Dissolution du Chlorure de Sodium

Contexte : La dissolutionProcessus par lequel un soluté se dissout dans un solvant pour former une solution. du chlorure de sodiumComposé ionique de formule NaCl, plus connu sous le nom de sel de table. (NaCl) dans l'eau.

Le chlorure de sodium, que nous utilisons tous les jours comme sel de table, est un solide ionique. Lorsqu'on le met dans l'eau, il se dissout pour former une solution saline, aussi appelée sérum physiologique lorsqu'elle est à une concentration précise. Comprendre comment calculer la concentration de cette solution et des ions qui la composent est essentiel en chimie, mais aussi en biologie ou en cuisine. Cet exercice vous guidera pas à pas pour maîtriser ce calcul.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à passer de la masse d'un solide à la concentration des ions en solution, une compétence fondamentale en chimie des solutions.

Objectifs Pédagogiques

Écrire l'équation de dissolution d'un composé ionique.
Calculer une quantité de matière (moles) à partir d'une masse.
Calculer la concentration molaire du soluté.
Déterminer la concentration molaire des ions en solution.

Données de l'étude

On dissout une masse `m` de chlorure de sodium (NaCl) solide dans un volume `V` d'eau pour préparer une solution aqueuse. On considère que la dissolution ne modifie pas le volume final de la solution.

Schéma de la Dissolution

Visualisation 3D d'un cristal de NaCl

Nom du Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Masse de chlorure de sodium	\(m\)	11,7	g
Volume de la solution	\(V\)	200	mL
Masse molaire de Sodium	\(M_{\text{Na}}\)	23,0	g/mol
Masse molaire du Chlore	\(M_{\text{Cl}}\)	35,5	g/mol

Questions à traiter

Calculer la masse molaire du chlorure de sodium (NaCl).
Écrire l'équation de la réaction de dissolution du chlorure de sodium dans l'eau.
Calculer la quantité de matière \(n\) de chlorure de sodium dissoute.
En déduire la concentration molaire \(C\) en soluté apporté de la solution.
Déterminer les concentrations molaires effectives des ions sodium ([Na⁺]) et chlorure ([Cl⁻]) dans la solution.

Les bases sur la Dissolution et la Concentration

Pour résoudre cet exercice, nous aurons besoin de deux formules essentielles en chimie qui lient la masse, la quantité de matière, le volume et la concentration.

1. Quantité de matière (n)
La quantité de matière, exprimée en moles (mol), se calcule à partir de la masse (m) d'un échantillon et de sa masse molaire (M). \[ n = \frac{m}{M} \] Où \(n\) est en \(\text{mol}\), \(m\) en \(\text{g}\), et \(M\) en \(\text{g/mol}\).

2. Concentration Molaire (C)
La concentration molaire d'une espèce chimique en solution est la quantité de matière (n) de cette espèce par litre de solution. \[ C = \frac{n}{V} \] Où \(C\) est en \(\text{mol/L}\), \(n\) en \(\text{mol}\), et \(V\) en \(\text{L}\).

Correction : Dissolution du Chlorure de Sodium

Question 1 : Calculer la masse molaire du chlorure de sodium (NaCl)

Principe (le concept physique)

La masse molaire d'un composé chimique est la somme des masses molaires de tous les atomes qui le constituent. Pour le NaCl, il suffit d'additionner la masse molaire de l'atome de sodium (Na) et celle de l'atome de chlore (Cl).

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La masse molaire atomique (ex: M(Na)) est la masse d'une mole d'atomes de cet élément. La masse molaire moléculaire (ou pour un composé ionique) est la masse d'une mole de ce composé. Elle est la clé pour convertir une masse (ce qu'on peut peser) en une quantité de matière (ce qu'on utilise dans les équations chimiques).

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Pensez à la formule chimique comme une "recette". NaCl nous dit qu'il faut "un" atome de Na et "un" atome de Cl. Pour trouver la masse totale, on additionne simplement la masse de chaque "ingrédient".

Normes (la référence réglementaire)

Les valeurs des masses molaires atomiques sont standardisées au niveau international par l'IUPAC (Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée). On les trouve dans le tableau périodique des éléments.

Formule(s) (l'outil mathématique)

M(\text{NaCl}) = M(\text{Na}) + M(\text{Cl})

Hypothèses (le cadre du calcul)

Pour ce calcul, on utilise les masses molaires atomiques fournies dans l'énoncé, qui sont des valeurs arrondies et suffisamment précises pour le niveau lycée.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

Masse molaire de Sodium, \(M_{\text{Na}} = 23,0 \text{ g/mol}\)
Masse molaire du Chlore, \(M_{\text{Cl}} = 35,5 \text{ g/mol}\)

Astuces (Pour aller plus vite)

Gardez toujours un tableau périodique à portée de main ! Pour les composés plus complexes (ex: H₂SO₄), listez chaque atome et multipliez sa masse molaire par son indice avant de tout additionner.

Schéma (Avant les calculs)

Addition des Masses Molaires

Calcul(s) (l'application numérique)

\begin{aligned} M(\text{NaCl}) &= M(\text{Na}) + M(\text{Cl}) \\ &= 23,0 \text{ g/mol} + 35,5 \text{ g/mol} \\ &= 58,5 \text{ g/mol} \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Résultat de la Masse Molaire

Réflexions (l'interprétation du résultat)

Ce résultat de 58,5 g/mol signifie concrètement que si vous pesez 58,5 grammes de sel de table, vous avez exactement une mole de NaCl, soit environ 602 200 milliards de milliards d'unités de NaCl.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Attention à ne pas confondre la masse molaire (M, en g/mol) avec la masse (m, en g) ou le numéro atomique (Z) dans le tableau périodique.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

La masse molaire d'un composé est la somme des masses molaires des atomes qui le composent.
L'unité de la masse molaire est le gramme par mole (g/mol).

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Le concept de mole a été introduit par le chimiste Wilhelm Ostwald en 1894. C'est une unité de comptage, comme la "douzaine" pour les œufs, mais adaptée à l'échelle infiniment petite des atomes.

FAQ (pour lever les doutes)

Résultat Final (la conclusion chiffrée)

\[ M(\text{NaCl}) = 58,5 \text{ g/mol} \]

A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Calculez la masse molaire de l'hydroxyde de sodium (NaOH), sachant que M(O) = 16,0 g/mol et M(H) = 1,0 g/mol.

Question 2 : Écrire l'équation de la réaction de dissolution

Principe (le concept physique)

Un composé ionique comme le NaCl est un assemblage ordonné d'ions positifs (cations) et négatifs (anions). L'eau, étant une molécule polaire, est capable de "casser" cet assemblage et de séparer les ions. L'équation de dissolution montre le passage du solide initial aux ions dispersés dans l'eau.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La dissolution se fait en trois étapes : dissociation (le cristal se brise), solvatation (les molécules d'eau entourent les ions) et dispersion (les ions solvatés se répartissent dans la solution). L'équation bilan résume ces trois étapes. L'indication `(s)` signifie solide, et `(aq)` signifie "aqueux", c'est-à-dire entouré d'eau.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Une équation chimique doit toujours être équilibrée en matière et en charges. Ici, on part de NaCl (neutre) et on arrive à Na⁺ (une charge +) et Cl⁻ (une charge -). La somme des charges des produits (+1 - 1 = 0) est bien égale à la charge du réactif (0).

Normes (la référence réglementaire)

La notation (s) pour solide, (l) pour liquide, (g) pour gaz et (aq) pour aqueux est une convention d'écriture internationale en chimie pour décrire l'état des espèces dans une réaction.

Formule(s) (l'outil mathématique)

La structure générale de l'équation de dissolution pour un composé ionique de type AₓBᵧ est :

\text{A}_{\text{x}}\text{B}_{\text{y (s)}} \rightarrow{\text{eau}} x \text{A}^{\text{y+}}_{\text{(aq)}} + y \text{B}^{\text{x-}}_{\text{(aq)}}

Schéma (Avant les calculs)

État Initial : Solide Ionique

Schéma (Après les calculs)

État Final : Ions en Solution

Réflexions (l'interprétation du résultat)

L'équation nous dit que pour chaque "unité" de NaCl solide que l'on dissout, on obtient exactement un ion sodium et un ion chlorure en solution. Cette information est cruciale pour la suite, car elle établit un rapport de 1 pour 1 entre le soluté et ses ions.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

Un composé ionique se dissocie en ses ions constitutifs dans l'eau.
L'état physique des réactifs et produits doit être précisé : (s) pour solide, (aq) pour aqueux.
L'équation doit être équilibrée en atomes et en charges électriques.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

C'est la présence de ces ions Na⁺ et Cl⁻ mobiles dans l'eau qui permet à l'eau salée de conduire l'électricité, contrairement à l'eau pure qui est un très mauvais conducteur.

FAQ (pour lever les doutes)

Résultat Final (la conclusion chiffrée)

\[ \text{NaCl}_{\text{(s)}} \rightarrow{\text{eau}} \text{Na}^{+}_{\text{(aq)}} + \text{Cl}^{-}_{\text{(aq)}} \]

A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Écrivez l'équation de dissolution du chlorure de magnésium (MgCl₂).

La réponse est : \(\text{MgCl}_{\text{2(s)}} \rightarrow \text{Mg}^{\text{2+}}_{\text{(aq)}} + 2 \text{Cl}^{-}_{\text{(aq)}}\)

Question 3 : Calculer la quantité de matière \(n\) de NaCl dissoute

Principe (le concept physique)

On ne peut pas compter les unités de NaCl une par une. On va donc "compter" en pesant. En utilisant la masse de l'échantillon et la masse d'une mole (la masse molaire), on peut déterminer combien de moles ont été pesées.

Formule(s) (l'outil mathématique)

La relation fondamentale qui lie la masse \(m\), la quantité de matière \(n\) et la masse molaire \(M\) est :

n = \frac{m}{M}

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

Masse de NaCl, \(m = 11,7 \text{ g}\)
Masse molaire de NaCl, \(M = 58,5 \text{ g/mol}\) (calculée à la question 1)

Astuces (Pour aller plus vite)

Vérifiez toujours la cohérence des unités avant de calculer. Ici, la masse est en 'g' et la masse molaire en 'g/mol'. Le calcul \(\text{g} / (\text{g/mol})\) donnera bien un résultat en 'mol'. C'est un bon réflexe pour éviter les erreurs.

Schéma (Avant les calculs)

De la Masse à la Quantité de Matière

Calcul(s) (l'application numérique)

\begin{aligned} n_{\text{NaCl}} &= \frac{m}{M} \\ &= \frac{11,7 \text{ g}}{58,5 \text{ g/mol}} \\ &= 0,200 \text{ mol} \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Résultat de la Quantité de Matière

Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le résultat 0,200 mol signifie que nous avons dissous 0,2 fois la "quantité de référence" qu'est la mole. C'est une quantité de matière, une façon de compter les entités chimiques.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Faites attention aux chiffres significatifs. Les données initiales (11,7 et 58,5) ont trois chiffres significatifs, le résultat final doit donc être présenté avec trois chiffres significatifs également (0,200).

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

La formule \(n = m/M\) est l'une des plus importantes en chimie. Elle permet de passer du monde macroscopique (la masse que l'on pèse) au monde microscopique (la quantité de particules).

Résultat Final (la conclusion chiffrée)

\[ n = 0,200 \text{ mol} \]

A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Quelle quantité de matière y a-t-il dans 10,0 g de glucose (C₆H₁₂O₆), sachant que M(glucose) = 180 g/mol ?

Question 4 : En déduire la concentration molaire \(C\) en soluté apporté

Principe (le concept physique)

La concentration exprime à quel point le soluté est "entassé" dans le solvant. Elle représente la quantité de matière de soluté que l'on trouverait dans un volume de référence, qui est le litre. On la calcule en divisant la quantité de matière dissoute par le volume total de la solution.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La concentration en soluté apporté, notée C, est une concentration "théorique". Elle représente la quantité de soluté qu'on a introduite pour préparer la solution, avant même de considérer la dissociation en ions. C'est une caractéristique globale de la solution.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

L'erreur la plus fréquente ici est d'oublier de convertir le volume de la solution en litres. L'unité de la concentration molaire est la mol/L, donc le volume doit impérativement être en L. Rappel : 1 L = 1000 mL.

Formule(s) (l'outil mathématique)

C = \frac{n}{V}

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

Quantité de matière de NaCl, \(n = 0,200 \text{ mol}\) (calculée à la question 3)
Volume de la solution, \(V = 200 \text{ mL}\)

Schéma (Avant les calculs)

Calcul de la Concentration

Calcul(s) (l'application numérique)

Étape 1 : Conversion du volume

V = 200 \text{ mL} = 200 \times 10^{-3} \text{ L} = 0,200 \text{ L}

Étape 2 : Calcul de la concentration

\begin{aligned} C &= \frac{n}{V} \\ &= \frac{0,200 \text{ mol}}{0,200 \text{ L}} \\ &= 1,00 \text{ mol/L} \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Résultat de la Concentration

Réflexions (l'interprétation du résultat)

Une concentration de 1,00 mol/L signifie que si l'on pouvait prélever un litre de cette solution, on y trouverait exactement une mole de NaCl dissous. C'est une solution relativement concentrée.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Le sérum physiologique utilisé en médecine est une solution de NaCl à 0,9% en masse, ce qui correspond à une concentration molaire d'environ 0,154 mol/L. C'est une concentration isotonique au sang, ce qui signifie qu'elle n'endommage pas les cellules sanguines.

Résultat Final (la conclusion chiffrée)

\[ C = 1,00 \text{ mol/L} \]

A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

On dissout 0,050 mol de sucre dans 250 mL d'eau. Quelle est la concentration molaire de la solution ?

Question 5 : Déterminer les concentrations molaires des ions [Na⁺] et [Cl⁻]

Principe (le concept physique)

Une fois le soluté dissous, ce ne sont plus des unités de NaCl qui "nagent" dans l'eau, mais des ions Na⁺ et des ions Cl⁻. La concentration de chacun de ces ions, dite "concentration molaire effective", dépend de la quantité de chaque ion libéré lors de la dissolution.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La concentration molaire effective d'un ion, notée avec des crochets [Ion], est la concentration réelle de cet ion dans la solution. On la détermine grâce aux coefficients stœchiométriques de l'équation de dissolution. Ces coefficients indiquent la proportion d'ions libérés.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Reprenez l'équation de dissolution. Elle est la clé. Les nombres placés devant chaque espèce (les coefficients) vous disent tout. S'il n'y a pas de nombre, c'est un "1".

Formule(s) (l'outil mathématique)

Pour une dissolution \( \text{Soluté} \rightarrow x \text{ Cation} + y \text{ Anion} \), si la concentration en soluté apporté est C, alors :

[\text{Cation}] = x \times C \quad \text{et} \quad [\text{Anion}] = y \times C

Schéma (Avant les calculs)

Des Espèces Apportées aux Espèces Effectives

Calcul(s) (l'application numérique)

Concentration en ions sodium

\begin{aligned} [\text{Na}^{+}] &= 1 \times C \\ &= 1 \times 1,00 \text{ mol/L} \\ &= 1,00 \text{ mol/L} \end{aligned}

Concentration en ions chlorure

\begin{aligned} [\text{Cl}^{-}] &= 1 \times C \\ &= 1 \times 1,00 \text{ mol/L} \\ &= 1,00 \text{ mol/L} \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Concentrations Effectives des Ions

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

La concentration effective d'un ion est égale à la concentration en soluté apporté multipliée par le coefficient stœchiométrique de cet ion dans l'équation de dissolution.

FAQ (pour lever les doutes)

Résultat Final (la conclusion chiffrée)

Les concentrations molaires effectives sont :
\[ [\text{Na}^{+}] = 1,00 \text{ mol/L} \]\[ [\text{Cl}^{-}] = 1,00 \text{ mol/L} \]

A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

On prépare une solution de sulfate de sodium (Na₂SO₄) à une concentration C = 0,5 mol/L. Quelles sont les concentrations effectives [Na⁺] et [SO₄²⁻] ?

Réponse : [Na⁺] = 2×C = 1,0 mol/L et [SO₄²⁻] = C = 0,5 mol/L.

Outil Interactif : Simulateur de Dissolution

Utilisez les curseurs pour faire varier la masse de NaCl et le volume de la solution, et observez en temps réel l'impact sur la concentration molaire.

Paramètres d'Entrée

Masse de NaCl (g) 11.7 g

Volume de solution (mL) 200 mL

Résultats Clés

Concentration en NaCl (mol/L) -

Concentration des ions [Na⁺] (mol/L) -

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Si on dissout 5,85 g de NaCl dans 100 mL d'eau, quelle est la concentration molaire de la solution ?

1,00 mol/L
0,10 mol/L
0,585 mol/L

2. Dans une solution de chlorure de calcium (CaCl₂), si la concentration en soluté apporté est C, quelle est la concentration en ions chlorure [Cl⁻] ? (Indice: écrivez l'équation de dissolution de CaCl₂)

[Cl⁻] = C
[Cl⁻] = C / 2
[Cl⁻] = 2 × C

Glossaire

Soluté: Espèce chimique (solide, liquide ou gaz) qui est dissoute dans un solvant.
Solvant: Espèce chimique, le plus souvent liquide (comme l'eau), qui a la capacité de dissoudre un soluté.
Solution: Mélange homogène obtenu après dissolution d'un ou plusieurs solutés dans un solvant.
Concentration molaire (C): Indique la quantité de matière (en moles) de soluté présente dans un litre de solution. Son unité est la mole par litre (mol/L).
Masse molaire (M): Masse d'une mole d'une entité chimique (atome, ion, molécule). Son unité est le gramme par mole (g/mol).