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Le volume d'une espèce chimique

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Objectifs

Connaitre la méthode pour mesurer le volume d'un solide, d'un liquide et d'un gaz.
Connaitre les unités pour exprimer un volume.

Niveau préconisé : 5^e

Points clés

Le volume d'une substance ou d'un objet correspond à l'espace occupé par cet objet ou cette substance.
Le mètre cube (symbole : m³) ainsi que ses multiples et sous‑multiples sont des unités de volume.

Tableau de conversion pour la famille du m³ :

km³

hm³

dam³

m³

dm³

cm³

mm³

Le litre (symbole : L) ainsi que ses multiples et sous‑multiples sont des unités de volume.

Tableau de conversion pour pour la famille du L :

kL	hL	daL	L	dL	cL	mL

Équivalences à retenir :
1 L = 1 dm³ et 1 mL = 1 cm³.
Pour mesurer le volume d'un liquide, on peut utiliser n'importe quel récipient comportant des graduations (bécher, erlenmeyer, fiole, etc.).
Dans une éprouvette graduée, la surface libre du liquide prend la forme du ménisque. La lecture du volume d'un liquide se fait à la base du ménisque.
La mesure du volume d'un gaz peut être réalisée en effectuant un montage par déplacement d'un liquide (généralement l'eau).
La détermination du volume d'un solide peut se faire par immersion dans un liquide.

1. Qu'est-ce que le volume ?

a. Volume et espace

Chaque objet ou substance chimique possède un volume.

Le volume correspond à l'espace occupé par un objet ou une substance.

Pour des formes simples, il est possible de calculer le volume d'un objet.

Le volume est l'une des grandeurs qui peuvent être mesurées pour tout objet ou substance chimique (solide, liquide ou gaz) grâce à différentes techniques.

Remarque
Pour des formes compliquées, le calcul mathématique du volume d'un objet est parfois difficile. Il doit donc être mesuré.

b. Unités de volume usuelles et conversions

L'unité internationale de volume est le mètre cube (symbole : m³), mais on peut également utiliser ses sous‑multiples : dm³, cm³, mm³, ou ses multiples : dam³, hm³, km³.

Ces différentes unités ont des équivalences entre elles :

1 m³ = 1000 dm³ ;
1 dm³ = 1000 cm³ ;
1 m³ = 1 000 000 cm³.

Ces équivalences peuvent être retrouvées par un tableau de conversion également utilisé pour convertir un volume d'une unité à une autre :

km³

hm³

dam³

m³

dm³

cm³

mm³

Exemple : Convertir 24 m³ en cm³.

km³			hm³			dam³			m³			dm³			cm³			mm³
										2	4	0	0	0	0	0	0

Donc 24 m³ = 24 000 000 cm³.

Il est fréquent dans le cas des liquides d'utiliser d'autres unités, notamment le litre (symbole : L), ses sous‑multiples : dL, cL, mL, ou ses multiples : daL, hL, kL.
Ces unités sont liées entre elles :

1 L = 10 dL ;
1dL = 10 cL ;
1 L = 100 cL.

Ces relations peuvent être retrouvées par le tableau de conversion suivant :

kL	hL	daL	L	dL	cL	mL

Exemple : Convertir 25,6 L en cL.

kL	hL	daL	L	dL	cL	mL
		2	5	6	0

Donc 25,6 L = 2 560 cL.

Il existe des équivalences entre la famille des L et celle des m³ :
1 L = 1 dm³ et 1 mL = 1 cm³.

2. Mesurer le volume d'un liquide

a. Matériel pour mesurer un volume

Pour mesurer le volume d'un liquide, on peut utiliser un « récipient » gradué ou jaugé.

Un bécher ou un erlenmeyer peuvent comporter des graduations, mais celles-ci sont peu nombreuses et peu précises. Ils sont donc utilisés pour avoir une valeur approximative du volume d'un liquide.

On peut aussi utiliser une éprouvette graduée.

Éprouvette graduée

b. Méthode pour déterminer le volume d'un liquide

Pour mesurer le volume d'un liquide dans une éprouvette graduée, il faut lire la graduation située au niveau de la surface inférieure du ménisque (creux formé à la surface du liquide).

Pour déterminer correctement cette graduation, il faut prendre la précaution de placer son œil au même niveau que la surface inférieure du ménisque.

Lecture correcte du volume à la base du ménisque

3. Mesurer le volume d'un gaz

La mesure du volume d'un gaz est plus délicate car un gaz est généralement invisible à l’œil nu. D'autre part, un gaz n'a pas de volume propre, il s'adapte à son contenant.

On ne peut pas mesurer directement le volume d'un gaz.
Pour déterminer le volume d'un gaz, on peut mesurer un déplacement de liquide (généralement l'eau).

Exemple : Mesure du gaz contenu dans une boisson pétillante.
Une boisson pétillante contenue dans une bouteille fermée est un mélange homogène : on observe seulement un liquide. À l'ouverture de la bouteille, on observe l'apparition de bulles de gaz qui s'échappent. Ce gaz était auparavant dissous dans la boisson.

Remarque
Dans la vie courante, boissons et eaux minérales pétillantes sont aussi appelées boissons et eaux minérales gazeuses.

Pour mesurer le volume de gaz contenu dans la boisson pétillante, on peut ainsi effectuer le montage suivant.

Montage pour mesurer le volume du gaz contenu dans une boisson pétillante

Rôle du chauffage

La boisson pétillante est versée dans un ballon placé dans un chauffe-ballon.
On chauffe légèrement la boisson (sans provoquer l'ébullition) afin de favoriser le dégagement du gaz : l'élévation de température diminue la solubilité des gaz.

Remarque
Il est également possible d'accélérer le dégagement gazeux en agitant la boisson. C'est ce que l'on observe lorsque l'on ouvre une bouteille de limonade juste après l'avoir secouée.

Principe du déplacement d'eau

Le tube à essai est d'abord rempli d'eau qui progressivement cède la place au gaz. On dit pour cette raison que le gaz est recueilli par déplacement d'eau.
Lorsque toute l'eau a été chassée du tube à essai, celui-ci ne contient alors que le gaz recueilli et l'eau se retrouve dans le cristallisoir.
On retourne ensuite le tube à essai en plaçant son doigt sur l'ouverture pour éviter que le gaz ne quitte le tube.
Le volume de gaz peut alors être lu sans difficulté.

4. Mesurer le volume d'un solide

Le volume d'un solide peut être déterminé par immersion dans un liquide (généralement l'eau).

Pour cela :

On verse un volume dans une éprouvette graduée.
Le corps est plongé dans l'éprouvette inclinée en le faisant glisser le long de la paroi (pour éviter les éclaboussures).
Il suffit ensuite de lire le nouveau volume sur l'éprouvette graduée.
La différence avec le volume initial donne le volume du corps.

Exemple
On verse un volume V₁ de 100 mL dans l'éprouvette graduée. Après avoir plongé le corps dont on veut connaitre le volume, on lit : V₂ = 125 mL.

Montage pour mesurer le volume d'un solide

On calcule : V₂ – V₁ = 125 – 100 = 25 mL.
Le solide étudié a donc un volume égal à 25 mL.

Remarque
Pour des formes simples, il est également possible de calculer le volume d'un objet avec une formule mathématique.
Par exemple, le volume d'un pavé droit est : longueur × largeur × hauteur.