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Fiche explicative de la leçon: Mesure de substances Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier un appareil de mesure, et à décrire des méthodes de mesure exactes et fiables pour des expériences données.

Il est important de comprendre la différence entre l’exactitude et la précision. L’exactitude indique à quel point une mesure est proche de la valeur vraie ou admise. La précision est un concept entièrement différent, qui décrit à quel point les mesures du même objet sont proches les unes par rapport aux autres. Il est possible d’être à la fois précis et inexact, et il est possible d’être à la fois exact et imprécis.

La distinction peut être comprise en étudiant où les fléchettes atterrissent sur une cible. On supposera que le centre de la cible est la valeur vraie ou admise de la cible. Des lancers précis atteignent le centre de la cible, et des lancers imprécis manquent ce point de mire de manière significative.

Définition : L’exactitude

L’exactitude indique à quel point une mesure scientifique est proche de la valeur vraie ou admise.

Les joueurs qui lancent les fléchettes peuvent être à la fois précis et inexacts s’ils touchent à plusieurs reprises un point loin du centre de la cible. La figure suivante utilise des fléchettes de couleur rouge pour montrer comment un joueur peut être à la fois précis et inexact.

Les différences entre la précision et l’exactitude peuvent également être comprises en considérant les mesures effectuées pendant des expériences scientifiques. Supposons que 15,0 mL d’une solution aqueuse acide sont versés dans une éprouvette graduée (éprouvette de mesure). Nous supposerons également que certains élèves effectuent des mesures de cette solution aqueuse acide l’une après l’autre.

Les élèves effectueraient des mesures exactes s’ils mesuraient un volume qui est exactement ou presque exactement égal à la valeur de 15,0 mL. Les élèves effectueraient des mesures inexactes s’ils mesuraient un volume qui est considérablement inférieur ou supérieur à 15,0 mL.

Les élèves pourraient être décrits comme étant à la fois précis et inexacts si leurs valeurs mesurées étaient toutes regroupées autour d’une valeur considérablement différente de 15,0 mL. L’image suivante utilise des flèches rouges pour montrer comment un ensemble de mesures peut être à la fois précis et inexact. Les flèches bleues sont utilisées pour montrer comment un ensemble de mesures peut être à la fois exact et imprécis. Les flèches bleues ont une valeur moyenne qui est presque exactement égale à 15,0 mL, mais les mesures ne sont pas toutes regroupées autour du même point sur l’échelle numérique.

Définition : La précision

La précision décrit à quel point les mesures scientifiques sont proches les unes par rapport aux autres.

Il est important de ne pas confondre ou échanger librement les termes exactitude et précision lorsque nous parlons d’expériences scientifiques et de mesures scientifiques. Les termes ont des significations entièrement différentes, et nous devons toujours faire attention à la manière dont nous parlons et à la manière dont nous pratiquons la science.

Exemple 1: Identifier les données exactes et celles qui sont précises

L’image suivante montre la position de trois points sur un ensemble de cibles. La vraie valeur est représentée par le centre de la cible, le cercle rouge.

  1. Quelle cible montre une mauvaise exactitude, mais une bonne précision?
  2. Quelle cible montre une bonne exactitude et une bonne précision?
  3. Quelle cible montre une exactitude et une précision médiocres?

Réponse

Question 1

L’exactitude, lorsqu’elle est utilisée en science, concerne une mesure proche de la valeur réelle. Dans le cas d’une cible telle que celle de l’énoncé, cela signifie que les points sont proches du cercle rouge central. La cible B ne sera donc pas la bonne réponse. Une bonne précision concerne des mesures répétées proches les unes des autres, donc la bonne réponse est la cible C.

Question 2

La deuxième question nous demande quelle cible affiche une bonne exactitude et une bonne précision. Nous cherchons des résultats proches ou coïncidant avec le cercle rouge central et également étroitement regroupés. Cela signifie que la bonne réponse est la cible B.

Question 3

Dans la dernière partie de cet exercice, nous cherchons une cible qui affiche une exactitude et une précision médiocres. D’un point de vue scientifique, cela signifie que les trois points noirs ne sont pas étroitement regroupés et ne sont pas proches du cercle rouge central. Nous pouvons voir cette description sur la cible A qui est donc la réponse correcte.

Les scientifiques utilisent généralement une balance pour mesurer la masse d’un objet car une balance est un appareil très précis. Il existe différents types d’instruments électroniques de pesage qui peuvent être utilisés pour mesurer la masse d’une substance avec différentes valeurs de lecture.

Le type de balance le plus utilisé est celui qui est exact au centième près. Cette balance est familièrement connue sous le nom de balance à deux chiffres. Elle se compose d’un plateau métallique au-dessus du corps principal et d’un affichage numérique qui indique les valeurs au centième près. Ce type de balance est idéal pour la plupart des expériences effectuées en classe.

Main de scientifique tenant une balance électronique

Il existe d’autres types de balances appelées familièrement balances à quatre chiffres, car elles affichent les valeurs de masse à 0,0001 gramme ( g ) près. Les balances à quatre chiffres ressemblent à des balances à deux chiffres, mais elles se trouvent souvent dans une sorte de boîtier de protection. Le boîtier de protection est conçu pour arrêter tout courant d’air dans la pièce qui pourrait affecter le fonctionnement de la balance analytique.

Les balances à quatre chiffres peuvent être plus délicates à utiliser et elles sont presque toujours plus chères que les balances à deux chiffres. Les balances à quatre chiffres sont généralement réservées au travail qui doit être extrêmement précis ou à la mesure de substances de très faible masse. Par exemple, nous aurons besoin d’utiliser une balance à quatre chiffres pour mesurer 0,0255 g d’une substance, car les balances à deux chiffres ne pourraient montrer que des valeurs de 0,02 ou de 0,03 gramme.

La figure suivante montre comment une balance à quatre chiffres peut être utilisée pour mesurer la masse d’un solide de couleur orange. Il est important de réaliser ici que le boîtier de protection a une paroi transparente qui peut être glissée dans les deux sens. Les portes coulissantes de la balance doivent toujours être fermées avant d’appuyer sur le bouton tare et avant toute mesure des valeurs de masse.

Pesée précise du réactif sur une balance électronique de laboratoire

Le guide suivant explique comment la masse d’une substance solide est mesurée avec une balance analytique.

Mode opératoire : Mesure d’un solide à l’aide d’une balance

  1. Placer un récipient sur la balance. Le récipient à utiliser doit avoir une large ouverture pour réduire le risque de déversement. Une nacelle de pesée est idéal pour ce faire.
  2. Tarer la balance. Cela va régler la valeur d’affichage exactement à zéro.
  3. Retirer le récipient du plateau de la balance.
  4. Ajouter une partie de solide dans le récipient à l’aide d’une spatule.
  5. Replacer le récipient sur le plateau de la balance.
  6. Attendre que la valeur affichée devienne stable avant de lire la valeur.
  7. Si la valeur finale n’est pas la quantité requise, répéter les étapes 3 à 6 jusqu’à obtenir la valeur correcte. Une fois la valeur finale est obtenue, ne pas oublier de l’écrire!

Vous pourriez avoir la fausse impression que les étapes 3 et 5 ne sont pas nécessaires et que les solides peuvent être pesés sans d’abord retirer et remplacer les récipients d’un plateau de la balance. Pourtant, ce n’est pas la meilleure pratique. Premièrement, vous pouvez renverser du produit sur le plateau de la balance. Deuxièmement, les ondes de choc provoquées par la chute d’un solide directement sur le plateau peuvent endommager le mécanisme à l’intérieur.

Exemple 2: Décrire comment une balance peut être utilisée pour mesurer la masse d’un solide

Rangez les affirmations suivantes dans le bon ordre décrivant l’utilisation d’une balance pour mesurer la masse d’un solide:

  1. Mise à zéro de la balance.
  2. Enregistrement de la masse finale de l’échantillon.
  3. Placement du récipient sur la balance.
  4. Pesage de la substance dans le récipient.

Réponse

Il est important de suivre une certaine procédure lors de l’utilisation d’une balance pour mesurer la masse d’un solide.

La première étape consiste à placer un récipient de pesée sur le plateau de la balance. Le récipient de pesée est généralement une nacelle de pesée ordinaire ou un morceau de papier filtre. L’étape suivante consiste à tarer la balance, ce qui veut dire la régler à une valeur de 0,0 g. Le récipient de pesée est ensuite retiré du plateau de la balance et il est rempli du produit chimique qui doit être pesé. Le solide est ajouté au récipient de pesée de sorte qu’aucune particule chimique ne soit déversée sur la balance et que les mécanismes de la balance ne soient pas détruits.

Enfin, le récipient de pesée est replacé sur la balance et la masse finale est enregistrée. Ces affirmations peuvent être utilisées pour déterminer que l’ordre c, a, d, b est la bonne réponse à cette question.

Il existe une large gamme de verrerie scientifique qui peut être utilisée pour mesurer le volume d’un liquide. De nombreux béchers et flacons ont des échelles de mesure brutes gravées sur leur surface, ce qui fait qu’on peut d’abord penser que ce matériel convient à la mesure des liquides. Ces types de verrerie ne sont toutefois pas destinés à mesurer avec exactitude des liquides et ne doivent pas être utilisés pour ce faire.

Les éprouvettes graduées ont beaucoup de gravures sur la hauteur, pouvant être utilisés pour mesurer un volume de liquide avec plus d’exactitude. Les pipettes et les burettes graduées offrent également un haut niveau d’exactitude et sont fréquemment utilisées dans des expériences de titrage très précises. Les pipettes volumétriques sont des dispositifs, de traitement manuel de liquides, utilisés pour délivrer une quantité spécifique de liquide avec un très haut degré d’exactitude. Une partie de cette verrerie scientifique sophistiquée est représentée sur la figure suivante.

Exemple 3: Sélection de la verrerie la plus exacte

La figure ci-dessous montre les parties supérieures de plusieurs éprouvettes graduées. Laquelle des éprouvettes graduées suivantes peut donner la mesure la plus exacte?

Réponse

Lorsque nous discutons de l’exactitude en science, nous nous référons à une mesure qui est très proche de la valeur vraie ou admise. L’éprouvette B a le plus grand nombre de graduations parmi les quatre éprouvettes graduées. L’éprouvette B peut être utilisée pour effectuer des mesures avec une marge d’erreur plus petite. L’éprouvette B peut être utilisée pour déterminer un volume plus proche du volume effectif ou réel du liquide. Nous pouvons utiliser ce raisonnement pour déterminer que l’option B est la bonne réponse à cette question.

La burette est un appareil scientifique, relativement sophistiqué, utilisé dans des expériences de titrage. La burette est idéale pour les expériences de titrage, car elle dispose d’un robinet d’arrêt qui peut être utilisé pour contrôler l’écoulement du liquide de la burette vers une bouteille ou un flacon. La burette peut être utilisée pour ajouter lentement un liquide dans une fiole conique et pour déterminer la quantité correcte d’un liquide réactif qui doit être ajouté à un autre liquide réactif. Cette affirmation pourrait être reformulée pour dire que la burette peut être utilisée pour ajouter juste la bonne quantité d’un liquide à un autre.

La burette est un matériel scientifique très étroit et fragile. L’appareil est tellement étroit que la surface de l’eau ne peut former aucune ligne plate. La surface de l’eau forme un ménisque concave et les scientifiques doivent mesurer les volumes de burette en étudiant la position inférieure du ménisque. Les burettes ont également une tendance plutôt inhabituelle à former des gouttes de titrant suspendues à leur extrémité. Il est important que l’embouchure de la burette soit doucement secouée par une chiquenaude de sorte que toute goutte suspendue se déplace de l’embouchure de la burette vers des ballons coniques ou des récipients de réaction.

Techniquement, nous pourrions également mesurer nos liquides en les pesant sur une balance comme nous faisons avec les solides. Cela peut être quand-même plus délicat que de peser des solides, car il faut également prendre en compte la densité du liquide. Il est plus facile de mesurer directement les volumes plutôt que de mesurer d’abord des masses, puis de les convertir en volumes.

Exemple 4: Déterminer le volume et comment il doit être mesuré

L’image ci-dessous montre un volume de liquide dans une éprouvette graduée.

  1. Où doit-on lire le volume du liquide?
  2. Quel est le volume du liquide dans l’éprouvette graduée?

Réponse

Question 1

Le ménisque est la courbe ascendante ou descendante observée au sommet d’un liquide dans un récipient. Le ménisque est formé par l’effet de la tension superficielle à la surface supérieure du liquide. Les valeurs de volume doivent toujours être déterminées à partir de la position du bas du ménisque. Les volumes seront déterminés incorrectement s’ils ne sont pas déterminés à partir du point le plus bas du ménisque. Ainsi, la bonne réponse est au niveau du bas du ménisque du liquide.

Question 2

L’éprouvette graduée de la figure ci-dessus a deux graduations. Il a des traits de graduation plus longs, numérotés de 5 mL à 50 mL. La deuxième série de traits de graduation plus petits mesure un pas de 1 mL se trouvant entre les traits longs. Nous pouvons voir ainsi que nous avons plus de 45 mL de liquide dans l’éprouvette graduée, et en regardant plus la petite graduation, nous pouvons voir que le volume de liquide est de 47 mL.

Il est important de toujours savoir que même la verrerie la plus sophistiquée a ses limites. Aucune pièce d’équipement scientifique ne peut être utilisée pour effectuer une mesure parfaite, absolument dépourvue de tout type d’erreur. La figure suivante montre comment un équipement scientifique est conçu pour montrer à ses utilisateurs que l’équipement n’est pas parfait et qu’il a un degré d’exactitude connu. La figure ci-dessous montre une pipette volumétrique avec un degré de précision de 0,04 mL. La pipette volumétrique peut être utilisée pour mesurer exactement 25±0,04mLmL de liquide, mais elle ne peut pas être utilisée pour mesurer exactement 25±0,00mLmL de liquide.

Pipette volumétrique de 25 ml

Le volume d’une substance gazeuse peut être mesuré avec une seringue à gaz. Il peut également être mesuré en plaçant une éprouvette graduée retournée dans un bécher qui contient une solution aqueuse non réactive.

Dans les deux cas, nous utilisons un tube en caoutchouc pour fixer le récipient de réaction à l’appareil de mesure. Nous allons surveiller ensuite la formation de gaz en suivant la distance parcourue par le piston dans la seringue à gaz ou en observant la distance parcourue par une colonne de liquide dans l’éprouvette graduée retournée. Les deux montages fonctionnent de la même manière, bien que la seringue à gaz soit peut-être un peu plus facile à utiliser. Les seringues à gaz sont généralement l’option préférée pour mesurer la formation de gaz pendant une réaction, car elles peuvent généralement fournir un niveau d’exactitude plus élevé.

Le matériel scientifique est conçu pour un usage particulier et c’est à nous de déterminer le matériel qui convient le mieux à nos expériences scientifiques. Imaginons, par exemple, que nous voulions mesurer le volume de gaz carbonique qui est produit lorsque le carbonate de calcium réagit avec l’acide chlorhydrique. Nous pouvons d’abord déterminer la masse du carbonate de calcium avec une balance à deux chiffres. Nous pouvons ensuite utiliser une éprouvette graduée pour mesurer un volume connu d’acide chlorhydrique réagissant avec tout le carbonate de calcium solide. Nous pouvons ensuite utiliser une seringue à gaz pour déterminer la quantité de gaz carbonique produite lorsque des roches de carbonate de calcium sont mises en réaction avec un volume connu d’acide chlorhydrique. L’appareil nous permet de comprendre combien de molécules de réactif il y avait avant la réaction chimique et combien de molécules de produit il y aura après la réaction chimique. Un matériel scientifique plus sophistiqué peut être utilisé si nous voulons produire des données plus exactes.

Points Clés

  • L'exactitude est la proximité des mesures à une valeur spécifique vraie.
  • La précision est la proximité des mesures les unes par rapports aux autres.
  • Les solides doivent être mesurés à l’aide d’une balance. N’oubliez pas de peser dans un récipient à large ouverture, tel qu’une nacelle de pesée, puis de protéger la balance en la gardant propre et en ajoutant des substances dans la nacelle de pesée sur le banc plutôt que directement sur le plateau.
  • Les liquides peuvent être mesurés à l’aide des éprouvettes graduées ou, pour des mesures plus exactes, à l’aide de pipettes. Les pipettes peuvent être graduées ou volumétriques.
  • Les gaz peuvent être mesurés à l’aide d’une seringue à gaz ou d’un montage par déplacement d’eau.

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