TP 2nde - La mole

I ) Comment compter des atomes, des ions ou des molécules

1) Expérience avec des grains de riz :

Méthode 1 :

* Placer dans un récipient un nombre n de grains de riz. n = 25

* Faire de même avec un nombre N de grains de riz en proposant une méthode rapide. N = 5000

On pèse les 25 grains de riz : m_25grains = 0,5g. On calcule la masse des 5000 grains.

Il y a 200 ensembles de 25 grains dans les 5000 grains. ( 200 x 25 = 5000 ) N / n = 200

m_5000grains = 200 m_{25 grains} = 200 x 0,5 = 100 g. On pèse ensuite 100g de riz pour en avoir 5000.

* Déduire de cette méthode une égalité littérale entre n et N. (aucune valeur numérique)

m_5000grains = 200 m_{25 grains} = (N / n) . m_25grains

* Déterminer le nombre de grains dans un paquet de 1,0 kg en utilisant l'égalité précédente.

m_Ngrains = 1,0 kg= 1000 g ; m_Ngrains / m_{25 grains} = 1000 / 0,5 = 2000 = N / n = N / 25

N = 25 x 2000 = 50 000 grains

Remarque : La précision de cette valeur dépend surtout de la précision de la masse des 25 grains.

Méthode 2 :

* Adapter la méthode précédente en utilisant une éprouvette graduée avec n = 200 et N= 4000.

Cette fois, on mesure le volume au lieu de la masse.

On mesure le volume des 200 grains de riz : V_{200 grains} = 5 mL.

On calcule le volume des 4000 grains de riz.

Il y a 20 ensembles de 200 grains de riz dans les 4000 grains. ( 20 x 200 = 4000). N / n = 20

V_4000grains = 20 V_200grains = 20 x 5 = 100 mL. On mesure ensuite 100mL de riz pour en avoir 4000.

2) Analogie en chimie :

* Peser un clou en fer m_clou =

Un atome de fer a un nombre de nucléons A de 56. m_nucléon = 1,67.10^-27 kg.

Les électrons ont une masse négligeable (2000 fois plus légers que les nucléons), on les néglige.

Calculer la masse d'un atome de fer : m_atome = A x m_nucléons = 56 x 1,67.10^-27 = 9,35.10^-26 kg

Calculer le nombre N d'atomes de fer dans le clou :

N = m_clou / m_atome = 23,6.10^-3 / 9,35.10^-26 = 2,5.10²³atomes = 250 000 000 000 000 000 000 000 at

3) La mole :

Le nombre des atomes étant énorme, on les regroupe par paquet (ensemble) appelé mole.

Le nombre d'espèces chimiques présentes dans une mole est appelé nombre d'Avogadro, noté N_A

N_A = 6,02.10²³ mol^-1

Ce nombre correspond au nombre d'atomes de carbone présents dans 12 g de carbone 12.

4) Masse molaire :

C'est la masse d'une mole d'atomes. Sa valeur est connue et constante pour chaque atome.

M_H = 1,00g.mol^-1 ; M_C = 12,0 g.mol^-1 ; M_O = 16 g.mol^-1 ; M_Cl = 35,5 g.mol^-1 ; M_Na = 23,0 g.mol^-1

Calculer les masses molaires des espèces suivantes : eau , gaz carbonique, sel , sucre.

M_H2O = 2 M_H + M_O = 2 x 1,00 + 16,0 = 18,0 g.mol^-1

M_CO2 = 2 M_O + M_C = 2 x 16,0 + 12,0 = 44,0 g.mol^-1

M_NaCl = M_Na + M_Cl = 23,0 + 35,5 = 58,5 g.mol^-1

M(C₁₂H₂₂O₁₁) = 12 M_C + 22 M_H + 11 M_O = 12 x 12,0 + 22 x 1,00 + 11 x 16,0 = 342 g.mol^-1

II ) Préparation d'une quantité de matière donnée :

1) Relation entre la masse m_X , la quantité de matière n_X et la masse molaire M_X.

masse (g) = quantité de matière (mol) x masse molaire (g.mol^-1)

m_X = n_X . M_X

2) Préparation d'une quantité de solide :

* Préparer 0,10 mol de sel

m_NaCl = n . M = 0,10 x 58,5 = 5,85 g

* Préparer 0,10 mol de sucre

m(C₁₂H₂₂O₁₁) = n . M = 0,10 x 342 = 34 g

3) Préparer une quantité de liquide :

Méthode 1 : Préparer 0,20 mol d'eau en mesurant sa masse avec une balance.

m_H2O = n . M = 0,20 x 18,0 = 3,6 g. On pèse ensuite cette masse d'eau.

Méthode 2 : Préparer 0,20 mol d'eau en mesurant son volume avec une éprouvette graduée.

On utilise une grandeur caractéristique d'un liquide pur : la masse volumique ρ :

masse volumique (kg.L^-1) = masse (kg) / volume(L) ; ρ = m / V

ρ_eau = 1,0 kg.L^-1 = 1,0 g.L^-1 ; V_eau = m_eau / ρ_eau = 3,6 / 1,0 = 3,6 mL

On mesure ensuite ce volume d'eau avec une éprouvette graduée adaptée (5mL)

La préparation d'une quantité de gaz sera étudiée dans un autre TP

III ) Déterminer une quantité de matière

1) Pour un solide :

* Déterminer la quantité de matière n_Cu de métal cuivre dans une plaque de cuivre

On pèse la plaque de cuivre. m_Cu = 18 g . On utilise la masse molaire M_Cu = 63,5 g.mol^-1

n_Cu = m / M = 18 / 63,5 = 0,28 mol

On ne peut pas utiliser le volume d'un solide car il est plus difficile à mesurer.

2) Pour un liquide :

Méthode 1 : Déterminer la quantité de matière n_éthanol d'éthanol dans 10 mL avec une balance.

On pèse 10 mL d'éthanol (mesuré avec une éprouvette). m(C₂H₆O) = 7,9 g

M(C₂H₆O) = 2 M_C + 6 M_H + M_O = 2 x 12,0 + 6 x 1,00 + 16,0 = 46,0 g.mol^-1

n(C₂H₆O) = m / M = 7,9 / 46 = 0,17 mol

Méthode 2 : Déterminer la quantité de matière n_éthanol d'éthanol dans 20 mL sans balance.

On mesure 10 mL avec une éprouvette.

masse volumique : ρ( C₂H₆O) = 0,79 g.mL^-1

m(C₂H₆O) = ρ . V = 0,79 x 10 = 7,9 g ; n(C₂H₆O) = m / M = 7,9 / 46 = 0,17 mol