Cours 1 Solvants & Solutions PDF

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Dr ABED.A 27/09/2023 Département de Pharmacie Laboratoire de Chimie Analytique Solvants & Solutions Dr ABED.A 1 Plan du cours Introduction Terminologie Classification des solvants Dissolution Expression des concentrations Solutions d’électrolytes 2 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 1 Dr ABED.A 27/09/2023 Introduction Les réactions chimiques envisagées en chimie analytique : ü Concernent les mélanges (homogènes ou hétérogènes) ü Ont lieu en phase liquide (milieu aqueux)…pour la plupart Intérêt de l’étude des solvants et des solutions 3 Terminologie Solution ? Solvant? Soluté ? Moment dipolaire ? 4 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 2 Dr ABED.A 27/09/2023 Terminologie Solutions : Phase homogène liquide ou solide comprenant une espèce largement prédominante appelé solvant et un ou plusieurs constituants minoritaires appelés solutés. Exemple : solution aqueuse de chlorure de sodium (NaCl) → Solvant : eau. → Soluté :NaCl. 5 Terminologie Une solution peut exister sous différents états (gaz, liquide, solide) résumés dans le tableau suivant : Etat de la solution Etat du soluté Etat du solvant exemples gaz gaz gaz -air -gaz naturel liquide liquide liquide -éthanol à 96℅ liquide gaz liquide -eau gazeuse liquide solide Liquide -solution de sucre -eau de mer solide solide solide -acier solide gaz solide -hydrogène dans du platine 6 Tableau I : différents états de solution Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 3 Dr ABED.A 27/09/2023 Terminologie Soluté : Corps (gaz, liquide, solide) à dissoudre dans le solvant. Il est formé d’un ensemble de particules (ions, molécules) associées entres elles par des liaisons qui peuvent être : covalentes, ioniques ou datives. Solvant : Composé (gaz, liquide, solide) dans lequel des substances appelées solutés sont dissoutes ou dispersées jusqu’a l’échelle moléculaire ou ionique. 7 Terminologie Moment dipolaire : Prenons comme exemple une molécule diatomique héteronucléaire "AB", dans laquelle la répartition des charges électroniques n’est pas symétrique par rapport au plan médiateur de l’axe AB. Si B est plus électronégatif que A → la densité du nuage électronique est plus élevée dans la région de B que de A. Molécule HCl μ=δ. l 8 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 4 Dr ABED.A 27/09/2023 Terminologie La molécule HCl est équivalente à un dipôle caractérisé par un moment dipolaire µ qui en est le vecteur. μ=δ. l Il est dirigé arbitrairement du centre des charges négatives vers le centre des charges positives. l : représente la distance internucléaire…..de l’ordre de l’angström soit 10-10 cm Unité de μ : DEBYE → Abréviation : D 9 Conséquences de cette Notion : On peut classer les molécules (soluté et solvant) selon leur moment dipolaire en : Molécules polaires ou dipolaires : Dont le moment dipolaire est permanent ;il résulte de la distribution non symétrique des charges. Molécules apolaires ou non polaires : Dont le moment dipolaire est nul en raison de la symétrie du nuage électronique. Les molécules apolaires sont représentées par : ü Molécules symétriques ou toutes les forces s’annulent…CCl4 ü Hydrocarbures aliphatiques et alicycliques. ü Molécules homonucléaires monoatomiques. exemples : Ar , He… ü Molécules homonucléaires polyatomiques exemples : Cl2 ,O2 , N2…. 10 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 5 Dr ABED.A 27/09/2023 Exemples : molécules polaires H d+ µ µ C Cl d- H Cl Cl d- Cl d- H O µ H 11 Exemples : molécules apolaires Cl Cl molécules homonucléaires polyatomiques Cl d- d- 2d+ d- C 4d+ O C O Cl d- µ -µ Cl d- Cl d- molécule symétrique 12 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 6 Dr ABED.A 27/09/2023 Plan du cours Introduction Terminologie Classification des solvants Dissolution Expression des concentrations Solutions d’électrolytes 13 Classification des solvants Ø Selon la structure chimique. Ø Selon les propriétés physiques. Ø Selon les interactions spécifiques avec le soluté. Ø Selon le pouvoir dissociant. Ø Selon le caractère acido-basique. 14 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 7 Dr ABED.A 27/09/2023 Classification des solvants L’intérêt de cette classification réside dans le fait qu’un solvant dissout bien plus facilement un composé qui renferme des groupements fonctionnels identiques ou analogues. "Un semblable dissout son semblable" 15 Classification des solvants A- Selon la structure chimique : a-1- solvants hydroxylés : ils sont voisins de l’eau par leur groupement –OH Exp : les alcools, les acides carboxyliques ,les phénols a-2- solvants oxygénés : ils présentent une hydrophilie moins importante que le groupe des hydroxyles. Exp : les éther oxydes ,les esters, les cétones, les acétals, les sulfoxydes… a-3- solvants azotés : Exp: les amides, les amines, les nitriles… 16 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 8 Dr ABED.A 27/09/2023 Classification des solvants A- Selon la structure chimique : a-4- les solvants halogénés : Ce sont des composés hydrophobes, peu solubles dans l’eau mais pouvant encore se mélanger aux alcools. a-5- les hydrocarbures : -Aromatiques : benzène, toluène mais qui sont remplacés à cause de leur toxicité par le cyclohexane -Aliphatiques : ils sont hydrophobes tel que l’hexane, heptane 17 Classification des solvants B- Selon les propriétés physiques : b-1- leur point d’ébullition : ü solvants à bas point d’ébullition (Eb 150°C) b-2- leur volatilité : Elle est rapportée à l’éther dont l’indice de volatilité est de 1 à 20°C. ü solvants très volatils (indice de volatilité < 10) ü solvants moyennement volatils (indice de volatilité compris entre 10 et 35) ü solvants peu volatils (indice de volatilité > 35) 18 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 9 Dr ABED.A 27/09/2023 Classification des solvants B- Selon les propriétés physiques : b-3- leur viscosité ü solvants fluides (viscosité dynamique < 2 centipoises a 20°C) ü solvant de viscosité intermédiaires (viscosité dynamique de 2 a 10 cp) ü solvants visqueux (viscosité dynamique >10cp) b-4- leur polarité Solvants polaires et apolaires. b-5- leur constante diélectrique ou permittivité relative :ε Cette constante exprime le pouvoir diélectrique ou isolant du solvant. →La constante diélectrique indique la capacité d'un solvant à séparer les charges 19 solvant Point de fusion Point d’ébullition Permittivité Moment dipolaire (°C) (°C) Relative (D) acétone -95.3 56.2 20.7 2.7 Acide acétique 16.6 118.5 6.2 1.25 ammoniac -75 -33 22.4 1.47 aniline -6 184.4 7 1.55 benzène 5.5 80.1 2.3 0 eau 0 100 78.5 1.8 éthanol -117.3 78.3 24.3 1.7 éther -116 34.6 4.2 1.25 méthanol -97.8 65 32.6 1.65 Sulfure de -112 46.2 2.6 0 carbone tétrachlométhane -22.9 76.7 2.2 0 Toluène -95 110.6 2.4 0.4 20 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 10 Dr ABED.A 27/09/2023 Classification des solvants C- Selon les interactions spécifiques avec le soluté : C-1. solvants protiques polaires : comportant un hydrogène mobile et un moment dipolaire permanent. C-2. solvants aprotiques polaires : qui ne peuvent donc pas donner de protons mais qui possèdent un moment dipolaire permanent. C-3. solvant aprotiques apolaires : représentés essentiellement par les hydrocarbures et leurs dérivés halogénés. 21 Solvants protiques Solvants ε Cste diélectrique µ moment dipolaire Acide acétique 6.15 1.68 Pentan-3-ol 13.0 1.65 Cyclohexanol 15.0 1.86 Propan-2-ol 19.9 1.65 Ethanol 24.5 1.74 Diéthylèneglycol 31.7 2.31 Méthanol 32.7 1.71 HO-(CH2)2-OH 37.7 2.28 Eau 78.4 1.80 22 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 11 Dr ABED.A 27/09/2023 Solvants aprotiques polaires Solvants ε µ Pyridine 12.4 2.37 Butan-2-one 18.5 5.22 Acétone 20.7 2.86 Ac2O 20.7 2.82 (Me2N)2CO 23.5 3.48 PhCN 25.2 4.05 CH3CH2CN 27.2 3.57 HMPA 29.6 5.55 PhNO2 34.8 4.02 MeNO2 35.9 3.57 DMF 37.0 3.87 MeCN 37.5 3.45 Sulfolane 43.3 4.80 DMSO 46.7 3.90 HCONH2 111 3.36 HCONHMe 182.4 3.87 CH3CONHMe 191.3 4.38 23 Classification des solvants à cette classification, on peut superposer la notion de caractère hydrophile et lipophile ü Les solvants hydrophiles : sont les solvants capables de solubiliser l’eau ; comme l’éthanol ou encore l’acide éthanoïque. ü En général, les solvants protiques sont hydrophiles, car ils établissent des liaisons hydrogènes mixtes avec l’eau. ü Les solvants lipophiles : sont des solvants capables de solubiliser les corps gras ;comme le tétrachlorure de carbone. 24 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 12 Dr ABED.A 27/09/2023 Classification des solvants D-Selon le pouvoir dissociant : Il faut distinguer entre : ü la constante diélectrique du solvant qui conditionne son pouvoir dissociant ü et le moment dipolaire ou de manière générale la polarité du solvant qui n’est pas forcément un caractère des solvants dissociants. En effet ,si certains solvants comme l’eau ( ε =78.5 et μ=1.8D) ont à la fois le caractère polaire et le pouvoir dissociant forts, il en existe d’autres comme l’acide acétique (ε=6.2 et μ=1.25D) qui sont polaires mais très peu dissociant. Le pouvoir dissociant d’unsolvant ne dépend donc pas de sa polarité mais plutôt de sa constante diélectrique. 25 Classification des solvants L’explication est donnée par la loi de Coulomb : Les forces de Coulomb qui lieraient dans le vide deux ions de charges opposées z+ et z- et distant de r , sont données par la loi suivante : Z+ Z- F= r² Une fois dans le solvant de constante diélectrique ε, ces forces d’attraction dues aux interactions électrostatiques entre ions sont divisées par ε →elles sont donc très atténuées, au point que ces ions peuvent être considérés comme indépendants les uns des autres →il y’a donc dissociation Z+ Z- F= lorsque ε ↑, F ↓ ……dissociation. ε r² 26 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 13 Dr ABED.A 27/09/2023 Classification des solvants E- Selon le caractère acido-basique D’après la définition de BRONSTED ,les acides sont des donneurs de protons et les bases des accepteurs de protons. HA A - + H+ Acide base conjuguée D`apres Bronsted les solvants peuvent etre ; -Protogéniques….acides exp: l`acide formique. -Protophiliques…..basiques exp: l`ammoniac -Amphiprotiques….acides ou basiques exp: l`eau 27 Le solvant : EAU L’EAU EST DIPOLAIRE (μ = 1,86 Debye) avec: μ = moment dipolaire permanent 28 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 14 Dr ABED.A 27/09/2023 I. Structure de la molécule d’eau 29 Plan du cours Introduction Terminologie Classification des solvants Dissolution Expression des concentrations Solutions d’électrolytes 30 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 15 Dr ABED.A 27/09/2023 Dissolution Définition C’est le passage d’une substance chimique de l’état ou elle est pure à l’état de solution dans un solvant. 31 Dissolution B. Mécanisme de dissolution 1. La solvatation Interaction énergétique et spatiale entre les particules dissoutes et le solvant → chaque molécule ou ion dissout s’entoure d’une enveloppe de molécules de solvant plus ou moins liées. → coquille de solvata on. 32 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 16 Dr ABED.A 27/09/2023 Dissolution B. Mécanisme de dissolution 2. L’ionisation v Formation de la paire d’ions: AB [A+ B-] Molécule paire d’ions Le pouvoir ionisant du solvant provient de sa capacité d'agir comme accepteur ou donneur d'électrons afin de transformer une liaison covalente en liaison ionique. v Dissociation de la paire d’ions: [ A+ B – ] A+ + B- La constante diélectrique indique la capacité d'un solvant à séparer les charges. 33 Dissolution B. Mécanisme de dissolution 3. La solvolyse: Les ions ainsi séparés se trouvent en vertu de leurs charges entourées d'un nombre de molécules de solvant. Tous les types de liaisons peuvent se rencontrer entre le solvant et les ions. 34 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 17 Dr ABED.A 27/09/2023 Dissolution C. facteurs influençants la dissolution (solubilité) La dissolution dépend de : - La nature de la substance à dissoudre. - La nature du solvant utilisé. - La température. - La pression 35 Dissolution C. facteurs influençants la dissolution (solubilité) 1. Influence de la structure: La structure moléculaire détermine la polarité d'un composé (soluté ou solvant). La solubilité est favorisée si le soluté et le solvant ont la même polarité. Vitamine C Vitamine A Polaire → hydrosoluble apolaire → liposoluble 36 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 18 Dr ABED.A 27/09/2023 Dissolution C. facteurs influençants la dissolution (solubilité) 2. Influence de la température: cas des solides Ø Si réaction endothermique : T° augmente → solubilité augmente Ø Si réaction exothermique : T° augmente → solubilité diminue 37 Plan du cours Introduction Terminologie Classification des solvants Dissolution Expression des concentrations Solutions d’électrolytes 38 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 19 Dr ABED.A 27/09/2023 Expression des concentrations Concentration: Expression de la composition quantitative d’une solution → définitions qui établissent un rapport numérique entre la quantité de soluté et celles de la solution ou du solvant. 39 Expression des concentrations a- Concentration pondérale: (m/m) masse de soluté C= masse de solution obtenue b- Concentration volumique: (m/V) masse du soluté (g) C= volume de la solution c- Concentration molaire ou molarité : (n/V) Nombre de moles de soluté C= volume de solution 40 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 20 Dr ABED.A 27/09/2023 Expression des concentrations 41 Expression des concentrations 42 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 21 Dr ABED.A 27/09/2023 Expression des concentrations d- molalité : (mol/ Kg) Elle exprime la quantité de soluté (mol) contenue dans 1000 g de solvant. e- fraction molaire: C’est le rapport entre le nombre de moles d'un composant donné et le nombre total de moles présentes dans la solution: n1 c1 = S ni 43 F. Normalité : (équivalent gramme Eq.g/ L) La normalité N exprime le nombre d'équivalents -grammes de soluté par litre de solution. Définition de l'équivalent : L’équivalent -gramme est la quantité de substance comprenant une mole des particules considérées. La masse de l'équivalent d'un composé et sa normalité sont calculées selon la réaction chimique à laquelle il participe. Pour un ion c’est le quotient de sa masse par son électrovalence : Ag+ Mr = 107,88 g......... équiv = 107,88 g Cu2+ Mr = 63,57 g............équiv = 63,57 /2 g S042- Mr = 96 g………..équiv = 96 /2 g 44 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 22 Dr ABED.A 27/09/2023 Exemples : En acidimétrie : 1 équivalent = masse de substance qui peut échanger une mole d’ion H+ HCL ……Eq = MHCL H2SO4………Eq = MH2SO4 /2 En oxydoréduction : 1 équivalent = masse de substance qui correspond à l’échange d’une mole d’électrons. + 5 e-………en milieu acide………Eq = M / 5 Mn+7 +3 e- ………en milieu basique…….Eq = M / 3 45 G- Les concentrations en pourcentage m/m m/V v/V La concentration massique en pourcentage: %(m/m) C'est le nombre de "grammes" de substance dissoute dans 100g de solution. masse de soluté %(m/m) = × 100 masse de solution obtenue 46 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 23 Dr ABED.A 27/09/2023 G- Les concentrations en pourcentage La concentration en partie par millions : ppm m/m pour les solutions diluées masse soluté C (ppm) = × 106 masse de solution La concentration en partie par billions : ppb pour les solutions encore plus diluées masse soluté C (ppb) = × 109 masse de solution 47 G- Les concentrations en pourcentage m/V La concentration volumique en pourcentage: %(m/v) C'est le nombre de grammes de substance dissoute dans 100ml de solution. masse du soluté %(m/v)= × 100 volume de la solution 48 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 24 Dr ABED.A 27/09/2023 Le pourcentage volumique: v/V Pour les solutions liquide-liquide C'est le nombre de millilitres de soluté liquide dans 100ml de solution. volume du soluté %(v/v)= × 100 volume de la solution 49 Plan du cours Introduction Terminologie Classification des solvants Dissolution Expression des concentrations Solutions d’électrolytes 50 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 25 Dr ABED.A 27/09/2023 Force ionique Force ionique = elle permet d’apprécier l’encombrement ionique d’une solution. Elle est définit en fonction des charges des différents ions et de leurs concentrations : I = ½ ( CaZa2 + CbZb2 +…………CnZn2) = ½ Σ Ci Zi2 Zi : charge de l’ion. Ci : concentration molaire de l’ion. Remarque= lorsque la force ionique n’est pas négligeable dans l’expression des constantes d’équilibres, la concentration ionique doit être remplacée par l’Activité. 51 Concept d’activité Les ions en solution ne peuvent être considérés comme des entités isolées. Leur comportement est influencé par les ions voisins, présence d’interactions ioniques. Ces interactions varient avec l’entourage de l’ion. Elles dépendent de la concentration < C > de l’ion mais aussi de la nature de l’électrolyte. Pour tenir compte de ces influences on a introduit le concept d’activité de l’ion, et la notion de la force ionique. Activité: théorie de Debye et Huckel 52 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 26 Dr ABED.A 27/09/2023 Concept d’activité Activité d’un ion < a > = par définition l’activité d’un ion est donnée par la relation suivante : Activité: théorie de Debye a = γ.c et Huckel a = activité de l’ion c = concentration de l’ion. γ = coefficient d’activité γ≤1 -le coefficient d’activité γ mesure l’interaction des ions. -la valeur de γ tend vers 1 lorsque les solutions sont très diluées. Dans ce cas on peut confondre activité et concentration. 53 Calculs du coefficient d’activité 54 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 27 Dr ABED.A 27/09/2023 Merci de votre attention 55 Laboratoire de Chimie Analytique. Département de Pharmacie Oran 28