Solutions aqueuses : fiche de révision et sujet type BEPC corrigé

Une solution aqueuse, c'est un soluté dissous dans l'eau : on sait la décrire (concentration massique), la préparer, la diluer, mesurer son caractère acide, neutre ou basique (pH) et reconnaître les ions qu'elle contient.

Objectifs

Réviser en une fiche toutes les notions du chapitre : soluté, solvant, concentration massique, dilution, pH, ions.
Appliquer les formules \(C_m = \dfrac{m}{V}\) et la conservation de la masse de soluté lors d'une dilution.
Classer des solutions selon leur pH et prévoir l'effet d'une dilution sur le pH.
Identifier des ions par des tests de précipitation.
S'entraîner sur un sujet type BEPC corrigé, avec sa méthode de rédaction.

Notions clés : la fiche de révision

1. Soluté, solvant, solution

Le soluté est l'espèce dissoute (sucre, sel, sulfate de cuivre…).
Le solvant est le liquide qui dissout. Quand c'est l'eau, la solution est dite aqueuse.
Une solution est saturée quand on ne peut plus dissoudre de soluté : l'excès reste au fond.
Lors d'une dissolution, la masse se conserve : masse de la solution = masse du solvant + masse du soluté.

2. La concentration massique

La concentration massique \(C_m\) d'un soluté est la masse de soluté dissoute par litre de solution :

\[ C_m = \frac{m}{V} \qquad (m \text{ en g},\ V \text{ en L},\ C_m \text{ en } \mathrm{g\,L^{-1}}) \]

On en déduit \(m = C_m \times V\) et \(V = \dfrac{m}{C_m}\).

3. La dilution

Diluer, c'est ajouter de l'eau à une solution : le volume augmente, la masse de soluté ne change pas, la concentration diminue.

\[ m = C_1 \times V_1 = C_2 \times V_2 \quad\Longrightarrow\quad C_2 = \frac{C_1 \times V_1}{V_2} \]

flowchart LR
A[Prelever V1 a la pipette] --> B[Verser dans une fiole jaugee V2]
B --> C[Ajouter de l eau jusqu au trait]
C --> D[Boucher et agiter]

4. Le pH

Le pH se mesure avec du papier pH ou un pH-mètre ; il est compris entre 0 et 14 pour les solutions courantes.

pH	Caractère	Ions majoritaires
inférieur à 7	acide	plus d'ions hydrogène \(\ce{H+}\) que d'ions hydroxyde \(\ce{OH-}\)
égal à 7	neutre	autant de \(\ce{H+}\) que de \(\ce{OH-}\)
supérieur à 7	basique	plus de \(\ce{OH-}\) que de \(\ce{H+}\)

Plus le pH est loin de 7, plus la solution est acide (vers 0) ou basique (vers 14). Quand on dilue une solution, son pH se rapproche de 7 sans jamais le dépasser.

5. Les ions et leurs tests

Une solution ionique est électriquement neutre : elle contient autant de charges positives que de charges négatives. Exemple : la solution de chlorure de sodium s'écrit \(\ce{(Na+ + Cl-)}\).

Ion recherché	Réactif	Précipité observé
chlorure \(\ce{Cl-}\)	nitrate d'argent	blanc, qui noircit à la lumière
cuivre II \(\ce{Cu^2+}\)	soude (hydroxyde de sodium)	bleu
fer II \(\ce{Fe^2+}\)	soude	vert
fer III \(\ce{Fe^3+}\)	soude	rouille

On dissout \(20\ \text{g}\) de sel dans de l'eau pour obtenir \(500\ \text{mL}\) de solution. La concentration massique vaut :

\(10\ \mathrm{g\,L^{-1}}\)
\(40\ \mathrm{g\,L^{-1}}\)
\(0{,}04\ \mathrm{g\,L^{-1}}\)
\(25\ \mathrm{g\,L^{-1}}\)

On convertit 500 mL en 0,5 L, puis Cm = 20 ÷ 0,5 = 40 g/L.

Exemples résolus : sujet type BEPC corrigé

Ce sujet suit la forme habituelle : une partie de restitution des connaissances, puis des exercices d'application. Fais chaque partie au brouillon avant d'ouvrir la correction.

Partie A : restitution des connaissances (4 points)

Définis : soluté, solution saturée, concentration massique.
Recopie et complète : « Quand on dilue une solution acide, son pH … et se rapproche de … »
Quel réactif permet de mettre en évidence les ions chlorure ? Qu'observe-t-on ?

Voir la correction

1. Soluté : espèce chimique dissoute dans un solvant. Solution saturée : solution dans laquelle on ne peut plus dissoudre de soluté. Concentration massique : masse de soluté dissoute par litre de solution, \(C_m = \dfrac{m}{V}\).

2. « Quand on dilue une solution acide, son pH augmente et se rapproche de 7. »

3. Le nitrate d'argent : il se forme un précipité blanc qui noircit à la lumière.

Partie B, exercice 1 : le sirop de bissap (8 points)

Pour la fête de fin d'année, Aïcha prépare un sirop. Elle dissout \(150\ \text{g}\) de sucre et obtient \(1{,}5\ \text{L}\) de sirop.

Nomme le soluté et le solvant.
Calcule la concentration massique \(C_1\) du sucre dans le sirop.
Le sirop est trop sucré. Aïcha prélève \(200\ \text{mL}\) de sirop et ajoute de l'eau pour obtenir \(500\ \text{mL}\) de boisson. Quel nom donne-t-on à cette opération ?
Calcule la masse de sucre contenue dans les \(200\ \text{mL}\) prélevés, puis la concentration massique \(C_2\) de la boisson.
Aïcha dispose de 1 kg de sucre, vendu 700 F CFA le kilogramme dans sa boutique de quartier. Combien coûte le sucre des 1,5 L de sirop ?

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1. Soluté : le sucre. Solvant : l'eau (de bissap).

2. \[ C_1 = \frac{m}{V} = \frac{150\ \text{g}}{1{,}5\ \text{L}} = 100\ \mathrm{g\,L^{-1}} \]

3. Ajouter de l'eau à une solution, c'est une dilution.

4. \(V_1 = 200\ \text{mL} = 0{,}2\ \text{L}\), donc \(m = C_1 \times V_1 = 100 \times 0{,}2 = 20\ \text{g}\). Ces 20 g se retrouvent dans \(V_2 = 0{,}5\ \text{L}\) : \[ C_2 = \frac{20\ \text{g}}{0{,}5\ \text{L}} = 40\ \mathrm{g\,L^{-1}} \] Contrôle avec la formule de dilution : \(C_2 = \dfrac{100 \times 0{,}2}{0{,}5} = 40\ \mathrm{g\,L^{-1}}\).

5. 150 g = 0,15 kg ; coût : \(0{,}15 \times 700 = 105\) F CFA.

Partie B, exercice 2 : acide, neutre ou basique ? (4 points)

Au laboratoire, Ibrahim mesure le pH de trois solutions : A, pH = 2,5 ; B, pH = 7 ; C, pH = 11,5.

Indique le caractère de chaque solution.
Dans quelle solution les ions \(\ce{OH-}\) sont-ils majoritaires ?
Ibrahim dilue la solution A dix fois. Parmi les valeurs 1,5 ; 3,5 ; 8, laquelle peut être le nouveau pH ? Justifie.

Voir la correction

1. A : pH inférieur à 7, acide. B : pH égal à 7, neutre. C : pH supérieur à 7, basique.

2. Dans la solution basique C.

3. En diluant une solution acide, le pH augmente mais reste inférieur à 7 : 1,5 est impossible (le pH aurait diminué), 8 est impossible (la solution serait devenue basique). Le nouveau pH peut être 3,5.

Partie B, exercice 3 : identifier une solution (4 points)

Un flacon sans étiquette contient une solution bleue. Dans un premier tube, on ajoute quelques gouttes de soude : un précipité bleu apparaît. Dans un second tube, on ajoute du nitrate d'argent : un précipité blanc apparaît, qui noircit à la lumière.

Quels ions ces tests mettent-ils en évidence ?
Donne le nom et la formule de la solution, sachant qu'elle est électriquement neutre.

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1. Précipité bleu avec la soude : ions cuivre II \(\ce{Cu^2+}\). Précipité blanc qui noircit avec le nitrate d'argent : ions chlorure \(\ce{Cl-}\).

2. Un ion \(\ce{Cu^2+}\) porte deux charges positives ; il faut deux ions \(\ce{Cl-}\) pour compenser. C'est une solution de chlorure de cuivre II : \(\ce{(Cu^2+ + 2Cl-)}\).

On dilue \(50\ \text{mL}\) d'une solution à \(60\ \mathrm{g\,L^{-1}}\) pour obtenir \(300\ \text{mL}\). La nouvelle concentration est :

\(360\ \mathrm{g\,L^{-1}}\)
\(20\ \mathrm{g\,L^{-1}}\)
\(10\ \mathrm{g\,L^{-1}}\)
\(60\ \mathrm{g\,L^{-1}}\)

C2 = 60 × 50 ÷ 300 = 10 g/L : le volume a été multiplié par 6, la concentration est divisée par 6.

Avec la soude, une solution donne un précipité de couleur rouille. Elle contient des ions :

fer III
fer II
cuivre II
chlorure

Le précipité rouille caractérise les ions fer III ; le fer II donne un précipité vert, le cuivre II un précipité bleu.

Erreurs fréquentes

Croire que diluer change la masse de soluté : on ajoute seulement de l'eau, la masse de soluté reste la même.
Penser qu'une dilution peut rendre neutre ou basique une solution acide : le pH se rapproche de 7 sans le dépasser.
Prendre le volume d'eau ajoutée pour \(V_2\) : \(V_2\) est le volume final de la solution.
Oublier la neutralité électrique en écrivant la formule d'une solution ionique : il faut autant de charges + que de charges −.
Confondre les couleurs des précipités : bleu pour le cuivre II, vert pour le fer II, rouille pour le fer III, blanc noircissant pour le chlorure.

Récapitulatif

Solution aqueuse = soluté dissous dans l'eau ; solution saturée = on ne peut plus dissoudre.
\(C_m = \dfrac{m}{V}\) en g/L, avec \(V\) en litres.
Dilution : la masse de soluté se conserve, \(C_1 V_1 = C_2 V_2\).
pH < 7 acide, = 7 neutre, > 7 basique ; la dilution rapproche le pH de 7.
Tests d'ions : nitrate d'argent pour \(\ce{Cl-}\) ; soude pour \(\ce{Cu^2+}\), \(\ce{Fe^2+}\), \(\ce{Fe^3+}\).

Concentration massique

Masse de soluté par litre de solution : Cm = m / V, en g/L.

Dilution

Ajout d'eau : volume augmente, masse de soluté conservée, concentration diminue.

Moins de 7 : acide ; 7 : neutre ; plus de 7 : basique.

Solution saturée

Solution où l'on ne peut plus dissoudre de soluté.

Test des ions chlorure

Nitrate d'argent : précipité blanc qui noircit à la lumière.

Tests à la soude

Bleu : cuivre II ; vert : fer II ; rouille : fer III.