Généralités sur les solutions aqueuses

Exercice 1

On donne les masses molaires atomiques suivantes en $g\cdot -1:N=14$ ; $K=39$ et $O=16$

1. Déterminer la masse molaire moléculaire du nitrate de potassium de formule $KN{O}_3.$

2. On fait dissoudre une masse $m=15.2g$ de nitrate de potassium dans l'eau pure pour obtenir une solution $S$ de volume $V=500mL$

2.1. Identifier le soluté et le solvant.
 
2.2. En déduire le nom de la solution.

2.3.  Calculer la concentration massique Cm de la solution.

2.4.  En déduire sa concentration molaire C.

3. A un volume $V_1^{\prime }=100mL$ de $S$ on ajoute $50mL$ d'eau pure pour obtenir une nouvelle solution $S_1.$

3.1. Déterminer la masse $m^{\prime }1$ de nitrate de potassium dissoute dans $100mL$ de $S.$
 
3.2. Calculer la concentration massique $C_1$ de la solution $S_2$

4. A un volume $V^{\prime }2=200mL$ de la solution de départ $S$ on ajoute $1g$ de nitrate de potassium solide, on obtient une solution $S_2$ de concentration $C_2.$

4.1. Trouver la masse $m^{\prime }2$ dissoute dans $200mL$ de $S$

4.2.  Déterminer la masse $m2$ à dissoudre dans $S_2$

4.3.  En déduire la concentration massique $C_2$ de la solution $S_2$

Exercice 2

Le gluconate ferreux ou gluconate de fer $(II)$, de formule brute $C_{12}{H}_{24}Fe{O}_{14}$, est un additif alimentaire $(E579)$ ayant la fonction de séquestrant – stabilisant naturel ou synthétique -, de colorant alimentaire et de complément alimentaire.

En effet, on en retrouve dans les olives ainsi que dans les compléments alimentaires.

1. Le pharmacien souhaite préparer $250mL$ d'une solution mère de gluconate de fer de concentration molaire $3.0\cdot {10}^{-1}mol\cdot L^{-1}$ à partir de gluconate de fer en poudre.

Quelle masse de gluconate de fer doit-il prélever ?

2. Écrire le protocole expérimental de cette préparation (en précisant le matériel utilisé).

3. Le pharmacien souhaite préparer une autre solution aqueuse par prélèvement de $50mL$ de la solution mère de concentration molaire $3.0\cdot {10}^{-1}mol\cdot L^{-1}$ dans une fiole jaugée de $50mL$ et ajout d'eau.

Comment se nomme cette technique de préparation ?

4. Déterminer la concentration molaire de la nouvelle solution ainsi réalisée.

Données :

Masse molaire du gluconate de fer :
$446.6g\cdot mo{l}^{-1}$

Nombre d’Avogadro : $N_A=6.02\cdot {10}^{23}mo{l}^{-1}$

Exercice 3

« Powerade $IO{N}_4$ est une boisson isotonique pour le sport qui contient de l'eau et du sodium perdus durant l'effort, ainsi que des glucides nécessaires pour remplacer l'énergie perdue pendant l'exercice. »

Composition moyenne de quelques espèces chimiques dans une bouteille de $50vL$  

glucose
citrate de sodium
vitamine B6
Concentration massique $(g/L)$

$\begin{array}{|cccc|}\hline & \text{glucose }& \text{citrate de sodium }& \text{votamine }B6\\ \text{Concentration massique }(g/L)& & 1.3& 1.1\cdot {10}^{-3}\\ \text{Formul brute }& C_6{H}_{12}{O}_6& N_{a3}{C}_6{H}_5{O}_7& C_8{H}_{11}{O}_3\\ \text{Quantité de matière (mol)}& 0.104& & \\ \hline\end{array}$

1. Exprimer puis calculer la concentration molaire en glucose de cette boisson.

2. Exprimer puis calculer la masse de citrate de sodium contenue dans cette boisson.

3. Rédiger le protocole permettant de préparer $50cL$ d'une solution aqueuse de citrate de sodium ayant la même concentration

4. Calculer la quantité de matière de vitamine $B6$ présente dans cette boisson.

On décide de diluer cette boisson pour obtenir $100.0mL$ de solution fille ayant une concentration en vitamine $B6$ égale à $2.75\cdot {10}^{4}g/L$

5. Calculer le volume de boisson à prélever pour préparer la solution fille.

Données :

$M(H)=1.00g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(C)=12.0g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(N)=14.0g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(O)=16.0g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(Na)=23.0g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(K)=39.1g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M\left(M_n\right)=54.9g\cdot mo{l}^{-1}$

Exercice 4

Les liquides utilisés pour déboucher les canalisations, essentiellement constitués de solutions concentrées d'hydroxyde de sodium ou soude, sont très corrosifs.

Pour éviter les accidents domestiques dus à la confusion de ces liquides avec des boissons, on y ajoute de l'ammoniac d'odeur très désagréable.

Le fabriquant indique :

$-$Densité du liquide $d=1.20$

$-$Pourcentage massique de soude $P=20.0\mathrm{\%}$

$-$Masse molaire de la soude : $40.0g\cdot mo{l}^{-1}$

$-$Produit corrosif et irritant pour les yeux Concentration en ammoniac : $8.50mmol\cdot L^{-1}$

1. Quelle est la masse de soude contenue dans $1L$ de solution.

2. En déduire la concentration molaire $C$ de soude dans cette solution

3. Quelle est la formule de l'ammoniac ?

4. Quel volume ammoniac gazeux a-t-on dissous dans $L$ de solution $\text{(on se placera dans les conditions où le volume molaire est de }24.0L\cdot mo{l}^{-1}).$

5. Quelles précautions doit-on prendre lors de l'utilisation de cette solution ?

Exercice 5

A partir d'une solution commerciale d'acide nitrique de densité $d=1.33$ et de pourcentage en acide nitrique : $52.05\mathrm{\%}$, on veut préparer, par dilution, $V_2=1$ litre d'acide
nitrique de concentration $C_2=0.1mol/L$

1. Calculer la concentration de la solution « mère ».

2. Décrire la façon de préparer la solution diluée.

Données : masse molaire en $g\cdot mo{l}^{-1}$ :

$M(H)=1g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(C)=12g\cdot mo{l}^{-1}$ et

$M(O)=16g\cdot mo{l}^{-1}$

La masse volumique de l'eau est ${\rho }_{\text{eau}}=1000g/L$ dans les conditions de l'expérience

Exercice 6

Données : Les masses molaires atomiques :

$M(H)=1g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(C)=12g\cdot mo{l}^{-1}$ et

$M(O)=16g\cdot mo{l}^{-1}$

La masse volumique de l'acide éthanoïque : $\rho =1.05g\cdot m{L}^{-1}$

Le vinaigre à $8^{\circ }$ est une solution aqueuse contenant essentiellement de l'acide éthanoïque de formule chimique $C_2{H}_4{O}_2$

L'appellation vinaigre à ${}^{\circ }$ signifie que dans $100mL$ de solution, il y a $8mL$ d'acide éthanoïque pur.

1. Calculer la masse molaire moléculaire M de l'acide éthanoïque.

2. Chercher la masse $m$ de l'acide éthanoïque dans le volume $V=1L$ de vinaigre.

3. Déduire que la concentration molaire en acide éthanoïque de la solution $S_0$ du vinaigre a pour valeur $CO=1.4mol\cdot L^{-1}$

4. On souhaite préparer, à partir de la solution précédente $S_0$, une solution aqueuse $S_1$ de volume $V_1=1.4mol\cdot L^{-1}$ et $100$ fois moins concentrée.

4.1. Donner la définition de la dilution d'une solution aqueuse.

4.2. Calculer le volume $V_0$ à prélever de la solution $S_0$ pour la préparation de $S_1.$

4-3. Faire la liste du matériel à utiliser pour préparer la solution $S_1.$

4.4. Décrire le mode opératoire permettant la préparation de $S_1$

Exercice 7

L'éosine est utilisée pour une propriété colorante, asséchante et antiseptique.

Sa formule est $C_{20}{H}_{60}{O}_5{B}_{r4}{N}_{a2}$

Calculer la masse molaire moléculaire de l'éosine.

2. On prépare une solution mère en introduisant une masse $m=50.0g$ d'éosine dans une fiole jaugée de $250L$ contenant de l'eau distillée.

Calculer la quantité de matière en éosine que représente cette masse.

3. Après avoir dissout l'éosine dans l'eau de la fiole, on ajuste le niveau du liquide au trait de jauge.

Calculer la concentration $C_0$ de la préparation.

4. Avec une pipette jaugée, on prélève $20mL$ de la solution mère pour l'introduire dans une fiole jaugée de $200mL.$

Après ajustage au trait de jauge, avec de l'eau distillée, on obtient la solution $S_1.$
 
Calculer la concentration en éosine $C_1$ de la solution $S_1$

5. Calculer la concentration massique en $(g\cdot L^{-1})$ en éosine $C_1$ de la solution $S_1$

Données :

$M(H)=1g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(C)=12g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(C)=12g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(O)=16g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(N)=14g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(Na)=23g\cdot mo{l}^{-1}$ et

$M(Br)=80g\cdot mo{l}^{-1}$

Exercice 8   

Boisson au cola

A fortes doses, le thé et le café provoquent des intoxications chroniques dues à la caféine $\text{(formul )C_{8}H_{10}N_{4}O_{2})$ contenue dans ces deux boissons.

Une bouteille de Coca (non décaféinée) de volume $V=0.33L$ renferme environ $m=34mg$ de caféine soit l'équivalent d'une demi-tasse de café.

Depuis $1962$, les américains ont réduit leur consommation de café mais leurs enfants ont augmenté leur consommation de Coca qui atteint chez certains $6$ canettes par jour.

On a constaté chez ces enfants une élocution plus rapide et une agitation plus grande que chez les autres enfants.

(D'après Drogues et plantes, Jean-Marie Pelt Fayard).

Données :

$M(C)=12.0g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(H)=1.0g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(O)=16.0g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(N)=14.0g\cdot mo{l}^{-1}$
 
2.1. Montrer que la masse molaire moléculaire de la caféine est $M=194g/mol.$

2.2. Déterminer la quantité de matière n de caféine présente dans une canette en mol (Attention aux unités).

2.3. Quelle est la concentration molaire C de la caféine dans une canette ?

2.4. Un adolescent propose les $3$ solutions suivantes pour diminuer la quantité de caféine absorbée lors de l'absorption d'une canette.
 
Une seule solution est correcte. Laquelle ? Justifier votre réponse.

Rajouter du sucre ?

Rajouter de l'eau au contenu de la canette ?

Diminuer le volume des canettes ?

Exercice 9

L'acétylcystéine de formule chimique $C_5{H}_{10}{O}_{3}NS$ est le principe actif de médicaments commercialisés sous les appellations Exomuc.

Certains sachets d'Exomuc contiennent une masse $m=0.1g$ d'acétylcystéine.

Une solution aqueuse $S_0$ de volume $V_0$ égal à $50mL$ est préparée en dissolvant la totalité du contenu d'un sachet.

1. Quel est le solvant utilisé ?

2. Quel est le soluté ?

3. Comment s'appelle ce mode de préparation de solution ?

4. Calculer la masse molaire $M\left(C_5{H}_{10}{O}_{3}NS\right)$ de l'acétylcystéine.

5. Calculer la concentration massique Cm en acétylcystéine de la solution $S_0$

6. Calculer la quantité de matière $n_0$ d'acétylcystéine dans un sachet.

7. Calculer la concentration molaire $C$ en acétylcystéine.

8. Pour être plus agréable au goût, on dilue la solution $S_0$

Le volume final de la solution $S_1$, obtenu après dilution est $V_1=200mL$

8.1. Que signifie << diluer la solution $S_0$ >> ?

8.2. Comment appelle-t-on les solutions $S_1$ et $S_1$ ?

8.3. Calculer la concentration molaire en acétylcystéine de la solution $S_1.$

On donne en

$g\cdot mo{l}^{-1}M(C)=12$ ;

$M(H)=1$ ;

$M(O)+16)$ ;

$M(N)=14$ ;

$M(S)=32$

Exercice 10

Le sirop de sucre est une solution aqueuse concentrée de saccharose $\left(C_{12}{H}_{22}{O}_{11}\right)$

Un pâtissier dispose d'un sirop de sucre commercial pour lequel la concentration molaire en saccharose est $C=5.0mol/L$

1. Quel volume de sirop commercial faut-il prélever pour disposer  $0.75mol$ de saccharose ?

2. Le pâtissier doit préparer un sirop léger.

Pour cela, il mélange $20.0mL$ de sirop commercial et le volume suffisant d'eau pour obtenir $100.0mL$ de sirop léger.

2.1. Le pâtissier réalise-t-il une dilution ou une dissolution lors de cette préparation ?

2.2.  Choisir dans la liste suivante la verrerie nécessaire pour réaliser avec précision cette solution au laboratoire de chimie :

Bécher, balance électronique, spatule, sabot de pesée, pipette graduée, éprouvette graduée, capsule de pesée, fiole jaugée, erlenmeyer, cristallisoir, pipette jaugée.

2.3.  Calculer la concentration molaire en saccharose dans le sirop léger.

2.4. Calculer la quantité de matière de saccharose contenue dans $50.0mL$ de sirop léger.

2.5. Sachant que la masse molaire moléculaire du saccharose est $M=342.0g/mol$, calculer la masse de saccharose contenue dans $50.0mL$ de sirop léger.

2.6. Calculer la concentration massique en saccharose du sirop léger

2.7.  La masse moyenne d'un morceau de sucre est de $6.0g$

Si le pâtissier ne possède de sirop commercial, il peut préparer le sirop léger à partir de sucre en morceaux.

Combien de morceaux de sucre doit-il utiliser pour préparer le sirop léger

Exercice 11

La solubilité de l'aspirine dans l'eau est $S=3.3g\cdot L^{-1}$ à ${25}^{\circ }C$

1. On prépare à ${25}^{\circ }C$ une solution aqueuse d'aspirine de volume $V_1=100mL$, en utilisant une masse $m_1=0.25g$ d'aspirine.
 
Vérifier que cette solution n'est pas saturée.

2. On prépare à ${25}^{\circ }C$, une deuxième solution aqueuse d'aspirine de volume $V_2=50mL$, en utilisant une masse $m_2=0.2g$ d'aspirine.

2.1. Vérifier que cette solution est saturée et qu'il reste un dépôt d'aspirine non dissous.
 
Donner la concentration de cette solution.

2.2. Calculer la masse de ce dépôt.
 
Exercice 12

On pèse $27.0g$ de glucose $\left(C_{12}{H}_{22}{O}_{11}\right)$ dans le but de préparer $100mL$ d'une solution aqueuse $S_1$ de glucose.
 
1. Quelle est la concentration massique $C_{m1}$ de de $S_1$ ?

2. Comment s'appelle l'opération réalisée pour préparer la solution $S_1$ ?
 
3. On prélève $5.0mL$ de solution $S_1$ que l'on introduit dans une fiole jaugée de $100.0mL$, que l'on complète avec de l'eau distillée.

On obtient une solution aqueuse $S_2$ ?
 
3.1. Quelle est la concentration $C_{m2}$ de la solution $S_2$ ?
 
3.2. Quelle masse de glucose aurait-il fallu peser pour préparer directement $100.0mL$ de solution aqueuse de glucose de concentration molaire $C_2$ ?

4. A ${20}^{\circ }C$, une solution aqueuse de glucose est saturée si sa concentration molaire atteint $900g\cdot L^{-1}$

On réduit le volume de la solution initiale $S_1$ par évaporation partielle de l'eau.
 
4.1.  Une solution aqueuse de glucose de concentration molaire $1kg\cdot L^{-1}$ peut-elle exister ?

4.2. Quel est le volume de la solution lorsque la saturation est atteinte ?

Qu'observe-t-on si l'on poursuit l'évaporation naturelle ?

Données : $M(C)=12g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(H)=1.0g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(O)=16.0g\cdot mo{l}^{-1}$

Exercice 13

On peut effectuer des injections de solution aqueuse de fructose, (ou lévulose), de formule ${}_6{H}_{12}{O}_6$ pour prévenir la déshydratation.

De telles solutions sont obtenues en dissolvant une masse $m=15.0g$ de fructose pour $300mL$ de solution finale.

1. Quelle est la concentration massique en fructose de cette solution ?

2. Quel volume de cette solution contiendrait $4.0g$ de fructose ?
 
3. Quelle est la quantité de matière de fructose mise en solution $\text{(dans les }300mL)$ ?
 
4. Déduire la concentration molaire en fructose d'une solution de réhydratation.

5. Quelle quantité de fructose contient un échantillon de $45mL$ de cette solution ?
 
6. A $50mL$ d'une de ces solutions, on ajoute $150mL$ d'eau :
 
Quelle verrerie sera utilisée pour faire les prélèvements ?

7. Quelle est alors la valeur de la concentration de cette dernière solution diluée ?

Données :

$M(C)=12.0g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(H)=1.0g\cdot mo{l}^{-1}$ ;

$M(O)=16.0\cdot mo{l}^{-1}$

Exercice 14

1. Le vinaigre peut être considéré comme une solution aqueuse d'acide éthanoïque.

L'étiquette d'un vinaigre indique : ${6.0}^{\circ }$

Cela signifie que le pourcentage en masse d'acide éthanoïque $C_2{H}_4{O}_2$ est égal à $6\mathrm{\%}.$
 
On mesure la masse volumique de ce vinaigre : $\rho$ vinaigre $=1.1g/mL$
 
Calculer, en $g/L$, la concentration massique d'acide éthanoïque dans ce vinaigre.

On justifiera soigneusement.

2. On dispose d'une solution commerciale d'acide chlorhydrique de densité $d_{\text{solotion}}=1.119$ et de pourcentage massique $P_{HC1}=33\mathrm{\%}$

Quelle est sa concentration molaire $C_{HC1}$ ?
 
3. L'étiquette d'un flacon contenant une solution d'ammoniac $N{H}_3$ porte les indications suivantes :

Densité : $0.950$ ;

pourcentage massique en ammoniac : $28\mathrm{\%}$
 
a.  Déterminer la concentration molaire de cette solution.

Masse volumique de l'eau : $\rho =1.00g/c{m}^3$

b. Faire la liste du matériel et décrire le mode opératoire permettant la préparation, à partir de la solution précédente de $1L$ de solution 100 fois moins concentrée.

4. Le vin contient de l'éthanol (alcool) dissous dans de l'eau. L'étiquette d'un vin indique $10\mathrm{\%}$ d'alcool.
 
Cela signifie qu'un volume de $100mL$ de vin contient $10mL$ d'éthanol $C_2{H}_{60}.$
 
La masse volumique de l'éthanol est : ${\rho }_{\text{éthanol}}=789g/L$, celle du vin est : ${\rho }_{\text{vin}}=996g/L$

Calculer la concentration massique de l'éthanol dans ce vin.

Justifier soigneusement.