Solutions aqueuses : soluté, solvant, concentration en masse

Une solution aqueuse, c'est un soluté dissous dans l'eau ; sa concentration en masse dit combien de grammes de soluté il y a dans chaque litre de solution : \(C_m = \dfrac{m}{V}\).

Objectifs

Identifier le soluté et le solvant d'une solution, et reconnaître une solution aqueuse.
Définir et calculer une concentration en masse \(C_m\), avec les bonnes unités.
Distinguer concentration en masse et masse volumique.
Connaître la notion de solution saturée (concentration maximale).
Décrire la préparation d'une solution par dissolution et par dilution, et calculer les volumes ou masses nécessaires.

1. Soluté, solvant, solution

Notions clés

La dissolution est la dispersion d'une espèce chimique dans un liquide, jusqu'à l'échelle des molécules ou des ions.
Le soluté est l'espèce dissoute (solide, liquide ou gaz) : sucre, sel, gaz carbonique…
Le solvant est le liquide qui dissout, en général en plus grande quantité.
La solution est le mélange homogène obtenu : soluté + solvant.
Quand le solvant est l'eau, on parle de solution aqueuse.

\[\text{solution} = \text{soluté(s)} + \text{solvant}\]

Une solution peut contenir plusieurs solutés. La solution de réhydratation orale (SRO), utilisée contre la déshydratation en cas de diarrhée, contient par exemple du sel, du sucre et d'autres solutés dissous dans l'eau.

Dans l'eau salée, quel est le soluté ?

L'eau
Le sel
L'eau salée

Le sel est l'espèce dissoute (soluté), l'eau est le solvant, et l'eau salée est la solution.

2. La concentration en masse

La concentration en masse (ou concentration massique) d'un soluté dans une solution est la masse de soluté dissous divisée par le volume de la solution :

\[C_m = \frac{m_{\text{soluté}}}{V_{\text{solution}}}\]

\(m_{\text{soluté}}\) en grammes (g) ;
\(V_{\text{solution}}\) en litres (L) ;
\(C_m\) en grammes par litre : \(\mathrm{g \cdot L^{-1}}\).

Fais varier le volume \(V\) de la solution (en litres) : la droite donne \(C_m\) en fonction de la masse \(m\) de soluté. Plus le volume est grand, plus la droite est basse : la même masse est « diluée » dans plus de liquide.

Exemple résolu 1 : calculer une concentration

Aminata dissout \(20\ \mathrm{g}\) de sucre et obtient \(250\ \mathrm{mL}\) de bissap. Quelle est la concentration en masse du sucre ?

On convertit le volume en litres : \(V = 250\ \mathrm{mL} = 0{,}250\ \mathrm{L}\).

On applique la formule : \[C_m = \frac{m}{V} = \frac{20\ \mathrm{g}}{0{,}250\ \mathrm{L}}\]

On calcule : \(C_m = 80\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\). Chaque litre de ce bissap contiendrait 80 g de sucre.

Exemple résolu 2 : calculer la masse à peser

Le sérum physiologique est une solution de chlorure de sodium à \(9\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\). Quelle masse de sel faut-il pour en préparer \(500\ \mathrm{mL}\) ? Cherche d'abord.

Voir la solution

On isole la masse : \(m = C_m \times V\).

\[m = 9\ \mathrm{g \cdot L^{-1}} \times 0{,}500\ \mathrm{L} = 4{,}5\ \mathrm{g}\]

Il faut peser \(4{,}5\ \mathrm{g}\) de chlorure de sodium.

Exemple résolu 3 : calculer le volume

On dispose de \(15\ \mathrm{g}\) de sucre et on veut une solution à \(60\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\). Quel volume de solution faut-il préparer ?

Voir la solution

\[V = \frac{m}{C_m} = \frac{15\ \mathrm{g}}{60\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}} = 0{,}25\ \mathrm{L} = 250\ \mathrm{mL}\]

On dissout 2 g de sel pour obtenir 100 mL de solution. Quelle est la concentration en masse ?

\(0{,}02\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\)
\(200\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\)
\(20\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\)

\(C_m = 2\ \mathrm{g} \div 0{,}100\ \mathrm{L} = 20\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\).

3. Solution saturée : la concentration maximale

À une température donnée, on ne peut pas dissoudre une quantité illimitée de soluté dans un volume de solvant. Quand le soluté ne se dissout plus, la solution est saturée : sa concentration a atteint une valeur maximale, appelée solubilité.

Par exemple, à 20 °C, on peut dissoudre environ 36 g de sel de cuisine dans 100 g d'eau ; au-delà, le sel en excès reste au fond. La solubilité dépend du soluté, du solvant et de la température.

Il reste du sucre au fond d'un verre, malgré une longue agitation. La solution est :

saturée
diluée
pure

Le solvant ne peut plus dissoudre de soluté : la concentration maximale est atteinte, la solution est saturée.

4. Préparer une solution au laboratoire

Par dissolution

On pèse la masse \(m\) de soluté avec une balance, puis on l'introduit dans la fiole jaugée à l'aide d'un entonnoir (on rince la coupelle avec de l'eau distillée pour ne rien perdre).

On remplit la fiole à moitié environ avec de l'eau distillée et on agite pour dissoudre tout le soluté.

On complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge : le bas du ménisque doit toucher le trait, l'œil à sa hauteur.

On bouche et on retourne plusieurs fois la fiole pour rendre la solution homogène.

Par dilution

Diluer une solution (dite solution mère, concentration \(C_0\), volume prélevé \(V_0\)), c'est lui ajouter du solvant pour obtenir une solution fille moins concentrée (\(C_1\), \(V_1\)). La masse de soluté ne change pas :

\[m = C_0 \times V_0 = C_1 \times V_1\]

Le facteur de dilution est :

\[F = \frac{C_0}{C_1} = \frac{V_1}{V_0} \qquad (F > 1)\]

flowchart LR
  A[Calculer V0] --> B[Prélever V0 à la pipette jaugée]
  B --> C[Verser dans la fiole jaugée V1]
  C --> D[Compléter au trait de jauge]
  D --> E[Boucher et agiter]

Exemple résolu 4 : une dilution

Un sirop a une concentration en sucre \(C_0 = 200\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\). On veut préparer \(V_1 = 250\ \mathrm{mL}\) de boisson à \(C_1 = 40\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\). Quel volume de sirop prélever ?

La masse de sucre se conserve : \(C_0 \times V_0 = C_1 \times V_1\).

On isole \(V_0\) : \[V_0 = \frac{C_1 \times V_1}{C_0} = \frac{40 \times 250}{200}\ \mathrm{mL}\]

On calcule : \(V_0 = 50\ \mathrm{mL}\). Vérification avec le facteur : \(F = \dfrac{200}{40} = 5\) et \(\dfrac{250}{50} = 5\).

Protocole : prélever 50 mL de sirop avec une pipette jaugée, les verser dans une fiole jaugée de 250 mL, compléter avec de l'eau jusqu'au trait de jauge, boucher et agiter.

Retrouver une concentration grâce à une échelle de teinte

Pour une solution colorée (bissap, solution de sulfate de cuivre…), on prépare plusieurs solutions de concentrations connues : c'est une échelle de teinte. On compare la couleur de la solution inconnue à celles de l'échelle : sa concentration est comprise entre celles des deux solutions qui l'encadrent.

On dilue 10 fois une solution à \(50\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\). Quelle est la concentration de la solution fille ?

\(500\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\)
\(5\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\)
\(40\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\)

Diluer 10 fois divise la concentration par 10 : \(C_1 = 50 \div 10 = 5\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}\).

Erreurs fréquentes

Oublier de convertir les millilitres en litres.
Utiliser le volume d'eau versé au lieu du volume final de solution.
Confondre concentration en masse (masse de soluté) et masse volumique (masse de toute la solution).
Croire qu'une dilution enlève du soluté : la masse de soluté est conservée, seule la concentration baisse.
Préparer une solution précise dans un bécher au lieu d'une fiole jaugée.

Récapitulatif

Solution = soluté(s) dissous dans un solvant ; aqueuse si le solvant est l'eau.
\(C_m = \dfrac{m_{\text{soluté}}}{V_{\text{solution}}}\) en \(\mathrm{g \cdot L^{-1}}\).
Une solution saturée a atteint sa concentration maximale (solubilité).
Dissolution : peser, introduire dans la fiole jaugée, dissoudre, compléter au trait, agiter.
Dilution : \(C_0 V_0 = C_1 V_1\), facteur \(F = \dfrac{C_0}{C_1} = \dfrac{V_1}{V_0}\).

Soluté

Espèce chimique dissoute dans le solvant.

Solvant

Liquide qui dissout le soluté ; l'eau pour une solution aqueuse.

Concentration en masse

\(C_m = \dfrac{m}{V}\), en \(\mathrm{g \cdot L^{-1}}\).

Solution saturée

Le soluté ne se dissout plus : concentration maximale atteinte.

Dilution

Ajout de solvant ; la masse de soluté se conserve : \(C_0 V_0 = C_1 V_1\).

Facteur de dilution

\(F = \dfrac{C_0}{C_1} = \dfrac{V_1}{V_0}\)