Chimie

Caractériser quantitativement une solution aqueuse

sciences · Durée indicative : 5 h

Définir solution, solvant et soluté ; calculer des quantités de matière (n = m/M), des concentrations en quantité de matière (C = n/V) et en masse ; préparer une solution par dissolution ou dilution ; comprendre le principe d'un titrage avec repérage de l'équivalence. Applications : révélateurs photo, solutions de nettoyage des presses, encres.

1. Solution, solvant, soluté

Le révélateur d'un labo photo argentique, la solution de nettoyage des blanchets d'une presse offset, une encre diluée : ce sont des solutions aqueuses. Il faut savoir les préparer et les caractériser avec précision : un bain trop ou pas assez concentré donne des images voilées ou des cylindres mal nettoyés.

Solvant : le liquide qui dissout (dans une solution aqueuse, c'est l'eau).

Soluté : l'espèce chimique dissoute (solide, liquide ou gaz).

Solution = solvant + soluté. Le mélange obtenu est homogène.

2. Quantité de matière et masse molaire

La quantité de matière n s'exprime en mole (mol). La masse molaire M est la masse d'une mole de l'espèce, en g/mol. La masse molaire moléculaire se calcule en additionnant les masses molaires atomiques (données) des atomes de la formule.

Exemple résolu — masse molaire : le thiosulfate de sodium (fixateur photo) a pour formule Na2S2O3. Données : M(Na) = 23,0 ; M(S) = 32,1 ; M(O) = 16,0 g/mol.

M = 2 × 23,0 + 2 × 32,1 + 3 × 16,0 = 46,0 + 64,2 + 48,0 = 158,2 g/mol.

n = m / M

  • n : quantité de matière en mol
  • m : masse de l'échantillon en g
  • M : masse molaire en g/mol

Formules transformées : m = n × M et M = m / n.

Exemple résolu : on pèse m = 29,25 g de chlorure de sodium (M = 58,5 g/mol). n = m / M = 29,25 / 58,5 = 0,500 mol.

3. Concentration en quantité de matière et concentration en masse

C = n / V

  • C : concentration en quantité de matière du soluté en mol/L
  • n : quantité de matière de soluté en mol
  • V : volume de la solution en L

Concentration en masse : t = m / V en g/L. Lien entre les deux : t = C × M.

Exemple résolu : on dissout 0,500 mol de NaCl dans une fiole jaugée de V = 250 mL = 0,250 L.

C = n / V = 0,500 / 0,250 = 2,00 mol/L.

Concentration en masse : t = C × M = 2,00 × 58,5 = 117 g/L.

4. Préparer une solution : dissolution et dilution

Trois étapes de préparation d'une solution en fiole jaugée
Préparation en fiole jaugée : peser le soluté, dissoudre, compléter au trait de jauge, homogénéiser.

Préparer une solution par dissolution (protocole pas à pas) :

  • 1. Calculer la masse à peser : m = C × V × M.
  • 2. Peser le soluté sur une balance tarée (coupelle ou verre de montre).
  • 3. Introduire le soluté dans la fiole jaugée avec un entonnoir, rincer la coupelle.
  • 4. Ajouter de l'eau distillée à moitié, agiter jusqu'à dissolution complète.
  • 5. Compléter au trait de jauge (bas du ménisque au niveau du trait), boucher, agiter.

Préparer une solution par dilution (protocole pas à pas) :

  • 1. La dilution conserve la quantité de matière : Cmère × Vmère = Cfille × Vfille.
  • 2. Calculer le volume de solution mère à prélever : Vmère = Cfille × Vfille / Cmère.
  • 3. Prélever ce volume à la pipette jaugée (avec propipette — jamais à la bouche).
  • 4. Verser dans la fiole jaugée du volume voulu, compléter à l'eau distillée, homogénéiser.

Exemple résolu — dilution d'un nettoyant de cylindres : on dispose d'une solution mère à Cmère = 5,0 mol/L ; on veut Vfille = 500 mL de solution fille à Cfille = 1,0 mol/L.

Vmère = 1,0 × 500 / 5,0 = 100 mL de solution mère, complétés à 500 mL avec de l'eau.

5. Le titrage : déterminer une quantité de matière

Un titrage consiste à faire réagir la solution à analyser avec une solution titrante de concentration connue. À l'équivalence, les réactifs ont été mélangés dans les proportions de l'équation de la réaction : on peut alors calculer la quantité de matière inconnue à l'aide des relations fournies.

Le point d'équivalence peut se repérer :

  • par un changement de couleur de la solution, dû à un indicateur coloré ;
  • par l'étude de la pente d'une courbe de titrage (par exemple courbe pH = f(V) : saut de pH à l'équivalence).

Exemple : pour contrôler un bain de traitement, on titre un volume VA = 10,0 mL de solution par une solution titrante. L'équivalence est repérée au changement de couleur de l'indicateur pour Veq = 12,0 mL versés. La relation fournie (issue de l'équation de la réaction) permet alors de calculer la quantité de matière, puis la concentration du bain, et de décider s'il faut le régénérer.

Sécurité : blouse, lunettes et gants ; identifier les pictogrammes sur les étiquettes (corrosif, irritant, nocif...) avant toute manipulation ; ne jamais pipeter à la bouche ; verser les concentrés dans l'eau et non l'inverse ; trier les déchets chimiques dans les bidons prévus (jamais à l'évier) ; lire la notice et le FDS des produits de labo et d'atelier.

Exercices d'entraînement