Quantité de matière ou
nombre de moles
La notion de quantité de matière est la notion fondamentale de la chimie
quantitative, c'est-à-dire de la chimie
analytique.
Une quantité de matière est décrite en mole. Cette notion permet de passer du
microscopique au macroscopique.
La définition de la mole repose sur le nombre d'Avogadro. En effet, il est
impossible de travailler en chimie avec un nombre précis d'atomes mais il sera plus
commode de travailler avec des paquets d'atomes. Il faut donc choisir le nombre d'atomes,
ou d'ions, ou de molécules que le mettra dans ce paquet, appelé la mole. La convention
choisie est la suivante :
Dans une mole d'atomes, il y a autant d'atomes que dans 12 grammes de carbone 12.
Expérimentalement, on calcule que dans 12 grammes de carbone 12 on trouve 6,022.1023
atomes de carbone 12.
Le paquet, la mole, vaut donc 6,022.1023 ce qui définit le nombre
d'Avogadro :
NA = 6,022 1023 mol-1.
Ce nombre permet d'effectuer des bilans
de matière dans des réactions chimiques.
On peut s'entraîner sur des exemples, celui de la formation du dioxyde de carbone par
réaction du dioxygène sur le carbone et de la réaction de combustion du méthane
pour voir dans quelles proportions se déterminent les quantités de matière ou nombre
de moles dans des réactions chimiques.
Mais calculer des nombres de moles d'une espèce chimique dépend de l'espèce à
laquelle on a affaire.
Les solides
Pour travailler avec un nombre de moles (n, mol) précis, on effectue une pesée. Il
est nécessaire de connaître pour ceci la masse
molaire (M, g.mol-1 ) du composé. La masse à peser (m, g) est :
m = n . M
Les liquides
On distingue deux types de liquides : le réactifs liquides purs et les solutions de
concentration donnée.
1. Les liquides purs
Le nombre de moles à extraire dépend du volume prélevé, qui lui dépend de la masse
molaire et de la densité du liquide.
On rappelle que la densité est le rapport de la masse volumique d'un liquide ramenée
à celle de l'eau.
d = r(liq) / r(eau)
r (kg.m-3, ou g.cm-3) étant la masse
volumique, on peut écrire :
r = m / V, soit un volume : V = m / r
Sachant que le nombre de moles contenu dans m g d'un liquide de masse molaire M est n =
m / M, ceci permet décrire que le volume de liquide à prélever est :
V = n M / r
Pour éviter les problèmes d'unité, doit être en g.dm-3. On peut même
travailler avec la densité où le problème d'unité est affranchi :
V = n M / d
V (L), n(mol), M(g.mol-1 ), d (sans unité)
2. Les solutions de concentration donnée
La caractéristique des solutions est le concentration en soluté. Elle est donnée par
:
C = n / Vs
C : concentration en soluté, en mol.L-1,
n : nombre de moles du soluté, en mol,
Vs : le volume totale de la solution, en L
Remarque 1. Concentration massique. La concentration peut aussi
être exprimée en g / L ou mg / L. On parle alors de concentration massique en composé A
et on la note t(A) ou w(A).
Remarque 2. Solution en pourcentage. Certaines solutions
comportent comme indication : solution à p % en A. Ceci signifie que pour préparer cette
solution, il a été nécessaire de dissoudre p grammes de A dans (100 - p) grammes d'eau.
Les gaz
Il est assez rare de travailler quantitativement sur des gaz. Néanmoins, le nombre de
mole (n, en mol) contenu dans un volume V (en L) de gaz est donné par :
n = V / Vm
Vm : volume molaire du gaz à T et P donné.
La valeur du volume molaire se calcule par la relation des gaz parfaits (pour
des températures pas trop basses et des pressions pas trop élevées) :
PV = nRT,
où R est la constante des gaz parfaits :
R = 8,314 J.mol-1.K-1
Et où les autres grandeurs doivent être exprimées dans le système
international : la pression de pascal (Pa), le volume en mètre cube et la température en
kelvin.
Pour le volume molaire, n = 1 mol. Dans les conditions courantes,
la pression est de une atmosphère soit :
P = 101,3 kPa,
et la température est de : T = 20°C = 293°K,
soit :
Vm = 8,314 . 293 / 101,3 = 24,05 L.mol-1
Dans les conditions dites normales de température et de pression (CNTP),
la pression est de une atmosphère soit :
P = 101,3 kPa,
et la température est de : T = 0°C = 273°K,
soit :
Vm = 8,314 . 273 / 101,3 = 22,4 L.mol-1
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