Comment caractériser une solution ?

Composition des liquides et structure atomique

Composition des liquides

Les liquides contiennent des molécules, souvent différentes, qui sont elles-mêmes formées d'atomes de différents éléments, ainsi que d'ions.

Structure de l'atome

Un atome est un élément chimique formé d'un noyau autour duquel des électrons orbitent.

Composition du noyau

Le noyau contient des protons, qui portent chacun une charge électrique positive, et des neutrons qui ne portent pas de charge électrique. Protons et neutrons forment les nucléons.

Propriétés électriques de l'atome

Les électrons portent chacun une charge électrique, de même valeur que celle portée par le proton, mais de signe opposé. L'atome étant électriquement neutre, il contient autant de charges positives que négatives : il possède donc autant de protons que d'électrons.

Organisation des électrons

Les électrons se répartissent sur des couches électroniques, notées $\rm K$, $\rm L$, $\rm M$…, autour du noyau atomique, la couche $\rm K$ étant la couche la plus proche du noyau.

La classification périodique des éléments

Les éléments chimiques sont classés dans un tableau portant le nom de classification périodique des éléments. Dans ce tableau, les éléments sont classés de haut en bas et de gauche à droite, selon leur masse croissante.

Classification selon les couches d'électrons

Les éléments sont aussi classés selon le nombre de couches d'électrons qu'ils possèdent. Ainsi, un élément possédant $3$ couches d'électrons est situé sur la troisième ligne du tableau, sa dernière couche étant la couche $\rm M$.

Classification selon les électrons de la dernière couche

Les éléments sont enfin classés selon le nombre d'électrons qu'ils possèdent sur leur dernière couche. Ainsi, un élément possédant un électron sur sa dernière couche est classé dans la première colonne du tableau. S'il en possède $5$, il sera situé dans la cinquième colonne…

Notation des éléments

Dans ce tableau, les éléments apparaissent sous la notation : $\rm XZA$

On remarque donc que la classification périodique des éléments renseigne sur la structure de l'atome.

Les ions

Un ion est un atome ou une molécule qui possède une charge électrique positive (perte d'électrons) ou négative (gain d'électrons). La charge électrique est indiquée en exposant, dans la formule de l'espèce chimique.

Types d'ions

Il existe deux types d'ions selon leur charge électrique :

• Ions positifs (cations) : résultent de la perte d'électrons
• Ions négatifs (anions) : résultent du gain d'électrons

Exemples d'ions

• L'ion sulfate $\rm SO_4^{2-}$ : il possède deux charges négatives soit un gain de deux électrons ;
• L'ion fer II $\rm Fe^{2+}$ : il possède deux charges positives soit une perte de deux électrons.

Les molécules et leur structure

Une molécule est un assemblage d'atomes unis entre eux par des liaisons covalentes. Ces liaisons covalentes se forment lorsqu'un électron d'un atome s'apparie à un électron d'un autre atome : une liaison covalente correspond donc à une paire d'électrons que chaque atome se partage, ce qui les lie fortement l'un à l'autre.

Formule chimique d'une molécule

Une molécule possède une formule chimique qui contient le symbole de chaque atome présent dans la molécule ainsi que son nombre, le nombre étant indiqué en indice.

• La molécule d'eau $\rm H_2O$ possède deux atomes d'hydrogène $\rm (H)$ et un atome d'oxygène $\rm (O)$ ;
• La molécule de dioxyde de carbone $\rm CO_2$ possède un atome de carbone $\rm (C)$ et deux atomes d'oxygène.

Propriété électrique des molécules

Les molécules, comme les atomes, sont neutres électriquement.

Représentations graphiques et analyse

La quantité de matière et la mole

Dans un échantillon de matière, il y a un nombre très élevé d'éléments (atomes ou molécules) de cette matière. On a défini la mole par un ensemble de $6,02\times 10^{23}$ éléments. Donc, si un échantillon de matière est composé de $12,04\times 10^{23}$ (soit $2\times 6,02 \times 10^{23}$) éléments, on dit que la quantité de matière qu'il contient est de $2$ moles d'éléments. Ainsi, la quantité de matière s'exprime en mole, de symbole $\rm (mol)$.

Masse molaire atomique

La masse molaire atomique est la masse d'une mole d'atomes. Elle s'exprime en grammes par mole $\rm (g/mol)$.

La masse molaire atomique de l'hydrogène vaut $\rm 1~g/mol$.

Masse molaire moléculaire

La masse molaire moléculaire d'un corps correspond à la somme des masses molaires atomiques des éléments qui composent la molécule de ce corps.

La molécule d'eau $\rm H_2O$ est formée de deux atomes d'hydrogène $\rm H$ et d'un atome d'oxygène $\rm O$. Sa masse molaire $\rm M(H_2O$) est donc :

$\rm M(H_2O) = 2 \times M(H) + 1 \times M(O)$ $=2 \times 1 + 1 \times 16$ $\rm =18~ g/mol$.

Relation fondamentale

La quantité de matière $n~ \rm (mol)$ d'un échantillon de masse $\rm m~ (g)$ et de masse molaire $\rm M~ (g/mol)$ est donnée par la relation :

$$n=\rm \frac{m}{M}$$

Les solutions et leurs concentrations

Définition d'une solution

Lorsqu'un liquide est un mélange homogène, on l'appelle solution. Une solution se compose d'un liquide appelé solvant dans lequel un produit y est dissous, appelé soluté. Lorsque le solvant est l'eau, la solution est aqueuse.

Types de concentrations

Concentration molaire

La concentration molaire $\rm c~ (mol/L)$ d'un soluté est reliée à la quantité de matière $n~ \rm (mol)$ de soluté et au volume $\rm V~ (L)$ de solution par :

$$\mathrm c=\frac{n}{\rm V}$$

Concentration massique

La concentration massique $\rm C_m ~(g/L)$ d'un soluté est reliée à la masse $m~ \rm (g)$ de soluté et au volume $V~ \rm (L)$ de solution par :

$$\rm C_m=\frac{m}{V}$$

Réalisation d'une dissolution

Réaliser une dissolution, c'est mélanger un solide (soluté) dans un liquide (solvant). Le solide doit être entièrement soluble dans le solvant et former un liquide homogène.

Protocole de dissolution

Il faut alors introduire la masse souhaitée dans une fiole jaugée, remplir la moitié de la fiole jaugée de solvant. Ensuite mélanger pour obtenir une solution homogène puis finalement compléter avec le solvant jusqu'au trait de jauge.

Calcul de concentration massique

Pour connaître la masse de soluté à ajouter et choisir la bonne fiole jaugée, il faut faire un calcul de concentration massique :

$$\rm C_m = \frac{m_{soluté}}{V_{total}}$$

Nous souhaitons obtenir une solution à $\rm C_m = 5~g/L$ et nous disposons d'une fiole jaugée de $\rm 200~ mL$. La masse à introduire dans la fiole est donc :

$\rm m_{soluté} = C_m \times V_{total}$ $\rm = 5 \times 0,2 = 1~g$

La dilution d'une solution

Réaliser une dilution, c'est, à partir d'une solution initiale (solution mère), produire une solution moins concentrée (solution fille) en lui ajoutant du solvant.

Relation fondamentale de la dilution

En désignant par $\rm c_{mère}$ et $\rm c_{fille}$ les concentrations en soluté de la solution mère et de la solution fille respectivement et par $\rm V_{mère}$ et $\rm V_{fille}$ les volumes de la solution mère et de la solution fille respectivement, on peut noter l'égalité :

$\rm C_{mère} \times V_{mère} = C_{fille} \times V_{fille}$

La chromatographie sur couche mince

La chromatographie sur couche mince est une technique de séparation par capillarité et d'identification par comparaison des constituants d'un mélange.

Principe de fonctionnement

Le solvant va monter par capillarité sur le chromatogramme en emportant les différents constituants du mélange en fonction de leur affinité.

Mise en évidence de l'eau et du dioxyde de carbone

Détection de l'eau

La présence d'eau, de formule chimique brute $\rm H_2O$, peut être mise en évidence à l'aide du sulfate de cuivre anhydre. En effet, cette poudre blanche devient bleue en présence d'eau.

Détection du dioxyde de carbone

La présence de dioxyde de carbone, de formule chimique brute $\rm CO_2$, peut être mise en évidence par l'eau de chaux, qui, initialement transparente, se trouble sous l'effet de ce gaz.

Conservation lors d'une réaction chimique

Au cours d'une réaction chimique, les éléments (carbone, hydrogène, oxygène…), leur quantité de matière et les charges électriques se conservent. Cette conservation peut se traduire à l'aide de l'équation de la réaction chimique, où apparaissent :

• Les formules chimiques des réactifs et des produits ;
• Les coefficients indiquant les proportions dans lesquelles les réactifs sont consommés et les produits créés.

Combustion du méthane $\rm CH_4$ dans le dioxygène $\rm O_2$.

$\rm CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

L'acidité des solutions et le pH

Certaines boissons paraissent plus acides que d'autres : le jus d'orange, par exemple, est plus acide que l'eau minérale. Pour caractériser l'acidité d'une solution, on détermine son pH, qui est une mesure indirecte de la concentration en ions $\rm H^+$.

Classification des solutions selon leur pH

• Une solution acide est riche en ions $\rm H^+$, son pH est inférieur à 7 
• Une solution neutre, comme l'eau pure, a un pH égal à 7 
• Une solution basique est pauvre en ions $\rm H^+$, son pH est supérieur à 7.

Identification des ions par précipitation

Certains ions réagissent spécifiquement avec des produits et forment des précipités, ce qui permet de déceler leur présence.

Tests de reconnaissance spécifiques

Voici les principaux tests utilisés pour identifier certains ions :