■ Des méthodes physiques ont été employées en classe de Seconde pour identifier les espèces chimiques présentes dans le système. En Première, l'interaction entre la lumière et la matière a permis de déterminer certaines caractéristiques de la matière, c'est le principe de la spectroscopie :

• spectroscopie UV-visible avec la loi de Beer-Lambert ;
• spectroscopie IR pour l'identification des liaisons covalentes.

Le lecteur est vivement encouragé à refaire l'étude de ces deux chapitres.

■ Les molécules sont des entités chimiques électriquement neutres. Elles sont formées par des atomes liés entre eux par des liaisons covalentes.
Les ions monoatomiques sont formés par l'ionisation d'un atome. Il se forme un anion, porteur d'une charge électrique de signe négatif, si l'atome gagne un ou plusieurs électrons. C'est par exemple le cas de l'ion fluorure F^-. Il se forme un cation, porteur d'une charge électrique de signe positif, si l'atome perd un ou plusieurs électrons. C'est le cas par exemple de l'ion sodium Na⁺. Il existe également des ions polyatomiques, formés à partir de molécules et porteurs d'une charge électrique non nulle, par exemple les ions sulfate SO₄^2- ou les ions ammonium NH₄⁺.

■ Un courant électrique correspond, à l'échelle microscopique, à un flux de charges électriques. Une molécule, étant neutre, n'y participe pas. Les ions peuvent en revanche conduire le courant en solution.
Hormis les matériaux supraconducteurs, les milieux, même conducteurs, ne conduisent pas le courant de façon absolument idéale. Ils offrent une certaine résistance au passage du courant, qui s'exprime en ohm, comme toute autre résistance électrique.
Plus la conduction du courant est satisfaisante, plus la résistance du milieu est faible.

■ Un dosage par étalonnage est une technique expérimentale par comparaison. Une gamme de solutions est préparée de façon bien connue au laboratoire. Ainsi, un même soluté est dissous en quantités déterminées dans le solvant, produisant un éventail de solutions aux concentrations bien connues. Ces solutions, qui s'apprêtent à servir de références, sont appelées solutions étalons.
Par la suite, une même grandeur physique est mesurée dans chacune de ces solutions. Il peut s'agir de l'absorbance, de la masse volumique, de l'indice de réfraction, etc.
Enfin, cette même grandeur est mesurée dans une dernière solution dont la concentration n'est pas connue et est recherchée. En comparant la dernière mesure avec les précédentes, il est possible de déterminer la valeur inconnue de la concentration recherchée.

■ Les gaz obéissent bien à la loi de Boyle-Mariotte, qui énonce que pour une température donnée, et une quantité de gaz donnée, le produit de la pression `p` du gaz et du volume `V` qu'il occupe est constant : `p\cdotV=cste`.
Le produit d'une pression et d'un volume s'exprime en joules : cette loi est en réalité une loi de conservation de l'énergie contenue dans le gaz, en lien avec son énergie interne.

Il est possible de déterminer la valeur inconnue de la concentration d'un soluté en solution si ce soluté est responsable de la couleur de la solution. Plus le soluté est concentré, plus la couleur est intense. Dans ce cas, la solution absorbe davantage les rayonnements lumineux qui l'éclairent : l'absorbance de la solution est grande.
Dans le cas des solutions diluées, l'absorbance obéit à la loi de Beer-Lambert :

Dans cette loi,

• `A(\lambda)` désigne l'absorbance de l'échantillon de solution lorsqu'il est traversé par un rayonnement de longueur d'onde `\lambda`. C'est une grandeur sans dimension et sans unité ;
• `\lambda` désigne la longueur d'onde du rayonnement qui éclaire l'échantillon de solution ;
• `c` désigne la concentration du soluté dans la solution, souvent exprimée en mol·L^-1 ;
• ℓ désigne l'épaisseur de l'échantillon traversée par le rayonnement, souvent exprimée en cm ;
• `\epsilon(\lambda)` désigne le coefficient d'extinction molaire de la solution, évalué à la longueur d'onde du rayonnement traversant l'échantillon. Il est souvent exprimé en L·mol^-1·cm^-1. C'est une grandeur qui mesure la capacité d'un soluté à fortement colorer ou non une solution, en quelque sorte un pouvoir colorateur.

Dans le cas de plusieurs solutions produites à partir d'un même solvant, d'un même soluté, dont les échantillons de même épaisseur sont traversés par le même rayonnement, la loi de Beer-Lambert indique que l'absorbance est proportionnelle à la concentration du soluté en solution.

Attention toutefois, cette loi n'est valable que pour des solutions diluées : si la valeur de la concentration est trop grande, la couleur de la solution sera trop foncée et le colorimètre va saturer : la valeur mesurée de l'absorbance plafonne, il n'y a plus proportionnalité.

L'eau, en tant qu'espèce moléculaire, n'est pas un milieu conducteur du courant électrique. Elle ne laisse pas passer l'électricité. En revanche, une solution contenant des ions en est capable.
Ce constat expérimental s'explique par la prise en charge du courant électrique par les ions. Le courant électrique est assuré par le flux d'électrons dans les fils métalliques des circuits. Mais dans l'eau, impossible de faire circuler des électrons. Ce sont les ions qui assurent ce flux : il y a migration des cations (+) vers le pôle - et inversement.
La capacité d'une solution ionique à conduire l'électricité s'appelle la conductivité, elle est notée `\sigma`. Elle s'exprime en Ω^-1·m^-1 = S·m^-1 ou plus souvent au laboratoire en mS·cm^-1. L'unité de symbole S est le siemens, en hommage à Werner von Siemens, connu comme l'un des piliers de l'époque des fondateurs et pour ses travaux sur l'électricité. Le siemens est l'unité inverse de l'ohm.

Insérer ici vidéo expérimentale de conductivité

Deux paramètres influencent la valeur de la conductivité d'une solution :

• la concentration en ions : plus la solution est concentrée en ions, plus elle est riche en porteurs de charges et mieux le courant circule. La concentration d'un ion X en solution est notée `[X]`, elle s'exprime souvent en mol·L^-1 mais officiellement en mol·m^-3 ;
• la capacité de chaque ion à conduire le courant : plus un ion est léger, mieux le courant circule ; plus un ion est chargé, mieux le courant circule. Ces caractéristiques sont décrites à l'aide de la conductivité molaire ionique, évaluée pour chaque ion. Elle est notée `\lambda` et s'exprime, le plus souvent, en S·m²·mol^-1.

Dans le cas d'une solution diluée, la conductivité d'une solution obéit à la loi de Kohlrausch :

La conductivité de la solution s'obtient en considérant la contribution de chaque ion. Voilà qui explique qu'il faille faire une somme sur tous les ions.
La contribution de chaque ion à la conductivité est elle-même obtenue en multipliant la conductivité ionique molaire de l'ion avec sa concentration dans solution : `\lambda_i\cdot[X_i]`.
Exemple de l'expression de la conductivité d'une solution salée :
`\sigma=\lambda_{Na^+}\cdot[Na^+]+\lambda_{Cl^-}\cdot[Cl^-]`.
Or l'équation de la dissolution du chlorure de sodium s'écrit :
`NaCl(s)\toNa^+(aq)+Cl^{-}(aq)`.
Ainsi, la dissolution produit les deux ions mole à mole. Si la concenration en soluté apporté est notée `c`, la loi de Kohlrausch devient :
`\sigma=(\lambda_{Na^+}+\lambda_{Cl^-})\cdot c`.
Ainsi, pour une solution diluée, il y a proportionnalité entre sa concentration en soluté ionique apporté et sa conductivité. Mesurer expérimentalement la conductivité de la solution est donc un moyen de connaître la valeur de la concentration en ions qui la composent, c'est bien une méthode de dosage. Là encore, un dosage par comparaison (par étalonnage) est possible.

L'animation ci-dessous propose d'étudier le comportement des gaz, par simulation, en fonction de différents paramètres : les dimensions de l'enceinte qui le contient, la quantité de gaz injectée dans l'enceinte ou encore la chaleur apportée ou prélevée au gaz.

Fidèlement à ce qui serait conduit au laboratoire, plusieurs observations peuvent être faites :

• Si en apportant de la chaleur et sans rien changer d'autre (n et V), on fait doubler la température du gaz, alors la pression double ;
• Si en injectant des particules et sans rien changer d'autre (T et V), on fait doubler la quantité de matière, alors la pression double ;
• Si en déplaçant la paroi de l'enceinte et sans rien changer d'autre (n et T), on divise le volume de moitié, alors la pression double.

Ces différentes informations permettent de conclure que :

• la pression est proportionnelle à la température du gaz ;
• la pression est proportionnelle à la quantité de matière de gaz ;
• la pression est inversement proportionnelle au volume de l'enceinte, totalement occupée par le gaz.

Mathématiquement, nous pouvons écrire l'équation d'état des gaz parfaits :
`p=R\cdot{n\cdotT}/V` où `R`, le coefficient de proportionnalité, s'appelle la constante des gaz parfaits.
`R` = 8,314 J·mol^-1·K^-1.
Bien souvent dans la littérature, l'équation d'état des gaz parfaits s'écrit : Cette équation est bien vérifiée pour les gaz dont les particules n'interagissent pas entre elles, sauf bien entendu aux moments de leurs collisions, donc notamment si les particules n'exercent pas entre elles d'interactions électrostatiques. Cette condition est bien vérifiée si les particules sont bien espacées deux à deux, donc dans le gaz d'une pression faible ou d'un grand volume.

Dans un gaz, mesurer la pression à l'aide d'un manomètre, la température à l'aide d'un thermomètre et le volume à l'aide des dimensions du contenant, permet de déterminer la quantité de matière de gaz contenu : `n={pV}/{RT}`, c'est bien un dosage.

Remarque 1 : l'équation d'état des gaz parfaits est étudiée comme la continuité de la loi de Boyle-Mariotte. La `cste` est alors explicitée, sa valeur dépend de la quantité de matière de gaz contenu et de la température du gaz. Il est donc en effet essentiel, dans l'exploitation de la loi de Boyle-Mariotte, de préciser que le produit n'est constant qu'à température et quantité de matière fixées.

Remarque 2 : dans la littérature, l'équation d'état des gaz parfaits est également appelée loi des gaz parfaits.

Le rayonnement électromagnétique peut interagir avec la matière. L'énergie qu'il transporte peut notamment être absorbée par la matière.
Les molécules peuvent par exemple absorber en partie du rayonnement infrarouge : l'énergie alors acquise sera convertie en énergie mécanique, ce qui se traduira par la vibration des liaisons covalentes qui relient les atomes entre eux dans la molécule.
Chaque type de liaison covalente (C-H ; C=O ; C-N ; etc.) absorbe du rayonnement infrarouge à des longueurs d'ondes différentes et qui les caractérisent.
L'étude d'un spectre de transmission infrarouge permet alors d'identifier la nature des liaisons covalentes présentes dans un échantillon de matière, notamment organique.

La figure ci-dessous représente le spectre infrarouge obtenu dans le cas de l'éthanol :

L'abscisse du document est le nombre d'onde, noté `\sigma` (ne pas confondre avec la conductivité, aucun rapport). Il représente l'inverse de la longueur d'onde du rayonnement infrarouge traversant l'échantillon de matière : `\sigma=1/\lambda` et `\sigma` est souvent exprimé en cm^-1.
L'ordonnée du document représente la transmittance du rayonnement, c'est-à-dire la proportion que représente l'intensité du rayonnement ayant traversé l'échantillon par rapport à celle du rayonnement incident.
Nous observons ici une bande large et intense d'absorption aux environs de 3 300 cm^-1. Une lecture des tables spectroscopiques nous indique qu'il s'agit de la signature de la liaison O-H. Les liaisons C-H, elles aussi, sont identifiables sur le spectre, sous la forme de pics d'absorption fins et intenses aux environs de 2 900 cm^-1.
Remarque : le domaine des nombres d'ondes inférieurs à 1 500 cm^-1, appelé les empreintes digitales, n'est pas exploitable.