Préparer des soluions (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Définir une solution, un soluté, un solvant et distinguer les différents types de solutions (aqueuses, alcooliques, huileuses, etc.). - Calculer la concentration d’une solution en masse/volume, en pourcentage massique, en molarité et en normalité selon le contexte professionnel. - Préparer une solution de concentration connue en suivant une procédure gravimétrique ou volumétrique, en respectant les règles de métrologie, de sécurité et d’hygiène. - Vérifier la conformité d’une préparation par des contrôles simples (densité, pH, conductivité) et consigner les résultats dans un registre de suivi. - Intégrer ces compétences dans une situation professionnelle typique (laboratoire d’analyse, atelier de formulation, service de maintenance industrielle). **Prérequis nécessaires :** - Notions de base de la chimie générale (atomes, molécules, masse molaire, équation de la conservation de la masse). - Manipulation de verre de mesure (pipettes, burettes, flacons jaugés) et connaissance des unités du Système International (g, L, mol, °C). - Règles d’hygiène et de sécurité en milieu de travail (port des EPI, manipulation des produits dangereux, étiquetage selon le système GHS). --- ## Introduction contextualisée Dans de nombreux secteurs d’activité au Cameroun – agroalimentaire, pharmaceutique, traitement de l’eau, BTP, maintenance industrielle – la préparation de solutions constitue une opération quotidienne. Que ce soit pour réaliser un contrôle de qualité sur un produit fini, ajuster la concentration d’un agent de nettoyage, ou préparer un réactif pour une analyse en laboratoire, la maîtrise de la préparation des solutions garantit la fiabilité des résultats, la sécurité des opérateurs et le respect des normes réglementaires (arrêté n° 001/MINESEC du 12 janvier 2022 relatif aux bonnes pratiques de laboratoire). Ce chapitre s’inscrit dans la logique de l’approche par compétences : l’élève ne se contente pas de mémoriser des définitions, il apprend à **planifier**, **exécuter** et **vérifier** une préparation en s’appuyant sur des procédés normalisés, des outils de mesure adaptés et une démarche de traçabilité. --- ## I. Préparation des solutions (Leçon 12) ### 1. Définitions et notions de base > **Solution** : mélange homogène à l’échelle moléculaire d’un ou plusieurs solutés dispersés dans un solvant. > **Soluté** : substance dissoute (ex. : NaCl, glucose, acide sulfurique). > **Solvant** : milieu qui dissout le soluté (ex. : eau distillée, éthanol, huile minérale). > **Concentration** : quantité de soluté présente dans une quantité donnée de solution. Les unités les plus rencontrées en milieu professionnel sont : | Type de concentration | Symbole | Unité | Formule de calcul | |-----------------------|---------|-------|-------------------| | Masse/volume | C_m/V | g L⁻¹ | m (g) / V (L) | | Pourcentage massique | % m/m | % | (m_soluté / m_solution) × 100 | | Pourcentage volume/volume | % v/v | % | (V_soluté / V_solution) × 100 | | Molarité | M | mol L⁻¹ | n (mol) / V (L) | | Normalité | N | eq L⁻¹ | n_eq (eq) / V (L) | > **Masse molaire (M)** : masse d’une mole d’une substance, exprimée en g mol⁻¹, obtenue à partir de la table périodique. > **Équivalent (eq)** : quantité de soluté qui réagit avec une mole d’ions H⁺ (ou OH⁻) dans une réaction acide‑base, ou qui transfert un mole d’électrons dans une réaction d’oxydoréduction. ### 2. Types de solutions rencontrés en atelier - **Solution aqueuse** : solvant eau (ex. : solution de NaCl 0,9 % m/m utilisée pour le lavage des équipements). - **Solution alcoolique** : solvant éthanol ou isopropanol (ex. : désinfectant 70 % v/v). - **Solution huileuse** : solvant huile minérale ou végétale (ex. : lubrifiant dilué à 5 % v/v pour le contrôle de viscosité). - **Solution tampon** : mélange d’un acide faible et de sa base conjuguée pour maintenir un pH constant (ex. : tampon phosphate pH 7,0). ### 3. Calcul de la concentration – méthode pas à pas **Objectif** : préparer 250 mL d’une solution de NaCl à 0,9 % m/m. 1. **Déterminer la masse de soluté nécessaire** : \[ m_{\text{NaCl}} = \frac{\%\,m/m}{100} \times m_{\text{solution}} \] La masse de la solution approximée par son volume (densité de l’eau ≈ 1 g mL⁻¹) : \[ m_{\text{solution}} \approx 250 \text{g} \] Donc : \[ m_{\text{NaCl}} = \frac{0,9}{100} \times 250 = 2,25 \text{g} \] 2. **Peser 2,25 g de NaCl** à l’aide d’une balance analytique (précision 0,01 g). 3. **Transférer le NaCl** dans un flacon jaugé de 250 mL, ajouter de l’eau distillée jusqu’à la moitié du volume, agiter pour dissolution complète, puis compléter jusqu’à la marque de 250 mL avec de l’eau distillée. 4. **Étiqueter** le flacon : « NaCl 0,9 % m/m – préparé le jj/mm/aaaa – opérateur : X ». > **Règle de métrologie** : la masse pesée doit être enregistrée avec l’incertitude de la balance (ex. : ±0,01 g) et reportée dans le registre de préparation. ### 4. Préparation gravimétrique vs volumétrique | Critère | Préparation gravimétrique | Préparation volumétrique | |---------|---------------------------|--------------------------| | Principe | Masse du soluté pesée, volume de la solution ajusté | Volume de soluté mesuré (pipette, burette) puis dilution | | Précision | Dépend de la précision de la balance (souvent meilleure pour les solides) | Dépend de la précision du verre de mesure (pipette jaugée, burette) | | Adapté à | Solutés solides, liquides visqueux, préparations à forte concentration | Solutés liquides volatils, préparations à faible concentration, titrages | | Exemple professionnel | Préparation d’une solution d’acide citrique 10 % m/m pour le nettoyage des cuves | Préparation d’une solution d’HCl 0,1 M pour l’étalonnage d’un pH‑mètre | ### 5. Normes de sécurité, d’hygiène et de traçabilité - **Équipement de protection individuelle (EPI)** : blouse de laboratoire, lunettes de sécurité, gants nitrile (résistants aux produits chimiques). - **Manipulation des produits dangereux** : consulter la Fiche de Données de Sécurité (FDS) avant toute utilisation ; respecter les pictogrammes GHS (ex. : corrosion, toxicité). - **Étiquetage** : chaque récipient doit porter le nom du produit, la concentration, la date de préparation, le nom de l’opérateur et le numéro de lot. - **Nettoyage** : rincer le verre à l’eau distillée après usage ; éliminer les déchets selon la filière appropriée (déchets chimiques dangereux → conteneur jaune). - **Contrôle de conformité** : mesurer la densité avec un densimètre ou un pycnomètre ; vérifier le pH avec un pH‑mètre étalonné ; réaliser un test de conductivité si la solution est électrolyte. > **Point de contrôle** : toute déviation supérieure à ±5 % par rapport à la valeur théorique déclenche une reprise de la préparation. --- ## II. Activités d’intégration ### 1. Mise en situation professionnelle **Contexte** : Vous travaillez au service de contrôle qualité d’une usine de production de jus de fruits située à Douala. Votre tâche consiste à préparer quotidiennement une solution d’acide citrique à 5 % m/m utilisée pour ajuster l’acidité du produit fini avant la pasteurisation. **Objectif de l’activité** : réaliser la préparation, effectuer les contrôles de conformité et consigner les résultats dans le registre de suivi, en appliquant les démarches apprises au chapitre I. ### 2. Déroulement pas à pas (à réaliser en atelier ou en simulation) | Étape | Action | Détails techniques | |-------|--------|--------------------| | 1 | **Lecture de la FDS** de l’acide citrique | Vérifier les risques d’irritation cutanée et oculaire ; prévoir lunettes et gants. | | 2 | **Calcul de la masse nécessaire** | Pour 1 L de solution à 5 % m/m : m = 0,05 × 1000 g = 50 g d’acide citrique. | | 3 | **Pesée** | Peser 50,0 g d’acide citrique sur une balance analytique (incertitude ±0,01 g). | | 4 | **Dissolution** | Transférer le solide dans un bécher de 1 L, ajouter 500 mL d’eau distillée, agiter jusqu’à dissolution complète. | | 5 | **Quantité finale** | Transférer la solution dans un flacon jaugé de 1 L, compléter avec de l’eau distillée jusqu’à la marque. | | 6 | **Étiquetage** | « Acide citrique 5 % m/m – préparé le 03/11/2025 – opérateur : Y – lot AC‑2025‑11‑03 ». | | 7 | **Contrôle de densité** | Mesurer la densité à 20 °C avec un pycnomètre ; valeur théorique ≈ 1,020 g mL⁻¹. Acceptable si 1,019–1,021 g mL⁻¹. | | 8 | **Contrôle de pH** | Mesurer le pH avec un pH‑mètre étalonné (tampons pH 4,0 et 7,0) ; attendu entre 2,2 et 2,4. | | 9 | **Enregistrement** | Reporter masse pesée, densité, pH, date, opérateur, observations dans le registre de préparation (format papier ou numérique). | | 10 | **Nettoyage** | Rincer le bécher et le flacon à l’eau distillée, sécher à l’air, ranger le matériel. | ### 3. Compétences mobilisées - **C1** : Interpréter une FDS et appliquer les mesures de prévention. - **C2** : Réaliser un calcul de masse à partir d’une concentration en pourcentage massique. - **C3** : Manipuler le verre de mesure avec précision et respecter les bonnes pratiques de pipetage. - **C4** : Effectuer des contrôles physico‑chimiques (densité, pH) et interpréter les résultats par rapport à une norme. - **C5** : Rédiger un compte‑render de traçabilité conforme aux exigences du référentiel qualité (ISO 9001, Bonnes Pratiques de Fabrication). ### 4. Retour d’expérience et amélioration continue Après chaque série de préparations, l’équipe effectue une revue hebdomadaire : écarts moyens, causes possibles (balance mal tarifiée, température ambiante affectant la densité), actions correctives (étalonnage de la balance, utilisation d’un bain thermostaté à 20 °C pour les mesures). Cette boucle PDCA (Plan‑Do‑Check‑Act) renforce la maîtrise du procédé et la conformité aux exigences du client. --- ## Synthèse du chapitre - Une **solution** est un mélange homogène de soluté(s) dans un solvant. - Les concentrations s’expriment en **masse/volume (g L⁻¹)**, **% m/m**, **% v/v**, **molarité (mol L⁻¹)** ou **normalité (eq L⁻¹)**. - Pour préparer une solution à concentration connue : 1. Calculer la masse ou le volume de soluté nécessaire. 2. Peser ou mesurer le soluté avec l’appareil adapté. 3. Dissoudre dans une partie du solvant, puis compléter jusqu’au volume final. - Le choix entre préparation **gravimétrique** (masse) et **volumétrique** (volume) dépend de la nature du soluté et de la précision requise. - La **sécurité** implique le port d’EPI, la consultation des FDS, un étiquetage clair et le respect des procédures d’élimination des déchets. - Le **contrôle de qualité** passe par la mesure de la densité, du pH ou de la conductivité, comparée à des valeurs de référence. - La **traçabilité** (date, opérateur, lot, résultats des contrôles) est obligatoire pour toute préparation en milieu professionnel. - L’amélioration continue s’appuie sur le suivi des écarts, l’étalonnage régulier des instruments et la revue des pratiques (PDCA). --- ## Glossaire - **Solution** : mélange homogène d’un ou plusieurs solutés dans un solvant. - **Soluté** : substance dissoute dans le solvant. - **Solvant** : milieu qui dissout le soluté (souvent eau, alcool, huile). - **Concentration** : quantité de soluté exprimée par unité de volume ou de masse de solution. - **Masse/volume (C_m/V)** : grammes de soluté par litre de solution (g L⁻¹). - **Pourcentage massique (% m/m)** : (masse soluté / masse solution) × 100. - **Molarité (M)** : moles de soluté par litre de solution (mol L⁻¹). - **Normalité (N)** : équivalents de soluté par litre de solution (eq L⁻¹). - **Équivalent (eq)** : quantité de substance qui réagit avec une mole d’ions H⁺ (ou OH⁻) ou transfert un mole d’électrons. - **FDS** : Fiche de Données de Sécurité, document informant sur les risques et les précautions d’emploi d’un produit chimique. - **EPI** : Équipement de Protection Individuelle (blouse, lunettes, gants). - **PDCA** : Plan‑Do‑Check‑Act, cycle d’amélioration continue. - **Densité** : masse par unité de volume (g mL⁻¹ ou kg L⁻¹). - **pH** : mesure de l’acidité ou de la basicité d’une solution aqueuse. - **Conductivité** : capacité d’une solution à conduire un courant électrique, liée à sa teneur en ions. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Préparation gravimétrique **Consigne** : Vous devez préparer 500 mL d’une solution de sulfate de cuivre(II) pentahydraté (CuSO₄·5H₂O) à 2 % m/m. 1. Calculer la masse de CuSO₄·5H₂O nécessaire. 2. Décrire les étapes de préparation, en incluant les contrôles de densité et de conductivité attendus (densité théorique ≈ 1,010 g mL⁻¹ à 20 °C ; conductivité attendue ≈ 12 mS cm⁻¹ pour cette concentration). 3. Indiquer les informations à porter sur l’étiquette du flacon. **Corrigé** 1. Masse de solution ≈ 500 g (densité de l’eau ≈ 1 g mL⁻¹). Masse de soluté = (2 / 100) × 500 g = **10,0 g** de CuSO₄·5H₂O. 2. **Procédure** : - Peser 10,0 g de CuSO₄·5H₂O sur une balance analytatique (précision ±0,01 g). - Transférer le solide dans un bécher de 250 mL, ajouter 250 mL d’eau distillée, agiter jusqu’à dissolution complète (le solide se dissocie en Cu²⁺ et SO₄²⁻, libération d’énergie thermique légère). - Transférer la solution dans un flacon jaugé de 500 mL, rincer le bécher avec de petites quantités d’eau distillée et ajouter les rinçages au flacon. - Compléter avec de l’eau distillée jusqu’à la marque de 500 mL, agiter doucement. - **Contrôle de densité** : mesurer à 20 °C avec un pycnomètre ; valeur acceptée entre 1,008 et 1,012 g mL⁻¹. - **Contrôle de conductivité** : utiliser un conductimètre étalonné ; valeur attendue entre 10 et 14 mS cm⁻¹ (variation due à la température ; corriger à 20 °C si nécessaire). 3. **Étiquetage** : ``` CuSO₄·5H₂O 2 % m/m Volume : 500 mL Masse pesée : 10,0 g Date de préparation : 03/11/2025 Opérateur : Z Lot : CU‑2025‑11‑03 ``` ### Exercice 2 – Préparation volumétrique et contrôle de pH **Consigne** : Préparer 250 mL d’une solution d’acide acétique glacial à 0,1 M. L’acide acétique glacial possède une densité de 1,05 g mL⁻¹ et une masse molaire de 60,05 g mol⁻¹. 1. Déterminer le volume d’acide acétique à prélever. 2. Décrire la méthode de dilution, les précautions de manipulation et le contrôle de pH attendu (pH ≈ 2,9 à 25 °C). 3. Que faire si le pH mesuré est supérieur à 3,2 ? **Corrigé** 1. **Calcul du volume** : - Moles nécessaires = Molarité × Volume (L) = 0,1 mol L⁻¹ × 0,250 L = 0,025 mol. - Masse d’acide acétique nécessaire = n × M = 0,025 mol × 60,05 g mol⁻¹ = 1,501 g. - Volume à prélever = masse / densité = 1,501 g / 1,05 g mL⁻¹ ≈ **1,43 mL**. 2. **Méthode** : - Dans une hotte à flux laminaire, prélever 1,43 mL d’acide acétique glacial à l’aide d’une pipette jaugée de 2 mL (précision ±0,02 mL). - Transférer le volume dans un bécher de 150 mL contenant environ 150 mL d’eau distillée. - Agiter doucement (éviter les éclaboussures, l’acide est corrosif et volatil). - Transférer le mélange dans un flacon jaugé de 250 mL, rincer le bécher avec de petites quantités d’eau distillée et ajouter les rinçages au flacon. - Compléter jusqu’à la marque de 250 mL avec de l’eau distillée, agiter pour homogénéiser. - **Précautions** : porter lunettes de sécurité, gants nitrile et blouse ; travailler sous hotte ; éviter l’inhalation des vapeurs. - **Contrôle de pH** : mesurer avec un pH‑mètre étalonné (tampons pH 4,0 et 7,0) ; valeur attendue entre 2,8 et 3,0 à 25 °C. 3. **Si pH > 3,2** : - Vérifier que le volume d’acide prélevé est bien celui calculé (possibilité d’erreur de pipetage). - Si le volume est correct, ajouter progressivement de l’acide acétique glacial (à l’aide d’une micropipette de 10 µL) tout en remuant et en re‑mesurant le pH après chaque ajout jusqu’à atteindre la cible (2,8‑3,0). - Noter le volume d’acide ajouté en correction dans le registre. - Si le pH reste trop élevé malgré plusieurs ajouts, envisager une nouvelle préparation en contrôlant la densité de l’acide utilisé (possible dégradation ou dilution accidentelle). --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | **Oublier de tare la balance** avant de peser le soluté | Masse erronée → concentration hors spécifications | Toujours tare la balance avec le récipient vide avant chaque pesée ; vérifier l’étalonnage hebdomadaire. | | 2 | **Utiliser une pipette non jaugée** pour transférer un volume d’acide concentré | Sous‑ ou surdosage → pH ou toxicité inattendus | Utiliser exclusivement des pipettes jaugées de classe A ; vérifier l’absence de bulles d’air avant la lecture. | | 3 | **Ne pas porter de lunettes de sécurité** lors de la manipulation d’acide ou de base forte | Risque de projection oculaire → lésions irréversibles | Le port de lunettes de sécurité est obligatoire dès l’ouverture du flacon de produit corrosif. | | 4 | **Ajouter le soluté directement dans le volume final** sans étape de pré‑dilution | Chauffe localisée, projection, dissolution incomplète | Toujours dissoudre le soluté dans une partie du solvant (environ 50 % du volume final) avant de compléter jusqu’à la marque. | | 5 | **Ne pas étiqueter le récipient préparé** | Perte de traçabilité, risque d’utilisation d’une solution inconnue | Étiqueter immédiatement après préparation : nom, concentration, date, opérateur, lot, éventuels dangers (pictogrammes GHS). | | 6 | **Stocker la solution préparée à la lumière directe** (ex. : solution d’hypochlorite) | Dégradation du produit actif, perte d’efficacité | Conserver les solutions sensibles à la lumière dans des flacons opaques ou à l’abri de la lumière, à la température recommandée (souvent 4‑25 °C). | --- *Fin du cours.*