La masse molaire - cours de physique-chimie niveau seconde

Définition
Masse molaire des nucléons
Masse molaire atomique
Liste de masses molaires atomiques
Masse molaire moléculaire
Liste de quelques masses molaires moléculaires
Masse molaire ionique
Masse molaire d’un composé ionique
Déterminer une masse molaire
Calculer une masse
Calculer une quantité de matière

Définition de la masse molaire

Définition: la masse molaire d’une espèce chimique (atomique, moléculaire ou ionique) correspond à la masse que possède une mole de cette espèce chimique.

C’est une grandeur qui se note M (toujours en majuscule pour la distinguer de la masse) et qui peut être accompagnée du nom ou de la formule brute de l’espèce chimique concernée placée entre parenthèses ou en indice.

D’après cette définition, si l’on connait la masse m_particule d’une particule microscopique alors la masse molaire M de l’espèce chimique est donnée par la formule suivante:

M= m_particule. N_A

Elle peut être exprimée comme le rapport de la masse “m” d’un échantillon de l’espèce chimique par la quantité de matière “n” contenue dans cet échantillon. Cette relation peut être traduite par la formule suivante:

$\text{[math]}$

M : masse molaire de l’espèce chimique en gramme par mol (g/mol ou g.mol^-1)
m : masse de l’échantillon de l’échantillon en gramme (g)
n : quantité de matière de l’échantillon en mole (mol)

Masse molaire des nucléons

Rappel: les nucléons sont les particules qui constituent le noyau atomique, il en existes deux sortes qui sont les protons et les neutrons.
Les protons et les neutrons ont des masses très proches:

le proton a une masse de 1,672.10^-27 kg
le neutron a une masse de 1,675.10^-27 kg

Si l’on se limite à une précision de 3 chiffres significatifs alors on peut considérer qu’un nucléon (un neutron ou un proton) a une masse de 1,67.10^-27 kg.
Dans ce cas la masse molaire des nucléons est:
M_nucleon = m_nucleon.N_A
= 1,67.10^-27 . 6,02.10²³ kg
= 1,00.10^-3 kg/mol
= 1,00 g/mol

La masse molaire des nucléons est de 1 g/mol

Masse molaire atomique

Par définition, la masse molaire d’une espèce chimique atomique correspond à la masse d’une mole d’atomes or chaque atome est composé d’électrons et d’un noyau constitué de nucléons. Si le numéro atomique d’un atome est Z et son nombre de nucléons A alors il est composé de:

La masse de l’atome peut être considérée comme la somme des masses de ces particules mais on peut faire les approximations suivantes:

la masse des électrons (9,109.10^-31kg) est négligeable devant celle des nucléons (1,67.10^-27 kg) en particulier si l’on se limite à une précision de 3 chiffres significatifs, à 0,01. 10^-27 kg près.
la masse d’un proton et d’un nucléon sont les mêmes, la masse d’un nucléon vaut environ 1,67.10^-27 kg

On peut donc faire l’approximation que la masse d’un atome est celle des nucléons de son noyau et comme un nucléon a une masse molaire de 1,00 g/mol alors une espèce chimique atomique dont le nombre de nucléons est A possède donc une masse molaire de A.1,00 g/mol.

Le nombre de nucléons A (aussi appelé nombre de masse) d’une espèce chimique atomique correspond aussi à sa masse molaire exprimée en g/mol

Exemples
La masse molaire du carbone 12 est de 12 g/mol
Celle de l’oxygène 16 est de 16 g/mol
Celle du phosphore 31 est de 31 g/mol
etc

Pour connaître la masse molaire d’une espèce chimique atomique il suffit donc de consulter le tableau périodique et de repérer son nombre de nucléons.

Remarque
Le tableau périodique fournit souvent des expressions décimales du nombre de nucléons car elle se réfère au nombre moyen de nucléons d’un élément chimique dans un échantillon naturel qui est général constitué d’un mélange d’isotopes.

Liste de masses molaire atomiques

Elément	Masse molaire (g/mol)	Elément	Masse molaire (g/mol)
Actinium	227,0	Néon	20,2
Aluminium	27,0	Neptunium	237,0
Américium	243,0	Nickel	58,9
Antimoine	121,8	Niobium	92,9
Argent	107,9	Nobélium	259,0
Argon	39,9	Osmium	190,2
Arsenic	74,9	Or	197,0
Astate	210,0	Oxygène	16,0
Azote	14,0	Palladium	106,4
Baryum	137,3	Phosphore	31,0
Berkélium	247,0	Platine	195,1
Berrylium	9,0	Plomb	207,2
Bismuth	209,0	Plutonium	244
Bohrium	264	Polonium	209,0
Bore	10,8	Potassium	39,1
Brome	79,9	Praséodyme	140,9
Cadmium	112,4	Prométhium	145,0
Calcium	40,1	Protactinium	231,0
Californium	251,0	Radium	226,0
Carbone	12,0	Radon	222,0
Cérium	140,1	Rhénium	186,2
Césium	132,9	Rhodium	102,9
Chlore	35,5	Rubidium	85,5
Chrome	52,0	Ruthénium	101,1
Cobalt	58,9	Rutherfordium	261
Cuivre	63,5	Samarium	150,4
Curium	247,0	Scandium	45,0
Darmstadtium	281	Seaborgium	266
Dubnium	262	Sélénium	79,0
Dysprosium	162,5	Silicium	28,1
Einsteinium	254,0	Sodium	23,0
Erbium	167,3	Strontium	87,6
Etain	118,7	Soufre	32,1
Europium	152,0	Tantale	180,9
Fer	55,8	Technétium	98,9
Fermium	257,0	Tellure	127,6
Fluor	19,0	Terbium	158,9
Francium	223,0	Thallium	204,4
Gadolinium	157,3	Thorium	232,0
Gallium	69,7	Thulium	168,9
Germanium	72,6	Titane	47,9
Hafnium	178,5	Tungstène	183,9
Hassium	277	Ununbium	285
Hélium	4,0	Ununhexium	292
Holmium	164,9	Ununoctium	294
Hydrogène	1,0	Ununpentium	288
Indium	114,8	Ununquadium	289
Iode	126,9	Ununseptium	292
Iridium	192,2	Ununtrium	284
Krypton	83,8	Ununium	280
Lanthane	138,9	Uranium	238,0
Lawrencium	260,0	Vanadium	50,9
Lithium	6,9	Xénon	131,3
Lutétium	175,0	Ytterbium	173,0
Magnésium	24,3	Yttrium	88,9
Manganèse	54,9	Zinc	65,4
Meitnérium	268	Zirconium	91,2
Mendélevium	258,0
Mercure	200,6
Molybdène	95,9
Néodyme	144,2

Masse molaire moléculaire

Par définition une elle correspond à la masse d’une mole de molécules appartenant à la même espèce chimique. Etant donnée qu’une molécule est constituée d’atomes liés entre eux, elle peut être obtenue par addition des masses molaires atomiques de chacun de ses constituants.

Par exemple une molécule d’eau, de formule H₂O est constituée d’un atome d’oxygène lié à deux atomes d’hydrogène par conséquent une mole de molécules d’eau contient une mole d’atomes d’oxygène et deux moles d’atomes d’hydrogène. La masse molaire de l’eau est donc égale à la somme de la masse molaire de l’oxygène et du double de celle de l’hydrogène ce qui peut se traduire par la relation suivante:
M(eau) = M(H₂O) = 2.M(H) + M(O)
M(eau) = 2.1,0 + 16,0
M(eau) = 18,0 g/mol

Autres exemples

Le glucose a pour formule C₆H₁₂O₆ :
M( C₆H₁₂O₆ ) = 6.M(C) + 12.M(H) + 6.M(O)
M( C₆H₁₂O₆ ) = 6.12,0 + 12.1,0 + 6.16,0
M( C₆H₁₂O₆ ) = 180,0 g/mol

Le paracétamol a pour formule C₈H₉NO₂ :
M(C₈H₉NO₂) = 8.M(C) + 9.M(H) + M(N) + 2.M(O)
M(C₈H₉NO₂) = 8.12,0 + 9.1,0 + 14,0 + 2.16,0
M(C₈H₉NO₂) = 151,0 g/mol

Liste de quelques masses molaires moléculaires

Nom de l’espèce chimique	Formule	Masse molaire moléculaire (g/mol)
Acide acetique	C₂H₄O₂	60,0
Benzène	C₆H₆	78,0
Butane	C₄H₁₀	58,0
Caféïne	C₈H₁₀N₄O₂	194,0
Chlorure d’hydrogène	HCl	36,5
Diazote	N₂	28;0
Dichlore	Cl₂	71,0
Dihydrogène	H₂	2,0
Diiode	I₂	253,8
Dioxyde de carbone	CO₂	44,0
Dioxygène	O₂	32,0
Eau	H₂O	18,0
Ethane	C₂H₆	30,0
Ethanol	C₂H₆O	46,0
Ibuprofène	C₁₃H₁₈O₂	206,0
Méthane	CH₄	16,0
Ozone	O₃	48,0
Paracétamol	C₈H₉NO₂	151,0
Pentane	C₅H₁₂	72,0
Propane	C₃H₈	44,0

Masse molaire ionique

Un ion monoatomique ne diffère d’un atome que par un défaut ou un excès d’un ou plusieurs électrons or la masse de ces derniers est négligée lors du calcul d’une masse molaire atomique, par conséquent on peut faire l’approximation que la masse molaire d’un ion monoatomique est la même que celle de l’atome dont il dérive.

Exemple
L’ion sodium Na⁺ : sa masse molaire atomique du sodium (23,0 g/mol)
L’ion cuivre Cu²⁺ : sa masse molaire atomique du cuivre (63,5 g/mol)
etc

On peut faire la même approximation concernant la masse molaire d’un ion polyatomique, elle est la somme des masses molaires atomiques de ses éléments.

Exemples
L’ion carbonate a pour formule chimique CO₃^2-, sa masse molaire est:
M(CO₃^2-) = M(C) + 3.M(O)
= 12 + 3.16
= 60 g/mol
L’ion acétate a pour formule chimique C₂H₃O₂^–, sa masse molaire est:
M(C₂H₃O₂^–) = 2.M(C) + 3.M(H) + 2.M(O)
= 2.12 + 3.1,0 + 2.16
= 59 g/mol

Masse molaire d’un composé ionique

Un composé ionique est une espèce chimique solide à température ambiante qui consiste en l’association d’un cation (un ion positif) et d’un anion (un ion négatif)
Sa masse molaire peut être obtenue au choix:
– En additionnant la masse molaire du cation et de l’anion si ces dernières sont connues
– En additionnant la masse molaire atomique de chaque élément comme on pourrait le faire pour une molécule.

Exemples
La masse molaire du sulfate de cuivre (CuSO₄) peut être obtenue par addition de la masse molaire de l’ion cuivre et de l’ion sulfate:
M(CuSO₄) = M(Cu²⁺) + M(SO₄^2-)
On peut également la déterminer par addition de la masse molaire du cuivre, du soufre et de 4 masses molaires de l’oxygène:
M(CuSO₄) = M(Cu) + M(S) + 4.M(O)

Déterminer une masse molaire

Si la nature et la formule d’une espèce chimique sont connues alors il est possible de déterminer la masse molaire de cette espèce à partir des masses molaires atomiques indiquées dans le tableau périodique (en suivant les méthodes des paragraphes précédents)
Par ailleurs si la masse (m) et la quantité de matière (n) d’un échantillon d’une espèce chimique pure sont connues alors la masse molaire peut être calculée grâce la relation qui définit la masse molaire comme le rapport:

$\text{[math]}$

Calculer une masse

Il est également possible de modifier la relation entre masse molaire (M), masse (m) et quantité de matière (n) afin d’exprimer la masse

m = M.n

Cette relation peut par exemple être utile pour déterminer la masse des réactifs à utiliser pour être dans les conditions stöechiométriques d’une transformation chimique.

Calculer une quantité de matière

La relation qui définit la masse molaire M d’une espèce chimique comme le rapport de la masse m d’un échantillon de matière par la quantité de matière “n” peut être modifié pour exprimer la quantité de matière:

$\text{[math]}$

Cette relation peut par exemple être utile pour déterminer la quantité de matière obtenue lors d’une synthèse chimique (ou lors de toute transformation chimique en général)