Classe 3ème Chimie N°1 : Les Solutions. Exercices résolus.

I- Exercice 1 : Connaître les constituants d’une solution. II- Exercice 3 : Calculer une concentration massique. III- Exercice 5 : Calculer une concentration molaire. IV- Exercice 8 : Préparer une solution par dissolution. V- Exercice 12 : Solution aqueuse pour décontamination de lentilles de contact. VI- Exercice 13 : à boire avec modération. VII- Exercice 15 : Diluer un berlingot d’eau de Javel. VIII- Exercice 17 : L’arnica : un médicament homéopathique. IX- Exercice 19 : Solution de Dakin.

I- Exercice 1 : Connaître les constituants d’une solution.

Énoncé : Une solution est préparée en dissolvant du chlorure de sodium dans de l’eau. 1)- Quels sont le soluté et le solvant de la solution ? 2)- S’agit-il d’une solution aqueuse ? Justifier la réponse.

Correction : 1)- Soluté et solvant : Comme on dissout du chlorure de sodium dans de l’eau, le soluté est le chlorure de sodium et le solvant l’eau. 2)- Il s’agit d’une solution aqueuse car le solvant est l’eau. On obtient des ions chlorure et des ions sodium parmi des molécules d’eau. L’eau est en large excès. Le chlorure de sodium est un solide ionique. Au cours de la dissolution, il y a destruction du cristal et solvatation des ions. Les ions sont entourés de molécules d’eau se qui empêche l’agrégation des ions.

II- Exercice 3 : Calculer une concentration massique.

Énoncé : Le sérum physiologique peut être utilisé pour le rinçage de l’œil ou des sinus. Il est alors conditionné en ampoules de volume Vsol = 5,0 mL contenant une masse m = 45 mg de chlorure de sodium. Calculer la concentration massique du chlorure de sodium dans le sérum physiologique.

Correction : - Concentration massique du chlorure de sodium.

-

III- Exercice 5 : Calculer une concentration molaire.

Énoncé : Une perfusion de volume Vsol = 1,5 L contient une quantité de matière n (G) = 417 mmol de glucose. Calculer la concentration molaire en glucose de la perfusion.

Correction : - Concentration molaire en glucose de la perfusion.

-

IV- Exercice 8 : Préparer une solution par dissolution.

Énoncé : Un technicien doit préparer une solution aqueuse de permanganate de potassium de volume Vsol = 2,0 L à la concentration molaire C = 2,0 x 10 – 3 mol / L. 1)- Quelle quantité de permanganate de potassium doit-il prélever ? En déduire la masse de permanganate de potassium qu’il doit peser. 2)- Rédiger le protocole expérimental suivi par le technicien. Donnée : masse molaire du permanganate de potassium : M = 158 g / mol.

Correction : 1)- Quantité de matière et masse : - Quantité de matière de potassium : - n = C . V - n = 2,0 x 10 – 3 x 2,0 - n ≈ 4,0 x 10 – 3 mol - Masse de permanganate de potassium nécessaire : - m = n . M - m = 4,0 x 10 – 3 x 158 - m ≈ 0,63 g 2)- Protocole expérimental :

Mode opératoire : - On pèse la masse m ≈ 0,63 g de soluté au moyen d’une balance. On place le

soluté dans un récipient et on utilise la fonction tare de la balance pour lire directement la masse du contenu du récipient.

- On introduit le solide dans une fiole jaugée de volume V = 2,0 L en utilisant un entonnoir.

- On rince le récipient utilisé et l’entonnoir avec une pissette d’eau distillée. L’eau de rinçage doit couler dans la fiole jaugée.

- On remplit la fiole jaugée environ aux trois quarts avec de l’eau distillée et

on agite pour accélérer la dissolution et homogénéiser la solution. - On complète avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. - On ajuste le niveau avec une pipette simple. - On bouche et on agite pour homogénéiser.

V- Exercice 12 : Solution aqueuse pour décontamination de lentilles de contact.

Énoncé : L’eau oxygénée utilisée pour décontaminer les lentilles de contact contient 3,0 % en masse de peroxyde d’hydrogène de formule H2O2. Cela signifie que 100 g de solution contiennent 3,0 g de peroxyde d’hydrogène. On considère un flacon de volume Vsol = 360 mL de cette solution d’eau oxygénée. La masse volumique de la solution est ρsol = 1,0 g / mL. Calculer la concentration molaire en peroxyde d’hydrogène dans la solution d’eau oxygénée.

Correction : - Concentration molaire en peroxyde d’hydrogène dans la solution d’eau oxygénée. - Première étape : masse molaire de l’eau oxygénée : - M (H2O2) = 2 M (H) + 2 M (O) - M (H2O2) ≈ 34,0 g / mol - Deuxième étape : masse de Vsol = 360 mL de cette solution d’eau oxygénée : - msol = ρsol . Vsol (1) - Troisième étape : masse de peroxyde d’hydrogène présent :

- - Quatrième étape : Quantité de matière de peroxyde d’hydrogène présent :

- - Cinquième étape : Concentration molaire en peroxyde d’hydrogène :

- - Application numérique :

- Il faut exprimer la masse volumique en g / L

VI- Exercice 13 : à boire avec modération.

Énoncé : L’étiquette d’une bouteille de vin de contenance 750 mL indique un degré d’alcool égal à « 14 % vol ». Cela signifie qu’un volume de 100 mL de vin contient 14 mL d’éthanol de formule brute C2H6O. Données : densité de l’alcool d (ol) = 0,79 et masse volumique de l’eau : ρ (eau) = 1,0 g / mL. 1)- Calculer la masse volumique de l’éthanol ρ (ol). 2)- Quel est le volume d’éthanol pur dans la bouteille de vin ? 3)- Calculer la quantité d’éthanol dans la bouteille de vin. 4)- En déduire la concentration molaire en éthanol dans la bouteille de vin. L’alcoolémie maximale autorisée est 0,50 g d’éthanol par litre de sang. Au cours d’un repas, un homme de 65 kg boit trois verres de vin à 14 °, ce qui correspond à environ 450 mL de vin. Une demi-heure après le repas, 13 % de la masse d’alcool ingéré est passée dans le sang. 5)- Calculer la masse d’éthanol ingérée par cet homme. 6)- En déduire la masse d’éthanol dans le sang au bout d’une demi-heure. 7)- Le volume sanguin de cet homme est d’environ 6,0 L. Cette personne est –elle en infraction si elle conduit son véhicule ?

Correction : 1)- Masse volumique de l’éthanol : - Dans l’énoncé, on donne la densité de l’éthanol. Elle se détermine par rapport à l’eau.

- 2)- Volume d’éthanol pur dans la bouteille de vin :

Volume d’éthanol 14 mL V (ol) en mL

Volume de vin 100 mL 750 mL

- 3)- Quantité d’éthanol dans la bouteille de vin :

- - Remarque : si on arrondit m (ol) ≈ 1,1 x 102 g, alors n (ol) ≈ 1,9 mol 4)- Concentration molaire en éthanol dans la bouteille de vin

- ou C (ol) ≈ 2,5 mol / L 5)- Masse d’éthanol ingérée par cet homme : - mi (ol) = n (ol) . M (ol) - mi (ol) = C (ol) . V sol . M (ol) - mi (ol) = 2,4 x 450 x 10 –3 x 46 - mi (ol) ≈ 50 g 6)- Masse d’éthanol dans le sang au bout d’une demi-heure.

- 7)- Titre massique de l’éthanol dans le sang :

- - La personne est en infraction le taux d’alcoolémie est supérieur à 0,50 g / L.

VII- Exercice 15 : Diluer un berlingot d’eau de Javel.

Énoncé : L’eau de Javel est un des agents antiseptiques les plus couramment utilisés. Elle est commercialisée sous deux formes différentes : en bouteille et en « berlingot ». La notice d’un berlingot contenant 250 mL d’eau de Javel indique « verser le berlingot dans

une bouteille de 1 litre vide et compléter avec de l’eau froide. 1)- Calculer le facteur de dilution. 2)- Le berlingot a une concentration massique égale à 152 g / L « en chlore actif ». Calculer la concentration massique « en chlore actif » de l’eau de Javel préparée dans la bouteille. 3)- On souhaite préparer une solution S de volume VS = 50,0 mL en diluant 10 fois l’eau de Javel en bouteille. Proposer un protocole expérimental permettant de préparer la solution S. 4)- La notice montre le pictogramme ci-dessous. Préciser les règles de sécurité à respecter lors de la préparation de la solution S.

Pictogramme : 5)- @ Pourquoi est-il dangereux de mélanger l’eau de Javel avec un « produit » acide (comme un détartrant par exemple ?

Correction : 1)- Facteur de dilution :

- Par définition : - Or : n = C0 . V0 = C1 . V1

- En conséquence : - Attention, il faut exprimer les volumes dans la même unité. Le facteur de dilution F est un nombre qui n’a pas d’unité. 2)- Concentration massique « en chlore actif » de l’eau de Javel préparée dans la bouteille : - La concentration massique initiale a été divisée par 4.

- 3)- Protocole expérimental :

- Au cours de la dilution, il y a conservation de la quantité de matière de soluté : - Ainsi : n = C1 . V1 = Cs . Vs

-

Mode opératoire : - On verse un peu de solution mère dans un bécher (on ne pipette jamais dans le récipient qui contient la solution mère). - On prélève le volume V = 5,0 mL à l’aide d’une pipette jaugée muni de sa propipette. - On verse le volume V = 5,0 mL dans une fiole jaugée de 50 mL. - On remplit la fiole jaugée environ aux trois quarts avec de l’eau distillée. On mélange. - On complète avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. - On ajuste le niveau avec une pipette simple. - On bouche et on agite pour homogénéiser. 4)- Règles de sécurité :

Pictogramme : - Les espèces chimiques nocives ou irritantes provoquent une gêne provisoire (exemple : ammoniac). Il faut porter les gants et les lunettes et travailler dans un endroit ventilé. 5)- Les dangers de l’eau de Javel : - L’eau de Javel réagit avec un produit détartrant (comme l’acide chlorhydrique) en formant un gaz le dichlore Le dichlore est un gaz toxique qu’il faut absolument éviter de respirer.

Dichlore

Formule brute

Cl2 Gaz toxique

Aspect Gaz jaune – vert

Température d’ébullition

- 34 ° C

Température de fusion

- 101 ° C

Solubilité dans l’eau

7,3 g / L

Masse molaire :

70,9 g / mol

Masse Volumique :

3,00 kg / m3

Densité : 2,49

VIII- Exercice 17 : L’arnica : un médicament homéopathique.

Énoncé : L’arnica montana est une plante médicinale dont les extraits entrent dans la composition de pommades et de granules homéopathiques. Pour préparer ces granules, le préparateur réalise une teinture mère puis procède par dilution successives : une goutte de teinture mère est additionnée de 99 gouttes de solvant, ce qui correspond à une dilution notée 1 CH. De même, une goutte de solution à 1 CH additionnée de 99 gouttes de solvant correspond à une dilution notée 2 CH… Les granules sont composées d’un mélange saccharose-lactose imprégné de la solution diluée. 1)- @ Qu’est-ce que l’homéopathie ? Rechercher la signification des lettres CH associées à la dilution de la teinture mère. 2)- Quel est le facteur de dilution permettant d’obtenir une solution à 5 CH à partir de la teinture mère ? 3)- Pourquoi ces granules sont-elles des médicaments homéopathiques ?

Correction : 1)- L’homéopathie : - Le traitement homéopathique : On peut faire une recherche sur internet. - Mots Clés : homéopathie ; traitement homéopathique ; … - Pour traiter une maladie, on utilise des espèces chimiques qui provoquent les mêmes effets que la maladie. Ces espèces chimiques sont utilisées à des doses infinitésimales (elles sont très diluées). - L’homéopathie a été mise au point par le Docteur Hahnemann il y a 2 siècles (1796). - Elle repose essentiellement sur deux fondements : - La loi de similitude : le semblable guérit le semblable. - Une substance qui provoque un groupe de symptômes chez une personne en santé puisse guérir une personne malade chez qui se manifeste le même groupe de symptômes. C’est ce principe qui a donné son nom à l’homéopathie, des mots grecs homeo et pathos signifiant respectivement « similaire » et « maladie ou souffrance ». - Le procédé des hautes dilutions : Les remèdes homéopathiques sont dilués plusieurs fois dans l’eau ou dans un mélange d’eau et d’alcool. Entre les dilutions successives, on administre au remède une série de secousses (appelées succussions dans le jargon des homéopathes). Le but est de le « dynamiser ». Suivant le principe

des hautes dilutions, plus grand est le nombre de dilutions, plus puissant est le remède. 2)- Facteur de dilution pour passer de la teinture mère à une solution à 5 CH. - On note V 0 le volume d’une goutte :

- - Pour passer de la solution mère à la solution 1 CH, on a effectué une dilution et le facteur de dilution F = 100. - Pour passer de la solution mère (teinture mère) à la solution 5 CH, on a effectué 5 dilutions successives au 1/100ième : - F05 = 100 × 100 × 100 × 100 × 100 = 1010 3)- Médicaments homéopathiques : - Les doses de médicament administrées sont très faibles, infinitésimales. C’est pour cela que l’on utilise les termes médicaments homéopathiques. - Concentrations en principe actif des solutions : - On considère que la concentration molaire de la solution mère (teinture mère) a pour valeur : C = 1,0 mol / L. - On va calculer la concentration des différentes solutions jusqu’à 12 CH et voir si on a encore des molécules du principe actif aux grandes dilutions.

- 1 CH :

- 2 CH :

- 3 CH : - On remarque que : C n = 1,0 x 10 – 2 n mol / L - Concentrations en principe actif C11 et C12 des solutions 11 CH et 12 CH - 11 CH : C11 = 1,0 x 10 – 2 x 11 mol / L Þ C11 = 1,0 x 10 – 22 mol / L - 12 CH : C12 = 1,0 x 10 – 2 x 12 mol / L Þ C12 = 1,0 x 10 – 24 mol / L - Nombre de molécules par litre : - Pour la solution 11 CH : - N 11 = NA x C11 Þ N11 = 6,02 x 10 23 x 1,0 x 10 – 22 Þ N11 ≈ 60 molécules - N 12 = N A x C 12 Þ N 12 = 6,02 x 10 23 x 1,0 x 10 – 24 Þ N 12 ≈ 0,60 molécule - Il y a moins d’une molécule par litre de solution ! - Pour avoir une molécule au moins, il faut utiliser un volume : - V = 1 / 0,60 Þ V ≈ 1,7 L - Pour cette dilution, on n’est pas sûr d’avoir une molécule de principe actif. Cela revient à utiliser l’effet placebo. On peut faire une recherche sur l’effet placebo

IX- Exercice 19 : Solution de Dakin.

Énoncé : La solution de Dakin est une solution antiseptique pour la peau et les muqueuses. Elle est composée d’un mélange d’espèces chimiques dont seul le permanganate de potassium est coloré en violet. On cherche à déterminer un encadrement de la concentration en permanganate de potassium de la solution de Dakin à partir d’une échelle de teinte. Une solution mère S0 de concentration C0 = 2,0 x 10 – 4 mol / L en permanganate de potassium est utilisée pour préparer 5 solutions filles, chacune de volume Vf = 10,0 mL. Pour cela, on introduit un volume V0i de la solution mère dans 5 tubes à essai identiques que l’on complète avec de l’eau distillée selon le tableau ci-dessous :

Solution fille Sf 1 2 3 4 5

V0i en mL 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Cfi en mol / L

1)- Calculer les concentrations molaires Cfi des solutions filles et compléter le tableau. 2)- Avec quelle verrerie mesure-t-on les volumes V0i ? 3)- Dans un tube à essais identique à ceux utilisés pour l’échelle de teinte, on verse 10 mL de la solution de Dakin. La teinte de la solution est comprise entre les teintes des solutions S3 et S4. Donner un encadrement de la concentration molaire en permanganate de potassium. 4)- Le fabriquant indique que 100 mL de solution de Dakin contiennent 1,0 mg de permanganate de potassium. Calculer la concentration molaire en permanganate de potassium. 5)- La valeur de la concentration molaire calculée est-elle en accord avec celle déduite de l’échelle de teinte ? Donné : formule du permanganate de potassium : KMnO4.

Correction : 1)- Concentrations molaires Cfi des solutions filles :

- Expression littérale de la relation permettant de calculer la concentration de la solution fille : - Au cours de la dilution, il y a conservation de la quantité de matière de soluté. - n = C0 . V0i = Cfi . Vf

- avec V0i qui varie de 1 mL à 5 mL. - Tableau de valeurs :

Solution fille S f

1 2 3 4 5

V 0i mL

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

C fi mol / L

2,0 x 10 –5 4,0 x 10 –5 6,0 x 10 –5 8,0 x 10 –5 1,0 x 10 –4

2)- Verrerie : - Lors d’une séance de travaux pratiques, on peut utiliser une burette graduée de 20 mL ou une pipette graduée de 10 mL. On ne cherche pas une très grande précision. 3)- Encadrement de la valeur de la concentration en permanganate de potassium : - La teinte de la solution est comprise entre les teintes des solutions S3 et S4 - 6,0 x 10–5 mol / L < C (KMnO4) < 8,0 x 10 –5 mol / L 4)- Concentration molaire en permanganate de potassium : - Le fabriquant indique le titre massique : 1,0 mg de KMnO4 dans 100 mL de solution. - Il faut déterminer la valeur de la masse molaire du permanganate de potassium : - M (KMnO4) = 158 g / mol - Titre massique de la solution de Dakin en permanganate de potassium :

- - Concentration molaire en permanganate de potassium :

- 5)- Comparaison avec le résultat donné par l’échelle des teintes : - 6,0 x 10 –5 mol / L < 6,3 x 10 –5 mol / L < 8,0 x 10 –5 mol / L - La valeur calculée est bien en accord avec la valeur estimée à l’aide de l’échelle des teintes.

Exercice 1 : Questions de cours Compléter les phrases suivantes a)Une solution est un ……………………. homogène. La concentration massique d’une solution est la masse de ……………………. dans un ……………………. de solvant. La relation entre concentration massique et concentration d’une solution s’écrit ……………………. b) Lorsqu’on dissout un composé dans un liquide, on obtient une……………………. . Si le liquide est l’eau, on parle de…………………….. Le composant majoritaire de la solution obtenue constitue le ……………………. Les composés dissous sont appelés ……………………. . Exercice : j’applique le cours Pour préparer une solution d’hydroxyde de sodium, on dissout 20 g de soude (NaOH) dans 400mL d’eau. 1) Quelles sont les précautions à prendre pour manipuler les pastilles de soude. 2) Trouver : - La quantité de matière du soluté. - La concentration de la solution en soluté dissous. - La molarité de la solution. Exercice : j’applique le cours La concentration massique d’une solution de chlorure de sodium Cm = 117g/L - Calculer sa concentration molaire. - Le volume de la solution V=500 mL. Trouver la masse du soluté m. En déduire la quantité de matière du soluté. Exercice : j’apprends à transposer Compléter le tableau ci-dessous C (mol/L) Cm ( g/L) M ( g/mol ) 5 40 20 36.5 2 78.2 Exercice : j’approfondis On prépare une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium en dissolvant une masse m de pastilles de soude dans 400mL d’eau pure. La dissolution s’est faite sans changement de volume. La concentration massique de la solution S1 ainsi obtenue Cm=100gL-1. Calculer : 1. La masse du soluté dissous 2. La molarité de la solution S1 3.A la solution S1, on verse 100mL d’eau pure pour préparer une solution S2. Quelle est l’opération ainsi réalisée ? Trouver les concentrations de S2. Exercice : j’approfondis Une solution d’hydroxyde de sodium de concentration 2 mol L-1 est obtenue par dissolution d’une masse m = 20 g de pastille de soude dans un volume V d’eau pure. La dissolution s’est faite sans changement de volume. Déterminer 1) La quantité de matière de soluté dans la solution 2) La concentration massique de la solution 3) Le volume du solvant 4) Que devient la concentration molaire de la solution si l’on y ajoute 150 mL d’eau pure.

Activité d’intégration N°1: Analyses médicales Un patient reçoit des résultats d’analyses médicales. Il lit : urée : 0.30g/L ; cholestérol : 2.95 g/L. Les valeurs de référence dont il dispose sont indiquées en mmol/L. - urée : entre 2,50 et 8.33 mmol/L - cholestérol : entre 3,87 et 5,67 mmol/L. Le patient doit-il consulter son médecin ? Données : Masses molaires : Urée : M = 60g /mol ; Cholestérol : M = 388g/mol.

Activité d’intégration N°2: Cérémonie familiale Lors d’une cérémonie familiale au village, une femme achète une bouteille d’un litre de sirop menthe pour servir à boire à ses nombreux invités. La solution dans la bouteille est trop concentrée en saccharose (C12H22 O11). Sur l’étiquette, on peut lire C = 4mol/L. 1) Elle souhaite obtenir une solution dix fois moins concentrée. Quel volume d’eau doit-elle mélanger avec le litre de sirop ? 2) Chaque convive reçoit un verre de sirop de 250 mL. Quelle est alors la quantité de sucre consommée par verre ? Masses molaires atomiques en g/mol : C : 12 ; H : 1 ; O : 16