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Les solutions sont omniprésentes en chimie. Ils sont utilisés pour stocker et manipuler de petites quantités de matériaux, effectuer des réactions chimiques et développer des matériaux aux propriétés contrôlables. Une solution est un mélange homogène contenant certains composants en petites quantités, appelés solutés, et un composant en grande quantité, appelé solvant. La quantité de soluté par rapport à la quantité totale d’une solution est connue sous le nom de « concentration ». Selon que c’est la masse, le volume ou la quantité molaire des composants de la solution qui sont considérés, cette mesure peut être exprimée de différentes manières, en fonction des besoins de l’expérience. Dans cette vidéo, nous allons d’abord passer en revue les différents types d’unités permettant de mesurer la concentration d’une solution. Nous passerons ensuite par un protocole pour faire une solution de saccharose. Enfin, nous verrons comment la mesure de la concentration est utilisée dans diverses applications chimiques.
La concentration d’une solution peut être exprimée en un certain nombre d’unités différentes, chacune d’entre elles pouvant être plus adaptée à des applications particulières que d’autres. L’une des unités les plus couramment utilisées est la molarité, qui est la quantité de soluté par volume de solution ; Une molaire équivaut à une mole de soluté par litre de solution. En raison de la simplicité de mesure des volumes de liquides, la molarité est l’une des unités les plus pratiques pour les calculs stœchiométriques des réactions en solution. La stœchiométrie est basée sur le nombre de molécules impliquées dans une réaction. Par conséquent, la connaissance de la molarité simplifie le calcul des réactifs nécessaires.
Lorsque la concentration est exprimée en quantité de soluté par masse de solvant, la mesure est appelée molalité. Le volume des matériaux change avec la température, de sorte que la mesure de la concentration avec la molalité est avantageuse lors de l’étude des propriétés physiques des solutions, appelées propriétés colligatives, qui impliquent des différences de température. La fraction molaire est une autre unité de concentration courante, et est donnée par le nombre de moles de soluté par le nombre total de moles de tous les composants de la solution ?? solutés et solvants. Les fractions molaires sont utiles, par exemple, pour étudier la « pression de vapeur » des solutions. Cela reflète la mesure dans laquelle les particules de soluté et de solvant « s’échappent » d’une solution liquide dans la phase gazeuse, car la fraction molaire est égale au rapport entre les pressions partielles et la pression totale. Maintenant que vous avez une idée de la façon dont la concentration d’une solution peut être mesurée, passons en revue un protocole pour fabriquer une solution avec une concentration molaire spécifique.
Commencez par calculer la masse de saccharose nécessaire, en utilisant d’abord le volume et la concentration souhaités de la solution pour arriver au nombre de moles de saccharose, puis en utilisant la masse moléculaire pour convertir en masse. Dans cet exemple, 100 mL d’une solution de saccharose à 0,01 M sont fabriqués, donc 0,342 g sera nécessaire. Pour peser la masse de saccharose requise, placez d’abord un bateau de pesée propre et vide sur la balance. Réglez la « tare », c’est-à-dire que le poids du bateau de pesée à vide est égal à zéro. Ensuite, à l’aide d’une pelle, transférez la poudre de saccharose de la bouteille de réactif sur le bateau de pesée jusqu’à ce que la quantité souhaitée soit obtenue. Placez un entonnoir à poudre dans une fiole jaugée propre et sèche de 100 ml. Versez délicatement le saccharose à travers l’entonnoir. À l’aide d’un flacon hygiénique contenant le solvant, dans ce cas de l’eau distillée, rincez dans le ballon tout solide restant du bateau de pesée.
Ajoutez plus d’eau distillée, mais arrêtez-vous avant qu’elle n’atteigne le repère d’étalonnage. Fermez et remuez doucement pour dissoudre le solide. Il est important de ne pas remplir complètement le ballon à ce stade, car il peut être difficile pour le solide de se dissoudre complètement.
Une fois que tout le saccharose s’est dissous, ajoutez délicatement le solvant à l’aide d’un flacon toilette jusqu’à ce que le bas du ménisque atteigne la graduation volumétrique. Fermez à nouveau le ballon et retournez-le plusieurs fois pour assurer une dissolution et un mélange complets.
Une solution sursaturée est une solution dans laquelle on dissout plus de soluté que prévu, compte tenu de la température ou d’autres propriétés physiques du solvant. Le degré auquel est basé sur le soluté, le solvant et le taux de refroidissement. La sursaturation est obtenue en dissolvant d’abord le soluté dans une condition où la solubilité est élevée, puis en changeant rapidement l’état de la solution ? Par exemple, diminuer sa température ou son volume ? plus rapidement que les particules de soluté ne peuvent sortir de la solution. À ce stade, il resterait plus de soluté en solution dans les nouvelles conditions qu’il ne serait possible de le faire en dissolvant directement dans ces conditions. Pour créer une solution de saccharose sursaturée, placez d’abord 100 ml d’eau dans un bécher. Ajoutez une barre d’agitation magnétique, puis remuez sur une plaque chauffante. Ajoutez 220 g de saccharose dans l’eau d’agitation et laissez le mélange de saccharose remuer pendant 15 min. Après 15 min, observez que tout le saccharose ne s’est pas dissous. À ce stade, chauffez le mélange à 50 °C. Continuez à remuer le mélange pendant 10 minutes supplémentaires.
Examinez à nouveau la solution. Tout le saccharose aurait dû être dissous dans les 50 ? C ?eau. Maintenant, laissez la solution refroidir lentement à température ambiante et retirez le barreau. Observez que le saccharose reste toujours dissous. La solution à température ambiante est maintenant sursaturée. L’ajout même d’une petite quantité de poudre de saccharose supplémentaire dans cette solution peut déclencher une recristallisation rapide de tout le saccharose dissous.
Maintenant que vous avez vu comment préparer des solutions avec des concentrations spécifiques, examinons quelques exemples de la façon dont le concept peut être une considération importante pour diverses applications.
La concentration des réactifs, des composants du solvant et d’autres composants d’une réaction chimique a souvent un impact significatif sur la vitesse des produits de la réaction. Des concentrations de réactifs plus élevées augmentent la probabilité que les molécules se rencontrent et réagissent, augmentant ainsi potentiellement la vitesse de réaction. Dans le même temps, des concentrations accrues d’ions salins chargés en solution peuvent également favoriser l’agrégation de molécules hydrophobes ou « hydropulsives ».
Les chercheurs ont étudié l’auto-assemblage d’une molécule complexe en longs polymères en présence de concentrations variables de sel dans le solvant de réaction. Ils ont constaté qu’à des concentrations de sel plus élevées, l’assemblage des molécules en polymères se produit plus facilement.
La concentration affecte également la vitesse des processus physiques tels que la cristallisation. Les biologistes cristallisent souvent des molécules telles que des protéines, où elles sont soigneusement disposées dans un réseau cristallin, de sorte que leur structure peut être déduite en étudiant comment les rayons X se diffractent à travers ces cristaux. Pour cristalliser les protéines, les solutions protéiques sont mélangées à un « précipitant », généralement un sel quelconque, à différentes concentrations et pH. Une goutte de ce mélange est ensuite placée dans une chambre fermée avec un réservoir de solution de précipitation plus concentrée. Au fur et à mesure que l’eau s’évapore de la gouttelette de solution protéique afin d’équilibrer la concentration précipitante entre la gouttelette et le réservoir, la protéine devient de plus en plus sursaturée et finit par cristalliser hors de la solution. Pour plus d’informations, consultez notre vidéo sur la croissance des cristaux.
Enfin, il est important de comprendre la concentration pour évaluer les niveaux de toxines dans l’environnement. Dans cet exemple, les scientifiques ont mis au point un test pour détecter la quantité de toxine botulique potentiellement mortelle dans des échantillons d’aliments ou d’eau, en détectant la mesure dans laquelle la toxine clive une protéine particulière. Pour effectuer le test, une « courbe standard » est d’abord générée en mesurant le niveau d’activité de différentes concentrations connues de la toxine. La toxine isolée à partir d’échantillons inconnus peut ensuite être soumise au test, et la concentration peut être interpolée en comparant son activité à la courbe standard.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la création de solutions. Vous devez maintenant comprendre quand utiliser différentes unités pour exprimer la concentration, une démonstration pour faire une solution avec une concentration spécifique, et enfin, plusieurs applications qui illustrent l’importance du sujet.
Merci d’avoir regardé !
