Concentration d'une solution, solubilité
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• calculer la concentration massique d'un soluté et l'exprimer en g.L-1 ;
• calculer la concentration molaire d'un soluté et passer de l'une à l'autre ;
• préparer une solution de concentration donnée, par dissolution ou par dilution ;
• reconnaître une solution saturée et calculer la solubilité d'un soluté ;
• citer les facteurs dont dépend la solubilité.
Prérequis : solvant, soluté, solution ; masse molaire M et quantité de matière n = mM.
Situation de départ
Sur une fiche d'analyse de sang, on lit : « Glycémie : 0,95 g/L, soit 5,3 mmol/L ; valeurs normales : 0,70 à 1,10 g/L ».
Que représentent ces deux nombres ? Pourquoi les donne-t-on « par litre » ? Et pourquoi ne peut-on pas sucrer un café à l'infini ?
I. La concentration massique
1. Comparer des solutions
On prépare trois solutions de sulfate de cuivre en dissolvant des masses différentes dans des volumes différents. La solution la plus foncée n'est pas celle qui contient le plus de soluté : c'est celle qui en contient le plus par litre.
Nos sens (goût, couleur) permettent parfois de classer des solutions, mais ils ne sont pas assez précis, et on ne doit jamais goûter un produit du laboratoire. On utilise donc une grandeur mesurable, la concentration.
2. Définition
La concentration massique Cm d'un soluté dans une solution est le quotient de la masse m de soluté dissous par le volume V de la solution :
Le sérum physiologique contient 4,5 g de chlorure de sodium dans un flacon de 500 mL. Avec V = 500 mL = 0,500 L :
Le volume doit être converti en litres : 250 mL = 0,250 L ; 1 cm3 = 1 mL = 10-3 L. C'est le volume de la solution qui compte, pas celui de l'eau versée.
3. Préparer une solution de concentration donnée
Pour préparer un volume V précis d'une solution, on utilise une fiole jaugée : c'est un récipient dont le trait de jauge indique un volume très précis (50 mL, 100 mL, 250 mL...). On calcule d'abord la masse à peser : m = Cm × V, puis :
• on pèse le soluté avec une balance électronique, sur une coupelle (après avoir appuyé sur « tare ») ;
• on l'introduit dans la fiole jaugée à l'aide d'un entonnoir, on rince, et on ajoute de l'eau distillée jusqu'à la moitié environ ;
• on bouche et on agite jusqu'à dissolution complète ;
• on complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge, puis on bouche et on retourne plusieurs fois la fiole pour homogénéiser.
On ajuste le niveau avec une pipette ou une pissette, goutte à goutte : le bas de la surface du liquide (le ménisque) doit être tangent au trait de jauge, l'œil placé à sa hauteur.
II. La concentration molaire
1. Définition
Les chimistes comptent la matière en moles. Pour une solution, ils donnent donc souvent la quantité de soluté dissous par litre : c'est la concentration molaire.
La concentration molaire C d'un soluté est le quotient de la quantité de matière n de soluté dissous par le volume V de la solution :
La glycémie est la concentration du glucose C6H12O6 dans le sang : Cm = 0,95 g.L-1. Avec M(glucose) = 6 × 12 + 12 × 1 + 6 × 16 = 180 g.mol-1 :
Pour préparer V = 250 mL d'une solution de sucre (saccharose, M = 342 g.mol-1) de concentration C = 0,20 mol.L-1 :
n = C × V = 0,20 × 0,250 = 0,050 mol ; m = n × M = 0,050 × 342 = 17,1 g de sucre à peser.
2. La dilution
Diluer une solution, c'est lui ajouter du solvant : sa concentration diminue. Pour préparer une solution diluée (solution fille) à partir d'une solution plus concentrée (solution mère), on prélève un volume V0 de solution mère avec une pipette jaugée, on le verse dans une fiole jaugée de volume V1 et on complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.
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