Thème : Constitution et transformation de la matière Chapitre : Les solutions aqueuses, un exemple de mélange

Les solutions aqueuses

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Corps pur et mélange

Cette partie correspond aux notions nécessaires de la partie non traitée en début d’année.

Corps pur

  • Une espèce chimique est un ensemble d’entités chimiques (atomes, molécules ou ions) identiques.
  • Un corps pur est une substance (liquide, solide ou gaz) constituée d’une seule espèce chimique.
Espèce chimique A
Espèce chimique B
  • L’eau distillée est un corps pur

Mélange

  • Un mélange est une substance (liquide, solide ou gaz) constituée de plusieurs espèces chimiques.
    • Il est hétérogène si on observe plusieurs constituants.
    • Il est homogène si on ne peut pas distinguer les constituants.
Mélange hétérogène entre les espèces A et B
Mélange homogène entre les espèces A et B
  • L’eau minérale est un mélange d’eau et de minéraux
  • L’air est un mélange en majorité composé de diazote et de dioxygène

Masse volumique

La masse volumique (notée ρ) correspond au rapport de la masse totale d’une substance (m) par son volume (V), soit

ρ = m / V

Mise en application

Quiz

  1. Un corps pur signifie que l’espèce chimique est propre
  1. La relation entre la masse volumique (ρ), la masse (m) et la volume (V) est
  1. Parmi les substances suivantes, identifier les mélanges

Composition d’un mélange

Dans une éprouvette, on verse 8 mL d’eau distillée, 5 mL d’huile (acide oléique), et 2 mL d’éthanol.

Miscibilité des liquides
Substance Eau Éthanol Huile
Eau ✔️ ✔️
Éthanol ✔️ ✔️
Huile ✔️
Masses volumiques des substances
Eau Éthanol Huile
ρ (g·cm-3) 1,00 0,789 0,898
  1. Faire un schéma de la situation.
  2. Calculer la masse introduite de chaque liquide.
  3. Après agitation du mélange.
    1. Expliquer pourquoi on observe plus que deux phases liquides.
    2. Calculer la masse volumique du mélange eau-éthanol.
    3. Déterminer si le mélange eau-éthanol se retrouve au dessus ou en dessous de l’huile. Justifier la réponse.

Identifier une espèce dans un mélange

Dans une salle de classe, du sulfate de cuivre anhydre et de l’eau de chaux ont été laissé à l’air libre. Au bout de quelques jours, la poudre blanche est devenue bleue, et le liquide limpide s’est troublé.

  1. En déduire deux espèces chimiques présentent dans l’atmosphère. Justifier la réponse.

Boissons sucrées

Toutes les boissons sont des mélanges constitués essentiellement d’eau et contenant plus ou moins de sucre.

Quel critère faut-il utiliser pour déterminer la boisson la plus sucrée ?

Solution
mélange homogène formé entre un solvant et un soluté
Solvant
espèce chimique majoritairement présente dans le mélange
Soluté
espèce chimique dispersée dans le mélange
Données sur les différentes boissons présentes
Boisson 1 2 3 4 5 6
Masse de sucre (en g) 27 93 22 5,9 36 9
Volume de la boisson (en mL) 250 1000 500 200 330 420
Masse totale de la boisson (en g) 257 996 509 206 344 438
  1. Indiquer, dans les différentes boissons, quelle espèce chimique est le soluté, et quelle espèce chimique est le solvant.
  2. Calculer la masse volumique de chaque boissons.
  3. La concentration en masse correspond à la masse de soluté contenue dans 1 L de solution. Calculer la concentration en masse de sucre pour chaque boisson.
  4. Classer, à partir de la réponse précédente, les boissons de la plus sucrée à la moins sucrée.

À retenir

  • Une solution est un mélange homogène entre deux espèces chimiques, un solvant et un soluté.

  • Le solvant est l’espèce majoritairement présente dans la solution.

  • Le soluté est l’espèce chimique dispersée dans la solution.

  • Si le solvant utilisé est de l’eau, on parle alors de solution aqueuse.

  • La concentration en masse est définie par :

    cm = m(soluté) / V(solution)

    avec la masse de soluté en g, le volume de solution en mL, la concentration en masse cm s’exprime en g·mL-1.

Exercices de mise en application

Identifier le solvant et le soluté

L’alcool modifié est un désinfectant de la peau.

Composition pour 100 mL : – éthanol à 96 % ; – excipients : eau ; chlorure de benzalkonium.

  1. Identifier le solvant et les solutés.
  2. Préciser si l’alcool modifié est une solution aqueuse. Justifier.

Calculer une masse et un volume

Un sérum physiologique est une solution aqueuse de concentration en masse de chlorure de sodium cm = 9,0 g·L-1.

  1. Calculer la masse de chlorure de sodium à prélever pour préparer un volume V = 200,0 mL d’une solution de sérum physiologique.
  2. Calculer le volume de sérum physiologique contenant m = 2,25 g de chlorure de sodium.

Calcul d’incertitude

Afin de déterminer la masse d’une solution contenue dans une fiole jaugée de 50 mL, des élèves de secondes rassemblent leurs mesures dans un tableau.

Groupe 1 2 3 4 5 6 7
Masse (en g) 63,5 62,9 63,4 63,6 63,5 63,1 63,1
  • Déterminer la moyenne et l’écart-type de ces valeurs et donner le résultat de la mesure.
  • Lors d’une dissolution (ou dilution) la masse de soluté reste inchangée.
  • Plus la concentration en masse de soluté augmente, plus la masse volumique doit augmenter.

Préparation d’une solution

Préparation d’une solution par dissolution

Pour préparer une solution de concentration en masse connue par dissolution, il faut choisir un solvant capable dans lequel le soluté peut se dissoudre.

Méthode pour préparer une solution de volume V de concentration en masse cm

  1. Peser avec une balance une masse de soluté m = cm × V

  1. Dans une fiole jaugée de volume V, verser le soluté à l’aide d’un entonnoir
  2. Rincer à l’aide de solvant l’entonnoir et la coupelle

  1. Remplir jusqu’aux deux tiers de solvant la fiole jaugée
  2. Agiter lattéralement

  1. Remplir la fiole jusqu’au trait de jauge, boucher puis homogénéiser la solution

Préparation d’une solution pour perfusion

Les poches de perfusion utilisées à l’hôpital permettent de réhydrater un patient et d’avoir un apport en nutriments. Un pharmacien doit préparer de manière la plus précise possible 50 mL de cette solution aqueuse contenant du saccharose.

Matériel à disposition

  • Erlenmeyer (50 mL)
  • Fiole jaugée (50 mL)
  • Balance
  • Spatule
  • Coupelle de pesée
  • Saccharose solide
  • Eau distillée
  • Pipette

Les solutions dans les perfusions ont une concentration en masse cm = 20 g·L-1.

  1. Déterminer la masse de saccharose à prélever pour préparer 50 mL de solution.

    1. Mesurer la masse de la fiole à vide, puis avec 50 mL d’eau.
    2. Calculer la masse volumique de l’eau.

  3. Premier appel

  4. Réaliser le protocole afin de préparer la solution.

  5. Mesurer la masse volumique de la solution.

Critères de réussite pour la réalisation d’une dissolution
Respect du protocole
Respect des consignes

Spiruline et vitamine A

La spiruline est une microalgue dont le pourcentage en masse en vitamine A est de 0,212 %.

On souhaite préparer 500 mL d’une solution aqueuse de concentration en masse cm = 0,320 g·L-1 en vitamine A.

  • Exprimer puis calculer la masse de spiruline à prélever.

Déboucheur liquide

Un déboucheur liquide de canalisation est une solution aqueuse très concentrée en hydroxyde de sodium. Le fabricant y ajoute quelques traces d’un colorant violet pour éviter de la confondre avec de l’eau.

Le déboucheur liquide est fabriqué de la manière suivante :

  • placer le récipient contenant 1,00 L d’eau dans un grand bain d’eau très froide ;
  • ajouter lentement 250 g d’hydroxyde de sodium et agiter afin de le dissoudre.

On obtient ainsi 1,10 L de solution.

Masse volumique de l’eau ρ(eau) = 1,00 kg·L-1.

  1. Citer le solvant et deux solutés d’un déboucheur liquide.
  4. Expliquer pourquoi la valeur de cm est inférieure à celle de ρsol.

Préparation d’une solution par dilution

Mise en application

Solution de fluorescéine

Une solution mère de fluorescéine de volume 500 mL est préparée avec une masse m = 625 mg de fluorescéine.

  1. Exprimer pluis calculer la concentration en masse de fluorescéine dans la solution.
  2. Exprimer puis calculer le volume V0 de solution pour préparer un volume V1 = 100 mL de solution fille de concentration cm1 = 0,250 g·L-1.

Homéopathie

En France la dilution CH est la plus courante, elle consiste à prendre un volume de solution mère et en compléter avec 99 volumes de solvant.

On a une solution mère de concentration cm0 = 1,00 g·L-1.

  2. À partir de la solution à 1CH, on prépare une solution diluée à 2CH. Déterminer la concentration en masse cm2 de cette solution.
  3. Vérifier que pour les dilutions 2CH et 3CH, les concentrations sont respectivement 10-4 g·L-1 et 10-6 g·L-1.
  4. Déterminer la concentration en masse d’une solution diluée à 15CH.
  5. Calculer la masse de soluté m15CH présente dans cette dernière solution.

Solution de bleu brillant

Le colorant de bleu brillant E133 est un colorant alimentaire dont la consommation quotidienne ne doit pas dépasser la dose journalière admissible (DJA).

Comment préparer une solution de bleu brillant par dilution d’une solution mère ?

La DJA est la masse maximale d’une espèce chimique qu’un individu peut consommer par jour sans risque pour sa santé.

La DJA du E133 est de 12,5 mg par kilogramme de masse corporelle.

Lorsqu’on rajoute du solvant dans une solution, la masse de soluté ne change pas.

m0soluté = m1soluté

Préparation d’une solution par dilution

  1. Prélever à l’aide d’une pipette jaugée le volume V0 de solution mère.
  2. Verser la solution mère dans la fiole de volume V1.
  3. Remplir la fiole aux 2/3 de solvant, boucher puis agiter la fiole.
  4. Compléter la fiole de solvant jusqu’au trait de jauge, boucher et agiter de nouveau.
Objectif

Vous devez préparer 50 mL de solution de bleu brillant à partir d’une solution mère de concentration cm0 = 1,80 g·L-1. La solution à préparer doit représenter 3 % de la DJA après ingestion pour un enfant de 48 kg.

Coups de pouce
  1. Déterminer la masse de E133 correspondant.
  2. Déterminer la concentration en masse de la solution fille à préparer.
Conclusion

Conclure en faisant une remarque sur la couleur de la solution fille par rapport à celle de la solution mère.

Dilution d’une solution colorée

Pour une solution colorée, plus sa concentration en masse de soluté est élevé, plus elle est foncé.

Il est possible d’utiliser la couleur d’une solution comme un indicateur de sa concentration en masse.

  • On dissout un solide
  • On dilue un liquide

À retenir

À savoir

Une solution
est un mélange homogène entre un solvant, espèce chimique majoritaire, et un soluté, espèce chimique minoritaire.
La concentration en masse
correspond à la masse de soluté contenue dans un litre de solution
cm = m / V
Dans une dilution
la masse de soluté ne change pas

Savoir faire

  • Savoir déterminer la concentration en masse, connaissant la masse de soluté et le volume de solution

Comment déterminer expérimentalement une concentration en masse ?

Un antiseptique efficace ?

La povidone iodée (ou bétadine) est un antiseptique d’usage local qui contient de l’iode.

Elle est utilisée pour l’antisepsie de la peau avant une opération, des plaies, des brûlures superficielles peu étendues et dans le traitement d’appoint des lésions de la peau et des muqueuses, infectées ou exposées à un risque d’infection.

Lorsque la solution est périmée, elle perd en efficacité.

Comment déterminer la concentration en masse d’une solution afin d’en vérifier son efficacité ?

Une échelle de teintes correspond à un ensemble de solutions, d’une même espèce chimique, diluée à partir d’une même solution mère colorée de concentration connue.

Ces solutions sont ensuite disposées dans des tubes à essais par ordre croissant (ou décroissant) de concentration en masse de soluté. Pour que l’échelle soit efficace il faut au minimum 4 solutions filles.

Cette échelle est généralement utilisée pour déterminer un encadrement de concentration en masse d’une solution.

Matériel

  • Solution mère de diiode : cm0 = 2,5 g·L-1
  • Bétadine diluée 10 fois de concentration inconnue cm = 0,63 g·L-1
  • Pipettes jaugées : 5 mL, 10 mL, 25 mL
  • Fiole jaugée : 50 mL
  • Tubes à essais
  • Bécher
  • Pipette pasteur
Aide
Solution S1 S2 S3 S4
Vf (en mL) 50 50 50 50
cm0 (en g·L-1) 2,5 2,5 2,5 2,5
V0 (en mL) 25 10 5 1
cmf (g·L-1) 1,25 0,5 0,25 0,025
Aide
Échelle de teinte par ordre de concentration décroissant (cm4 > cm3 > cm2 > cm1), il faut comparer la couleur de la solution de concentration inconnue avec celles connues.

🤚 Premier appel

  1. Réaliser l’échelle de teinte, puis indiquer un encadrement de la concentration en masse de la solution de concentration inconnue.

Combien de sucres dans mon soda ?

Courbe d’étalonnage

Une courbe d’étalonnage permet de déterminer graphiquement, une grandeur physique par mesure d’une autre.

Dans le cas présent, la variation de la masse volumique en fonction de la concentration en masse de soluté. Dans un premier temps, une série de mesures est effectuée pour établir le lien entre ces deux grandeurs. Dans un second temps, on mesure la masse volumique d’une solution de concentration inconnue, puis par lecture graphique, on détermine la concentration en masse.

Plus d’informations sur le site les manuels libres.

Ingrédients du soda

Par ordre décroissant de masse dans la solution :

eau gazéifiée, sucre, colorant E150d, acidifiant, acide phosphorique, arômes naturels, arôme caféine.

Données

Masse d’un morceau de sucre
m = 5,95 g
Volume moyen d’un verre
Vverre = 250 mL

Matériel

  • Fioles jaugées (2 × 50 mL)
  • Balance
  • Coupelle de pesée
  • Spatule
  • Pipette plastique
  • Flacon de sucre (glucose ou saccharose)
  • Fiole de soda
  • Eau distillée
  1. Identifier le solvant et le principal soluté dans le soda.
  2. Indiquer comment varie la masse volumique d’une solution lorsque la concentration en masse de soluté augmente.
  3. Proposer un protocole expérimental permettant de préparer des solutions par dissolution ayant pour concentration en masse de saccharose :
    • 0,02g·mL-1, 0,04 g·mL-1, 0,06 g·mL-1 , 0,08 g·mL-1 , 0,10 g·mL-1 et 0,12 g·mL-1.
  4. Réaliser le protocole pour les deux dissolutions données par le professeur et déterminer la masse volumique des solutions préparées, puis celle du soda.
  5. Après mise en commun entre les différents groupes, tracer le graphique donnant la masse volumique en fonction de la concentration en masse.
  6. Déterminer par le calcul le nombre de morceaux de sucres contenus dans un verre de soda.