Composition chimique des solutions

Composition chimique des solutions

Une solution colorée n'est jamais qu'un peu de matière dispersée dans beaucoup d'eau. Tout l'art de ce chapitre : chiffrer cette dispersion, savoir préparer une solution à la concentration voulue, et utiliser la couleur, via l'absorbance, pour mesurer une concentration inconnue.

À la fin de ce chapitre, tu sauras :

distinguer concentration en masse et en quantité de matière ;

préparer une solution par dissolution ou par dilution ; calculer un facteur de dilution F ;

relier couleur d'une solution et longueur d'onde absorbée λ_ ;

exploiter la loi de Beer-Lambert A = · · C pour doser une espèce colorée.

Deux façons d'exprimer une concentration

Quand un soluté est dissous dans un solvant, on peut décrire la quantité dissoute soit en grammes par litre, soit en moles par litre. Les deux grandeurs sont utiles selon le contexte (étiquette de produit ↔ équation chimique).

Concentration en masse La concentration en masse d'un soluté est la masse de soluté dissoute par litre de solution.

C_m = (m_soluté)/(V_solution) C_m en g·L⁻¹ m_soluté en g V_solution en L Concentration en quantité de matière

La concentration en quantité de matière (aussi appelée concentration molaire) est la quantité de matière de soluté dissoute par litre de solution.

C = (n_soluté)/(V_solution) en mol·L⁻¹ n_soluté en mol V_solution en L Lien entre les deux

En partant de m = n × M, divisé par V de chaque côté : C_m = C × M avec M la masse molaire en g·mol⁻¹.

Préparer une solution : par dissolution

Dissoudre un soluté dans un solvant pour préparer une solution est l'opération la plus directe. Pour obtenir une concentration précise, on utilise une fiole jaugée.

Protocole Calculer la masse m de soluté à peser : m = C × V × M.

Peser cette masse à la balance.

Verser dans une fiole jaugée du volume voulu, ajouter un peu de solvant et dissoudre.

Compléter au trait de jauge avec le solvant.

Boucher et homogénéiser (retournements).

Pourquoi une fiole jaugée ?

Le volume final doit être très précis (le trait de jauge correspond à un volume gravé sur le verre). Un bécher ou une éprouvette ne suffisent pas : la concentration finale serait approximative.

Préparer une solution : par dilution

Diluer consiste à ajouter du solvant à une solution déjà préparée (la solution mère S_0 ) pour obtenir une solution moins concentrée (la solution fille S ).

Idée clé On n'ajoute pas de soluté pendant la dilution : la quantité de matière de soluté se conserve entre la solution mère et la solution fille.

Démonstration : du « ça se conserve » à la formule

(1) Dans la solution mère (concentration C_0 ), on prélève un volume V_0. La quantité de matière prélevée vaut :

n_mère = C_0 × V_0 (2) On verse ce prélèvement dans la fiole, qu'on complète au trait de jauge pour obtenir un volume V de solution fille (concentration C ). La quantité de matière dans la fille vaut :

n_fille = C × V (3) Conservation : aucun soluté n'est ajouté ni perdu, donc :

n_mère = n_fille (4) En substituant (1) et (2) dans (3), on obtient la relation fondamentale de la dilution :

C_0 × V_0 = C × V C_0, V_0 concentration et volume prélevés dans la solution mère C, V concentration et volume de la solution fille

La même relation s'applique avec les concentrations en masse : C_m,0 × V_0 = C_m × V.

Le facteur de dilution F

Facteur de dilution F = (V)/(V_0) = (C_0)/(C)

F est sans unité. Comme on dilue (la solution fille est moins concentrée que la mère), on a toujours F > 1.

Lecture concrète Diluer 10 fois, c'est F = 10 : on prend un volume V_0 de la solution mère et on le complète jusqu'à 10 fois ce volume. La concentration finale est 10 fois plus petite.

Couleur d'une solution

Quand une solution colorée est traversée par de la lumière blanche, elle se comporte comme un filtre coloré : elle transmet certaines radiations et en absorbe d'autres.

Couleur perçue La couleur observée d'une solution est la couleur complémentaire de la couleur des radiations qu'elle absorbe le plus.

Quelques exemples Une solution magenta de permanganate de potassium absorbe le vert.

Une solution bleue de bleu de méthylène absorbe le jaune.

Une solution orange absorbe le bleu.

Sur le cercle, les couleurs diamétralement opposées sont complémentaires (rouge ↔ cyan, jaune ↔ bleu, vert ↔ magenta). C'est un outil très pratique pour deviner, sans appareil, quelle longueur d'onde une solution absorbe à partir de la couleur qu'on lui voit.

L'absorbance A

Absorbance L'absorbance A mesure la capacité d'une solution à absorber une radiation lumineuse de longueur d'onde λ donnée.

A est une grandeur positive et sans unité.

Plus la solution est concentrée, plus A est grande.

Une solution transparente (pas d'absorption) a A = 0.

On la mesure avec un spectrophotomètre qui envoie une radiation d'intensité connue I_0 et compare avec l'intensité I qui ressort après traversée de la solution.

L'absorbance dépend de…

la nature de l'espèce dissoute, sa concentration, la longueur d'onde de la lumière utilisée, la longueur de cuve traversée.

Spectre d'absorption : λmax

En faisant varier la longueur d'onde envoyée par le spectrophotomètre, on obtient le spectre d'absorption de la solution : absorbance A en fonction de λ (entre 400 nm et 800 nm dans le visible).

Longueur d'onde du maximum d'absorption L'absorbance passe par un maximum A_ à une longueur d'onde précise notée λ_.

λ_ correspond à la couleur la plus absorbée par la solution, donc à la complémentaire de la couleur perçue.

En pratique Pour un dosage par spectrophotométrie, on règle toujours l'appareil sur λ_ : c'est là que la sensibilité (variation de A avec C ) est la plus forte.

La loi de Beer-Lambert

Plus une solution est concentrée, plus elle absorbe la lumière. La loi de Beer-Lambert quantifie ce lien : à longueur d'onde fixée, l'absorbance est proportionnelle à la concentration.

Loi de Beer-Lambert A = × × C absorbance (sans unité) \varepsilon

coefficient d'absorption molaire (L·mol⁻¹·cm⁻¹) \ell longueur de la cuve (cm)

concentration en quantité de matière (mol·L⁻¹) \varepsilon

caractérise la capacité d'une espèce à absorber la lumière à la longueur d'onde considérée, il dépend de la nature de l'espèce et de λ.

Limite de validité La proportionnalité A C n'est valable que pour des solutions peu concentrées. Au-delà d'une certaine concentration, la droite se courbe : l'étalonnage doit rester dans la zone linéaire.

Ce qu'il faut retenir

Concentration en masse : C_m = m / V en g·L⁻¹. Concentration molaire : C = n/V en mol·L⁻¹. Lien : C_m = C × M.

Préparation par dissolution : on pèse, on dissout dans une fiole jaugée, on complète au trait de jauge.

Dilution : la quantité de matière se conserve → C_0 V_0 = C V. Facteur de dilution F = V/V_0 > 1.

La couleur perçue d'une solution est la complémentaire de la couleur la plus absorbée (longueur d'onde λ_ ).

Loi de Beer-Lambert : A = C, outil de dosage par spectrophotométrie via une courbe d'étalonnage.