- Déterminer la masse molaire d'une espèce à partir des masses molaires atomiques des éléments qui la composent.
- Déterminer la quantité de matière contenue dans un échantillon de corps pur à partir de sa masse et du tableau périodique.
- Utiliser le volume molaire d'un gaz pour déterminer une quantité de matière.
- Déterminer la quantité de matière de chaque espèce dans un mélange (liquide ou solide) à partir de sa composition.
- Déterminer la quantité de matière d'un soluté à partir de sa concentration en masse ou en quantité de matière et du volume de solution.
Quantité de matière et masses molaires
La mole, unité de quantité de matière
En chimie, les entités (atomes, ions, molécules) sont extrêmement petites et un échantillon manipulable au laboratoire en contient un nombre considérable. Pour compter ces entités, les chimistes les regroupent par paquets, comme on parlerait d'une douzaine d'œufs. Le paquet retenu en chimie s'appelle la mole.
Décrire un système chimique, c'est savoir relier masse, volume et quantité de matière des espèces présentes.
La mole (symbole mol) est l'unité de quantité de matière du Système International. Une mole d'entités contient exactement NA = 6,02 × 10²³ entités. Ce nombre est appelé constante d'Avogadro, notée NA, et s'exprime en mol⁻¹. La quantité de matière, notée n et exprimée en mol, correspond au nombre de moles d'entités présentes dans un échantillon.
Un échantillon de saccharose contient N = 1,20 × 10²¹ molécules. Quelle est la quantité de matière n correspondante ? On calcule $n = \dfrac{N}{N_A} = \dfrac{1{,}20 \times 10^{21}}{6{,}02 \times 10^{23}} \approx 2{,}0 \times 10^{-3}$ mol, soit environ 2,0 mmol.
Masse molaire d'une espèce chimique
La masse molaire d'une espèce chimique, notée M et exprimée en g·mol⁻¹, est la masse d'une mole d'entités de cette espèce.
Masse molaire atomique : masse d'une mole d'atomes d'un élément chimique donné. Elle se lit directement dans la classification périodique.
Masse molaire moléculaire : masse d'une mole de molécules ; elle se calcule en additionnant les masses molaires atomiques de chaque élément constituant la molécule, chacune multipliée par le nombre d'atomes correspondant.
Masses molaires atomiques usuelles (à connaître par cœur)
| Élément | H | C | N | O |
|---|---|---|---|---|
| M (g·mol⁻¹) | 1,0 | 12,0 | 14,0 | 16,0 |
Calculer les masses molaires du dioxygène O₂, de l'eau H₂O, du dioxyde de carbone CO₂ et du saccharose C₁₂H₂₂O₁₁.
M(O₂) = 2 × 16,0 = 32,0 g·mol⁻¹
M(H₂O) = 2 × 1,0 + 16,0 = 18,0 g·mol⁻¹
M(CO₂) = 12,0 + 2 × 16,0 = 44,0 g·mol⁻¹
M(C₁₂H₂₂O₁₁) = 12 × 12,0 + 22 × 1,0 + 11 × 16,0 = 342,0 g·mol⁻¹
Masse et quantité de matière
La masse m d'un échantillon d'une espèce chimique est directement proportionnelle à sa quantité de matière n, le coefficient de proportionnalité étant la masse molaire M.
Quantité de matière et volume
Volume molaire d'un gaz
Le volume occupé par une mole de gaz ne dépend pas de la nature du gaz, mais uniquement des conditions de température et de pression. Cette propriété permet de définir le volume molaire des gaz, noté Vm et exprimé en L·mol⁻¹.
| Conditions | Température | Pression | Vm |
|---|---|---|---|
| Conditions normales (CNTP) | T = 273 K (θ = 0 °C) | P = 1,013 × 10⁵ Pa | 22,4 L·mol⁻¹ |
| Usuelles | T = 293 K (θ = 20 °C) | P = 1,013 × 10⁵ Pa | 24,0 L·mol⁻¹ |
| Ambiantes | T = 298 K (θ = 25 °C) | P = 1,013 × 10⁵ Pa | 24,4 L·mol⁻¹ |
Volume d'un solide ou d'un liquide
Pour un solide ou un liquide, on relie la masse au volume à l'aide de la masse volumique ρ, ce qui permet d'exprimer la quantité de matière correspondante.
Veillez toujours à la cohérence des unités : si ρ est en g·mL⁻¹ et V en mL, la masse m obtenue est en g ; il faut alors convertir M en g·mol⁻¹ pour rester cohérent.
Quantité de matière et concentration
Concentration en quantité de matière
La concentration en quantité de matière, aussi appelée concentration molaire, d'une espèce chimique dissoute est notée C et s'exprime en mol·L⁻¹.
Préparation de solutions
Pour préparer une solution de concentration C connue, le chimiste dispose de deux méthodes : la dissolution d'un soluté solide, ou la dilution d'une solution existante.
a) La dissolution
Pour préparer un volume V d'une solution de concentration C, il faut d'abord déterminer la masse m de soluté à prélever (m = C × V × M), puis suivre le protocole suivant :
- Peser la masse m de soluté à l'aide d'une balance et d'une spatule.
- Introduire le soluté dans une fiole jaugée à l'aide d'un entonnoir.
- Ajouter de l'eau distillée et agiter jusqu'à dissolution complète.
- Compléter avec précaution jusqu'au trait de jauge, à hauteur des yeux.
- Boucher la fiole et homogénéiser par retournements successifs.
b) La dilution
Le chimiste peut aussi partir d'une solution existante, mais trop concentrée, appelée solution mère, et la diluer pour obtenir une solution fille moins concentrée. Lors d'une dilution, la quantité de matière de soluté prélevée dans la solution mère est égale à la quantité de matière de soluté présente dans la solution fille : il n'y a ni création ni disparition de matière, seulement un ajout de solvant.
- Prélever le volume Vprélevé de solution mère à l'aide d'une pipette jaugée et d'une poire à pipeter.
- Verser ce volume dans une fiole jaugée de volume Vfille.
- Ajouter de l'eau distillée et agiter pour homogénéiser.
- Compléter jusqu'au trait de jauge, à hauteur des yeux.
- Boucher puis homogénéiser par retournements successifs.
- $n = \dfrac{N}{N_A}$ et $m = n \times M$
- Pour un gaz : $V_{gaz} = n \times V_m$
- Pour un solide ou un liquide : $n = \dfrac{\rho \times V}{M}$
- Concentration molaire : $C = \dfrac{n}{V} = \dfrac{C_m}{M}$
- Lors d'une dilution : $C_{mère} \times V_{prélevé} = C_{fille} \times V_{fille}$
- Ouverture : ces grandeurs permettront, dans le chapitre suivant, de déterminer la composition d'un système chimique à l'état initial avant d'en étudier l'évolution au cours d'une transformation (tableau d'avancement), ainsi que d'exploiter la loi de Beer-Lambert pour déterminer la concentration d'une espèce colorée en solution.
Préparer une solution par dissolution et dilution
Ce TP met en pratique les deux méthodes de préparation d'une solution : peser une masse de soluté solide et la dissoudre dans une fiole jaugée, puis prélever un volume d'une solution mère à l'aide d'une pipette jaugée pour préparer une solution fille de concentration plus faible. Les concentrations obtenues expérimentalement sont comparées aux valeurs attendues par le calcul.
Esprit critique — L'homéopathie, une dilution extrême
Cette activité propose d'exploiter les notions de concentration et de dilution pour interroger, d'un point de vue scientifique, la préparation des remèdes homéopathiques et la quantité de matière réellement présente dans certaines dilutions.
À partir du facteur de dilution utilisé pour préparer certaines souches homéopathiques (par exemple une dilution CH, centésimale hahnemannienne, répétée plusieurs fois), il s'agit de calculer la quantité de matière puis le nombre de molécules de principe actif restant dans la solution finale, et de le comparer à la constante d'Avogadro NA. Cette démarche permet d'exercer un regard critique et argumenté sur une pratique de santé, en s'appuyant uniquement sur les outils de calcul du chapitre.