LEau et les Solutions Aqueuses

I- Leau

La molcule deau, de formule H2O, est le constituant essentiel de leau pure. Celle-ci contient galement des ions rsultant de lautoprotolyse de leau selon lquation dquilibre :

H2O = H+ + OH- (ou encore 2H2O = H3O+ + OH-).

Leau pure nest pas prsente naturellement dans la nature et doit tre obtenue par des processus physiques.

Apparence de leau : liquide transparent, et presque sans couleur avec une lgre touche de bleu.

Proprits chimiques : Formule brute : H2O [Isomres] Masse molaire : 18,0153 gmol-1 (H 11,19 %, O 88,81 %)

Proprits physiques : T fusion : 0 C, T bullition : 100 C Masse volumique : 1,00 gcm-3 (liquide 4 C) Viscosit dynamique : 0,001 Pa.s 20 C Tension superficielle 20 C : 7,28 N/m Conductivit lectrique : 5,510-6 Sm-1

Une proprit trs importante de leau est sa nature polaire. La molcule deau forme un angle de 104,45 au niveau de latome doxygne entre les deux liaisons avec les atomes dhydrogne. Puisque loxygne a une lectrongativit plus forte que lhydrogne, latome doxygne a une charge partielle ngative -, alors que les atomes dhydrogne ont une charge partielle positive +. Une molcule avec une telle diffrence de charge est appele un diple (molcule polaire). Ainsi, leau a un moment dipolaire de 1,83 D (debye). Cette polarit fait que les molcules deau sattirent les unes les autres, le ct positif de lune attirant le ct ngatif dune autre. Un tel lien lectrique entre deux molcules sappelle une liaison hydrogne.

Diple de la molcule deau

La molcule de leau a des proprits complexes cause de sa polarisation. Grce sa polarit, leau est un excellent solvant. Quand un compos ionique ou polaire pntre dans leau, il est entour de molcules deau. La relative petite taille de ces molcules deau fait que plusieurs dentre elles entourent la molcule de solut. Les diples ngatifs de leau attirent les rgions positivement charges du solut, et vice versa pour les diples positifs.

Leau fait un excellent cran aux interactions lectriques (la permittivit lectrique e de leau est de 78,5 25 C), il dissocie donc facilement les ions.

Cette polarisation permet aussi la molcule deau de dissoudre les corps ioniques, en particulier les sels, en entourant chaque ion dune coque de molcules deau par un phnomne de solvatation. Cette force dattraction, relativement faible par rapport aux liaisons chimiques covalentes de la molcule elle-mme, explique certaines proprits comme le point dbullition lev (quantit dnergie calorifique ncessaire pour briser les liaisons hydrogne), ainsi quune capacit calorifique leve. cause des liaisons hydrognes galement, la densit de leau liquide est suprieure la densit de la glace.

En gnral, les substances ioniques et polaires comme les acides, alcools, et sels se dissolvent facilement dans leau, et les substances non-polaires comme les huiles et les graisses se dissolvent difficilement. Ces substances non-polaires restent ensemble dans leau car il est nergtiquement plus facile pour les molcules deau de former des liaison hydrogne entre elles que de sengager dans des interactions de van der Waals avec les molcules non polaires.

Un exemple de solut ionique est le sel de cuisine alias chlorure de sodium, NaCl, qui se spare en cations Na+ et anions Cl, chacun entour de molcules deau. Les ions sont alors facilement transports loin de leur matrice cristalline. Un exemple de solut non ionique est le sucre de table. Les diples des molcules deau forment des liaisons hydrogne avec les rgions dipolaire de la molcule de sucre. Cette facult de solvant de leau est vitale en biologie, parce que certaines ractions biochimiques nont lieu quen solution (par exemple, ractions dans le cytoplasme ou le sang.)

La solvatation est le phnomne physico-chimique observ lors de la dissolution d'un compos chimique dans un solvant : Lors de l'introduction d'une espce chimique initialement l'tat solide (sous forme de cristal ou bien amorphe) dans un solvant, les atomes, ions ou molcules du solide sont lis entre eux. Le produit ne va se dissoudre que si les molcules du solvant russissent rompre les liaisons dans le solide : soit par raction chimique ; soit en affaiblissant suffisamment les liaisons (par exemple, l'eau divise les forces lectrostatiques par environ 80). La solvatation est cette action des molcules du solvant sur le solide. Pour qu'il y ait dissolution, les molcules du solvant doivent donc avoir une affinit avec les constituants du solide. Donc, les espces dissoutes sont entoures par des molcules de solvant. Cette action des molcules de solvant sur le solide constitue la solvatation. La solvatation d'une espce dpend de la nature du solvant et du solut. En rgle gnrale, un compos polaire sera trs bien solvat dans un solvant polaire, tandis qu'un compos apolaire sera mieux solvat dans un solvant apolaire. La solvatation dans l'eau est aussi appele hydratation.

Un ion sodium solvat par des molcules d'eau :

II- Les solutions aqueuses

1-Dfinition : Une solution est un mlange homogne, en phase condense (liquide ou solide) :

- En pratique, "solution" signifie solution liquide. - Le compos le plus abondant est appel "solvant", les autres composs (molcules ou ions) sous forme de solide (sucre par exemple), de gaz (ammoniac par exemple), ou encore liquide (alcool pur par exemple) sont appels corps dissous ou "soluts". - Si le solvant est l'eau, la solution est appele "solution aqueuse". 2-Classifications des solutions aqueuses : P Solutions micromolculaires Les molcules contiennent quelques dizaines d'atomes (exemples : ure, glucose, NaCl) -Lorsque la quantit augmente, il existe une limite partir de laquelle le solide ne se dissout plus, la solution est dite sature (2 phases : solide solution sature). - La solubilit du solide dpend de la nature du solide, de celle du liquide et de la temprature (habituellement, la solubilit augmente quand la temprature augmente). On distingue :

Solutions neutres (molcules) Solutions lectrolytiques (molcules + ions ; ions )

-Les ions sont obtenus par dissociation de composs ioniques (ex : acides, bases et sels) ou par ionisation en solution de composs polaires (ex : HCl gazeux, CH3COOH liquide). -Ces solutions conduisent le courant lectrique. Solutions macromolculaires Les molcules contiennent entre 103 et 109 atomes (exemple : DNA) - Les solutions macromolculaires, l'oppos des solutions micromolculaires, ne traversent pas certaines membranes (collodion). Solutions idales Une solution est dite idale si les diffrentes interactions intermolculaires sont d'intensits gales (solvant solvant, solut solvant, solut solut), autrement dit si la prsence du solut ne modifie en aucune faon les forces intermolculaires existant dans le solvant pur. - Une solution tend vers l'idalit au fur et mesure qu'on la dilue, le nombre des interactions solut-solut et solut-solvant devenant ngligeable devant le nombre des interactions solvant-solvant. Ne peuvent tre considres comme idales : les solutions lectrolytiques non dilues (C>10-3 M) et les solutions macromolculaires (volume des macromolcules volume des solvants).

3-Concentration d'une espce en solution :

La concentration d'une espce chimique en solution est la quantit de matire de cette espce prsente dans une quantit de solution (souvent un litre de solution). Soit [X] la concentration de l'espce X en solution (on la note aussi Cx, nx la quantit de matire de X en solution et V le volume de la solution. On a :

a) Fraction molaire : rapport du nombre de moles d'un solut s au nombre total de moles

(solvant n0 + soluts ni) en solution :

En solutions biologiques, la fraction molaire de l'eau est toujours trs proche de 1 et celles des soluts trs petites devant 1. Exemple : solution de 36 g de glucose (M = 180) dans un litre de solution aqueuse (M = 18 pour l'eau) : n glucose = 36 / 180 = 0,2 n eau = (1000 36) / 18 = 53,55 f glucose = 0,2 / (0,2 + 53,55) = 0,00372 f eau = 53,55 / (0,2 + 53,55) = 0,99628

b) Concentration pondrale(massique) : rapport de la masse (m) de solut s au volume (V) de la solution.

c) Concentration en pourcentage : rapport de la masse (m) de solut s la masse (m) de la solution S.

d) Concentration molaire (Molarit) : rapport du nombre de moles de solut (ns) par unit

de volume de solution (mol.m-3 , mol.L-1 ou, plus souvent en biologie, mmol.L-1)

e) Concentration molale (Molalit) : rapport du nombre de moles de solut (ns) par unit de masse de solution (mol.Kg-1)

f) Concentration osmolaire et osmolale (osmolarit et osmolalit) :

En milieu liquide, les molcules de solvant et de solut, neutres ou ioniques, se dplacent les unes par rapport aux autres et chacune d'entre elles constitue "une entit cintique". Une osmole (osm) reprsente un nombre d'entits cintiques gal au nombre d'Avogadro. Ce nombre est rapport soit au volume de solution (osmolarit, osm.L-1), soit la masse de solvant (osmolalit, osm.kg-1).

wr = mr (1+a(b-1)) [osmol/L]

wl = ml (1+a(b-1)) [osmol/Kg] o a est le coefficient de dissociation et b nombre dosmoles Exemple : en solution, - 5 mmol.L-1 d'ure correspondent 5 mosm.L-1 (a=0, b= 1) - 10 mmol.L-1 de NaCl correspondent 20 mosm.L-1 (a=1, b= 2) - 5 mmol.L-1 de A-B+ correspondent 7,5 mosm.L-1 (a=0,5 , b= 2) 2,5 mosm.L-1 pour AB 2,5 mosm.L-1 pour A- 2,5 mosm.L-1 pour B+

g) Concentration quivalente : La dissociation des composs ioniques ou l'ionisation de composs polaires mis en solution produisent des ions, porteurs de charges positives ou ngatives. La quantit d'ions forms s'expriment en quivalents. Un quivalent gramme dions est la quantit dions qui transporte une charge gale 1 FARADAY ( 965000 Coulombs). Ainsi un ion-gramme de Na+ de Ca++, dAl+++ reprsentent respectivement 1,2,3 quivalent-gramme de ces cations . La solution lectrolytique tant lectriquement neutre, elle contient autant dquivalent gramme danions que de cations. Par dfinition, On appelle concentration quivalente ( Ceq ) le nombre dquivalent gramme dions de chaque signe , par litre de solution. La concentration quivalente est exprime en quivalents par litre de solution (Eq.L-1, plus souvent mEq.L-1).

Ceq = S amri+.zi+ + S amri-.zi-

Ceq = 2 S amri+.zi+ = 2 S amri-.zi- (lctroneutralit des ions)

Ceq+ = 2 S amri+.zi+ ; Ceq- = 2 S amri-.zi- Ceq = Ceq+ + Ceq- Exercice dapplication : Soit la quantit de 0,710g de Na2SO4 dans 100g de solution aqueuse. Comment exprimez-vous les diffrentes concentrations de cet lectrolyte sachant quil se dissocie compltement. On supposera que la densit de la solution est gale 1. Na=23 S=32

4- Prparation des solutions aqueuses.

a) Par mise en solution d'un solut solide.

Dtermination de la masse de solut peser.

Soit prparer un volume V d'une solution contenant l'espce X, de masse molaire M(X), la concentration [X]. Il faut, en gnral, dterminer la masse de l'espce X peser. Soit m(X) cette masse.

[X] = n(X)

V

or n(X) = m(X)

M(X)

donc [X] = m(X)

M(X).V

et m(X)=[X].M(X).V

Oprations effectuer.

Si le solut se trouve sous forme liquide, il faudra alors dterminer le volume de l'espce X prendre. Soit v ce volume, on procde de la mme faon pour calculer la masse de lespce X puis on convertit cette masse en volume en tenant compte de la densit (d) de lespce X .

v(X) = m(X).d

d reprsente le rapport entre la masse volumique du solut liquide et la masse volumique de l'eau, dans les mmes conditions de temprature et de pression.

d = r(X) / r(H2O)

b) Par dilution d'une solution (la solution fournie est en gnral appele solution mre).

Principe.

On prlve un volume V0 de la solution mre de concentration C0 que l'on dilue avec de l'eau distille pour obtenir une solution dilue de volume V1 et de concentration dsire C1.

Dtermination du volume V0 prlever.

La quantit de matire de solut dans le volume V0 est:

n(X)=C0.V0

Cette quantit de matire se retrouve dans la solution aprs dilution. Cela traduit la conservation de la matire. donc:

n(X)=C1.V1

On en dduit la relation suivante (qu'on appellera par la suite formule de dilution ou quation de conservation de la matire):

C0.V0=C1.V1 Le volume prlever est donc: V0 = C1.V1

C0

Oprations effectuer.

Universit Mentouri Facult des Sciences de la Nature et de la Vie 2eme Anne Tronc Commun LMD(2009/2010)

Module de Biophysique : TD 1 : Les solutions Aqueuses

Exercice 1(voir le cours) Soit la quantit de 0,710g de Na2SO4 dans 100g de solution aqueuse. Comment exprimez-vous les diffrentes concentrations de cet lectrolyte sachant quil se dissocie compltement. On supposera que la densit de la solution est gale 1. Na=23 S=32 Exercice 2 Dterminer la fraction molaire, la concentration en mol/l de solution puis en mol/kg de solvant d'une solution aqueuse 25% en masse d'alcool. (M=46g/mol) ; d(al)=0,8. Exercice 3 Une solution dcimolaire d'un monoacide a un degr de dissociation gal 0,001. Calculer l'osmolarit et la concentration quivalente de cette solution. On dduire la constante d'quilibre de ce monoacide. Exercice 4 Quelle masse de bichromate de sodium hydrat (Na2Cr2O7-7H2O) doit-on utilis pour prparer 200cm3 de solution de concentration pondrale en chrome gale 2g/l. Cr=52 Exercice 5 Un litre d'une solution renferme : 5,85g NaCl (58.5g/mol) 3,28g de PO4Na3 (164 g/mol) 9g de glucose (180 g/mol) 0,6g d'ure (60 g/mol) Calculer la molarit, l'osmolarit et la concentration quivalente de cette solution. Exercice 6(voir le cours) Une solution aqueuse de CaCl2 la concentration 0,1mol/l et un degr de dissociation gal 0,6. Dterminer son osmolarit, sa concentration quivalente et sa constante d'quilibre. Que deviennent ces diffrentes grandeurs si l'on dilue 1ml de cette solution dans 99 ml d'eau (on suppose le sel totalement dissoci). Exercice 7 Un litre de solution contient : 10 ml de HCl 1mol/l 7,50 ml de H2SO4 2mol/l 5,55g de CaCl2 (111g/mol) 14,4g de glucose (180g/mol) Les lectrolytes tant supposs complments dissocis, calculer l'osmolarit de la solution et la concentration quivalente cationique.