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Quantité de matière : cours de sciences physiques en première – PDF gratuit à télécharger et imprimer

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Quantité de matière : cours de sciences physiques en première – PDF gratuit à télécharger et imprimer

Dans une cuillère de sucre, il y a des milliards de milliards de molécules : impossible de les compter une à une. Les chimistes ont donc inventé un « paquet » géant, la mole, et une grandeur, la quantité de matière, qui permet de passer d’une masse pesée sur la balance, ou d’un volume mesuré, à un nombre de particules.

Ce cours est à télécharger en PDF et à imprimer gratuitement : le bouton se trouve en bas de la page, sans inscription.

La quantité de matière et la mole

À l’échelle microscopique, une espèce chimique est constituée d’entités (atomes, molécules, ions). Comme leur nombre N est gigantesque dans un échantillon, on les regroupe par paquets. La quantité de matière n, exprimée en mole (symbole mol), mesure le nombre de paquets.

Définition

Une mole est la quantité de matière d’un système contenant 6,02 × 1023 entités identiques. Ce nombre est la constante d’Avogadro : NA = 6,02 × 1023 mol−1.

Formule à retenir

n = N ÷ NA

n en mol ; N : nombre d’entités (sans unité) ; NA en mol−1.

Exemple

Un échantillon contient N = 3,01 × 1022 molécules d’eau. n = 3,01 × 1022 ÷ 6,02 × 1023 = 5,00 × 10−2 mol.

La masse molaire

On ne peut pas compter les entités, mais on peut peser. La masse molaire M d’une espèce est la masse d’une mole de cette espèce. Elle s’exprime en g·mol−1. La masse molaire atomique d’un élément se lit dans le tableau périodique ; la masse molaire d’une molécule ou d’un composé est la somme des masses molaires atomiques de ses atomes, en tenant compte des indices de la formule.

ÉlémentHCNONaSCl
M (g·mol−1)1,012,014,016,023,032,135,5
Exemple

Glucose C6H12O6 : M = 6 × 12,0 + 12 × 1,0 + 6 × 16,0 = 72,0 + 12,0 + 96,0 = 180,0 g·mol−1. Chlorure de sodium NaCl : M = 23,0 + 35,5 = 58,5 g·mol−1.

Formule à retenir

n = m ÷ M

n en mol ; m en g ; M en g·mol−1.

La masse et la quantité de matière sont donc proportionnelles : le graphique m = f(n) est une droite passant par l’origine, dont le coefficient directeur est la masse molaire.

00,51,01,52,0n (mol)04080117m (g)pente = M = 58,5 g·mol⁻¹
La masse de NaCl est proportionnelle à la quantité de matière : la pente de la droite est la masse molaire.

Volume molaire des gaz

Pour un gaz, il est plus commode de mesurer un volume qu’une masse. À température et pression données, une mole de n’importe quel gaz occupe le même volume : le volume molaire Vm. Il ne dépend pas de la nature du gaz, mais de la température et de la pression. À 20 °C et sous 1,013 × 105 Pa, Vm ≈ 24 L·mol−1.

Formule à retenir

n = V ÷ Vm

n en mol ; V en L ; Vm en L·mol−1 (même température et même pression pour V et Vm).

Exemple

Un ballon contient 6,0 L de dioxygène à 20 °C, 1 bar. n = 6,0 ÷ 24 = 0,25 mol. Sa masse : m = n × M = 0,25 × 32,0 = 8,0 g.

N entitésn (mol)m (g)V gaz (L)÷ NA× NA÷ M× M× Vm÷ Vm
La quantité de matière n est la grandeur centrale : on passe de N, de m ou de V à n, puis de n à une autre grandeur.

Concentration d’une solution

Une solution est obtenue en dissolvant une espèce, le soluté, dans un solvant (souvent l’eau). Pour décrire sa composition, on utilise deux grandeurs.

GrandeurDéfinitionUnité usuelle
Concentration en quantité de matière CC = n ÷ Vmol·L−1
Concentration en masse t (ou Cm)t = m ÷ Vg·L−1

Ici V est le volume de solution (pas celui du solvant seul). Les deux grandeurs sont reliées par la masse molaire.

Formule à retenir

t = C × M

t en g·L−1 ; C en mol·L−1 ; M en g·mol−1.

Pour préparer une solution par dissolution, on pèse la masse m = C × V × M de soluté, on l’introduit dans une fiole jaugée, on ajoute de l’eau distillée aux deux tiers, on agite jusqu’à dissolution, puis on complète jusqu’au trait de jauge et on homogénéise.

trait de jaugesolutionSoluté dissous :m = 1,17 g de NaCln = m ÷ M = 0,0200 molVolume de solution :V = 250,0 mL = 0,2500 LC = n ÷ V= 0,0200 ÷ 0,2500= 0,0800 mol·L⁻¹
Préparation par dissolution : on dissout la masse pesée et on complète jusqu’au trait de jauge.

La dilution

Pour obtenir une solution moins concentrée, on dilue une solution mère (concentration Cm) : on en prélève un volume Vm avec une pipette jaugée, on le verse dans une fiole jaugée de volume Vf et on complète avec de l’eau distillée. On obtient la solution fille, de concentration Cf.

Propriété

Lors d’une dilution, la quantité de matière de soluté se conserve : nprélevée = nfille. Donc Cm × Vm = Cf × Vf. Le facteur de dilution est F = Cm ÷ Cf = Vf ÷ Vm.

Exemple

Préparer Vf = 100,0 mL de solution à Cf = 0,020 mol·L−1 à partir d’une solution mère à Cm = 0,100 mol·L−1. F = 0,100 ÷ 0,020 = 5,0. Vm = Vf ÷ F = 100,0 ÷ 5,0 = 20,0 mL.

Erreur fréquente

Mélanger les unités : un volume en mL doit être converti en L avant de calculer une concentration en mol·L−1. Autre piège : confondre le volume de solution avec le volume d’eau ajouté. Dans une dilution, les volumes Vm et Vf peuvent rester dans la même unité, car ils apparaissent sous forme de rapport.

Chiffres significatifs

Un résultat de calcul s’exprime avec autant de chiffres significatifs que la donnée la moins précise. Par exemple, 0,50 mol (2 chiffres significatifs) × 32,0 g·mol−1 donne 16 g, et non 16,0 g. On arrondit seulement à la fin du calcul, pas à chaque étape.

L’essentiel à retenir

  • La mole est un paquet de 6,02 × 1023 entités ; n = N ÷ NA.
  • La masse molaire M (g·mol−1) relie masse et quantité de matière : n = m ÷ M.
  • Le volume molaire Vm (environ 24 L·mol−1 à 20 °C et 1 bar) relie volume et quantité de matière d’un gaz : n = V ÷ Vm.
  • Concentration : C = n ÷ V (mol·L−1) ; t = m ÷ V (g·L−1) ; t = C × M.
  • Dilution : Cm × Vm = Cf × Vf ; la quantité de matière de soluté se conserve.