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Chimie au cegep

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  • © The scientific sentence. 2010


    Chimie 2: Chimie des solutions
    Masse volumique et densité
    Masse molaire et concentration molaire
    Loi d'avogadro et nombre d'avogadro
    Solubilité et solution saturée



    1. Rappels


    • Conversions des capacités :



    • Les CNTP :

    Les conditions normales de température et de pression (CNTP) sont celles où: la température est de 0oC ou 273 K et la pression est de 101.3 kPa ou 1 atm.

    • Les CTAPN :

    Les conditions de température ambiante et pression normale (CTAPN) sont celles où: la température est de 25oC ou 298 K et la pression est de 101.3 kPa ou 1 atm.

    • Loi d'avogadro :

    Dans les CNTP, le volume molaire de n’importe quel gaz
    est égal à 22.4 L.

    Dans les CTAPN, le volume molaire de n’importe quel gaz
    est égal à 22.5 L.


    • La masse volumique d'une substance :

    La masse volumique d'une substance est le rapport d'une masse de cette sunstance et son volume correspondant. On la note ρ ;. Elle s'ecrit: ρ = m / V , où ρ représente la masse volumique, m représente la masse (g), et V représente le volume (ml ou cm3)


    • Qu'est-ce qu’une solution saturée :

    Une solution saturée est une solution dans laquelle la quantité de soluté déjà dissous est telle qu’on ne peut plus y dissoudre de soluté supplémentaire: toute quantité supplémentaire formera un dépôt.

    • Qu'est-ce que la solubilité :

    La solubilité désigne la quantité maximale de soluté pouvant être dissoute dans un volume donné de solvant à une température donnée.

    En général, la solubilité des solides augmente avec la température`à l'exception due sulfate de cérium (CeSO4).

    Exemple: Si on peut dissoudre un maximum de 5 g de soluté en poudre dans 25 mL d’eau à 25 °C, la solubilité de cette substance, exprimée en g/100 mL, est de 20 g/100 mL.

    • La concentration môlaire :

    La concentration môlaire, ou môlarité, ou parfois taux molaire d'une espèce chimique, est sa quantité de matière, exprimée en moles par unité de volume.
    La concentration molaire d'une espèce X est notée c ou [X].

    La concentration molaire c du soluté s'ecrit: c = n / V , où c représente la concentration molaire , n représente le nombre de moles (mol) du soluté, et V représente le volume (ml ou cm3) de la solution.



    2. Mélange de gaz





    L'air est composé , en volume, d'environ 80% de diazote (N2) et 20% de dioxygène (O2) .


    a) Une salle de 50 m3 contient donc un volume de N2 = (80/100) x 50 = 40 m3 un volume de O2 = (20/100) x 50 = 10 m3.

    b) Dans les CNTP, selon la loi d'Avogadro, le volume molaire de chaque gaz est de 24.0 L = 24.0 dm3 = 0.024 m3.

    Ainsi

    0.024 m3 de tou gaz 1 mole
    40 m3 de N2 ?
    10 m3 de O2 ?

    Un produit croisé donne:

    40 m3 de N2 40 x (1 mole)/0.024 =
    1666.67 moles de N2
    10 m3 de O2 10 x (1 mole)/0.024 =
    416.67 moles de O2


    c) D'après la table périodique des éléments O = 16 g/mol et N = 14 g/mol. Donc O2 = 32 g/mol et N2 = 28 g/mol.

    On convertit les moles en masse por chcun de ces deux gaz:

    1 mole (N2) 28 g
    1 mole (O2) 32 g

    Donc
    1666.67 moles de N2 1666.67 x 28 =
    46666.76 g de N2
    416.67 moles de O2 416.67 x 32 =
    13333.44 g de O2

    d) La masse de l'air de la salle est la somme des masses des deux principaux constituants = 46666.76 + 13333.44 = 60000.2 g = 60 kg.

    Ce résultat peut être vérifié en utilisant la masse volumique de l'air.

    Dans les CNTP, la masse volumique de l'air est égale à 1.292 kg/m3.
    Donc un volume de 50 m3 d'air pèse 1.292 x 50 ≈ 65 kg.



    3. Masse volumique




    Un flacon contient 0.25 L de gaz propane C3H8 dans des conditions telles que sa masse volumique est de 1.8 g/L.

    a)
    1 L 1.8 g
    0.25 L 1.8 x 0.25 = 0.45 g

    Le flacon contient ume masse de propane égale à 0.45 g .

    b) Masse molaire du propane = (3 x 12) + (8 x 1) = 36 + 8 = 44 g
    Masse molaire du propane = 44 g .

    c)
    44 g 1 mole de C3H8
    0.45 g 0.45/44 = 0.01023 moles

    La quantité de matière de propane dans le flacon est 0.01023 moles .

    d)
    0.01023 moles 0.25 L
    1 mole 0.25/0.01023 = 24.44 L

    Le volume molaire du propane est 24.44 L .



    Un flacon contient 0.25 L de gaz méthane CH4 dans des conditions telles que sa masse volumique est de 0.67 g/L. a)
    1 L 0.67 g
    0.25 L 0.67 x 0.25 = 0.1675 g

    Le flacon contient ume masse de méthane égale à 0.1675 g .

    b) Masse molaire du méthane = (1 x 12) + (4 x 1) = 12 + 4 = 16 g
    Masse molaire du propane = 16 g .

    c)
    16 g 1 mole de CH4
    0.1675 g 0.1675/16 = 0.0105 moles

    La quantité de matière de méthane dans le flacon est 0.0105 moles .

    d)
    0.0105 moles 0.25 L
    1 mole 0.25/0.0105 = 23.81 L

    Le volume molaire du méthane est 24.0 L .



    4. Concentration




    On prépare 200 mL d'une solution d'eau sucrée en dissolvant dans l'eau deux morceaux de sucre (saccharose C12H22O11).

    Ces deux norceaux de sucre sont pris d'une boîte d'un kilogramme contenant trois couches de quatre rangées de quinze morceaux de sucre chacune.

    Parallèlement, on prépare 200 mL d'une solution d'eau sucrée, de même gout sucré que la première, en dissolvant dans l'eau de l'aspartame (C14H18N2O5).

    La solution d'aspartame est 220 fois moins concentrée que celle de sucre.

    Soit cs la concentraction du sucre = masse de sucre/200 mL

    masse de sucre = masse de deux morceaux = 2 x 1kg/(3 x 4 x 15) = 0.0111 kg = 11.10 g.

    Donc cs = 11.10g/200 mL

    Soit ca la concentraction d'aspartame = masse d'aspartame /200 mL

    On a ca = cs/220 . Donc masse d'aspartame /200 = cs/220

    masse d'aspartame = 200 x cs/220 = 200 x (1/220) x 11.10/200 =
    (1/220) x 11.10 = 0.050 g = 50.0 mg

    50.0 mg d'aspartame est équivalent à 11.10 g de sucre .



    5. Vinaigre



    Un vinaigre à 8 degré est une solution acqueuse contenant essentiellement, en plus du solvant, de l'acide éthanoique C2H4O2.

    L'appellation « vinaigre à 8o» signifie que dans 100 mL de solution, il y a 8.0 mL de cet acide.

    a) La masse molaire de l'acide éthanoïque est égale à
    (2 x 12) + (4 x 1) + (2 x 16) = 60 g.

    b) La mass volumique de l'acide éthanoique est de 1.05 g/cm3.

    100 mL (solution) 8.0 mL (acide)
    1 L (solution) 80.0 mL (acide)

    1 cm3 = 1 mL, ρ (acide) = 1.05 g/cm3. Donc 1 mL correspond à 1.05 g. D'où 80.00 mL correspond à 80.00 x 1.05 = 84 g.

    Il y a 84 grammes d'acide éthanoique dans un litre de vinaigre à 8o.

    c) La quantité de matière d'acide éthanoique

    Dans un litre de vinaigre nous avons 84 g d'acide éthanoique. Une mole d'acide éthanoique (C2H4O2) pèse (2 x 12) + (4 x 1) + (2 x 16) = 24 + 4 + 32 = 60 g.

    60 g (acide éthanoique) 1 mole
    84 g (acide éthanoique) 84/60 = 1.4 moles

    Il y a 1.4 moles d'acide éthanoique dans un litre de vinaigre à 8o.

    La concentration molaire d'acide éthanoique à 8o est de 1.4 mol/L.



    6.Ammoniac



    L'ammoniac NH3 est un gaz très sluble dans l'eau.

    On se place dans les CNTP.

    a) On prépare une solution d'ammoniac de 5.0 L par dissolution de 1.2 L d'ammoniac dans l'eau.

    Dans les CNTP,

    24.0 L (NH3) 1 mole
    1.2 L (NH3) 1.2/24 = 0.05 moles



    La concentration molaire de la solution d'ammoniac est 0.05/5 = 0.01 moles/L .

    b) La masse molaire de l'ammoniac est égale à (1 x 14) + (3 x 1) = 17 g/mol.

    1 mole (NH3) 17 g (NH3)
    0.01 mole (NH3) 0.01 x 17 = 0.17 g


    0.17 g d'ammoniac est dissoute dans 1 L de solution .

    c) Pour une concentration de 0.20 mol/L = 0.10 mol/500 mL, il faut 0.10 moles, c'est à dire 0.10 x 24.0 L = 2.4 L.

    2.4 L de gaz ammoniac sont necéssaires pour fabriquer 500 mL de molarité de 0.20 mol/L .



    7. Évaporation



    On dispose de 500 mL d'eau sucrée de concentration molaire égale à 0.050 mol/L.


    a) Par évaporation partielle d'eau, le volume de la solution est réduit à 450 mL.


    1 L 0.050 mol
    500 mL 0.050/2 = 0.025 mole

    La nouvelle concentration molaire est égale à : 0.025 mole/450 mL = 0.025 mol/0.450 L 0.055 mol/L. .

    b) Après évaporation totale de l'eau, il restera 0.025 mole de saccharose (C12H22O11). Ceci correspond à une masse de 0.025 x d'une mole de saccharose = 0.025 x (12 x 12 + 22 x 1 + 11 x 16) = 0.025 x 342 = 8.55 g.

    Il restera 8.55 g de saccharose après évaporation totale de l'eau .

    c) À la température ambiante (25o), la solubilité du saccharose est de 2 kg/L environ.

    342 g (saccharose) 1 mole
    2 kg (saccharose) 2000 /342 = 5.848 moles


    La concentration molaire d'une solution saturée de sucre est donc de 5.85 mol/L.

    d) On ne dispose que de 0.025 mol de saccharose.

    À saturation,

    5.85 moles 1 L
    0.025 mole 0.025/5.85 = 0.00427 L = 4.27 mL


    À saturation, le volume de la solution qui reste après évaporation est de 4.27 mL .



    8. Mélange de solutions



    On mélange 250 mL d'une solution d'acétone (C3H6O) de concentration molaire 0.500 mol/L et 250 mL d'une solution d'acétone fabriquée à partir de 23.3 g d'acétone.

    Une mole d'acétone pèse (3 x 12) + (6 x 1) + (1 x 16) = 36 + 6 + 16 = 58 g.


    1 L 0.500 mole
    250 mL 0.25 x 0.50 = 0.125 mole


    58 g (acétone) 1 mole
    23.3 g (acétone) 23.3/58 = 0.402 mole


    a) La solution mélangée obtenue a un volume de 250 + 250 = 500 mL et une quantité de matière de 0.125 + 0.402 = 0.527 mole.

    Nous avons donc 0.527 mole dans 500 mL. La concentration molaire de la solution obtenue est donc 0.527 mole/500 mL = 1.05 mol/L.

    La concentration molaire de la solution obtenue est égale à 1.05 mol/L .

    b) 23.3 g d'acétone correspond à 0.402 mole.

    Un litre de solution d'acétone de concentration molaire 0.500 mol/L contient 0.500 mole.

    Introduire 23.3 g d'acétone dans un litre de solution d'acétone de concentration molaire 0.500 mol/L revient , après agitation, à mélanger (0.402 + 0.500) = 0.902 mole d'acétone dans 1 litre de solution. La concentraction molaire est donc 0.902 mole/litre.

    La concentraction molaire du nouvau méalange est 0.902 mol/L .









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