Karamö, le prof virtuelLeçon 10 sur 16
Les solutions
Je sais décrire ce qui se passe quand on dissout un solide ionique ou moléculaire dans l'eau, écrire l'équation de dissolution et utiliser la solubilité.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir solvant, soluté, solution aqueuse, solution saturée et solubilité
- Expliquer le rôle de l'eau, solvant polaire, dans la dissolution d'un composé ionique
- Écrire l'équation de dissolution d'un composé ionique et en déduire les quantités d'ions
- Distinguer solution électrolytique et solution moléculaire
Avant de commencer : Les leçons « Molécules et ions » (formules des composés ioniques), « Géométrie des molécules » (polarité de l'eau) et « Quantité de matière » (n = m/M).
1Je découvre
Au bord de la route de Coyah, Fatoumata vend du jus de gingembre bien sucré. Elle verse le sucre dans l'eau froide et remue longtemps : au début, le sucre disparaît vite ; mais quand elle en met beaucoup, des grains restent au fond du bidon, même en remuant. Sa cousine Aïssatou lui conseille de faire tiédir l'eau : le sucre restant finit par disparaître.
De son côté, Ibrahima, élève en série SE, fait une expérience au laboratoire : il plonge deux électrodes reliées à une pile et à une petite lampe dans de l'eau sucrée, puis dans de l'eau salée. Avec l'eau sucrée, la lampe reste éteinte ; avec l'eau salée, elle s'allume.
Le sucre et le sel « disparaissent » tous les deux dans l'eau. Pourtant, les deux liquides obtenus ne se comportent pas de la même façon.
Que devient un solide quand il se dissout dans l'eau, pourquoi ne peut-on pas en dissoudre autant qu'on veut, et pourquoi l'eau salée conduit-elle le courant ?
2Je comprends
1. Vocabulaire des solutions
Une solution est un mélange homogène obtenu en dissolvant une ou plusieurs espèces chimiques, les solutés, dans un liquide majoritaire, le solvant. Quand le solvant est l'eau, on parle de solution aqueuse. Le soluté peut être un solide (sel, sucre), un liquide (alcool) ou un gaz (dioxyde de carbone dans les boissons gazeuses, chlorure d'hydrogène).
La dissolution est le phénomène par lequel le soluté se disperse dans le solvant jusqu'à l'échelle des molécules ou des ions : on ne le voit plus. Au cours d'une dissolution, la masse se conserve : la masse de la solution est égale à la masse du solvant plus celle du soluté.
2. Solution saturée et solubilité
On ne peut pas dissoudre une quantité illimitée de soluté dans un volume donné de solvant. Lorsque le soluté ajouté ne se dissout plus et reste au fond, la solution est saturée.
La solubilité d'une espèce est la masse maximale de cette espèce que l'on peut dissoudre dans un litre de solvant, à une température donnée. On l'exprime en g/L.
- Chlorure de sodium dans l'eau à 20 °C : environ 360 g/L.
- Saccharose (sucre) dans l'eau à 20 °C : environ 2 000 g/L.
La solubilité dépend de la température. Pour la plupart des solides, elle augmente quand la température augmente : c'est pour cela que le sucre de Fatoumata se dissout dans l'eau tiède. Pour les gaz, c'est l'inverse : une boisson gazeuse tiède perd plus vite son gaz.
Exemple
Préparer une saumure saturée.
Kadiatou veut saler du poisson avec 250 mL d'eau à 20 °C. Quelle masse de sel peut-elle dissoudre au maximum ?
Solubilité : 360 g pour 1 L, soit 1 000 mL.
Pour 250 mL : m = 360 × 250 / 1 000 = 90 g.
Au-delà de 90 g, le sel en excès reste au fond : la saumure est saturée.
3. L'eau, un solvant polaire
Tu as vu dans la leçon « Géométrie des molécules » que la molécule d'eau est coudée et polaire : l'atome d'oxygène porte une charge partielle δ^- et les atomes d'hydrogène des charges partielles δ^+. Cette propriété explique pourquoi l'eau dissout si bien les composés ioniques.
4. Dissolution d'un composé ionique : trois étapes
Quand on met un cristal de chlorure de sodium dans l'eau :
- 1Dissociation : les molécules d'eau attirent les ions du cristal et les arrachent un à un.
- 2Les ions Na⁺ et Cl⁻ se séparent : le cristal se défait.
- 3Solvatation (hydratation) : chaque ion s'entoure d'une « couronne » de molécules d'eau.
- 4Dispersion : les ions hydratés se répartissent uniformément dans toute la solution.
- Autour d'un cation Na^+, les molécules d'eau tournent leur côté oxygène (δ^-) vers l'ion.
- Autour d'un anion Cl^-, elles tournent leurs hydrogènes (δ^+) vers l'ion.
Les ions entourés de molécules d'eau sont dits hydratés ; on le note (aq) (pour « aqueux »). L'état solide se note (s).
5. L'équation de dissolution
On écrit la dissolution d'un composé ionique par une équation qui respecte la conservation des éléments et la conservation des charges :
- NaCl(s) → Na^+(aq) + Cl^-(aq)
- CaCl2(s) → Ca2+(aq) + 2Cl^-(aq)
- Na2SO4(s) → 2Na^+(aq) + SO42-(aq)
- Al2(SO4)3(s) → 2Al3+(aq) + 3SO42-(aq)
La solution obtenue est électriquement neutre : la somme des charges des cations est égale à la somme des charges des anions.
Les coefficients de l'équation donnent les quantités de matière d'ions : dissoudre 0,10 mol de CaCl2 libère 0,10 mol d'ions Ca2+ et 0,20 mol d'ions Cl^-.
Méthode
Pour écrire l'équation de dissolution d'un composé ionique :
- Je repère le cation et l'anion à partir du nom ou de la formule (chlorure de calcium : Ca²⁺ et Cl⁻).
- J'écris le solide à gauche avec (s), les ions à droite avec (aq).
- Je place devant chaque ion le nombre d'ions présents dans la formule (indices du solide).
- Je vérifie la conservation des éléments et que la somme des charges à droite vaut zéro.
- Pour les quantités : n(ion) = coefficient de l'ion × n(solide dissous).
Exemple
Quantités d'ions dans une solution de sulfate de sodium.
On dissout 7,1 g de sulfate de sodium Na₂SO₄ dans de l'eau. Données : Na 23 ; S 32 ; O 16 g/mol.
M(Na₂SO₄) = 2 × 23 + 32 + 4 × 16 = 142 g/mol.
n = 7,1 / 142 = 0,050 mol.
Équation : Na₂SO₄(s) → 2Na⁺(aq) + SO₄²⁻(aq).
n(Na⁺) = 2 × 0,050 = 0,10 mol ; n(SO₄²⁻) = 0,050 mol.
Neutralité : 0,10 × (+1) + 0,050 × (−2) = 0. Correct.
6. Solutions électrolytiques et solutions moléculaires
- Une solution qui contient des ions conduit le courant électrique : c'est une solution électrolytique (eau salée, eau de chaux, solution de sulfate de cuivre). Le soluté est un électrolyte. Ce sont les ions, en se déplaçant, qui transportent le courant dans la solution.
- Une solution qui ne contient que des molécules dissoutes ne conduit pratiquement pas le courant : c'est une solution moléculaire (eau sucrée, eau + alcool). Les molécules de sucre se dispersent sans se couper en ions.
C'est la réponse à l'observation d'Ibrahima : la lampe s'allume avec l'eau salée (ions Na^+ et Cl^-) mais pas avec l'eau sucrée (molécules C12H22O11 neutres).
Certains composés moléculaires, très polarisés, donnent des ions en se dissolvant. Le chlorure d'hydrogène HCl, un gaz, réagit avec l'eau : HCl(g) + H2O → H3O^+(aq) + Cl^-(aq). La solution obtenue, l'acide chlorhydrique, est électrolytique.
- Contient des ions
- Conduit le courant
- Eau salée, sulfate de cuivre, acide chlorhydrique
- Contient seulement des molécules
- Ne conduit pratiquement pas
- Eau sucrée, eau + éthanol
3Je retiens
Je retiens
Solution = soluté(s) dissous dans un solvant ; solution aqueuse : le solvant est l'eau.
Solution saturée : le soluté ne se dissout plus. Solubilité : masse maximale dissoute par litre de solvant (g/L), dépend de la température.
L'eau est un solvant polaire : elle dissocie les cristaux ioniques et hydrate les ions.
Dissolution d'un solide ionique : dissociation, solvatation (hydratation), dispersion.
Équation : CaCl₂(s) → Ca²⁺(aq) + 2Cl⁻(aq) ; n(Cl⁻) = 2 × n(CaCl₂).
Une solution est électriquement neutre.
Solution électrolytique (ions) : conduit le courant. Solution moléculaire : ne conduit pas.
4Erreurs fréquentes
- Dire que le sel « disparaît » ou « fond » dans l'eau : il se dissout ; la fusion est un changement d'état sous l'effet de la chaleur.
- Oublier les coefficients : CaCl₂ donne 2Cl⁻, pas Cl₂⁻ ni Cl⁻.
- Écrire que le sucre donne des ions : le saccharose se dissout sous forme de molécules, sa solution ne conduit pas le courant.
- Confondre solubilité (masse maximale par litre de solvant) et masse effectivement dissoute dans une solution non saturée.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Dans une eau de mer, dans une boisson gazeuse et dans du vinaigre, nomme le solvant et au moins un soluté.
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- Eau de mer : solvant eau ; solutés chlorure de sodium, sels de magnésium…
- Boisson gazeuse : solvant eau ; solutés dioxyde de carbone, sucre, arômes.
- Vinaigre : solvant eau ; soluté acide acétique (acide éthanoïque).
2Exercice 2
Écris les équations de dissolution dans l'eau de : a) chlorure de potassium KCl ; b) nitrate de calcium Ca(NO3)2 ; c) sulfate de cuivre II CuSO4 ; d) chlorure de fer III FeCl3.
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a) KCl(s) → K^+(aq) + Cl^-(aq)
b) Ca(NO3)2(s) → Ca2+(aq) + 2NO3^-(aq)
c) CuSO4(s) → Cu2+(aq) + SO42-(aq)
d) FeCl3(s) → Fe3+(aq) + 3Cl^-(aq)
3Exercice 3
La solubilité du chlorure de sodium à 20 °C est environ 360 g/L.
a) Mamadou dissout 50 g de sel dans 200 mL d'eau à 20 °C. La solution est-elle saturée ? Justifie.
b) Quelle masse de sel peut-il encore ajouter avant saturation ?
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a) Masse maximale dissoluble dans 200 mL : mmax = 360 × 2001 000 = 72 g. Comme 50 < 72, la solution n'est pas saturée.
b) Il peut encore ajouter 72 - 50 = 22 g de sel.
4Exercice 4
On dissout 11,1 g de chlorure de calcium CaCl2 dans de l'eau (Ca : 40 ; Cl : 35,5 g/mol).
a) Calcule la quantité de matière de CaCl2 dissous.
b) Écris l'équation de dissolution et calcule les quantités de matière des ions.
c) Vérifie l'électroneutralité de la solution.
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a) M(CaCl2) = 40 + 2 × 35,5 = 111 g/mol ; n = 11,1111 = 0,100 mol.
b) CaCl2(s) → Ca2+(aq) + 2Cl^-(aq). n(Ca2+) = 0,100 mol ; n(Cl^-) = 2 × 0,100 = 0,200 mol.
c) Charges positives : 0,100 × 2 = 0,200 mol de charges + ; négatives : 0,200 × 1 = 0,200 mol de charges −. Elles sont égales : la solution est neutre.
5Exercice 5
(Synthèse) Hawa teste la conduction électrique de trois liquides : A, eau distillée ; B, eau sucrée ; C, eau additionnée de sulfate de sodium.
a) Dans quel(s) cas la lampe s'allume-t-elle ? Justifie.
b) Décris, en utilisant les mots « dissociation », « hydratation » et « dispersion », ce qui se passe quand on dissout le sulfate de sodium.
c) Explique comment les molécules d'eau s'orientent autour d'un ion Na^+ et autour d'un ion SO42-.
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a) La lampe ne s'allume qu'avec C : c'est la seule solution qui contient des ions (Na^+ et SO42-). L'eau distillée ne contient pratiquement pas d'ions ; l'eau sucrée ne contient que des molécules.
b) Les molécules d'eau, polaires, attirent les ions du cristal et les séparent : c'est la dissociation. Chaque ion s'entoure alors de molécules d'eau : c'est l'hydratation. Les ions hydratés se répartissent ensuite dans toute la solution : c'est la dispersion. Équation : Na2SO4(s) → 2Na^+(aq) + SO42-(aq).
c) Autour de Na^+ (positif), les molécules d'eau tournent leur atome d'oxygène (δ^-) vers l'ion. Autour de SO42- (négatif), elles tournent leurs atomes d'hydrogène (δ^+) vers l'ion.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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