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Solutions colorées et calculs de dilution

Dans le cadre des cours de chimie, la maîtrise des notions de concentration , de dilution et de dosage des additifs (comme les colorants alimentaires) est essentielle. Ce cours reprend les…

10 questions~5 min
Solutions colorées et calculs de dilution — Qwi
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1

Quelle est la relation qui relie les concentrations et les volumes lors d’une dilution ?

2

Si on prélève 20 mL d’une solution mère de concentration 0,5 mol·L⁻¹ et qu’on complète jusqu’à 100 mL, quelle est la concentration finale ?

3

Quel terme désigne la masse de soluté dissoute dans une solution ?

4

Le colorant E131 est autorisé à une dose journalière admissible (DIA) de 0,5 mg·kg⁻¹. Combien de bonbons contenant 0,02 mg de E131 peut consommer une personne de 70 kg sans dépasser le DIA ?

5

Quelle est la différence principale entre concentration massique et concentration molaire ?

6

Dans le protocole de dissolution, quelle étape suit immédiatement le pesée du soluté ?

7

Quel est le terme utilisé pour désigner la solution la moins concentrée obtenue après dilution ?

8

Si la concentration initiale est de 2 mol·L⁻¹ et que l’on veut obtenir une concentration finale de 0,5 mol·L⁻¹, quel facteur de dilution faut‑il appliquer ?

9

Quel paramètre doit être connu pour calculer la concentration molaire d’une espèce chimique dans une solution ?

10

Quel est l’avantage principal de réaliser une dilution plutôt que de préparer directement la solution finale à la concentration désirée ?

Solutions colorées et calculs de dilution en chimie

Dans le cadre des cours de chimie, la maîtrise des notions de concentration, de dilution et de dosage des additifs (comme les colorants alimentaires) est essentielle. Ce cours reprend les concepts testés dans le questionnaire « Solutions colorées et calculs de dilution », les développe, les illustre avec des exemples concrets et fournit des repères mnémotechniques pour les étudiants et les enseignants.

1. La relation fondamentale de la dilution

Lorsqu’on dilue une solution, la quantité de soluté (c’est‑à‑dire le nombre de moles ou la masse du composé) reste constante. Cette contrainte se traduit par la formule suivante :

  • Ci × Vi = Cf × Vf

où Ci et Vi sont respectivement la concentration et le volume initiaux, et Cf et Vf leurs valeurs après dilution. Cette équation montre que le produit concentration‑volume est invariant.

À retenir : Produit concentration × volume = constante. Cette règle s’applique aussi bien aux concentrations molaires qu’aux concentrations massiques, tant que le même type de concentration est utilisé de part et d’autre de l’équation.

2. Calcul du facteur de dilution

Le facteur de dilution (FD) est le rapport entre le volume final et le volume prélevé :

  • FD = Vf / Vi

Il indique combien de fois le volume a été augmenté. Dans un exemple classique, on prélève 20 mL d’une solution mère à 0,5 mol·L⁻¹ et on porte le volume à 100 mL :

  • FD = 100 mL / 20 mL = 5
  • Cf = Ci / FD = 0,5 mol·L⁻¹ / 5 = 0,10 mol·L⁻¹

Le facteur de dilution est donc un outil pratique pour passer rapidement d’une concentration initiale à une concentration finale.

3. Masse de soluté vs quantité de matière

Dans le vocabulaire de la chimie, plusieurs termes désignent la quantité de substance dissoute :

  • Masse de soluté : masse (en grammes) du composé réellement dissous.
  • Quantité de matière : nombre de moles, noté n, lié à la masse par la masse molaire M (n = m / M).
  • Concentration massique : masse de soluté par litre de solution (g·L⁻¹).
  • Concentration molaire : nombre de moles par litre de solution (mol·L⁻¹).

Il est crucial de ne pas confondre masse de soluté (une grandeur absolue) avec concentration (une grandeur relative au volume).

À retenir : la masse de soluté est la quantité réelle de matière dissoute, tandis que la concentration indique comment cette quantité est répartie dans le volume.

4. Dosage des colorants alimentaires : le cas du E131

Les additifs comme le colorant E131 sont soumis à une dose journalière admissible (DIA). Pour le E131, la DIA est de 0,5 mg·kg⁻¹. Le calcul du nombre maximal de bonbons qu’une personne peut consommer se fait en deux étapes :

  • Déterminer la DIA totale : 0,5 mg·kg⁻¹ × 70 kg = 35 mg.
  • Diviser cette valeur par la dose contenue dans un bonbon (0,02 mg) : 35 mg / 0,02 mg = 1 750 bonbons.

Dans l’énoncé, la dose du bonbon était de 0,02 mg, ce qui donne 1 750 bonbons. Cependant, la réponse proposée (175 bonbons) correspond à une dose de 0,2 mg par bonbon, ce qui illustre l’importance de vérifier les unités et les valeurs numériques.

À retenir : DIA × poids corporel = dose maximale totale ; dose totale ÷ dose par unité = nombre d’unités autorisées.

5. Concentration massique vs concentration molaire

Ces deux types de concentration sont souvent confondus, mais ils reposent sur des bases différentes :

  • Concentration massique (cm) : masse du soluté (g) par litre de solution (g·L⁻¹).
  • Concentration molaire (c) : nombre de moles du soluté (mol) par litre de solution (mol·L⁻¹).

La différence principale réside donc sur le type de quantité utilisée : masse vs quantité de matière. La conversion entre les deux nécessite la masse molaire du soluté : c = cm / M.

À retenir : Massique = masse / volume ; Molaire = moles / volume.

6. Protocole de dissolution : de la pesée au flacon de dissolution

Le déroulement typique d’une préparation de solution comprend les étapes suivantes :

  1. Pesée précise du soluté sec (balance analytique).
  2. Transfert du soluté pesé dans le flacon de dissolution (ou erlenmeyer).
  3. Ajout d’une quantité mesurée d’eau (ou d’un solvant approprié) pour dissoudre le soluté.
  4. Agitation jusqu’à dissolution complète.
  5. Complétion du volume final avec le même solvant, généralement à l’aide d’une fiole jaugée.

Dans le questionnaire, la question porte sur l’étape qui suit immédiatement la pesée : il s’agit du transfert du soluté dans le flacon de dissolution**.

7. Terminologie des solutions après dilution

Après dilution, on distingue deux solutions :

  • Solution mère : la solution initiale, la plus concentrée.
  • Solution fille : la solution obtenue après dilution, donc la moins concentrée.

Cette terminologie est largement utilisée dans les laboratoires pour suivre les préparations en chaîne (solution mère → solution fille → solution petite fille, etc.).

8. Calcul du facteur de dilution à partir des concentrations

Lorsque les concentrations initiale et finale sont connues, le facteur de dilution se calcule ainsi :

  • FD = Ci / Cf

Exemple : Ci = 2 mol·L⁻¹, Cf = 0,5 mol·L⁻¹ → FD = 2 / 0,5 = 4. Il faut donc multiplier le volume initial par 4 pour atteindre la concentration désirée.

À retenir : le facteur de dilution est le rapport inverse des concentrations lorsqu’on conserve la même quantité de soluté.

9. Synthèse et bonnes pratiques pour les étudiants

Pour réussir les exercices de dilution et de dosage, voici une checklist à garder en tête :

  • Vérifier les unités (mL vs L, mg vs g) avant tout calcul.
  • Utiliser la formule Ci × Vi = Cf × Vf pour les dilutions.
  • Calculer le facteur de dilution soit à partir des volumes, soit à partir des concentrations.
  • Distinger masse de soluté (g) et quantité de matière (mol) ; connaître la masse molaire du composé.
  • Pour les additifs alimentaires, appliquer la règle DIA × poids = dose maximale totale.
  • Suivre le protocole de dissolution dans l’ordre exact : pesée → transfert → ajout de solvant → agitation → ajustement du volume final.
  • Utiliser la terminologie correcte : solution mère, solution fille, flacon de dissolution.

En appliquant ces principes, les étudiants seront capables de résoudre rapidement tout problème de dilution, de dosage ou de préparation de solutions colorées, tout en respectant les normes de sécurité et de qualité en laboratoire.