux espèces chimiques : A = B + H+
Les espèces A et B sont dites conjuguées et forment le couple A/B. On utilise le signe égal dans les demi-équations. La forme acide est écrite en premier dans un couple acide/base.
Exemple
L’acide méthanoïque a pour formule HCOOH. C’est un acide, il est donc possible d’écrire la demi-équation où il intervient : HCOOH = HCOO– + H+.
Ainsi, l’ion méthanoate HCOO– est la base conjuguée de l’acide méthanoïque.
Les deux espèces forment le couple HCOOH/HCOO–.
b) Les couples acide/base importants
La molécule d’eau fait partie de deux couples acide/base, elle peut capter ou céder un proton.
Il faut aussi connaître l’acide chlorhydrique : H3O+ + Cl–, qui est obtenu par la réaction du chlorure d’hydrogène HCl avec l’eau selon : HCl + H2O = Cl– + H3O+.
Pour donner une solution aqueuse d’acide sulfurique, il faut dissoudre H2SO4 qui est un diacide pouvant réagir avec l’eau selon la réaction : H2SO4 + 2 H2O = + 2 H3O+.
La sécurité : le règlement CLP
A) La présentation
Le sigle CLP correspond à « Classification, Labelling, Packaging », ce qui signifie « Classification, étiquetage, emballage ». Ce règlement présente les :
pictogrammes de danger ;
classes de catégorie de dangers ;
mentions d’avertissement ;
mentions de danger ;
mentions de conseils de prudence.
B) Les neuf pictogrammes de danger
Ils sont marqués SGH, ce qui correspond à « Système Général Harmonisé », et numérotés de 1 à 9. Les pictogrammes de danger sont positionnés au milieu de l’étiquette. Ce système distingue 2 mentions d’avertissement : l’indication « Attention » qui signale des catégories de danger moins grave, alors que la mention « Danger » est réservée aux catégories de dangers les plus sévères.
a) Les pictogrammes de dangers physiques
b) Les pictogrammes de dangers pour la santé humaine
c) Les pictogrammes de dangers pour l’environnement
C) Les mentions de danger et les conseils de prudence
L’étiquette comporte des mentions de danger et des conseils de prudence (en dessous de la mention d’avertissement « Danger » ou « Attention »).
Ces mentions et conseils complètent les pictogrammes de danger et aident l’utilisateur à adapter son attitude.
Les mentions de danger sont écrites en toutes lettres et précédées de la lettre « H » suivie d’un nombre. Les conseils de prudence sont écrits en toutes lettres et précédées de la lettre « P » suivi d’un nombre.
D) Le cas des solutions acides et basiques
Les solutions acides et basiques sont dangereuses à manipuler. Elles présentent des pictogrammes de danger pour la santé humaine et aussi pour l’environnement. Le port d’une blouse, de lunettes et de gants est nécessaire, voire un travail sous la hotte.
Lors des mélanges d’acides et de bases, les réactions sont immédiates et elles dégagent de la chaleur.
E) Le protocole de neutralisation d’une solution acide par une solution basique
Dans le cadre de la gestion des déchets, il est important de neutraliser les solutions acides ou basiques avant de les rejeter. L’ajout de solutions acides dans une rivière contribue à diminuer son pH et à dégrader l’écosystème.
Pour neutraliser une solution acide, il convient d’évaluer son pH avec une bandelette ou un papier pH. On se place sous une hotte avec une agitation permettant d’homogénéiser la solution. La mesure de la température est importante. On commence à ajouter modérément une solution basique et on note l’évolution du pH ; si la température augmente fortement, il faut ralentir les ajouts. Lorsque le pH dépasse 2, alors il est possible d’introduire une sonde de pH pour suivre plus précisément sa neutralisation. On continue les ajouts de solution basique jusqu’à atteindre un pH compris entre 6,5 et 7,5.