ÉtonniumLycée et prépa Solutions et dilution

Lycée et prépa · Chimie

Solutions : concentration et dilution

Quelques cristaux bleus, une fiole jaugée, de l’eau : voilà une solution. Combien de soluté contient chaque litre ? Que devient la concentration quand on dilue ? Et comment trouver la concentration d’une solution inconnue rien qu’à sa teinte ? Tu pèses, tu dilues, tu compares, puis tu calcules.

Au programme en 2de ⏱ 20 à 30 min 8 missions
Au banc
Fiole jaugée
Pipette jaugée (prélèvement)
Fiole jaugée (volume final)
Solution à comparer
La placer à côté du tube

Les teintes sont dessinées telles qu’on les verrait à travers un même tube à essais, sur fond blanc : c’est une illustration. Les masses et les concentrations sont calculées.

Palier 1 · DécouvrirDissoudre, puis diluer

Soluté, solvant, solution

Une solution est un mélange homogène : une espèce chimique, le soluté, est dissoute dans un liquide, le solvant. Quand le solvant est l’eau, c’est une solution aqueuse.

Ici, le soluté est le sulfate de cuivre. On pèse ses cristaux bleus (du sulfate de cuivre pentahydraté, CuSO4·5H2O) et la solution prend une teinte bleue, d’autant plus foncée qu’elle contient plus de soluté par litre.

Sécurité : le sulfate de cuivre est nocif en cas d’ingestion, irrite la peau et les yeux, et il est très toxique pour les organismes aquatiques. Au laboratoire, on le manipule avec blouse, lunettes et gants, et ses solutions vont dans un bidon de récupération.

Dissoudre, saturer, séparer : on l’apprend à l’école et au collège, et l’atelier découverte Mélanger, dissoudre, séparer le fait manipuler. Ici, on compte : combien de soluté par litre de solution ? →

Dissoudre dans une fiole jaugée

  1. Choisis Dissoudre au-dessus du banc. Règle la masse de cristaux pesée et choisis la fiole jaugée.
  2. Les cristaux sont dissous dans la fiole, puis on la complète avec de l’eau jusqu’au trait de jauge : la solution occupe exactement le volume gravé sur la fiole.
  3. Compare la teinte au tube témoin, la solution mère à 25,0 g/L, et lis la concentration.

On dissout 2,50 g de cristaux dans une fiole jaugée de 100 mL, puis on complète avec de l’eau jusqu’au trait. Que désignent ces 100 mL ?

Tu gardes 2,50 g de cristaux, mais tu prends la fiole de 250 mL au lieu de celle de 100 mL. Par rapport au témoin, la solution sera…

Diluer : ajouter du solvant

Choisis Diluer. On prélève un volume précis de la solution mère avec une pipette jaugée, on le verse dans une fiole jaugée, puis on complète avec de l’eau jusqu’au trait. On obtient la solution fille.

Change la pipette et la fiole, et regarde la teinte de la solution fille.

Pendant qu’on complète la fiole avec de l’eau, la masse de sulfate de cuivre qu’elle contient…

Au palier 2 : la loi Cm = m / V, la loi de la dilution et le facteur de dilution, le protocole et la verrerie, puis l’échelle de teintes pour trouver la concentration d’une solution inconnue.

Tes missions

Voici les missions du palier choisi. Réponds, puis clique sur « Valider ma réponse ». Si ce n’est pas encore ça, un indice t’aide. Après trois essais, tu peux voir la solution.

Le savais-tu ?

Des faits vérifiés, avec les nombres du modèle et leurs sources.

Les mots du module

Chaque mot, en une ou deux phrases.

Solution
Un mélange homogène obtenu en dissolvant une ou plusieurs espèces chimiques, les solutés, dans un solvant.
Solvant, soluté
Le solvant est le liquide qui dissout, en général l’espèce la plus abondante ; le soluté est l’espèce dissoute. Solvant eau : solution aqueuse.
Concentration en masse (Cm)
La masse de soluté dissous par litre de solution : Cm = m / V, en g/L.
Masse volumique (ρ)
La masse de toute la solution par unité de volume : ρ = m(solution) / V. Elle peut s’écrire en g/L, comme Cm, mais ne mesure pas la même chose.
Dissolution
Préparer une solution en dissolvant un solide pesé, puis en complétant jusqu’à un volume connu.
Dilution
Préparer une solution moins concentrée en ajoutant du solvant à un prélèvement. La masse de soluté se conserve.
Solution mère, solution fille
La solution mère est celle qu’on dilue ; la solution fille est celle qu’on obtient.
Facteur de dilution (F)
F = Cmère / Cfille = Vfille / Vmère. Il est sans unité et plus grand que 1.
Fiole jaugée
Une fiole à long col, qui contient un volume précis quand on la remplit jusqu’à son trait de jauge.
Pipette jaugée
Une pipette qui délivre un volume précis, remplie jusqu’à son trait. On l’utilise avec une poire ou un pipeteur, jamais à la bouche.
Ménisque
La surface courbe du liquide dans un tube étroit. On place le bas du ménisque sur le trait, l’œil à sa hauteur.
Échelle de teintes
Une gamme de solutions colorées de concentrations connues, dans des tubes identiques, pour estimer par comparaison la concentration d’une autre solution.
Saturée, concentration maximale
Une solution saturée ne peut plus dissoudre de ce soluté. Sa concentration est la concentration maximale, qui dépend de la température.
Concentration en quantité de matière (C)
Au programme de 1re : la quantité de soluté par litre de solution, C = n / V, en mol/L ; C = Cm / M.
Pour les parents et les enseignantsouvrir

Objectifs

  • Identifier soluté et solvant ; comprendre que V est le volume de la solution.
  • Calculer une concentration en masse et utiliser la grandeur quotient pour trouver m ou V.
  • Comprendre qu’un prélèvement a la concentration de la solution d’origine, et qu’une dilution conserve la masse de soluté ; écrire Cmère × Vmère = Cfille × Vfille et F = Vfille / Vmère.
  • Choisir la verrerie (fiole et pipette jaugées) et justifier l’ordre du protocole.
  • Utiliser une échelle de teintes, et diluer une solution hors gamme avant de la doser.
  • Distinguer masse volumique et concentration en masse ; relier solubilité, masse volumique et concentration maximale.

Déroulé (20 à 30 minutes)

Palier 1 : dissoudre et diluer au banc, prédire la teinte et la concentration. Palier 2 : Cm = m / V, loi de la dilution, protocole, verrerie, échelle de teintes et gamme de masse volumique. Palier 3 : préparer une solution sur commande, doser une solution trop concentrée, concentration maximale, exemples courants, puis les moles (1re) et le pH (Tle).

À faire en vrai

Sans produit dangereux : une échelle de teintes avec du sirop de menthe ou un colorant alimentaire, dans des verres identiques remplis à la même hauteur. Préparez des dilutions 1 + 1, 1 + 3, 1 + 7 avec une seringue ou un verre doseur, puis faites deviner une dilution cachée.

Au lycée, la même activité se fait avec des solutions de laboratoire, comme le sulfate de cuivre du module, en suivant les consignes de sécurité rappelées au palier 1 : c’est l’activité expérimentale que décrit le programme.

Programme suivi

  • Physique-chimie de seconde (arrêté du 17 janvier 2019, BO spécial n° 1 du 22 janvier 2019 ; en vigueur en 2026-2027, aucune modification) : « Les solutions aqueuses, un exemple de mélange. Solvant, soluté. Concentration en masse, concentration maximale d’un soluté. Dosage par étalonnage. »
  • Capacités travaillées : identifier soluté et solvant ; distinguer masse volumique et concentration en masse ; déterminer Cm à partir d’un mode opératoire par dissolution ou par dilution ; choisir et utiliser la verrerie adaptée ; mesurer des masses pour étudier la variabilité d’un volume ; déterminer Cm avec une gamme d’étalonnage (échelle de teintes ou masse volumique) ; utiliser une grandeur quotient.
  • Un cran au-dessus, et signalé comme tel : la concentration en quantité de matière et l’absorbance sont au programme de première (spécialité, arrêté du 17 janvier 2019) ; le pH et le logarithme décimal, en terminale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019).
  • Avant : au collège (cycle 4), solubilité et miscibilité ; l’atelier découverte « Mélanger, dissoudre, séparer » y prépare.

Ce que le module simplifie

Les concentrations du banc comptent la masse des cristaux pesés (CuSO4·5H2O) ; comptées en sulfate de cuivre anhydre, elles seraient 0,639 fois plus petites. Les teintes sont une illustration calculée comme si toutes les solutions étaient vues dans un même tube : en vrai, une solution paraît plus foncée dans un récipient plus large. Le banc ne dépasse pas 200 g/L, loin de la saturation.

Les pesées de la verrerie sont tirées au hasard dans les tolérances des normes (classe A) ; celle du bécher est un ordre de grandeur. La dissolution et le remplissage sont instantanés ; les volumes sont supposés additifs pour l’échelle de teintes, ce qui est très bien vérifié à ces faibles concentrations.

Sources

Les calculs viennent du modèle du module (modele.js), qui recopie des tables publiées et s’appuie sur les modèles des laboratoires Acides, bases et pH (ph.js) et La chimie de la cuisine (cooking.js).

  1. Ministère de l’Éducation nationale. Programme de physique-chimie de seconde générale et technologique, annexe de l’arrêté du 17 janvier 2019 (JORF du 20 janvier 2019), Bulletin officiel spécial n° 1 du 22 janvier 2019. Programmes de spécialité de première (même date) et de terminale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019).
  2. Haynes W.M., dir. (2010). CRC Handbook of Chemistry and Physics, 91e éd., CRC Press. Section 8 : « Aqueous Solubility of Inorganic Compounds at Various Temperatures » (chlorure de sodium, sulfate de cuivre) et « Concentrative Properties of Aqueous Solutions » (masses volumiques à 20 °C du chlorure de sodium, du sulfate de cuivre et du saccharose, d’après Söhnel et Novotny 1985 et Wolf 1966).
  3. Söhnel O., Novotný P. (1985). Densities of Aqueous Solutions of Inorganic Substances. Elsevier, Amsterdam.
  4. Vavrinecz G. (1962). Neue Tabelle über die Löslichkeit reiner Saccharose in Wasser. Zeitschrift für die Zuckerindustrie 12, 481–487 ; table adoptée par l’ICUMSA en 1978.
  5. Prohaska T. et al. (2022). Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry 94, 573–600. doi:10.1515/pac-2019-0603.
  6. Normes de verrerie volumétrique : ISO 1042 (fioles jaugées), ISO 648 (pipettes à un trait), ISO 4788 (éprouvettes graduées), ISO 3819 (béchers). Tolérances de la classe A lues dans les fiches des fabricants.
  7. ANSM, Base de données publique des médicaments : résumé des caractéristiques du produit « Chlorure de sodium 0,9 %, solution pour perfusion » (9 g de chlorure de sodium pour 1 000 mL ; Na⁺ et Cl⁻ 154 mmol/L ; 308 mOsm/L).
  8. Millero F.J., Feistel R., Wright D.G., McDougall T.J. (2008). The composition of Standard Seawater and the definition of the Reference-Composition Salinity Scale. Deep-Sea Research I 55, 50–72. doi:10.1016/j.dsr.2007.10.001.
  9. Règlement (CE) n° 1272/2008 (CLP), annexe VI : sulfate de cuivre, mentions H302, H315, H319, H410 ; INERIS, portail des substances chimiques, fiche 7758-98-7.
  10. McGee H. (2004). On Food and Cooking, Scribner : les stades du sucre cuit, repris par le laboratoire La chimie de la cuisine. Harris D.C., Quantitative Chemical Analysis, W.H. Freeman : le calcul du pH du laboratoire Acides, bases et pH.
  11. Pınarbaşı T., Canpolat N. (2003). Students’ Understanding of Solution Chemistry Concepts. Journal of Chemical Education 80, 1328. doi:10.1021/ed080p1328. Les idées des élèves sur la dissolution et les solutions. Ross B., Munby H. (1991). Concept mapping and misconceptions: a study of high-school students’ understandings of acids and bases. International Journal of Science Education 13, 11–23. doi:10.1080/0950069910130102.