2nde. D1. Des ions pour soutenir le sportif

Les élèves doivent savoir
  • Savoir qu’une solution peut contenir des molécules ou des ions.
  • Savoir que la concentration d’une solution en espèce dissoute peut s’exprimer en g.L-1 ou en mol.L-1.
  • Connaître et exploiter l’expression de la concentration massique ou molaire d’une espèce moléculaire ou ionique dissoute.
  • Calculer une masse molaire moléculaire à partir des masses molaires atomiques.
  • Déterminer une quantité de matière connaissant la masse d’un solide.
  • Prélever une quantité de matière d’une espèce chimique donnée.
  • Préparer une solution de concentration donnée par dissolution ou par dilution.
  • Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d’une espèce (échelle de teintes, méthode par comparaison).

Mise en situation

Raphaël voudrait améliorer ses performances au plus vite et il s’intéresse aux multiples boissons énergisantes disponibles sur le marché. Certaines contiennent simplement des sucres afin d’apporter un surcroit d’énergie au cours de l’effort, d’autres sont dites « réhydratantes » et contiennent aussi des sels minéraux. Pourquoi a-t-on besoin de ces sels minéraux et comment préparer ces solutions soi-même ?

Boissons de l’effort

Au cours d’un effort physique l’organisme va refroidir le corps en faisant évaporer de l’eau évacuée par la transpiration. Cette transpiration va également éliminer du sodium de notre organisme, ce qui peu poser un problème d’équilibre des ions dans les cellules et provoquer des crampes.

Les sportifs doivent donc s’hydrater et compenser les pertes ioniques. Il existe plusieurs sortes de boissons qui permettent de soutenir l’effort :

  • Boissons isotoniques : elles contiennent principalement du sodium pour remplacer les pertes dues à l’effort. Leur concentration en sodium varie entre 500 et 700 mg par litre.
  • Boissons énergétiques : elles contiennent des glucides (sucre) et des électrolytes (ions) et donnent de l’énergie aux muscles.
  • Boissons sucrées : Pour soutenir l’effort, on conseil de prendre environ 1g de glucide (sucres) par minute. Si cette dose est dépassée, l’organisme va avoir besoin d’énergie pour digérer l’excès de sucre et cette énergie fera défaut au moment de l’effort. Il est donc conseillé de faire son propre mélange à environ 6% de glucide par litre et par heure d’effort.

Deux types d’éléments doivent donc être intégrés dans ces boissons : des molécules (comme les sucres) et des ions (comme le sodium). Ces boissons sont des mélanges d’eau et de ces éléments nutritifs. On parle de solutions.

Les solutions

Quand un corps est dissout dans un liquide et forme un mélange homogène, on parle de « solution ». Le corps dissout est appelé « soluté » et le liquide dans lequel il est dissout est nommé « solvant ».

Pour pouvoir effectuer une dissolution, il faut que le soluté soit soluble dans le solvant. Certains solvants permettent de dissoudre davantage de sortes de corps différents, ainsi, l’eau est considérée comme un excellent solvant car un grand nombre de substances peuvent s’y dissoudre. Dans ce cas on parle de solution aqueuse.

Il y a toutefois une limite à la quantité de soluté que l’on peut dissoudre dans un solvant. Cette limite est appelée solubilité et s’exprime en gramme par litre (g.L-1). La solubilité dépend beaucoup de la température, car plus un liquide est chaud, plus les molécules qu’il contient sont agitées (on plus d’énergie) et il y a donc plus de place pour le corps dissout.

Exemples de solubilités dans l’eau en fonction de la température :

Substance 20°C 80°C
Chlorure de sodium (sel de table) 359 g.L-1 380 g.L-1
Saccharose (sucre) 1970 g.L-1 3690 g.L-1

Quand on atteint la concentration limite de solubilité d’un corps, on dit que la solution est saturée.

Solution moléculaire

Comme cela a été vu au collège en classe de 3e, si le soluté est sous la forme de molécules, par exemple du Saccharose (le sucre de table extrait des betteraves à sucre), la solution ne conduit pas le courant électrique car les molécules sont électriquement neutres. On dira que c’est une solution moléculaire.

On peut noter cette dissolution du saccharose sous la forme suivante :

saccharose

L’état physique du corps sera précisé après sa formule chimique moléculaire. On utilise les abréviations suivantes :

  • (s) : solide
  • (l) : liquide
  • (g) : gazeux
  • (aq) : aqueux (dissout dans le solvant)

Solution ionique

En collège nous avons vu qu’une solution d’eau salée était conductrice du courant électrique. En effet, les ions sont porteurs de charges électriques du fait de leurs électrons excédentaires (anions) ou de leur déficit en électrons (cations). On parle alors de solution ionique.

Une solution ionique est toutefois globalement neutre car elle contient autant de charges électriques positives portées par les cations que de charges électriques négatives portées par les anions.

Cela ne signifie pas nécessairement qu’il y a autant d’anions que de cations car les ions peuvent porter un nombre de charges différents !

On peut en déduire les proportions d’ions présents dans une solution ionique, ce qui permet également de retrouver la formule du sel solide correspondant avant dissolution.

Exemples :

  • Dans une solution de chlorure de sodium, les ions chlorure Cl sont des anions qui portent une charge négative. Les ions sodium Na+ sont des cations qui portent une charge positive. Vu que ces deux ions portent la même charge, il y aura toujours un ion chlorure pour un ion sodium.

La dissolution du chlorure de sodium peut s’écrire de la façon suivante :

diss sel

  • Dans une solution de chlorure de fer III, les ions chlorure Cl sont des anions qui portent une charge négative. Les ions fer III Fe3+ sont des cations qui portent trois charges positives. Pour que la solution soit électriquement neutre il faut donc qu’il y ait trois ions chlorure (trois fois une charge négative) pour compenser les trois charges positives de l’ion fer III.

La dissolution du chlorure de fer III peut s’écrire de la façon suivante :

diss fecl3

Remarque : à l’état solide, les « sels » ne forment pas des molécules (avec un nombre d’atome fini), mais des cristaux dans lesquels les ions s’arrangent de façon géométrique en fonction de leur charge. Leur formule solide ne donne donc pas le nombre d’ions précis mais les proportions d’ions présents dans le sel.

Concentration massique

En collège vous avez vu que la masse ne change pas au cours d’une dissolution : la masse totale du soluté et du solvant avant dissolution reste la même après la dissolution.

Après dissolution, le volume du solvant augmente, mais pas de l’équivalent du volume du soluté car les molécules ou les ions de celui-ci viennent se mettre entre les molécules d’eau et l’ensemble se tasse.

dissolution base

Afin de savoir combien de soluté est dissout dans l’eau, on peut mesurer ou calculer la concentration de soluté en solution. Il y a plusieurs manières d’exprimer cette concentration : concentration massique (quantité de matière comptée en masse par volume de solution) ou concentration molaire (quantité de matière en nombre de molécules ou d’ions par volume de solution). Nous allons voir la différence entre ces deux valeurs qui sont deux manières différentes de présenter une même notion : la quantité de soluté dans le solvant.

La concentration massique d’un soluté indique la masse de soluté (en gramme) dissout dans un litre de solvant :

conc mass0

Unités :

  • Cm: Concentration massique du soluté en gramme par litre (g.L-1).
  • m : Masse du soluté en gramme (g).
  • V : volume du solvant en litre (L).

Exemple : Quelle est la concentration massique en sulfate de cuivre d’une solution de 200 mL d’eau dans laquelle on a dissout 6 g de sulfate de cuivre en poudre :

conc mass14

Cette même relation permet également de savoir quelle est la masse de soluté dans un volume donné d’une solution de concentration massique donnée, ou de déterminer le volume d’une masse donnée de soluté dans une solution dont la concentration massique est connue :

conc mass15

Pour préparer une solution aqueuse dont la concentration est précisée on effectue les opérations suivantes :

  • On calcule la masse de soluté nécessaire avec la relation ci-dessus
    (m = Cm x V).
  • On mesure cette masse de soluté avec une balance.
  • On place le soluté dans une fiole jaugée.
  • On ajoute de l’eau jusqu’à la moitié de la fiole jaugée avant d’agiter pour dissoudre le soluté (au besoin en rajoutant un peu d’eau mais en restant sous le trait de jauge).
  • Une fois le soluté dissout, on complète avec l’eau jusqu’au trait de jauge.

La mole

Il est possible de déterminer la masse d’un atome en additionnant la masse de ses composants : protons, neutrons et électrons. Toutefois, la masse de l’électron est tellement faible qu’elle est négligeable puisqu’elle représente un 2000e de la masse d’un nucléon.

Les masses du proton et du neutron étant très proches, on peut calculer avec une bonne précision la masse d’un atome en multipliant simplement le nombre de nucléons A par la masse du proton.

Exemple : pour un atome de carbone {}_{6}^{12}C la masse sera de :

conc mass16

Nous voyons ici que cette masse est extrêmement faible et que « peser » un seul atome ne serait pas facile et même totalement impossible avec nos balances de laboratoire.

Pour ne pas travailler avec un seul atome, les chimistes travaillent sur des « paquets » d’atomes, appelés « mole ».

Une mole représente le nombre d’atomes contenus dans 12 g de carbone 12. Ce nombre est appelé constante d’Avogadro (ou nombre d’Avogadro), noté NA, du nom du chimiste italien Amedeo Avogadro qui en établit la théorie en 1811.

NA = 6,02 x 1023 mol-1

Cela signifie qu’il y a 6,02 x 1023 éléments dans une mole de matière, d’où l’unité en mol-1 (ce qui signifie par mole).

En passant aux moles, les chimistes peuvent donc manipuler des chiffres beaucoup plus clairs pour leurs calculs.

Remarque : on peut savoir de combien de moles d’un corps on dispose en effectuant le calcul suivant :

conc mass4

Avec n qui représente le nombre de moles et N qui représente le nombre d’éléments.

Concentration molaire

La concentration molaire représente le nombre de moles de soluté par volume de solvant :

conc mass5

Unités :

  • c : Concentration molaire en moles par litre (mol.L-1).
  • n : Nombre de moles de soluté en mole (mol).
  • V : Volume de la solution en litre (L).

Exemple : On dissout 3 moles de chlorure de sodium (sel de table) dans 500 mL d’eau. La concentration de la solution sera :

conc mass17

Mais on utilise plus souvent cette relation pour déterminer le nombre de moles de soluté dans un volume donné de solution afin d’en déduire la masse. Pour cela on utilise la relation dérivée : n = c x V.

Masse molaire

La masse molaire est la masse d’une mole de la matière étudiée et elle s’exprime en gramme par mole (g.mol-1).

Si on étudie des atomes seuls, on parle de masse molaire atomique, M. On retrouve cette masse molaire dans la classification périodique des éléments où elle représente la masse molaire moyenne des différents isotopes d’un élément donné.

Pour un atome donné, il est possible de calculer sa masse molaire atomique par la relation suivante :

Masse molaire atomique (M) = masse de l’atome (m) x Constante d’Avogadro (NA)

Exemple : Calculer la masse molaire atomique du calcium 40 : {}_{20}^{40}Ca

Cet atome contient 40 nucléons dont la masse est de 1,67×10-24 g.

On peut donc déterminer que :

M = 40 x 1,67×10-24 x 6,02 x 1023 = 40,21 g.mol-1

On remarquera que la masse molaire atomique a une valeur très proche du nombre de nucléons dans le noyau de l’atome. Ainsi elle est de 40,1 g.mol-1 pour le calcium dans la classification périodique des éléments.

Pour calculer la masse molaire d’une molécule, nommée masse molaire moléculaire, il suffit d’additionner la masse molaire de tous les atomes que contient cette molécule en se basant sur sa formule moléculaire.

Exemple : déterminer la masse molaire moléculaire du dioxyde de carbone CO2

Cette molécule contient un atome de carbone (M(C)=12,0 g.mol-1) et deux atomes d’oxygène (M(O)=16,0 g.mol-1) donc :

M(CO2)=12×1 + 16×2 = 44 g.mol-1

La relation entre la masse d’un corps et sa masse molaire va donc s’établir de la façon suivante :

conc mass18

Unités :

  • m : Masse du corps en gramme (g)
  • n : Nombre de moles en moles (mol)
  • M : Masse molaire en gramme par mole (g.mol-1)

Exemple : D’après le bilan sanguin de Madame X, elle aurait 2,33 mmol.L-1 de calcium dans le sang. Quelle masse de calcium cela représente-t-il si elle a 4 litre de sang dans le corps ?

conc mass19

Remarque : on notera qu’il est possible de déterminer la concentration massique à partir de la concentration molaire (et inversement), en connaissant la masse molaire, en utilisant les relations précédentes et en combinant ces relations :

conc mass13

Unités :

  • Cm : Concentration massique en gramme par litre (g.L-1).
  • M : Masse molaire en gramme par mole (g.mol-1).
  • c : Concentration molaire en mole par litre (mol.L-1).

Exemple : exprimer la concentration molaire en calcium dans le sang de Madame X en concentration massique. La concentration molaire en calcium est 2,33 mmol.L-1 et la masse molaire atomique du calcium est de 40,1 g.mol-1.

conc mass20

Remarque : on notera que pour les ions monoatomiques, on peut utiliser la masse molaire atomique de l’atome correspondant étant donné la très faible masse des électrons en excès ou en déficit.

Déterminer la concentration d’une solution

Les solutions peuvent contenir des molécules ou des ions. Dans le cas de Madame X, l’eau de Dakin contient du permanganate de potassium qui a la particularité de colorer les solutions en rose. La coloration d’une solution va dépendre de sa concentration :

variation concentration

Pour savoir quelle est la concentration d’une solution inconnue on peut donc procéder par comparaison avec une échelle de teintes : on prélève une quantité croissante d’une solution de départ (solution mère) dont on connaît la concentration afin de réaliser plusieurs échantillons de solutions de concentrations croissantes (solutions filles).

Exemple : Pour des solutions de permanganate de potassium, on peut réaliser 7 tubes à essai à partir de solutions de plus en plus diluées afin de réaliser une échelle de teintes.

echelle teinte KMNO4

Méthode de dilution

Pour diluer une solution de concentration donnée on rajoute du solvant à la solution initiale. Mais la quantité de matière du soluté de change pas. Il en résulte que :

concmasssol2

Il est donc aisé de déterminer la concentration d’une solution diluée que l’on prépare de la façon suivante :

  1. On prélève un volume VM de la solution mère à l’aide d’une pipette jaugée équipée d’un pipeteur (poire à pipeter ou pipeteur à molette).
  2. On verse ce volume dans une fiole jaugée
  3. On verse de l’eau distillée (pure) jusqu’au trois quart de la fiole jaugée
  4. On ferme la fiole à l’aide de son bouchon et on agite pour bien mélanger l’eau et la solution de départ
  5. On complète le volume de la fiole jaugée avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge en gardant bien l’œil en face de celui-ci.
  6. On rebouche la fiole et on homogénéise bien le mélange

Dans l’exemple du schéma de l’échelle de teintes ci dessus, et en partant d’une solution mère de concentration CM=100 mg.L-1 de permanganate de potassium, on obtient les concentrations suivantes pour les solutions filles (dont le volume est de 50 mL):

Volume de solution mère VM en mL 1 2 3 4 5 6 8
Concentration massique de la solution fille en mg.L-1 2 4 6 8 10 12 16

Il suffit ensuite de comparer la teinte de la solution inconnue à celles obtenues sur l’échelle de teinte pour déterminer une valeur approchée de sa concentration massique.

Méthode par comparaison

Si la solution est incolore, il faudra utiliser d’autres méthodes pour définir une échelle de comparaison qui prendra en général l’aspect d’un graphique :

concentration comparaison

On mesure une série de valeurs dépendant de la concentration (masse volumique, densité…) pour des solutions dont la dilution est connue et préparées avec la méthode présentée ci-dessus. Plus de détails vous seront donné en séance de travaux pratiques.

Si les valeurs dépendent de la concentration, elles vont être alignées et on pourra tracer une droite sur le graphique de la valeur en fonction de la concentration.

Il reste alors à déterminer la valeur de la solution inconnue et à lire la valeur de concentration correspondante (flèches sur le graphique ci-dessus).

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