Masse, volume et concentration : les bases à connaître

Comprendre et savoir calculer la masse, le volume ou la concentration sont des compétences essentielles dans de nombreux domaines scientifiques comme la physique, la chimie, la biologie ou encore la pharmacie. Que vous soyez étudiant, chercheur, ingénieur ou même cuisinier, maîtriser ces concepts vous sera indispensable.

Dans cet article, nous allons passer en revue les notions fondamentales à connaître sur la masse, le volume et la concentration. Nous verrons :

• Comment calculer une masse
• Comment mesurer un volume
• Les différents types de concentration
• Comment diluer ou concentrer une solution

Alors, prenez votre calculatrice et cahier et suivez le guide !

I. Calculer une masse

Avant de rentrer dans les calculs, il est important de bien définir la masse. En physique, la masse correspond à la quantité de matière contenue dans un objet ou une substance. Plus il y a d’atomes et de molécules, plus la masse est élevée.

La masse s’exprime généralement en grammes (g) ou kilogrammes (kg). Rappel des equivalences :

• 1 kg = 1000 g
• 1 g = 0,001 kg

1. A partir de la masse molaire

La manière la plus simple de calculer une masse est d’utiliser la masse molaire. La masse molaire correspond à la masse d’une mole de cette substance. Par exemple :

• Masse molaire du glucose (C6H12O6) : 180 g/mol
• Masse molaire du dioxygène (O2) : 32 g/mol

Les masses molaires de tous les éléments sont indiquées dans le tableau périodique des éléments. Pour une molécule, il suffit d’additionner les masses molaires des atomes qui la constituent.

La formule pour calculer une masse à partir de la masse molaire est :

m = n x M

• m : masse en grammes
• n : nombre de moles
• M : masse molaire en g/mol

Exemple : Calculons la masse correspondant à 5 moles de dioxygène (O2)

• n = 5 mol
• M(O2) = 32 g/mol (d’après le tableau périodique)

Donc : m = n x M = 5 x 32 = 160 g

2. A partir d’un volume

Si vous connaissez le volume d’une substance et non sa quantité de matière, vous pouvez tout de même calculer la masse grâce à la masse volumique. Celle-ci correspond à la masse par unité de volume :

• Eau : 1 L pèse 1 kg donc masse volumique = 1 kg/L = 1 g/mL
• Mercure : 1 L pèse 13,6 kg donc masse volumique = 13,6 g/mL

La formule pour calculer une masse à partir d’un volume est :

m = ρ x V

• m : masse en grammes
• ρ : masse volumique en g/mL ou g/L
• V : volume en mL ou L

Exemple : Calculons la masse de 25 mL de mercure

• V = 25 mL
• ρ(Hg) = 13,6 g/mL

Donc : m = ρ x V = 13,6 x 25 = 340 g

3. A partir d’une solution

En chimie, on appelle solution un mélange homogène composé d’un solvant (généralement de l’eau) et d’un ou plusieurs solutés (substance dissoute).

Pour calculer la masse de soluté à partir du volume de solution, on utilise la concentration massique (Cm).

La formule est :

m = Cm x Vsolution

• m : masse de soluté en grammes
• Cm : concentration massique en g/L
• Vsolution : volume de solution en L

Exemple : Une solution aqueuse contient 15 g de sel (NaCl) par litre. Quelle est la masse de sel dans 250 mL de cette solution ?

• Cm(NaCl) = 15 g/L
• Vsolution = 0,25 L

Donc : m = Cm x Vsolution = 15 x 0,25 = 3,75 g

II. Mesurer un volume

En chimie, le volume d’un liquide se mesure généralement en litres (L) ou millilitres (mL). Rappel des équivalences :

• 1 L = 1000 mL
• 1 mL = 0,001 L

Pour mesurer précisément un volume en laboratoire, on utilise du matériel volumétrique gradué comme des éprouvettes, pipettes jaugées, fioles jaugées, burettes, etc.

1. Eprouvette graduée

L’éprouvette graduée est un tube en verre ou en plastique qui permet de prélever ou mesurer le volume de liquide contenu grâce aux graduations sur les parois.

2. Pipette jaugée

La pipette jaugée permet de prélever un volume fixe indiqué sur la pipette. Il suffit d’aspirer le liquide jusqu’au trait de jauge.

Exemples de volumes prélevables :

• Pipette jaugée de 5 mL
• Pipette jaugée de 10 mL
• Pipette jaugée de 25 mL

3. Fiole jaugée

La fiole jaugée sert à préparer une solution d’un volume précis. On verse le solvant, puis le soluté et on ajuste jusqu’au trait de jauge avec le solvant.

Volume de fioles jaugées courantes : 100 mL, 250 mL, 500 mL, 1000 mL.

III. Concentration d’une solution

La concentration permet de connaître la quantité de soluté dissous dans la solution. Il existe deux façons de l’exprimer :

• Concentration molaire (C) : en moles/L
• Concentration massique (Cm) : en g/L

1. Concentration molaire (C)

La concentration molaire correspond au nombre de moles (n) de soluté par litre (L) de solution. Elle s’exprime en mol/L.

La formule est :

C = n/V

Avec :

• C : concentration molaire (mol/L)
• n : nombre de moles de soluté
• V : volume de solution (L)

Exemple : Une solution contient 5 moles de glucose (C6H12O6) dans 2 L d’eau. Quelle est sa concentration molaire ?

• n(glucose) = 5 mol
• V(solution) = 2 L

Donc : C = n/V = 5/2 = 2,5 mol/L

2. Concentration massique (Cm)

La concentration massique correspond à la masse (m) de soluté par litre (L) de solution. Elle s’exprime généralement en g/L.

La formule est :

Cm = m/V

Avec :

• Cm : concentration massique (g/L)
• m : masse de soluté (g)
• V : volume de solution (L)

Exemple : Une solution saline contient 10 g de NaCl dans 500 mL d’eau. Quelle est sa concentration massique ?

• m(NaCl) = 10 g
• V(solution) = 0,5 L

Donc : Cm = m/V = 10/0,5 = 20 g/L

IV. Dilution et concentration d’une solution

1. Diluer une solution

Diluer une solution consiste à diminuer sa concentration en soluté, en ajoutant du solvant.

Exemple : Je dispose de 250 mL d’une solution de sulfate de cuivre (CuSO4) à 20 g/L. Je souhaite obtenir une solution de concentration 10 g/L. Quel volume d’eau dois-je ajouter ?

• Solution initiale :
  • Cm = 20 g/L
  • V1 = 0,25 L
• Solution finale :
  • Cm2 = 10 g/L (concentration voulue)
  • V2 = ? (volume final)

Résolution :

La quantité de soluté ne change pas lors de la dilution :

m1 = m2

Or :

m1 = Cm1 x V1

m2 = Cm2 x V2

Donc :

Cm1 x V1 = Cm2 x V2

20 x 0,25 = 10 x V2

V2 = 0,5 L

Il faut donc ajouter 0,25 L d’eau pour obtenir la dilution voulue.

2. Concentrer une solution

A l’inverse, concentrer une solution consiste à augmenter sa concentration en soluté, généralement en évaporant une partie du solvant.

Cette opération porte le nom d’évaporation ou concentration.

En laboratoire, elle peut se faire par chauffage à l’aide d’un évaporateur rotatif.

Dans l’industrie agro-alimentaire, la concentration de jus de fruits se fait par évaporation sous vide à une température inférieure à 50°C pour préserver les qualités du produit.

Conclusion

Nous avons balayé dans cet article les notions incontournables à connaître sur la masse, le volume et la concentration en solution. Vous êtes désormais paré pour réussir vos futurs exercices de chimie !

Sachez que selon votre domaine d’application, les concentrations peuvent s’exprimer dans d’autres unités. Par exemple en microbiologie, on parle plutôt de colonie formant des unités par millilitre (CFU/mL).

A vous maintenant de mettre en pratique ! Bon courage.