Mini Manuel de Chimie générale

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Cet ouvrage présente en 8 étapes la chimie des solutions. L'auteur met l'accent sur le sens physique des concepts et des calculs, et a le souci constant d'articuler les notions fondamentales aux préoccupations de la vie d'aujourd'hui (environnement, énergie, santé, recherche...). Suite du premier volume qui traite de la structure de la matière.

Publié le : mercredi 20 février 2008
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EAN13 : 9782100539512
Nombre de pages : 256
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1.1 1.2 1.3 PLAN 1.4 1.5
Solutions ioniques
Solutions : définitions et constitution
Expressions de la composition d’une solution
Solutions réelles et solutions idéales, activité
Phénomènes régissant l’apparition d’ions en solution
Force d’un électrolyte
Comprendre les phénomènes mis en jeu lors de la dissolution d’une espèce chimique dans un solvant, ainsi que les processus spécifiques à la constitution des solutions ioniques. Savoir calculer la composition d’une solution et savoir convertir une unité de composition en une autre.
Percevoir les différences entre solutions réelles et solutions idéales. Com prendre la nécessité d’introduire le concept d’activité. OBJECTIFS Associer la notion de force d’un électrolyte au déplacement de l’équilibre de dissociation de cet électrolyte en ses ions. Prendre conscience de l’importance de la loi de dilution d’Ostwald.
1.1
SOLUTIONS : DÉFINITIONS ET CONSTITUTION
a) Définitions
Unesolutionun est mélange homogènedeux ou plusieurs de constituants. Le constituant majoritaire est appelésolvant. Le ou les composé(s) minoritaire(s) sont appeléssoluté(s). Le solvant disperse les molécules ou les ions du soluté.
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Chapitre 1Solutions ioniques
On distingue lessolutions liquideset lessolutions solides(allia ges homogènes comme les cupronickels, par exemple). Seules les solutions liquides seront considérées ici.
Unesolutionest diteinfiniment diluéelorsque les concentrations des solutés sont suffisamment faibles pour que la solution se comporte comme si les interactions entre les ions ou les molécules du soluté étaient négligeables.
b) Solvatation Lorsque la structure du solvant est perturbée au voisinage d’une espèce dissoute, l’espèce est solvatée. Lasolvatation résulte de l’organisation particulière d’un certain nombre de molécules de solvant autour de cette espèce (ion ou molécule). Cette organisation est due à des interactions attractives soluté/solvant. Une espèce X solvatée est notée « X ». solv La solvatation par des molécules d’eau s’appelle l’hydratation (cf. § 2.2).Une espèce X hydratée est le plus souvent représentée par « X (aq) » ou « X ». aq L’ensemble des molécules de solvant en interaction avec l’espèce dissoute s’appelle lacage de solvatationle modèle est le dont suivant : à un instant donné, l’espèce dissoute est au contact d’un certain nombre de molécules de solvant qui constituent lasphère primaire de solvatation.La valeur moyenne du nombre de molé cules de solvant de la sphère primaire est le nombre (ou degré) de solvatation primaire ; entre cette première couche et le solvant non perturbé, se trouve la sphère secondaire de solvatation, dont les molécules de solvant sont en interaction plus faible avec l’espèce dissoute ; les molécules de solvant impliquées dans ces sphères de solvata tion s’échangent en permanence ; le temps de résidence d’une molécule de la sphère primaire dépend de la nature de l’espèce 12 dissoute, et peut aller de quelques picosecondes (10 s) à des durées de l’ordre de l’année… La force des interactions entre les molécules de solvant et l’espèce dissoute dépend de la nature de l’interaction : interactions de type ion/dipôle, ou interactions de Van der Waals de type dipôle/dipôle (permanent ou induit), liaisons hydrogène,
1.2Expressions de la composition d’une solution
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éventuellement liaisons de coordination donnant lieu à un véritable complexe de solvatation (figure 1.1).
CH 3
O
S
CH 3
S H C 3 H C 3
CH 3
O
O
S
CH 3
H C 3 H C 3
S
H C 3
O
O
CH 3 CH 3 S CH 3 S O
2+ Zn
O
O
O S SCH 3 H CH C 33 H C 3
CH 3 S CH3
(b) (a) Figure 1.1(a)Formes limites et forme géométrique (pyramide aplatie) du 2+ diméthylsulfoxyde (DMSO).(b) Solvatation par le DMSO etde l’ion Zn 2+ formation du complexe [Zn(DMSO) ] 6
1.2EXPRESSIONS DE LA COMPOSITION D’UNE SOLUTION Lacomposition d’une solutionpeut être représentée par les diverses 1 grandeurs intensives caractéristiques de la composition d’un mélange.
a) Fraction molaire, fraction massique, fraction volumique
Fraction molaire Soitnla quantité de matière de tout constituantide la solution. La ifraction molairexde ce constituant s’exprime par le rapport denà iila quantité de matière totalen(nombre total de moles) : n n i i x=-=-x=1 iaveci i n n i i Les quantités netnsont exprimées en mol etxest sans dimension. ii
1. Unegrandeur intensiveest une grandeur dont la valeur est indépendante de la quantité de matière dans l’échantillon, par opposition à unegrandeur extensive dont la valeur dépend de cette quantité de matière. Toutes les grandeurs servant à exprimer la composition d’une solution sont intensives parce qu’elles sont le rapport de deux grandeurs extensives.
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Chapitre 1Solutions ioniques
Dans le cas d’une solution infiniment diluée :x0, soluté(s) x1. solvant
Fraction massique Soitmasse(i)la masse de tout constituantide la solution. Lafraction massiquewde ce constituant s’exprime par le rapport desa masseà i la masse totalem: masse(i)masse(i) wi=-=-w=1 avec i m i masse(i) i masse(i)etmsont exprimées dans la même unité de masse.west i sans dimension.
Fraction volumique
SoitVle volume occupé par le constituantiau sein de la solution. La i fraction volumiqueφde ce constituant s’exprime par le rapport de i Vet du volume total de la solutionV: i
V V i i φ=-=-avecφ=1 i i V V i i i VetVsont exprimées dans la même unité de volume etφest sans ii dimension.
b) Pourcentages (ou compositions centésimales) Les quantités précédentes peuvent être rapportées respectivement à 100 mol, 100 g ou 100 mL de mélange. On obtient alors : le% molaire:x×100 i le% en masse:w×100 i le% en volume(v/v) :φ×100 i Exemple 1.1.acides minéraux, tels l’acide sulfurique ou l’acide Les perchlorique, sont commercialisés en solutions dites « concentrées ». L’eau y est minoritaire, et malgré cela l’usage est de la traiter comme le solvant. La composition de ces solutions correspond aux azéotropes acide/ 1 eau car les acides sont purifiés par distillation. Les teneurs sont indi quées en % en masse : acide sulfurique à 98 % (98 g de H SO dans 2 4
1. Mélanges acide – eau qui, possédant un point d’ébullition supérieur à celui de l’acide pur, ou de l’eau pure, constituent le distillat.
1.2Expressions de la composition d’une solution
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100 g de mélange, soit 98 g de H SO pour 2 g d’eau) ; acide 2 4 perchlorique à 70 % (70 g de HClO dans 100 g de mélange, soit 4 70 g de HClO pour 30 g d’eau). 4
c) Concentrations molaire et massique, molalité
Concentration molaire Laconcentration molairecconstituant d’un ila quantité de est i matière deipar unité de volume de solution. n i c= i V –1 La concentrationc,est en mol∙L nest en mol etVen L. Lorsque i ila dissolution du constituantiX dans lagénère plusieurs espèces solution, les concentrations molaires des espèces sont notées [X]. Exemple 1.2. La dissolution de l’acide éthanoïque CH COOH dans 3 l’eau conduit à l’équilibre : – + CH COOH + H O CH COO + H O 3 2 3 3 La concentration d’acide éthanoïque introduit dans la solution est écritecalors que les concentrations des espèces présentes en CH COOH 3 – + solution sont notées : [CH COOH], [CH COO ] et [H O ]. 3 3 3
La concentration molaire a été longtemps désignée par le termemolarité, qui ne –1 devrait plus être utilisé. Le symbole correspondant « M », pour l’unité « mol∙L » n’a pas été approuvé par la Conférence générale des poids et mesures, et il est fortement –1 recommandé d’écrire « mol∙L » en toutes lettres. Cependant, la commodité du symbole « M » fait qu’il est resté en usage, et sera utilisé dans cet ouvrage à simple fin d’alléger l’écriture dans des corrigés d’exercices.
Concentration massique Laconcentration massiquetd’un constituantiest la masse deipar i unité de volume de solution. masse(i ) t= i V –1 tsiest en g∙L masse(i)est en g etVen L. i
Pour constituer une solution de concentration molaire ou massique donnée, il faut une balance pour peser le solutéi, et un récipient volumétrique pour mesurer le volume de la solution. Les volumes dépendant de la température, les concentra tions molaires et massiques en dépendent également.
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