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Vidéo de la leçon : Solubilité Chimie

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

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Transcription de vidéo

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

Commençons par nous poser la question : qu’est-ce que la solubilité ? Lorsqu’un soluté, comme le sucre, se dissout dans un solvant tel que l’eau, il se forme une solution de soluté dissous. Si du soluté supplémentaire peut encore être dissous, on dit que la solution est insaturée. Si on ajoute de plus en plus de soluté et que ce soluté se dissout, la solution est de plus en plus concentrée. Mais à un certain moment, la solution ne peut plus contenir de soluté dissous supplémentaire. La solution est tellement concentrée qu’elle contient la quantité maximale de soluté dissous. On dit alors que la solution est saturée.

Une solution saturée contient la quantité maximale de soluté dissous. Même si on ajoute encore plus de soluté, il ne se dissoudra pas mais se séparera de la solution sous forme de soluté solide non dissous. Différentes substances se dissolvent dans des quantités différentes selon les solvants utilisés. Certaines substances peuvent se dissoudre en grandes quantités dans un certain solvant. Par exemple, dans 100 millilitres d’eau, on peut dissoudre beaucoup plus de sucre que de sel de table, soit environ 200 grammes de sucre contre environ 36 grammes de chlorure de sodium à une température de 20 degrés Celsius.

On dit que le sucre et le sel ont des solubilités différentes. La solubilité est la quantité maximale de soluté en grammes qui peut se dissoudre dans une quantité donnée de solvant, généralement 100 millilitres ou 100 grammes, à une température donnée. Donc, la solubilité correspond aux solutions saturées. Dans cette vidéo, nous allons nous concentrer sur l’eau comme solvant, bien qu’il existe de nombreux solvants. Et nous allons nous concentrer principalement sur les solutés solides, bien que les solutés puissent être solides, liquides ou gazeux. Le tableau montre les valeurs de solubilité du sucre et du sel de table à différentes températures, en grammes de soluté pour 100 grammes d’eau. Nous pouvons voir que la quantité ou la masse d’une substance qui peut se dissoudre dépend de la température.

En général, plus la température est élevée, plus on peut dissoudre de soluté. Mais ce n’est pas toujours vrai, et nous en discuterons un peu plus tard. Nous pouvons visualiser les données du tableau sur une courbe de solubilité, avec la température sur l’axe des 𝑥 et la solubilité sur l’axe des 𝑦. Ces courbes sont utiles pour déterminer la solubilité d’un soluté à une température qui n’est pas forcément indiquée dans un tableau, ou pour faire des prédictions et comparer différents solutés. Voyons maintenant un graphique de solubilité intéressant, qui illustre une grande différence entre les solides et les gaz.

Ce graphique montre une règle générale sur la différence de comportement entre les solides et liquides d’une part, et les gaz d’autre part. En général, pour les solides et les liquides, plus la température est élevée, plus la solubilité est élevée. Autrement dit, une température élevée favorise la dissolution d’un solide ou d’un liquide. En général, les gaz suivent la tendance inverse. Une diminution de la température augmente la solubilité. Ou on pourrait dire que l’augmentation de la température diminue la solubilité et empêche la dissolution des particules de gaz en solution.

Pourquoi cette tendance inverse ? Que le soluté soit solide, liquide ou gazeux, plus la température est élevée, plus les particules de soluté auront d’énergie cinétique. Dans le cas des solutés solides ou liquides, plus les particules ont d’énergie cinétique, plus elles sont susceptibles de se libérer des forces d’attraction avec d’autres particules de soluté. Et elles peuvent alors se détacher et se dissoudre dans la solution. Dans le cas des solutés gazeux, plus les particules ont d’énergie cinétique, plus elles sont susceptibles de se libérer des forces d’attraction des molécules de solvant et de s’échapper dans l’atmosphère. Autrement dit, pour les solides et les liquides, une température élevée aide les particules à se dissoudre alors que pour les gaz, une température élevée aide les particules à sortir de la solution.

Rappelez-vous, ce ne sont que des règles générales. Il y a toujours des exceptions à la règle. Cette règle générale pour les gaz explique en partie pourquoi une canette de soda ouverte garde son pétillant et son gaz dissous lorsqu’elle est maintenue au froid, alors qu’un soda dans une canette ouverte au chaud perd vite ses bulles. Bon, toutes les substances ne sont pas solubles dans l’eau. Voyons certaines substances ioniques courantes, qui se dissolvent dans l’eau ou pas.

Les composés de métaux alcalins sont tous solubles dans l’eau. Ce sont ceux qui contiennent des ions lithium, sodium, potassium, rubidium ou césium. Les composés à base d’ammoniac, nitrate, bicarbonate, chlorate, halogénure, sulfate ou acétate sont également solubles dans l’eau. Cependant, les composés halogénures et sulfates ont quelques exceptions. Par exemple, un composé contenant à la fois des ions argent et des ions sulfate n’est pas soluble dans l’eau. Les composés insolubles dans l’eau sont ceux qui contiennent des ions carbonate, phosphate, sulfure ou hydroxyde, avec leurs exceptions indiquées en bleu. Par exemple, un composé contenant l’ion calcium et l’ion hydroxyde, l’hydroxyde de calcium, présente une certaine solubilité dans l’eau.

Il sera très utile pour vos études de chimie de retenir ces informations. Nous savons maintenant quelles substances se dissolvent ou non dans l’eau. Pour les substances qui se dissolvent dans l’eau, examinons les facteurs qui influencent la vitesse à laquelle elles se dissolvent.

Si une substance soluble est ajoutée à l’eau, elle se dissoudra toute seule, à condition que la quantité de soluté ne dépasse pas la valeur de solubilité à cette température. Cependant, on peut accélérer la vitesse de dissolution en diminuant la taille des particules de soluté, en agitant ou en augmentant la température. Les gros morceaux de soluté prendront un certain temps à se dissoudre. Si les gros morceaux sont cassés en plus petits morceaux, ils se dissoudront un peu plus vite, et les très petits morceaux de soluté, par exemple le soluté en poudre, se dissoudront le plus rapidement. Qu’en est-il de l’agitation ?

Prenons deux béchers avec la même quantité de solvant, la même masse de soluté, avec le même soluté sous la même forme, par exemple du sucre en poudre. Imaginons que nous laissons le premier bécher sans rien faire, et que dans le deuxième bécher, nous agitons le mélange vigoureusement. Dans le premier bécher, nous verrions la dissolution des particules. Mais cela se produirait très, très lentement. Dans le deuxième bécher, les particules seraient rapidement dispersées par l’agitation et se dissoudraient rapidement. Enfin, qu’en est-il de la température ? Plus la température est élevée, plus les particules ont d’énergie cinétique et plus elles se dissolvent rapidement. Nous avons probablement tous vu cela dans notre vie quotidienne en préparant une tasse de thé ou de café ou en essayant de dissoudre du sucre. On voit que l’utilisation d’eau bouillante permet de dissoudre le café ou le sucre beaucoup plus rapidement que, par exemple, l’eau glacée.

Nous connaissons maintenant les facteurs qui influencent la vitesse de dissolution et savons que la température influence la solubilité. Voyons deux autres facteurs qui influencent la solubilité.

Le choix du solvant a un effet sur la quantité de soluté qui peut se dissoudre à une température donnée. Les solvants sont généralement décrits comme étant polaires ou apolaires. Les solvants apolaires comprennent l’hexane, l’huile et le tétrachlorure de carbone, CCl4. Et les solvants polaires sont par exemple l’eau et l’éthanol. Les solvants apolaires dissolvent les solutés apolaires et les solvants polaires dissolvent les solutés polaires ou ioniques. Le brome et le chlore sont des exemples de solutés apolaires, tandis que le NaCl, ou chlorure de sodium, est un exemple de soluté ionique. Et le chlorure d’hydrogène HCl, qui forme l’acide chlorhydrique, est un soluté polaire. On dit que « le semblable dissout le semblable », parce qu’un solvant apolaire dissout un soluté apolaire et qu’un solvant polaire dissout un soluté polaire.

Si on ajoute un soluté apolaire, comme le brome, et un soluté polaire, ou dans ce cas ionique, comme le chlorure de sodium, dans un tube à essai contenant de l’hexane et de l’eau, un solvant apolaire et un solvant polaire, et qu’on agite bien, la majeure partie du brome apolaire se dissout dans l’hexane apolaire. Et la majeure partie du chlorure de sodium polaire ou ionique se dissout dans l’eau polaire. Cela confirme bien la règle « le semblable dissout le semblable ». Autrement dit, la solubilité d’un soluté apolaire sera très élevée dans un solvant apolaire. Et la solubilité d’un soluté polaire ou ionique sera très élevée dans un solvant polaire.

Qu’en est-il de l’effet du pH sur la solubilité ? Imaginons une solution saturée d’un acide, qu’on nomme HA, contenant une certaine quantité de HA solide non dissout. L’acide et ses ions sont en équilibre entre eux, selon l’équation d’équilibre suivante. Maintenant, si on change le pH de la solution en ajoutant de l’acide, ou autrement dit, en ajoutant des ions H+, on augmente alors la quantité totale d’ions H+ en solution. Et l’équilibre est alors déplacé vers la gauche selon le principe de Le Chatelier, ce qui conduit à la diminution de la quantité d’ions H+ et A- en solution, et à l’augmentation de la quantité d’acide solide. De cette façon, l’ajout d’acide au système a diminué la solubilité de l’acide initial, ou, on pourrait dire, diminué sa concentration en solution.

Inversement, si le pH était modifié en ajoutant une base au système, disons en ajoutant des ions hydroxyde OH-, certains des ions hydroxyde réagiraient avec certains des ions H+ en solution pour former de l’eau, ce qui diminuerait la quantité d’ions H+ en solution, ou autrement dit, ce qui enlèverait les ions H+ de la solution. Bien qu’il y ait une diminution des ions H+ dans la solution, il n’y aurait pas de diminution des ions A- en solution. Par contre, l’équilibre se déplacerait vers la droite, selon le principe de Le Chatelier, diminuant la quantité d’acide solide, dont une plus grande partie se dissoudrait dans la solution. Et cela augmenterait la quantité d’ions H+ et d’ions A- en solution. Autrement dit, il y aurait une solubilité accrue de l’acide ou une concentration plus élevée d’ions en solution.

Nous avons maintenant les bases sur l’influence du solvant et du pH sur la solubilité. Parfois, il est possible de changer la solubilité de deux solutions en les mélangeant. Voyons cela de plus près. Parfois, lorsqu’on mélange deux solutions aqueuses, une réaction se produit. Cette réaction forme parfois un produit solide insoluble appelé précipité. Un précipité est un solide insoluble qui se forme ou se dépose dans une solution. Ainsi, deux solutés dissous réagissent pour former un soluté non dissous. Le précipité peut être un composé ou un élément. Regardons par exemple la réaction entre les solutions aqueuses de chlorure de potassium, KCl, et de nitrate d’argent, AgNO3. L’un des produits est aqueux, le nitrate de potassium KNO3, et l’autre produit n’est pas aqueux, mais un précipité solide insoluble, le chlorure d’argent AgCl dans ce cas.

Si cette équation nous était donnée, nous pourrions identifier le chlorure d’argent en tant que précipité en utilisant les règles de solubilité que nous avons apprises tout à l’heure. La formation d’un précipité diminue la solubilité de certains des ions en solution. Dans ce cas, la concentration des ions argent et des ions chlorure dissous dans la solution diminue puisque ces ions s’assemblent pour former le précipité insoluble.

Résumons donc tout ce que nous avons appris. Nous avons appris que la solubilité est la quantité maximale en grammes d’un soluté pouvant se dissoudre dans une quantité donnée de solvant, généralement 100 millilitres ou 100 grammes, à une température donnée. Nous avons appris que l’augmentation de la température augmente la solubilité d’un soluté solide ou liquide et diminue la solubilité d’un gaz. Mais ce n’est qu’une règle générale.

Nous avons utilisé un tableau pour examiner les règles générales de solubilité dans l’eau de substances ioniques communes et nous avons appris qu’on peut utiliser ce tableau pour prédire si le produit de la réaction entre deux solutions aqueuses sera un précipité ou un produit aqueux. Nous avons vu que la taille des particules de soluté, l’agitation et la température influent sur la vitesse à laquelle un soluté se dissout et que le choix du solvant et le pH d’une solution influencent la solubilité d’un soluté.

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