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Fiche explicative de la leçon : Solubilité Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment définir et mesurer la solubilité d’une substance, et expliquer sa dépendance au solvant, à la température et au pH.

Une solution est un mélange homogène composé d’un ou plusieurs solutés, le composant mineur est dissous dans un solvant, le composant majeur. Les solutions aqueuses sont des solutions dans lesquelles le solvant est l’eau. Le soluté dans une solution aqueuse peut être un solide, un liquide ou un gaz.

L’eau est connue comme le solvant universel car elle dissout un grand nombre de substances, mais toutes les substances ne peuvent pas se dissoudre dans l’eau. Les règles de solubilité résumées dans le tableau ci-dessous fournissent des lignes directrices générales pour déterminer la capacité de certaines substances ioniques à se dissoudre dans l’eau.

Soluble dans l’eauInsoluble dans l’eau
Composés de métaux alcalins:Li+, Na+, K+,Rb+ et Cs+Carbonates:CO32
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+)
Ammonium:NH4+Phosphates:PO43
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+)
Nitrates:NO3Sulfures:S2
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+, Ca2+, Ba2+ et Sr2+)
Bicarbonates:HCO3Hydroxydes:OH
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+, Ca2+, Ba2+ et Sr2+)
Chlorates:ClO3
Halogénures:Cl,Br et I
(à l’exception de Ag+, Hg22+ et Pb2+)
Sulfates:SO42
(à l’exception de Ag+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Hg22+ et Pb2+)
Acétates:CHO232

Les substances qui peuvent se dissoudre sont appelées solubles, tandis que celles qui ne peuvent pas se dissoudre sont dites insolubles.

Définition : Substance soluble

Une substance soluble est une substance qui peut être dissoute.

Définition : Substance insoluble

Une substance insoluble est une substance qui ne peut pas être dissoute.

Exemple 1: Utiliser les règles de solubilité dans l’eau pour déterminer quel composé du chlore est insoluble

Lequel des composés ioniques suivants du chlore est insoluble dans l’eau?

  1. le chlorure de potassium
  2. le chlorure d’argent
  3. le chlorure d’aluminium
  4. le chlorure de magnésium
  5. le chlorure de sodium

Réponse

Un composé insoluble dans l’eau est un composé qui ne peut pas être dissous dans l’eau. Les règles de solubilité dans l’eau résumées dans le tableau ci-dessous peuvent être utilisées pour déterminer quelles substances ioniques sont solubles et lesquelles sont insolubles.

Soluble dans l’eauInsoluble dans l’eau
Composés de métaux alcalins:Li+, Na+, K+, Rb+ et Cs+Carbonates:CO32
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+)
Ammonium:NH4+Phosphates:PO43
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+)
Nitrates:NO3Sulfures:S2
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+, Ca2+, Ba2+ et Sr2+)
Bicarbonates:HCO3Hydroxydes:OH
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+, Ca2+, Ba2+ et Sr2+)
Chlorates:ClO3
Halogénures:Cl, Br et I
(à l’exception de Ag+, Hg22+ et Pb2+)
Sulfates:SO42
(à l’exception de Ag+, Ca2+, Sr2+, Ba2+,Hg22+ et Pb2+)
Acétates:CHO232

La façon la plus simple d’exploiter ce tableau est de localiser l’anion. Tous les choix de réponse sont des composés ioniques du chlore (Cl), un halogénure. On peut voir dans le tableau que les halogénures sont solubles dans l’eau sauf si le cation est Ag+, Hg22+, ou Pb2+. En regardant les choix de réponse, nous voyons que le choix de réponse B est le chlorure d’argent, un composé ionique constitué de Ag+ et Cl. Par conséquent, le composé ionique du chlore qui est insoluble dans l’eau est le choix de réponse B, le chlorure d’argent.

Lorsque deux solutions aqueuses contenant des ions dissous sont mélangées, la solution résultante peut produire un précipité. Un précipité est un produit insoluble qui se sépare d’une solution. Une réaction chimique qui produit un précipité est appelée réaction de précipitation.

Définition : Précipitation

Un précipité est un produit insoluble qui se sépare d’une solution.

Considérons l’équation chimique suivante:KCl()+AgNO()KNO()+AgCl()aqaqaqs33

On peut voir à partir des symboles d’état que deux solutions aqueuses, KCl et AgNO3, ont été combinées. Cette combinaison a abouti à une nouvelle solution de KNO3 et un solide, AgCl. Ce chlorure d’argent solide est un précipité. Les règles de solubilité dans l’eau peuvent être utilisées pour déterminer si un produit obtenu à partir de la combinaison de deux solutions aqueuses est un précipité insoluble.

Exemple 2: Déterminer quelle réaction produira un précipité

Pour laquelle des réactions suivantes un précipité est-il susceptible de se former?

  1. Pb(NO)()+MgSO()324aqaq
  2. Ca(OH)()+2HCl()2aqaq
  3. NaCO()+HSO()2324aqaq
  4. HNO()+NH()33aqaq
  5. CuO()+HSO()saq24

Réponse

Afin de répondre à cette question, nous devons identifier les produits de chaque réaction. Les réactions dans les choix de réponses A, B et E peuvent toutes être considérées comme des réactions de double remplacement. Dans une réaction de double remplacement, le cation et l’anion dans chaque réactif se dissocient dans l’eau. Un précipité se forme si une combinaison quelconque de cation et d’anion forme un produit insoluble. Une substance insoluble est une substance qui ne se dissout pas. Nous pouvons déterminer si une substance est soluble dans l’eau ou non en utilisant les règles de solubilité dans l’eau résumées dans le tableau ci-dessous.

Soluble dans l’eauInsoluble dans l’eau
Composés de métaux alcalins:Li+, Na+, K+, Rb+ et Cs+Carbonates:CO32
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+)
Ammonium:NH4+Phosphates:PO43
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+)
Nitrates:NO3Sulfures:S2
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+, Ca2+, Ba2+ et Sr2+)
Bicarbonates:HCO3Hydroxydes:OH
(à l’exception des métaux alcalins, NH4+, Ca2+, Ba2+ et Sr2+)
Chlorates:ClO3
Halogénures:Cl, Br et I
(à l’exception de Ag+,Hg22+ et Pb2+)
Sulfates:SO42
(à l’exception de Ag+, Ca2+, Sr2+, Ba2+,Hg22+ et Pb2+)
Acétates:CHO232

Nous pouvons commencer par le choix de réponse A en identifiant les cations et les anions dans les deux réactifs. Les cations sont Pb2+ et Mg2+ et les anions sont NO3 et SO42. Nous devons déterminer si l'une des combinaisons de cations et d'anions formera un précipité insoluble.

Le moyen le plus simple d'y parvenir est de localiser les anions dans le tableau. Les nitrates (NO3) sont toujours solubles dans l’eau. Les sulfates (SO42) sont solubles dans l’eau sauf si l’un des éléments suivants Ag+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Hg22+, ou Pb2+ est présent. L’ion Pb2+ est présent dans la solution. Il peut se combiner avec l’ion sulfate pour former PbSO4 qui est un précipité insoluble. Par conséquent, nous avons identifié la réaction qui peut former un précipité insoluble.

Les réactions chimiques complètes équilibrées pour les choix de réponse B à E sont indiquées ci-dessous. Nous pouvons vérifier qu’aucune des réactions ne produit un précipité solide en comparant les produits avec les données de solubilité dans l’eau résumées dans le tableau. Nous pouvons également voir que tous les produits sont aqueux, liquides ou gazeux. Notez que la réaction D produit des ions dissous par une réaction acide-base.

B. Ca(OH)()+2HCl()CaCl()+2HO()222aqaqaql

C. NaCO()+HSO(NaSO()+HO()+CO()23242422aqaq)aqlg

D. HNO()+NH()NO()+NH()3334+aqaqaqaq

E. CuO()+HSO()CuSO()+HO()saqaql2442

Un précipité est susceptible de se former par réaction du nitrate de plomb (II) avec le sulfate de magnésium, c’est bien le choix de réponse A.

Même si un soluté est soluble, seule une certaine quantité peut être dissoute dans un solvant à une température donnée. Les solutions contenant la quantité maximale de soluté pouvant être dissous dans le solvant à une température donnée sont appelées solutions saturées.

Définition : Solution saturée

Une solution saturée est une solution qui contient la quantité maximale de soluté dissous dans un solvant à une température donnée.

La composition d’une solution saturée exprimée en termes de proportion de soluté par rapport au solvant est appelée solubilité du soluté.

Définition : Solubilité

La solubilité est la quantité maximale de soluté qui peut se dissoudre dans une quantité donnée de solvant à une température donnée.

La solubilité est communément exprimée comme la quantité de soluté en grammes qui peut se dissoudre dans 100 grammes ou 100 mL d’eau à une température donnée. Par exemple, la solubilité de l’acétate de sodium est de 119 g par 100 g d’eau à 0C, alors que 100 g d’eau à 100C peut contenir 170,15 g d’acétate de sodium.

Exemple 3: Calcul de la solubilité du glucose à partir de données expérimentales

Un élève prépare une solution saturée de glucose dans de l’eau à 20C. L’élève sèche ensuite la solution pour éliminer le solvant et obtenir le solide. En utilisant les données expérimentales du tableau ci-dessous, quelle est la solubilité du glucose à 20C?Donne ta réponse sous la forme d’un nombre entier.

Masse de la coupelle d’évaporationMasse de la coupelle d’évaporation + solution saturéeMasse de la coupelle d’évaporation + solide (glucose)
43,56 g56,33 g49,61 g

Réponse

La solubilité d’une substance est la quantité maximale de soluté qui peut se dissoudre dans une quantité donnée de solvant à une température donnée. Dans ce problème, nous devons déterminer à la fois la quantité de glucose qui a pu se dissoudre et la quantité d’eau dans laquelle il a été dissous à 20C.

En soustrayant la masse de la coupelle d’évaporation de la masse totale de la coupelle d’évaporation et de glucose, 49,6143,56;gg on peut déterminer la quantité de glucose dissous dans la solution qui est égale à 6,05 g.

La masse de la solution saturée est la masse totale du glucose et de l’eau. Ainsi, on peut soustraire la masse de la coupelle d’évaporation et la masse du glucose de la masse totale de la coupelle d’évaporation et de la solution saturée:56,3343,566,05;ggg

Par conséquent, la masse de l’eau est de 6,72 g.

On sait maintenant que la solubilité du glucose est de 6,05 g par 6,72 g d’eau à 20C. Cependant, la solubilité est communément rapportée par 100 g d’eau. On peut configurer une proportion pour mettre à l’échelle la solubilité du glucose dans 6,72 g d’eau pour 100 g d’eau:6,056,72=𝑥100;gglucosegeaugeau

𝑥 représente la masse maximale de glucose qui peut se dissoudre dans100 g d’eau à 20C. Nous pouvons réarranger l’équation afin de trouver la valeur de 𝑥:0,900297619=𝑥100;90,0297619=𝑥;gglucosegeaugeaugglucose

En donnant notre réponse sous la forme d’un nombre entier, nous avons déterminé la solubilité du glucose à 20C qui est égale à 90 g par 100 g d’eau.

Si une quantité inférieure à la quantité maximale de soluté est dissoute dans le solvant à une température donnée, la solution est considérée comme insaturée. Si seulement 80 g d’acétate de sodium a été dissous dans 100 g d’eau à 0C, la solution serait insaturée.

Définition : Solution insaturée

Une solution insaturée est une solution qui contient une quantité de soluté inférieure à la quantité maximale pouvant être dissoute dans un solvant à une température donnée.

Comme on le voit avec l’acétate de sodium, la solubilité d’un soluté est affectée par la température. Le graphique ci-dessous montre la solubilité de plusieurs substances à différentes températures. La droite représentant la solubilité d’une substance en fonction de la température est appelée une courbe de solubilité.

On peut voir sur le graphique que la solubilité de NaNO3 et KNO3 augmente considérablement avec la température, tandis que la solubilité de NaCl n’est que légèrement affecté par l’augmentation de la température. En général, la solubilité d’un solide dans l’eau augmente avec l’augmentation de la température, bien que nous puissions voir à partir de la courbe de solubilité de NaSO24 que ce n’est pas toujours le cas.

Lorsque l’on regarde les courbes de solubilité des gaz, tels que NH3 et SO2, on peut voir que la solubilité des gaz tend à diminuer avec l’augmentation de la température.

Exemple 4: Interprétation d’un graphique solubilité – température

Le graphique ci-dessous illustre la courbe de solubilité de quatre substances différentes.

  1. Quelle est la solubilité du nitrate d’aluminium à 12C?
  2. À quelle température la solubilité du chlorure d’ammonium et du nitrate de potassium est-elle la même?
  3. Un étudiant veut dissoudre exactement 40 g de chlorure de potassium dans 100 g d’eau. À quelle température devra-t-il chauffer l’eau?

Réponse

Partie 1

Cette question nous demande de déterminer la solubilité du nitrate d’aluminium à une température donnée. La solubilité d’une substance est la quantité maximale de cette substance qui peut être dissoute dans une quantité donnée d’eau à une température donnée. Le graphique ci-dessous indique les valeurs de solubilité de quatre substances dans 100 g d’eau à différentes températures.

Pour déterminer la solubilité du nitrate d’aluminium à 12C, on peut tracer une droite allant de 12C sur l’axe des 𝑥 jusqu’à son intersection avec la courbe de nitrate d’aluminium puis une droite partant de ce point horizontalement vers l’axe des 𝑦.

Cela nous donne une valeur de 68 g par 100 g d’eau. Par conséquent, la solubilité du nitrate d’aluminium à 12C est de 68 g par 100 g d’eau.

Partie 2

Pour déterminer la température à laquelle les valeurs de solubilité du chlorure d’ammonium et du nitrate de potassium sont identiques, nous devons déterminer où leurs courbes de solubilité se croisent.

En traçant une ligne allant du point d’intersection à l’axe des 𝑥, on peut voir que les courbes se coupent à 26C. Par conséquent, les valeurs de solubilité du chlorure d’ammonium et du nitrate de potassium sont identiques à 26C.

Partie 3

Nous devons déterminer la température nécessaire pour dissoudre exactement 40 g de chlorure de potassium dans 100 g d’eau. On peut tracer une droite horizontale allant de 40 g par 100 g d’eau sur l’axe des 𝑦 jusqu’à son intersection avec la courbe de chlorure de potassium puis une droite partant de ce point verticalement vers l’axe des 𝑥.

Cela nous donne une valeur de 40C. Par conséquent, l’étudiant devra chauffer l’eau à 40C afin de dissoudre exactement 40 g de chlorure de potassium dans 100 g d’eau.

Pour les solutés qui possèdent des propriétés acides ou basiques, le pH de la solution peut affecter la solubilité du soluté. Les hydroxyde de magnésium (Mg(OH)2) est une base qui est insoluble dans l’eau, bien qu’une très petite quantité, 1,2 mg /100 g d’eau, peut se dissoudre pour produire les ions Mg2+ et OH:Mg(OH)()Mg()+2OH()22+saqaqHO2

L’addition d’une base à la solution obtenue augmenterait le pH et ajouterait des ions OH supplémentaires à la solution. Selon le principe de Le Chatelier, un système en équilibre répond à une contrainte en se déplaçant dans la direction qui minimise cette contrainte. En réponse aux ions OH supplémentaires, l’équilibre va se déplacer vers la gauche, produisant plus d’hydroxyde de magnésium solide, diminuant ainsi la solubilité du soluté:Mg(OH)()Mg()+2OH()22+saqaqHO2

Cependant, l’ajout d’un acide à cette solution diminuerait le pH et ajouterait des ions H+ à la solution. Ces ions H+ peuvent réagir avec les ions OH pour produire de l’eau:H()+OH()HO()+2aqaql

La réaction entre H+ et OH élimine les ions d’hydroxyde de la solution. En réponse, l’équilibre de l’hydroxyde de magnésium se déplace vers la droite, produisant plus d’ions OH, augmentant ainsi la solubilité du soluté:Mg(OH)()Mg()+2OH()22+saqaqHO2

L’effet inverse est observé avec les acides insolubles. Par conséquent, la solubilité des bases insolubles a tendance à augmenter dans les solutions acides (à pH bas), alors que la solubilité des acides insolubles a tendance à augmenter dans les solutions basiques (à pH élevé).

Les solutés solubles se dissolvent dans le solvant d'eux-mêmes au fil du temps, étant donné que la quantité maximale de soluté qui peut se dissoudre n'est pas dépassée. Cependant, la vitesse de dissolution, la vitesse à laquelle le soluté se dissout, peut être affectée par la taille des particules, l’agitation ou la température du soluté.

Considérons le sucre, qui a une solubilité de 200 g par 100 g d’eau à 25C. Si nous devions placer 50 g,de sucre en morceau, 50 g de sucre granulé et 50 g de sucre en poudre dans des récipients séparés contenant chacun 100 g d’eau à 25C, on s’attendrait à ce que le sucre soit en mesure de se dissoudre dans chaque cas.

Morceaux de sucre dans un bol blanc
Sucre dans un bol
Bol de sucre glace

Cependant, nous constatons que, bien que chaque type de sucre soit dissous dans son récipient, le sucre en poudre se dissout plus rapidement et le sucre en morceau se dissout plus lentement. Cela est dû au fait que les particules plus fines du sucre en poudre ont une surface totale en contact avec le solvant plus élevée que celle de sucre en morceau. Ainsi, la diminution de la taille des particules du soluté ou l’augmentation de la surface en contact avec le solvant augmente la vitesse de dissolution.

Imagine que nous placions 50 g de sucre granulé dans deux récipients contenant chacun 100 g d’eau à 25C puis que nous agitions l’un des récipients.

Nous verrons que le sucre qui a été agité se dissout plus rapidement que le sucre qui n’a pas été agité. En effet, l’agitation augmente le nombre d’interactions entre le soluté et le solvant. Par conséquent, l’agitation d’un soluté dans un solvant augmente la vitesse de dissolution.

Imagine que nous placions 50 g de sucre granulé dans deux récipients contenant chacun 100 g d’eau à 25C puis que nous chauffions l’un des récipients.

Nous verrons que le sucre dans le récipient qui a été chauffé se dissout plus vite que le sucre qui est resté maintenu à 25C. En effet, le chauffage du soluté et du solvant augmente l’énergie cinétique des particules, ce qui augmente le nombre d’interactions soluté-solvant. Par conséquent, l’augmentation de la température augmente généralement la vitesse de dissolution.

Exemple 5: Classement de vitesses de dissolution du sucre dans le thé

Le diagramme ci-dessous montre cinq béchers contenant du thé à différentes températures. Une masse égale de sucre est placée dans chaque bécher. Certains des béchers sont agités. Quel est l’ordre le plus probable, du plus rapide au plus lent, pour que le sucre dans chaque bécher soit complètement dissous?

Réponse

La vitesse de dissolution, ou la vitesse à laquelle un soluté se dissout, est affectée par la taille des particules du soluté, son agitation et sa température. En général, la vitesse de dissolution augmente avec la diminution de la taille des particules, l’augmentation de l’agitation et l’augmentation de la température.

La différence de température de 20C à 80C aura un effet significatif sur la vitesse de dissolution. L’augmentation de la température augmente l’énergie cinétique des particules, ce qui augmente le nombre d’interactions soluté-solvant. Ainsi, les solutions C, D et E vont se dissoudre plus rapidement que le sucre dans les solutions A et B.

En comparant les solutions A et B, nous pouvons voir que la solution B contient du sucre en poudre, tandis que la solution A contient du sucre en morceau. Le sucre en poudre a une plus petite taille de particules. Cette plus petite taille de particule augmente la surface totale en contact avec le solvant. Ainsi, le sucre en poudre se dissout plus rapidement que le sucre en morceau. Cela nous indique que le sucre dans la solution A se dissout le plus lentement, suivi de celui dans la solution B.

Les solutions C, D et E sont toutes à 80C. La solution E contient du sucre en poudre qui est sous agitation. L’augmentation de la température, l’agitation et la petite taille des particules du soluté signifient que le sucre dans la solution E doit se dissoudre plus rapidement.

Les solutions D et E sont toutes les deux à la même température et contiennent toutes les deux du sucre en morceau. Cependant, la solution C est sous agitation. L’agitation augmente le nombre d’interactions soluté-solvant, ce qui augmente la vitesse de dissolution. Par conséquent, le sucre dans la solution C se dissout plus vite que celui dans la solution D.

L’ordre le plus probable, du plus rapide au plus lent, pour que le sucre dans chaque bécher soit complètement dissous est E C D B A.

Points Clés

  • Les règles de solubilité peuvent être utilisées pour déterminer si un soluté est soluble dans l’eau.
  • Un précipité est un produit insoluble qui se sépare d’une solution.
  • L’augmentation de la température tend à augmenter la solubilité des solutés solides et à diminuer la solubilité des solutés gazeux.
  • La solubilité des bases insolubles a tendance à augmenter avec la diminution du pH, alors que la solubilité des acides insolubles a tendance à augmenter avec l’augmentation du pH.
  • La vitesse de dissolution a tendance à augmenter avec la diminution de la taille des particules, l’augmentation de l’agitation et l’augmentation de la température.

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