Calcul de la Concentration Ionique des Sels Solubles
Contexte : La dissolution des sels dans l'eau.
Lorsqu'on dissout un sel comme le chlorure de sodium (le sel de table) dans l'eau, ses cristaux se "cassent" en particules chargées électriquement appelées ions. La solution obtenue, qui contient des ions et conduit donc le courant électrique, est appelée une solution ioniqueUne solution contenant des ions, des atomes ou molécules ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Elle est électriquement conductrice.. Cet exercice vous guidera pour calculer la concentration de chaque type d'ion dans la solution.
Remarque Pédagogique : Cet exercice est fondamental pour comprendre le lien entre la quantité de matière d'un solide dissous et la concentration réelle des espèces chimiques présentes en solution, une notion clé en chimie.
Objectifs Pédagogiques
- Savoir calculer la masse molaire d'un composé ionique.
- Calculer la quantité de matière (en moles) à partir d'une masse.
- Calculer la concentration molaire d'une solution.
- Écrire une équation de dissolution.
- Déterminer la concentration des ions en solution.
Données de l'étude
Fiche Technique du Chlorure de Sodium
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Formule chimique | NaCl |
| Aspect | Solide cristallin blanc |
| Nom commun | Sel de table |
Schéma de la Dissolution
| Donnée | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse molaire atomique du Sodium | M(Na) | 23,0 | g/mol |
| Masse molaire atomique du Chlore | M(Cl) | 35,5 | g/mol |
Questions à traiter
- Calculer la masse molaire du chlorure de sodium (NaCl).
- Calculer la quantité de matière (nombre de moles) de NaCl dissoute.
- Calculer la concentration molaire (C) de la solution en soluté NaCl.
- Écrire l'équation de dissolution du NaCl dans l'eau.
- En déduire les concentrations molaires des ions sodium (Na⁺) et chlorure (Cl⁻) dans la solution.
Les bases sur la Molarité et les Ions
Pour résoudre cet exercice, quelques concepts de base en chimie sont nécessaires.
1. La Mole et la Masse Molaire
En chimie, on ne compte pas les atomes un par un. On les regroupe en "paquets" appelés moles. Une mole contient environ 6,022 x 10²³ entités (atomes, ions, molécules...). La masse molaire (M) d'un atome est la masse d'une mole de cet atome, exprimée en g/mol. Pour une molécule, on l'obtient en additionnant les masses molaires de tous les atomes qui la composent.
\[ n = \frac{m}{M} \quad \begin{cases} n : \text{quantité de matière (mol)} \\ m : \text{masse (g)} \\ M : \text{masse molaire (g/mol)} \end{cases} \]
2. La Concentration Molaire
La concentration molaire (C) d'une espèce chimique en solution est la quantité de matière (n) de cette espèce par litre de solution (V). L'unité est la mole par litre (mol/L).
\[ C = \frac{n}{V} \quad \begin{cases} C : \text{concentration (mol/L)} \\ n : \text{quantité de matière (mol)} \\ V : \text{volume de la solution (L)} \end{cases} \]
Correction : Calcul de la Concentration Ionique des Sels Solubles
Question 1 : Calculer la masse molaire du chlorure de sodium (NaCl).
Principe
La masse molaire d'un composé est la somme des masses molaires de chaque atome qui le constitue. Il suffit d'identifier les atomes dans la formule chimique (ici, 1 atome de Sodium Na et 1 atome de Chlore Cl) et d'additionner leurs masses molaires respectives.
Mini-Cours
La masse molaire moléculaire, notée M, représente la masse d'une mole de cette molécule. Elle s'obtient en faisant la somme des masses molaires atomiques de tous les atomes présents dans la molécule. Ces masses molaires atomiques se trouvent dans le tableau périodique des éléments.
Remarque Pédagogique
Prenez l'habitude de bien décomposer la formule chimique. Pour NaCl, c'est simple (1 Na + 1 Cl). Pour une molécule plus complexe comme H₂SO₄, il faudrait compter 2 atomes d'Hydrogène, 1 de Soufre et 4 d'Oxygène.
Normes
En chimie à ce niveau, il n'y a pas de "norme" au sens réglementaire. Les calculs se basent sur les valeurs des masses molaires atomiques standards internationalement reconnues.
Formule(s)
Formule de la masse molaire moléculaire
Hypothèses
Le calcul suppose que nous utilisons les masses molaires des isotopes les plus abondants de chaque élément, ce qui est le cas standard pour les exercices de ce niveau.
Donnée(s)
Les données suivantes sont extraites de l'énoncé de l'exercice.
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse molaire du Sodium | M(Na) | 23,0 | g/mol |
| Masse molaire du Chlore | M(Cl) | 35,5 | g/mol |
Astuces
Pour les composés simples, le calcul est direct. Pour les plus complexes, n'hésitez pas à noter chaque atome et sa contribution à la masse totale pour ne rien oublier.
Schéma (Avant les calculs)
Addition des masses molaires
Calcul(s)
Addition des masses molaires atomiques
Schéma (Après les calculs)
Masse Molaire Résultante
Réflexions
Le résultat de 58,5 g/mol signifie qu'un "paquet" (une mole) de sel de table pèse 58,5 grammes. C'est une valeur de référence que nous allons utiliser dans les questions suivantes.
Points de vigilance
La seule erreur possible ici est une erreur de calcul. Prenez le temps de bien additionner les valeurs données dans l'énoncé.
Points à retenir
Pour obtenir la masse molaire d'un composé, on additionne les masses molaires de tous les atomes qui le composent, en tenant compte de leur nombre.
Le saviez-vous ?
La masse molaire du Chlore (35,5 g/mol) n'est pas un nombre entier car le chlore naturel est un mélange de deux isotopes principaux : le chlore-35 (environ 75%) et le chlore-37 (environ 25%). La valeur est une moyenne pondérée.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Calculez la masse molaire de l'eau (H₂O), sachant que M(H) = 1,0 g/mol et M(O) = 16,0 g/mol.
Question 2 : Calculer la quantité de matière (nombre de moles) de NaCl dissoute.
Principe
Le concept physique ici est de convertir une masse (une quantité que l'on peut peser) en une quantité de matière (un nombre de "paquets" d'entités chimiques), qui est plus pratique pour les calculs en chimie. On utilise pour cela la masse molaire comme "facteur de conversion".
Mini-Cours
La mole est l'unité de base de la quantité de matière. Elle permet de faire le pont entre l'échelle macroscopique (les grammes que l'on pèse) et l'échelle microscopique (les atomes et molécules). La formule \( n = m/M \) est l'une des plus fondamentales en chimie.
Remarque Pédagogique
Imaginez que la masse molaire (M) est le "poids d'un paquet". Si vous avez une certaine masse totale (m) de bonbons, pour savoir combien de paquets vous avez (n), vous divisez la masse totale par le poids d'un seul paquet.
Normes
Pas de norme applicable. C'est une relation fondamentale.
Formule(s)
Formule de la quantité de matière
Hypothèses
On suppose que le sel pesé est du chlorure de sodium pur à 100%, sans impuretés.
Donnée(s)
Les données proviennent de l'énoncé (pour la masse m) et du résultat de la question précédente (pour la masse molaire M).
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse de NaCl | m | 5,85 | g |
| Masse molaire de NaCl | M | 58,5 | g/mol |
Astuces
Vérifiez l'ordre de grandeur. Ici, la masse pesée (5,85 g) est exactement 10 fois plus petite que la masse d'une mole (58,5 g). On s'attend donc à trouver un résultat de 0,1 mol.
Schéma (Avant les calculs)
Conversion de la Masse en Moles
Calcul(s)
Application de la formule
Schéma (Après les calculs)
Quantité de matière obtenue
Réflexions
Le résultat signifie que dans notre bécher, nous avons dissous 0,1 "paquet" (mole) de NaCl. C'est cette valeur que nous utiliserons pour parler de concentration, car elle est indépendante du type de molécule.
Points de vigilance
L'erreur la plus fréquente est d'inverser la formule (M/m). Rappelez-vous que la quantité de matière (n) est souvent inférieure à la masse (m), donc la masse (le plus grand nombre en général) doit être au numérateur.
Points à retenir
La quantité de matière 'n' (en mol) est obtenue en divisant la masse 'm' (en g) par la masse molaire 'M' (en g/mol).
Le saviez-vous ?
Le concept de mole a été introduit par le chimiste Wilhelm Ostwald en 1894. Le nombre d'entités dans une mole, le nombre d'Avogadro (≈6,022x10²³), est si grand que si vous aviez une mole de centimes d'euro, vous pourriez dépenser un milliard d'euros par seconde pendant près de 2000 ans !
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Quelle est la quantité de matière dans 9 g d'eau (H₂O), sachant que M(H₂O) = 18 g/mol ?
Question 3 : Calculer la concentration molaire (C) de la solution en soluté NaCl.
Principe
La concentration exprime la quantité de soluté dissous dans un certain volume de solution. C'est une mesure de la "densité" des particules de soluté. Plus il y en a dans un même volume, plus la solution est concentrée.
Mini-Cours
La concentration molaire, notée C ou [Soluté], est une grandeur essentielle. Elle indique le nombre de moles de soluté présentes dans un litre de solution. Elle permet de comparer des solutions entre elles et de prévoir les quantités qui réagiront lors d'une réaction chimique.
Remarque Pédagogique
Faites l'analogie avec une boisson : si vous mettez un sucre (une mole) dans un petit café (petit volume), il sera très sucré (concentré). Si vous mettez le même sucre dans un grand bol de lait (grand volume), il le sera beaucoup moins (dilué).
Normes
L'unité du Système International pour la concentration molaire est la mol/m³. Cependant, en chimie, l'usage quasi-universel est la mole par litre (mol/L).
Formule(s)
Formule de la concentration molaire
Hypothèses
On suppose que la dissolution se fait sans changement de volume, c'est-à-dire que le volume final de la solution est bien celui du solvant ajouté, et que le mélange est parfaitement homogène.
Donnée(s)
Les données proviennent du résultat de la question 2 (pour la quantité de matière n) et de l'énoncé (pour le volume V).
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Quantité de matière de NaCl | n | 0,1 | mol |
| Volume de la solution | V | 500 | mL |
Astuces
Pour ne pas oublier de convertir, lisez toujours l'unité de la formule : "moles PAR LITRE". Le "par" signifie "divisé par". Cela vous rappelle que le volume doit être en litres au dénominateur.
Schéma (Avant les calculs)
Calcul de la Concentration
Calcul(s)
Étape 1 : Conversion du volume en Litres
Étape 2 : Calcul de la concentration
Schéma (Après les calculs)
Solution finale
Réflexions
Une concentration de 0,2 mol/L signifie que si on prélevait un litre de cette solution, on y trouverait 0,2 mole de NaCl. Comme nous n'avons que 0,5 L, nous y trouvons bien nos 0,1 mole de départ.
Points de vigilance
L'erreur la plus classique est d'oublier de convertir le volume en Litres. Un calcul avec 500 au lieu de 0,5 donnerait un résultat 1000 fois trop petit !
Points à retenir
La concentration molaire C (en mol/L) est la quantité de matière n (en mol) divisée par le volume V (en L). La conversion du volume est une étape cruciale.
Le saviez-vous ?
L'eau de mer a une concentration en NaCl d'environ 0,6 mol/L, soit trois fois plus que notre solution. C'est cette forte concentration en ions qui la rend salée et très conductrice de l'électricité.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
On dissout 0,1 mol de sel dans 200 mL d'eau. Quelle est la concentration molaire ?
Question 4 : Écrire l'équation de dissolution du NaCl dans l'eau.
Principe
Une équation de dissolution est une représentation symbolique de la séparation d'un composé ionique en ses ions lorsqu'il est mis en solution. Elle doit respecter la conservation des éléments et la conservation de la charge électrique globale.
Mini-Cours
Un composé ionique est un assemblage électriquement neutre de cations (ions positifs) et d'anions (ions négatifs). Lors de la dissolution dans l'eau, les molécules d'eau entourent ces ions et les séparent les uns des autres. L'équation montre le composé solide (réactif) à gauche et les ions libres en solution (produits) à droite.
Remarque Pédagogique
Pensez à "casser" la molécule en deux parties : la partie métallique (ici Na) donne l'ion positif (cation), et la partie non-métallique (ici Cl) donne l'ion négatif (anion). La charge totale à gauche (0 pour NaCl) doit être égale à la charge totale à droite (+1 - 1 = 0).
Hypothèses
On suppose que la dissolution est totale : tout le solide NaCl qui est dissous se transforme en ions. C'est une bonne hypothèse pour les sels très solubles comme le NaCl.
Donnée(s)
La donnée utilisée est la formule chimique du soluté, fournie dans l'énoncé.
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Formule du soluté | NaCl |
Astuces
Repérez les familles dans le tableau périodique. Les éléments de la première colonne (comme Na) forment des ions +1. Ceux de l'avant-dernière colonne (comme Cl) forment des ions -1.
Schéma (Avant les calculs)
Avant : Cristal de NaCl
Calcul(s)
Équation de la dissolution
Schéma (Après les calculs)
Après : Ions hydratés en solution
Réflexions
L'équation montre bien qu'une entité NaCl solide libère une entité ion Na⁺ et une entité ion Cl⁻ en solution. C'est la clé pour la question suivante.
Points de vigilance
N'oubliez pas les charges des ions (+ et -) ainsi que les états physiques ((s) et (aq)). Une équation chimique sans ces informations est incomplète.
Points à retenir
Une équation de dissolution doit être équilibrée en atomes et en charges. Le réactif est le solide, les produits sont les ions en solution aqueuse.
Le saviez-vous ?
C'est la polarité de la molécule d'eau (avec un pôle positif et un pôle négatif) qui lui permet d'arracher les ions du cristal. Le pôle négatif de l'eau attire le Na⁺ et son pôle positif attire le Cl⁻.
Résultat Final
Question 5 : En déduire les concentrations molaires des ions sodium (Na⁺) et chlorure (Cl⁻).
Principe
Le principe repose sur la stœchiométrie : les proportions des réactifs et des produits données par les coefficients dans l'équation équilibrée. Ces proportions s'appliquent aussi aux concentrations molaires.
Mini-Cours
Dans une équation chimique, les nombres placés devant les formules (les coefficients stœchiométriques) indiquent le rapport des quantités de matière. Si l'équation est \(A \rightarrow 2B + C\), cela signifie qu'une mole de A produit deux moles de B et une mole de C. Ainsi, \([B] = 2 \times [A]\) et \([C] = [A]\).
Remarque Pédagogique
Relisez bien l'équation de la question 4 : \( \text{NaCl} \rightarrow 1 \text{Na}^{+} + 1 \text{Cl}^{-} \). Les coefficients devant Na⁺ et Cl⁻ sont tous les deux "1" (implicite). Cela signifie que la concentration de chaque ion sera égale à la concentration de NaCl qui a été dissoute.
Normes
Pas de norme applicable.
Formule(s)
Relation pour l'ion Sodium
Relation pour l'ion Chlorure
Hypothèses
On suppose toujours que la dissolution est totale, donc toute la quantité de NaCl introduite s'est bien transformée en ions.
Donnée(s)
La donnée utilisée est la concentration molaire de la solution, calculée à la question 3.
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Concentration en NaCl | C(NaCl) | 0,2 | mol/L |
Astuces
Le coefficient stœchiométrique de l'ion dans l'équation de dissolution devient le multiplicateur de la concentration initiale.
Schéma (Avant les calculs)
Solution de NaCl (avant dissociation conceptuelle)
Calcul(s)
Calcul de la concentration en ion Sodium
Calcul de la concentration en ion Chlorure
Schéma (Après les calculs)
Concentrations ioniques en solution
Réflexions
Le résultat montre que même si on a dissous une seule substance (NaCl), on a en réalité deux espèces chimiques différentes en solution (Na⁺ et Cl⁻), chacune avec sa propre concentration. La solution est globalement neutre car la concentration des charges positives est égale à celle des charges négatives.
Points de vigilance
Attention à ne pas faire cette étape sans avoir écrit l'équation de dissolution ! Pour un sel comme CaCl₂, la concentration en Cl⁻ serait le double de celle en CaCl₂, car l'équation est \( \text{CaCl}_2 \rightarrow \text{Ca}^{2+} + 2\text{Cl}^{-} \). C'est le piège classique.
Points à retenir
Les concentrations des ions en solution sont directement proportionnelles à la concentration du soluté de départ, avec pour facteurs de proportionnalité les coefficients stœchiométriques de l'équation de dissolution.
Le saviez-vous ?
La concentration totale en ions est une propriété importante appelée "force ionique". Elle influence de nombreuses propriétés de la solution, comme sa conductivité électrique ou la vitesse des réactions qui s'y déroulent.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Si on dissout du CaCl₂ pour obtenir une solution de concentration C = 0,3 mol/L, quelle est la concentration en ions chlorure [Cl⁻] ?
Outil Interactif : Simulateur de Dissolution
Utilisez les curseurs pour faire varier la masse de sel et le volume de la solution. Observez comment les concentrations molaires changent en temps réel.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Quelle est l'unité de la concentration molaire ?
2. Un ion sodium (Na⁺) est un atome de sodium qui a :
3. Si on dissout du chlorure de calcium (CaCl₂) de concentration C, quelle sera la concentration des ions chlorure [Cl⁻] ?
4. Pour calculer une quantité de matière, on a besoin de :
5. Si on double le volume de la solution sans ajouter de sel, la concentration molaire sera :
Glossaire
- Concentration Molaire
- Quantité de matière d'un soluté (en moles) par litre de solution. Son unité est la mol/L.
- Dissolution
- Processus par lequel un soluté solide se disperse dans un solvant pour former une solution homogène. Pour un sel, cela implique la séparation en ions.
- Ion
- Atome ou groupe d'atomes qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, lui conférant une charge électrique nette.
- Masse Molaire
- Masse d'une mole d'une substance. Elle est exprimée en grammes par mole (g/mol).
- Soluté
- Substance qui est dissoute dans une autre substance (le solvant). Dans cet exercice, le soluté est le NaCl.
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