Solutions aqueuses
I. L’essentiel du cours
Solution aqueuse
Une solution est obtenue par la dissolution d’un soluté dans un solvant. La solution est dite aqueuse lorsque le solvant est l’eau. Le soluté peut être : un solide, un liquide ou un gaz.
Une solution aqueuse est caractérisée par la concentration molaire du soluté dans la solution. La concentration est notée : C et elle s’exprime en mol.L-1.
On a : avec
L’eau pure
L’eau pure est constituée :
- d’une espèce ultra-majoritaire, la molécule d’eau H2O ;
- de deux espèces ultra-minoritaires, les ions hydroniums H3O+ et hydroxyde OH-.
L’eau pure et les solutions aqueuses sont le siège de la réaction d’équilibre d’autoprotolyse de l’eau représenté par l’équation-bilan : 2H2O H3O+ + OH
La dilution
La dilution est l’opération qui consiste à diminuer la concentration d’une solution mère par ajout de solvant (l’eau distillée).
Soit un flacon contenant un volume Vi d’une solution initiale de concentration Ci. On veut obtenir une solution de volume Vf et de concentration Cf.
La conservation de la quantité de matière donne : ni = nf soit CiVi = CfVf or Vf = Vi + Ve (Ve : volume d’eau à ajouter). on a alors :
CiVi = Cf (Vi + Ve ) d’où
En posant : où N (facteur de dilution) désigne le nombre de fois de dilution ; on écrit : . Pour diluer 10 fois : on N = 10.
Ve = 9 Vi et
Neutralité d’une solution: Toute les solutions aqueuses contenant des ions est électriquement neutre. L’équation d’électroneutralité d’une solution: a[Aa+] + b[Bb+] = c[Cc-] + d[Dd-].
pH d’une solution aqueuse
La mesure électrique du pH d’une solution aqueuse à l’aide d’un pH–mètre permet d’accéder à la valeur de la concentration molaire en ions H3O+ (en mol.L-1)et, indirectement, à celle des ions OH- (en mol.L-1) avec une précision relativement limitée. pH = - log[H3O+] ou [H3O+] =10-pH
Pour toutes les solutions aqueuses, à l’état d’équilibre, le produit des concentrations molaires des ions H3O+ et OH- est constant à une température donnée.
Produit ionique : Ke = [H3O+].[OH-]. Par analogie pKe = - logKe : A 25°C, Ke= 10-14 d’où pKe = 14. Une solution aqueuse est soit neutre, soit acide, soit basique. A température de 25°C :
- Solution aqueuse neutre : pH =7 ; [H3O+] = [OH-] =10-7mol.L-1 ;
- Solution aqueuse acide: : pH Ë‚ 7; [H3O+]> [OH-] ;
- Solution aqueuse basique : PH >7; [H3O+] Ë‚ [OH-].
II. Méthode
CONNAISSANT LE PH D’UNE SOLUTION COMMENT DEDUIRE LES CONCENTRATIONS DES IONS H3O+ et OH- ?
Par définition, [H3O+] = 10-pH [H3O+] x [OH-] = Ke
D’où :
Connaissant les concentrations en ions H3O+ et OH-, en déduire le pH de la solution correspondante. On donne la concentration en ions H3O+ d’une solution aqueuse diluée. Par définition
COMMENT CALCULER LA CONCENTRATION D’UNE ESPECE CHIMIQUE DANS UNE SOLUTION DONNEE ?
A. Solution S de concentration C contenant l’espèce chimique X
La concentration molaire de l’espèce X est donnée par : [X] = kC. k est le coefficient stœchiométrique devant l’espèce X dans l’équation bilan de dissolution du composé.
Concentration molaire des ions Ca2+ et Cl- dans la solution de chlorure de calcium CaCl2 de concentration C.
CaCl2 Ca2+ + 2Cl-
On a : [Ca2+] = C ; [Cl-]= 2C
B. Mélange d’une solution S1 de concentration C1 et de volume V1 contenant l’espèce chimique X avec une solution S2 de concentration C2 et de volume V2 ne contenant pas l’espèce X
La concentration molaire de l’espèce X est donnée par : , k est le coefficient stœchiométrique devant l’espèce X dans l’équation bilan de dissolution du composé contenant l’espèce X.
concentration molaire des ions Ca2+ et Cl- dans la solution obtenue en mélangeant une solution S1 de chlorure de calcium CaCl2 de concentration C1 et de volume V1 avec une solution S2 de sulfate de cuivre II CuSO4 de concentration C2 et de volume V2.
CaCl2 Ca2+ + 2Cl-
CuSO4 Cu2+ + SO42-
;
C. Mélange d’une solution S1 de concentration C1 et de volume V1 contenant l’espèce chimique X avec une solution S2 de concentration C2 et de volume V2 contenant aussi l’espèce X
La concentration molaire de l’espèce X est donnée par : k1 et k2 sont les coefficients stœchiométriques respectifs devant l’espèce X dans l’équation bilan de dissolution des deux composé.
Concentration molaire des ions Cl- dans la solution obtenue en mélangeant une solution S1 de chlorure de calcium CaCl2 de concentration C1 et de volume V1 avec une solution S2 de chlorure de sodium NaCl de concentration C2 et de volume V2.
CaCl2 Ca2+ + 2Cl-
NaCl Na+ + Cl-