La quantité de matière : La mole

La quantité de matière : La mole

كمية المادة : المول

Pour pratiquer la chimie, les chimistes doivent dénombrer le nombre d’atomes, d’ions ou de molécules appelés entités chimiques (échelle microscopique) présentes dans les échantillons de matière qu’ils manipulent à échelle macroscopique. Mais parce qu’il est difficile de compter ces entités chimiques, les chimistes ont inventé une unité convenable appelée mole.

Qu’est-ce qu’une mole ?

Comment peut-on calculer la quantité de matière d’une substance chimique ? 1 paquet=1 mole

Pour déterminer le nombre d’atomes de fer présents dans un clou de fer, on mesure sa masse par une balance électronique. On obtient m = 1 g.
On considère que le clou ne contient que des atomes de fer 5626Fe.

données : Les protons et les neutrons ont des masses presque égales mp ≈ mn ≈ 1,66 · 10−27 kg

  1. 1) Calculer la masse approchée d’un atome de fer 5626Fe.
  2. 2) Déduire N le nombre d’atomes de fer présents dans le clou.
  3. 3) Si on comptait ces atomes au rythme de 1 par seconde, combien de temps durerait le dénombrement ? Conclure.
  4. 4) On considère un ensemble de paquets de papier (contenant chacun 500 feuilles)
       4.1 Calculer le nombre de feuilles dans cet échantillon (5 paquets).
       4.2 Que remarquez-vous ?
  5. 5) Que suggérez-vous pour calculer le nombre d’atomes N de fer présents dans le clou précédent ?

La mole est définie comme la quantité de matière d’un système contenant exactement 6,022 140 76 · 1023 entités chimiques (atomes, molécules, ions, électrons, …).

Remarque :

Le nombre 6,022 140 76 · 1023 porte le nom du nombre d’Avogadro, et à partir de ce nombre, on définit la constante d’Avogadro : NA = 6,02 · 1023 mol−1

La quantité de matière d’un système est le nombre de moles que contient ce système, c’est une grandeur notée n, son unité est la mole (mol).

La quantité de matière n d’un échantillon qui contient N entités chimiques identiques est donnée par la relation suivante :

n=NNAn=\dfrac{N}{N_{A}}

N : Le nombre d’entités chimiques
NA : La constante d’Avogadro NA = 6,02 · 1023 mol−1
n : La quantité de matière en (mol)

La masse molaire atomique d’un élément chimique X est la masse d’une mole d’atomes de cet élément chimique. Elle est notée M(X), et son unité est g·mol−1.
Exemple :  M(H) = 1 g·mol−1 ; M(C) = 12 g·mol−1 ; M(O) = 16 g·mol−1

La masse molaire moléculaire est la masse correspondant à une mole de molécules.

Remarque : La masse molaire moléculaire est égale à la somme des masses molaires atomiques des atomes constituant la molécule, son unité est toujours g·mol−1.

Exercice d’application 1 : calculer la masse molaire des molécules suivantes

  • La molécule d’eau : M(H2O) =
  • Le dioxyde de carbone : M(CO2) =
  • Le butane : M(C4H10) =
  • Le saccharose : M(C12H22O11) =
  • L’ammoniac : M(NH3) =

La quantité de matière n(X) d’un échantillon de masse m(X) constitué d’un élément chimique (X) est donnée par la relation :

n(X) = m(X)M(X)

m(X) : La masse de l’échantillon en (g)
M(X) : La masse molaire de l’élément (X) en (g·mol−1)
n(X) : La quantité de matière de l’échantillon en (mol)

Exercice d’application 2

On considère un échantillon de chlorure de sodium NaCl (le sel) de masse m = 10 g.

  1. Calculer la masse molaire de chlorure de sodium NaCl. On donne les masses molaires atomiques : M(Na) = 23 g·mol−1 ; M(Cl) = 35,5 g·mol−1
  2. Calculer la quantité de matière n contenue dans cet échantillon.
  3. Déduire le nombre N des entités NaCl présentes dans cet échantillon.

Le volume molaire d’un gaz est le volume occupé par une mole de ce gaz dans des conditions de pression P et de température T données, il est noté Vm, et il s’exprime en L·mol−1.

Remarque :

  • Le volume molaire Vm dépend de la pression P et de la température T.
  • Dans les conditions ordinaires de la température et de la pression (P = 1 atm ; T = 20 °C) :

Vm = 24 L·mol−1

La quantité de matière d’un gaz (X) de volume V(X) est donnée par la relation :

n(X) = V(X)Vm

V(X) : Le volume du gaz en (L)
Vm : Le volume molaire en (L·mol−1)
n(X) : La quantité de matière du gaz en (mol)

On définit la densité d d’un gaz comme étant le rapport entre la masse volumique du gaz ρgaz et la masse volumique de l’air ρair (ρair = 1,293 kg·m−3), et on écrit :

d = ρgazρair

Remarque :

La densité d est une grandeur sans unité.

On peut définir une formule approchée pour calculer rapidement la densité d d’un gaz par rapport à l’air, cette formule est :

d ≈ Mgaz29

Mgaz : La masse molaire du gaz en (g·mol−1)

On considère une bouteille de volume V = 500 mL remplie avec le dioxygène O2 dans les conditions ordinaires de la température et de la pression.

  1. Calculer la quantité de matière n contenue dans cette bouteille. On donne Vm = 24 L·mol−1
  2. Déduire le nombre N des molécules O2 présentes dans cette bouteille.
  3. Calculer la densité d du gaz dioxygène O2.