En chimie, travailler avec des atomes ou des molécules un par un est impossible car ils sont trop petits. Pour les "compter", les chimistes ont inventé une unité : la mole. Imaginez la mole comme une "douzaine" mais à une échelle gigantesque ! Une mole contient toujours le même nombre d'entités élémentaires : 6,022 x 1023 entités. Ce nombre est la constante d'Avogadro (NA).
Pour calculer la quantité de matière (n) en moles à partir d'un nombre N d'entités, on utilise la formule :
Quantité de matière (n)
La quantité de matière, exprimée en mole (mol), est une mesure du nombre d'entités élémentaires (atomes, ions, molécules, électrons) présentes dans un échantillon. C'est une façon de compter les entités à l'échelle microscopique.
Constante d'Avogadro (NA)
La constante d'Avogadro est le nombre d'entités élémentaires contenues dans une mole de substance. Sa valeur est d'environ 6,022 x 1023 mol-1. Elle fait le lien entre l'échelle microscopique (nombre d'entités) et l'échelle macroscopique (quantité de matière en moles).
Masse molaire (M)
La masse molaire d'une substance est la masse d'une mole de cette substance, exprimée en grammes par mole (g/mol). Elle est numériquement égale à la masse atomique (pour un élément) ou moléculaire (pour une molécule) exprimée en unité de masse atomique (u).
Concentration molaire (C)
La concentration molaire (ou concentration en quantité de matière) d'une espèce chimique en solution est la quantité de matière de cette espèce dissoute par litre de solution. Elle est exprimée en moles par litre (mol/L).
La mole : le "paquet" de la chimie
Masse molaire : le poids d'une mole
Chaque atome ou molécule a une masse spécifique. La masse molaire (M) est la masse d'une mole de cette substance. Elle s'exprime en grammes par mole (g/mol). Vous la trouverez généralement dans le tableau périodique pour les éléments (masse atomique) ou vous la calculerez pour les molécules en additionnant les masses molaires des atomes qui la composent.
Par exemple, pour l'eau (H2O) : M(H) ≈ 1 g/mol et M(O) ≈ 16 g/mol. Donc M(H2O) = 2 × M(H) + M(O) = 2 × 1 + 16 = 18 g/mol.
La relation entre la masse (m) d'un échantillon, sa quantité de matière (n) et sa masse molaire (M) est fondamentale :
Par exemple, pour l'eau (H2O) : M(H) ≈ 1 g/mol et M(O) ≈ 16 g/mol. Donc M(H2O) = 2 × M(H) + M(O) = 2 × 1 + 16 = 18 g/mol.
La relation entre la masse (m) d'un échantillon, sa quantité de matière (n) et sa masse molaire (M) est fondamentale :
De cette formule, on peut aussi déduire : n = m/M et M = m/n.
Concentration molaire : quantité dans une solution
Lorsqu'on dissout une substance (le soluté) dans un liquide (le solvant) pour obtenir une solution, il est important de savoir quelle quantité de soluté est présente par volume de solution. C'est la concentration molaire (C), souvent appelée aussi concentration en quantité de matière.
Elle s'exprime en moles par litre (mol/L).
La formule pour la calculer est la suivante :
Elle s'exprime en moles par litre (mol/L).
La formule pour la calculer est la suivante :
Où n est la quantité de matière du soluté en moles et V est le volume de la solution en litres. Attention, le volume doit toujours être en litres pour obtenir une concentration en mol/L!
On peut également en déduire : n = C × V et V = n/C.
On peut également en déduire : n = C × V et V = n/C.
Préparation d'une solution par dissolution
Pour préparer une solution d'une concentration molaire donnée, on doit calculer la masse de soluté à peser.
1. On détermine la quantité de matière n nécessaire à partir de la concentration C et du volume V souhaités : n = C × V.
2. On calcule ensuite la masse m correspondante de soluté à l'aide de sa masse molaire M : m = n × M.
Exemple : Préparer 100 mL d'une solution de NaCl (M=58.5 g/mol) à 0.1 mol/L.
1. n = 0.1 mol/L × 0.1 L = 0.01 mol
2. m = 0.01 mol × 58.5 g/mol = 0.585 g
On pèsera donc 0.585 g de NaCl que l'on dissoudra dans un peu d'eau, puis on complétera à 100 mL dans une fiole jaugée.
1. On détermine la quantité de matière n nécessaire à partir de la concentration C et du volume V souhaités : n = C × V.
2. On calcule ensuite la masse m correspondante de soluté à l'aide de sa masse molaire M : m = n × M.
Exemple : Préparer 100 mL d'une solution de NaCl (M=58.5 g/mol) à 0.1 mol/L.
1. n = 0.1 mol/L × 0.1 L = 0.01 mol
2. m = 0.01 mol × 58.5 g/mol = 0.585 g
On pèsera donc 0.585 g de NaCl que l'on dissoudra dans un peu d'eau, puis on complétera à 100 mL dans une fiole jaugée.
Dilution d'une solution
La dilution consiste à préparer une solution moins concentrée à partir d'une solution mère plus concentrée, en ajoutant du solvant.
Lors d'une dilution, la quantité de matière de soluté ne change pas. On a donc :
nmère = nfille
Ce qui se traduit par :
Lors d'une dilution, la quantité de matière de soluté ne change pas. On a donc :
nmère = nfille
Ce qui se traduit par :
Cette formule permet de calculer l'un des termes si les trois autres sont connus. Par exemple, pour obtenir un volume Vfille de concentration Cfille à partir d'une solution mère de concentration Cmère, le volume Vmère à prélever est : Vmère = (Cfille × Vfille) / Cmère. On prélève ce volume avec une pipette jaugée et on l'introduit dans une fiole jaugée que l'on complète ensuite avec du solvant.
A retenir :
Résumé des notions clés :
- La mole (mol) est l'unité de quantité de matière, un "paquet" de 6,022 x 1023 entités (Constante d'Avogadro NA).
- La masse molaire (M, en g/mol) est la masse d'une mole de substance. Relation clé : m = n × M.
- La concentration molaire (C, en mol/L) indique la quantité de soluté par litre de solution. Relation clé : C = n/V.
- Pour préparer une solution, on calcule la masse de soluté nécessaire (m = C × V × M).
- Lors d'une dilution, la quantité de matière de soluté est conservée : Cmère × Vmère = Cfille × Vfille.
- Toujours faire attention aux unités : volumes en Litres, masses en grammes.