Les solutions aqueuses
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| Chapitre 3 LES SOLUTIONS AQUEUSES Définition : Une solution est ce que l'on obtient lorsque l'on dissout un solide dans un liquide. Si ce liquide est de l'eau la solution est dite aqueuse (Racine latine : aqua comme dans aquarium, aqueduc …) I ) Mesure du volume et de la masse (voir livre p68-69) : En sciences il existe de nombreuses grandeurs qui permettent de mesurer, de « quantifier », les caracté- ristiques de la matière mais aussi de l'espace. Ainsi la longueur est une grandeur qui correspond à la distance entre deux points. A chaque grandeur est associée une (ou plusieurs) unité(s). Pour la longueur l’unité est le mètre. Quand on fait la cuisine, les recettes nous indiquent parfois quelle masse (exprimée en gramme) de chaque ingrédient est nécessaire. Pour les liquides ou les matières granulaires, les quantités sont généralement précisées d’une autre manière, par exemple une cuillère à soupe d’huile ou un verre à vin d’eau. À quelle grandeur physique correspondent ces mesures ? Réponse : il s’agit du volume. Nous savons mesurer une masse avec une balance et une longueur avec une règle mais comment mesurer un volume ? Y a-t-il un appareil spécifique ?
Le volume correspond à la place prise par une substance qu’elle soit liquide, solide ou gazeuse, il mesure donc l'espace qu'occupe un corps. En mathématiques, nous apprenons à calculer le volume de différents solides ayant des formes régulières : cube, parallélépipède rectangle, cylindre … Il suffit alors de mesurer les dimensions du corps : Rappel de mathématiques : Il existe une formule pour chaque forme régulière :    Cube Parallélépipède rectangle c Mais comment mesurer le volume d’un liquide, d'un solide qui n'a pas de forme régulière ? Il faut utiliser un appareil de mesure. Il existe, en chimie, différents récipients de verre gradués de différentes formes. Ils permettent une mesure du volume plus ou moins précise.     
Les unités en physique et en chimie sont les mêmes pour les scientifiques de tous les pays et sont unifiées par des règles dans le Système international d’unités. Les unités de base de ce système sont appelées les unités légales. L  ’unité légale de volume est le mètre cube : m3.1 m3 correspond à l’espace qu’occupe un cube de 1m de côté. Mais il est rare que dans une recette, on exprime le volume en m3. Le litre est également une unité très employée pour exprimer un volume, c'est pour être précis une unité de capacité. Le litre et le mètre cube étant deux unités de volumes, il existe une relation entre ces deux unités. En effet, 1 dm3 c'est-à-dire un volume d’un cube de 1 dm (10 cm) de côté à la capacité de recevoir un litre d'eau (ou d'un autre liquide).     1 m3 = (1 m) x (1 m) x (1 m) = (10 dm) x (10 dm) x (10 dm) = 1000 dm3 = 1000 L 1 dm3 = 1 litre  Remplissons ce tableau :
Convertir :
P  our mesurer directement le volume d’un corps on utilise un récipient gradué en volume. Le plus couramment utilisé est l’éprouvette graduée. Réalisons une mesure avec cet appareil. Versons du liquide dans l’éprouvette graduée Si le tube est fin, la surface libre du liquide n’est pas plane et horizontale mais forme un ménisque. On mesure la valeur en plaçant son œil au niveau de la surface libre, en prenant comme référence le bas du ménisque. Bien insister sur la déter-mination de la valeur des gradua-tions.
Conclusion :
La masse est une grandeur physique qui caractérise la quantité de matière (au nombre de petites particules). Elle est proportionnelle (directement liée) à cette quantité de matière. La masse est une grandeur extrêmement importante car elle se conserve tout le temps (excepté lors des réactions nucléaires). Tout corps, tout élément composé de matière a une masse, qu'il soit à l'état solide, liquide ou gazeux. Attention à ne pas confondre les notions de masse et de poids, ce sont deux grandeurs différentes. La masse est liée à la quantité de matière alors que le poids est lié à l'attraction terrestre. La balance est l’instrument qui permet d’obtenir la masse d’un objet. Elle est sensible à l’attraction de la terre sur l’objet (son poids) mais nous donne comme information la masse de l’objet. Il existe deux grands types de balance. B | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
alance de Roberval
alance électronique| | Multiples | | Sous-multiples | |||||||
| Unité | tonne | quintal | | kilogramme | hectogramme | décagramme | gramme | décigramme | centigramme | milligramme |
| Symbole | t | | | kg | hg | dag | g | dg | cg | mg |
A chaque unité correspond, souvent, une famille de multiples et de sous-multiples. Le nom des multiples et des sous-multiples est composé d’un préfixe et du nom de l’unité principale. Les préfixes des multiples viennent du grec, les préfixes des sous-multiples du latin.
| kilo veut dire 1000 hecto veut dire 100 déca veut dire 10 | déci veut dire un dixième donc 0,1 centi veut dire un centième donc 0,01 milli veut dire un millième donc 0,001 |
Expérimentons : mesure de masse :
Protocole d’utilisation de la balance électronique : Dans un premier temps, le récipient vide est placé sur la balance. Elle indique alors 120 g par exemple. On remet la balance à zéro : c’est la tare. On verse ensuite dans le récipient 180 mL d’eau. La masse de ce volume d’eau se lit alors directement sur la balance.
Résultat : On obtient une masse de 180 g, ce qui signifie qu’1 mL (1 cm3) a une masse de 1 g ou encore qu’1 L d’eau pèse 1 000 g, soit 1 kg. On dit que la masse volumique de l’eau est de 1 g/cm3.
Première expérience : Avec la balance de Roberval, vous allez mesurer la masse des trois objets à étudier. Notez ici vos résultats : m1 = …….... g , m2 = …….... g et m3 = …….... g.
Deuxième expérience : Vous allez devoir vérifier vos résultats avec la balance électronique.
Notez ici vos résultats : m1 = …….... g , m2 = …….... g et m3 = …….... g.
Troisième expérience (faite par le professeur) : nous allons maintenant déterminer la masse volumique de différents matériaux. Lors des expériences sur le volume, nous avons vu comment déterminer le volume d'un cylindre d'après ses dimensions.
Calculer le volume des cylindres sachant que r = …… cm et h = …… cm.
V = …………………… = …………………… = ………………
Le professeur va maintenant mesurer la masse des différents cylindres et vous noterez ces résultats dans le tableau ci-dessous :
| Cylindre | | | | | | |
| Masse (g) | | | | | | |
| Volume (cm3) | | | | | | |
| Masse volumique (g/cm3) | | | | | | |
II ) L'eau est un solvant (voir livre p70-71) :
Certains solides forment avec l'eau des mélanges homogènes. On dit encore qu'ils se dissolvent dans l'eau. Comment se dissout le sel dans l'eau ?
Dissoudre un solide dans l'eau :
I
L'eau peut dissoudre certains solides comme le sel.
l est très facile de former des mélanges homogènes avec l’eau et certains solides comme le sel, le sucre, le chocolat en poudre, le café. On dit que ces solides se dissolvent dans l’eau : ils se réduisent en fines particules invisibles dans l’eau (voir fig.6 et 7 p 70). La solution obtenue est une solution aqueuse. L’eau est le solvant et le solide dissout est le soluté.
Remarque : Les solides qui se dissolvent dans l’eau ne changent pas d’état : ils ne deviennent pas liquides. En effet, pour qu’il y ait changement d’état, il faut qu’il y ait une modification de la température. Or ce n’est pas le cas lors de la dissolution. À titre indicatif, le sel, qui se dissout très facilement dans l’eau, ne devient liquide qu’à la température d’environ 800 °C !
Retrouver le sel dissous :
L
Une substance dissoute est toujours présente dans la solution.
e sel a-t-il disparu ? Pour le savoir, faisons chauffer notre solution aqueuse. Une fois l'eau vaporisée, du sel s'est déposée sur la paroi du tube (voir fig. 9 p 70). Le sel était donc toujours présent dans la solution d'eau salée.
Saturer une solution :
En mettant une grosse quantité de sel dans de l’eau, on peut se rendre compte qu’il existe une limite à la quantité de solide qu’on peut dissoudre dans un volume d’eau (voir fig. 11 p 71). Lorsque cette limite est atteinte, on dit que la solution est saturée. Ainsi, à 20 °C, on peut dissoudre jusqu’à 300 g de sel dans un litre d’eau.
Dans un volume donné d'eau, on ne peut dissoudre qu'une certaine masse de sel.
En revanche, si on augmente la température de l’eau en la chauffant, il est possible d’y dissoudre une plus grande masse de sel : la capacité de dissolution de l’eau augmente avec la température. Ainsi, s’il est possible de dissoudre 2 kg de sucre par litre d’eau à 20 °C, cette masse peut passer à 4 kg de sucre par litre d’eau à 90 °C. C’est pour cette raison qu’il est toujours plus facile de dissoudre la poudre de chocolat dans de l’eau chaude que dans de l’eau froide.
III ) La conservation de la masse (voir livre p71) :
Voyons comment se comportent les masses du solvant et du soluté lors d’une dissolution.
Protocole : Dans une éprouvette graduée, mesurons 50 mL d'eau. Nous savons que nous avons alors 50 g d'eau puisque la masse volumique de l'eau est de 1 g/cm3 et qu'un cm3 est équivalent à un mL. Prenons également 2 g de sel. Sur une balance électronique, nous plaçons maintenant un bécher vide dont nous mesurons la masse. Le sel est ensuite ajouté dans le bécher avec l’eau et dissout. Nous mesurons enfin la masse de l'ensemble.
50 g d'eau et 2 g de sel
Bécher vide sur la balance
Bécher avec la solution.
Observation : La masse de l'ensemble est égale à la somme de la masse de l'eau, du sel et du bécher :
meau + msel + mbécher = 50 + 2 + 46,7 = 98,7 g = mensemble
I
La masse se conserve lors d'une dissolution.
nterprétation : nous en déduisons que la masse se conserve au cours de la dissolution : aucune matière n’est apparue ou n’a disparu.
IV ) La concentration massique d'une solution (voir livre p72) :
Toutes les bouteilles d’eaux minérales portent obligatoirement l’indication de leur minéralisation.
À quoi correspond cette valeur et comment est-elle calculée ?
Réponse : la minéralisation correspond à la masse de sels minéraux dissous par litre d’eau.
Cette concentration massique totale est calculée à partir de la masse de sels minéraux mesurée après évaporation d’une quantité connue d’eau minérale, elle est exprimée en mg/L.
Estimer la concentration :
La concentration en soluté d’une solution peut être estimée de différentes manières.
Concentration et goût (voir livre p72) :
Protocole : dans trois verres, nous versons 50 mL d’eau et nous ajoutons un demi-sucre dans le premier verre, un sucre dans le deuxième et deux sucres dans le dernier. Nous mélangeons jusqu’à dissolution complète du sucre dans l’eau. Les verres sont ensuite déplacés de façon à ne plus pouvoir les distinguer les uns des autres. Nous faisons alors goûter les verres par plusieurs personnes.
Observation : en général, tous les goûteurs replacent très facilement les verres par ordre de concentration croissante.
Interprétation : notre goût nous permet très facilement de mettre en évidence des différences de quantité de soluté par volume de solvant, c’est-à-dire des différences de concentration.
Notre goût est particulièrement sensible aux quatre saveurs primaires : le sucré, le salé, l’amer et l’acide.
Concentration et couleur (voir livre p73) :
De même, il nous est très facile de distinguer des différences de concentration importantes pour des solutés qui colorent la solution.
Protocole : refaisons l’expérience précédente en remplaçant le sucre par du sulfate de cuivre
Observation : la différence de coloration dépend de la concentration en sulfate de cuivre et nous permet facilement de classer les verres (Voir fig. 19 p 73). Si nous prenons ensuite le verre contenant le plus de sulfate de cuivre et que nous y ajoutons de l’eau, nous verrons sa couleur devenir plus claire, signe que la concentration en sulfate de cuivre diminue.
Interprétation : la concentration varie avec la quantité de soluté et avec la quantité de solvant.
Calculer la concentration massique :
L
a concentration d’une solution est mesurée par rapport à la masse de soluté dissoute et au volume de solvant : c’est la concentration massique.
L’unité légale de concentration massique est le gramme par litre (g/L).
Dans la première expérience, si nous considérons qu’un morceau de sucre a une masse d’environ 6 g, le premier verre a une concentration massique de :
Calcul : Déterminez, partie exercice, la concentration des deux autres solutions.
Savoir si une eau est potable :
Les étiquettes d’eau minérale portent l’indication obligatoire de la concentration massique en sels minéraux dissous dans l’eau.
Cette concentration doit également être indiquée pour les résidus à sec : masse totale de tous les sels minéraux par litre d’eau minérale.
Cette indication permet de connaître les propriétés d’une eau minérale et de savoir si elle est indiquée pour certaines catégories de consommateurs : personnes âgées, nourrissons, etc.
L’eau du robinet contient également des sels minéraux et, pour qu’elle soit considérée comme potable, leurs concentrations massiques ne doivent pas dépasser certaines valeurs :
— chlorure : concentration massique maximale de 250 mg/L ;
— sodium : concentration massique maximale de 150 mg/L.
La mairie doit obligatoirement faire des analyses de l’eau du robinet au moins une fois par mois et ces résultats doivent être affichés. À vous de vérifier à la mairie si votre eau est potable !
L'essentiel à retenir absolument :
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Travail personnel
Répondre aux questions. Vous prendrez soin de rédiger vos réponses.
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Quel âge avez-vous ? Quelle est l’unité dans votre phrase ? A quelle grandeur se rapporte cette unité ?
Quelle est votre masse ? Quelle est l’unité dans votre phrase ?
Avec quel instrument mesure-t-on une masse ?
Recopiez et complétez le tableau suivant
Unités symbole
kg
g
cg
Unités nom
kilogramme
Valeur en g
1
Convertissez :
10 g =……… kg 75 kg =……… g 4 cg =……… g 0.25 g =……… mg
Attribuez à chaque nom sa masse : Homme, Eléphant, Cerise, Pomme, Melon, 100 ml d’eau
200g, 72kg, 1kg, 4g, 100g, 520 kg.
Dans un filet de clémentines de 2kg, on trouve 31 fruits. Quelle est la masse d’une clémentine environ ? Exprimez cette masse dans l’unité qui vous paraît la plus adaptée.
Au marché, vous demandez 12 pommes. Le marchand utilise une balance à plateaux. Sur le plateau de droite il place le sachet de papier et vos 12 pommes. Sur le plateau de gauche il place une masse de 1 kg, une de 500 g, une de 100 g et deux de 10 g. L’aiguille se place au milieu.
Quelle est la masse de vos 12 pommes ?
« A 1,20 Euros le Kilo », combien vous coûtent vos pommes ?
L’once est une ancienne unité de mesure. Une once correspond à 27,25g. Convertissez 100 grammes en onces ?
Isabelle utilise une balance électronique pour mesurer la masse de jus de fruit contenue dans un verre. Elle décide pour cela d’utiliser la fonction «tare » de sa balance. Elle pose le verre, appuie sur le bouton tare et remplit le verre. L’afficheur de la balance indique 220g, puis 0g, puis 378g. La masse de jus de fruit est donc 220 g, 378g ou 158g ?
Si la balance d’Isabelle ne permettait pas de faire la tare, que devrait-elle faire ?
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Le volume d’un liquide dépend-t-il de sa forme ?
On dit d’un récipient (un bidon) qu’il a une capacité de 2L. Définissez la capacité d’un récipient.
Avec quel appareil mesure-t-on le volume d’un liquide ?
Recopiez et complétez le tableau suivant
Unités Système Int.
m3
dm3
cm3
Unités courantes
hL
L
cL
Valeur en Litre
1
Dessinez une éprouvette avec ses graduations, et les nombres sans oublier l’unité de mesure. Dessinez alors le niveau d’eau, si vous la remplissez de 130cm3 d’eau.
Deux verres A et B sont dessinés à la même échelle. Quel volume de liquide contient chaque verre ?
a) A contient 20cm3 b) B contient 20 cL.
c) A contient 20 cL d) B contient 20 cm3
Peut-on verser dans l’éprouvette la totalité de la boisson contenue dans la boîte ? Justifiez. Combien de verres peut-on remplir avec la boisson contenue dans la bouteille ?
150 cm3
Quelle est la bonne méthode pour lire le volume dans l’éprouvette :
Marguerite détermine le volume d’un cylindre métallique de diamètre 2,8cm et de hauteur 10cm.
Calculez le volume du cylindre.
Elle vérifie ensuite son résultat à l’aide d’une éprouvette graduée en millilitres dans laquelle elle a versé 120mL. Quel volume lira Marguerite après avoir plongé le cylindre dans l’eau de l’éprouvette ?
Mouloud place deux bouteilles vides de capacité 1L sur les plateaux d’une balance. La balance est en équilibre. Il remplit ces deux flacons, l’un d’alcool à brûler et l’autre d’eau. Pour que les deux plateaux soient en équilibre, Mouloud rajoute sur l’un d’entre eux trois masses : 100g, 50g et 10g. Quelle est la masse de 1 L d’alcool à brûler ?
Peng utilise un arrosoir pour transporter du fioul. Peng pèse son arrosoir vide, puis rempli d’eau. Peng trouve 0,7kg, puis 10,7kg.
Quelle est la capacité de l’arrosoir ?
Peng pèse ensuite l’arrosoir plein de fioul et trouve 9kg. Quelle la masse de 1L de fioul ?
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