Concentration molaire

Définition et sens physique

La concentration molaire (notée $c$) est numériquement égale à la quantité de substance dissoute contenue exactement dans un litre de solution préparée. L'unité de mesure principale est la mol/L. En pratique médicale et de laboratoire, on utilise souvent les millimoles par litre (mmol/L) pour exprimer de petites quantités de substance. Le passage entre ces unités est direct : une mole par litre équivaut à mille millimoles par litre.

Cette grandeur permet de calculer extrêmement simplement la quantité de matière ($n$) dans un volume donné quelconque : il suffit de multiplier la concentration par le volume ($n = c \cdot V$). Si l'on connaît en outre la masse molaire de la substance ($M$), on peut calculer immédiatement la masse de composant sec nécessaire à la manipulation : $m = n \cdot M$. C'est pourquoi, dans le jargon professionnel, ce paramètre est souvent appelé simplement « concentration » — la dimension ressort clairement du contexte.

Relation avec la fraction massique

On dispose souvent en laboratoire d'une solution mère dont la composition est définie par sa fraction massique (en pourcentage) et sa masse volumique (en g/mL). Pour convertir la fraction massique en concentration molaire, on utilise la formule universelle :

$c = \frac{10 \cdot \omega\% \cdot \rho}{M}$

On peut dériver cette formule à l'aide d'un algorithme logique « par le résultat ». Pour simplifier les calculs, on prend un volume conventionnel de solution égal à un litre ($1000$ mL). Connaissant la masse volumique, on calcule la masse totale de la solution ($m_{sol} = V \cdot \rho$). Ensuite, à l'aide de la fraction massique donnée, on trouve la masse de substance sèche pure. À l'étape finale, la masse trouvée est divisée par la masse molaire, ce qui donne la quantité de matière en moles. Le calcul ayant été initialement mené pour un litre, la quantité de matière obtenue est précisément la concentration molaire recherchée.

Technique de préparation des solutions

La préparation des solutions en laboratoire est strictement réglementée et dépend de l'état physique du réactif initial.

Si l'on prépare une solution à partir d'une poudre solide :

1. On pèse sur une balance de précision la masse de substance calculée (la prise d'essai).
2. On transfère délicatement le solide dans une fiole jaugée du volume requis.
3. On ajoute une partie du solvant (par exemple, de l'eau distillée) et on agite vigoureusement jusqu'à dissolution complète des cristaux.
4. On complète avec le solvant exactement jusqu'au trait de jauge sur le col étroit de la fiole.

Si l'on doit préparer une solution diluée à partir d'un liquide concentré :

1. On évalue la concentration de la solution initiale (si nécessaire, on la convertit à partir de la fraction massique).
2. On calcule la masse ou la quantité de substance pure nécessaire pour la solution cible.
3. On calcule le volume requis de solution concentrée initiale et on le mesure à l'aide d'une éprouvette graduée.
4. On transfère le liquide dans une fiole jaugée et on complète avec de l'eau jusqu'au trait de jauge.

Bases de l'analyse volumétrique (titrage)

La concentration molaire est le fondement de l'analyse chimique quantitative, en particulier du titrage. L'objectif de l'analyse volumétrique est de déterminer la concentration inconnue d'une substance en mesurant les volumes exacts de solutions réagissantes.

On ajoute goutte à goutte à l'échantillon de la substance à analyser un titrant, c'est-à-dire une solution de réactif dont la concentration est connue avec la plus grande précision. Le point de fin de réaction chimique est repéré visuellement, le plus souvent par le virage de la teinte d'un indicateur coloré spécial (par exemple, le passage du bleu au violet). En connaissant les volumes des deux solutions et la concentration du titrant, on peut calculer avec une grande précision la concentration molaire initiale de l'échantillon étudié.

En bref : réponses aux questions sur le sujet

Questions des cours et des examens

À étudier également sur le sujet

• Calculs stœchiométriques tenant compte de l'excès et du réactif limitant lors du mélange des réactifs.
• Particularités du titrage indirect pour l'analyse d'échantillons solides contaminés.
• Calcul de la concentration molaire des gaz dans des conditions standard et normales.
• Variation de la concentration des substances lors de la dilution et de l'ajout de solvant.
• Calcul de la masse de substance dans un volume donné sur la base des résultats de l'analyse volumétrique.

Autres thèmes de la section « Chapitre 4. Solutions »

Matériel préparé par les enseignants de WhiteCoat Pro selon le programme d'enseignement des universités médicales. À caractère pédagogique.