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Les scientifiques mélangent 100 millilitres d’hexane avec 100 millilitres d’eau. Ils remarquent que l’hexane et l’eau ne sont pas miscibles. Pourquoi ? (A) Parce que les molécules d’hexane sont lourdes et que les molécules d’eau sont légères. (B) Parce que les molécules d’hexane et les molécules d’eau sont toutes deux polaires. (C) Parce que les molécules d’hexane et les molécules d’eau sont toutes deux non polaires. (D) Parce que les molécules d’hexane sont non polaires et les molécules d’eau sont polaires. (E) Parce que les molécules d’hexane sont grandes et les molécules d’eau sont petites.
Dans cette question, nous devons expliquer pourquoi l’hexane et l’eau ne sont pas miscibles. Miscible signifie former un mélange homogène lorsqu’il est ajouté ensemble. Si deux liquides sont miscibles, on dit qu’ils se dissolvent l’un dans l’autre. Si nous regardons la figure, nous pouvons voir que l’hexane et l’eau ont formé deux couches dans la fiole conique. Cela nous indique que les deux liquides ne sont pas miscibles. Ils sont immiscibles.
Encore une fois, puisque la miscibilité est un mot qui décrit deux substances qui peuvent se dissoudre complètement l’une dans l’autre, à partir de la figure, nous pouvons voir que ce n’est pas le cas avec l’hexane et l’eau. La polarité relative des substances détermine si elles peuvent se dissoudre l’une dans l’autre ou non. Pour comprendre ce que l’on entend par polarité, définissons d’abord un terme appelé électronégativité. L'électronégativité est la tendance d'un atome à attirer vers lui les électrons partagés, ou la densité électronique, dans une liaison. Les éléments se voient attribuer des valeurs d’électronégativité sans unité qui indiquent la force relative avec laquelle un atome d’un élément attire les électrons de liaison. Nous reviendrons dans un instant sur la manière dont l'électronégativité influence la polarité.
Nous pouvons décrire des substances comme étant polaires ou non polaires. Les substances polaires sont constituées de molécules polaires, qui ont une distribution asymétrique ou inégale de la densité électronique. Cette distribution asymétrique est causée par la présence de liaisons polaires dans la molécule, ainsi que par la forme de la molécule. Des liaisons polaires existent dans certaines molécules en raison de la différence d'électronégativité entre les atomes liés. Les substances non polaires sont composées de molécules dont la densité électronique est uniformément répartie.
Dessinons les structures des deux substances dans cette question pour mieux comprendre cela. L’eau est une molécule coudée. Et elle est composés d’un atome d’oxygène hautement électronégatif dont la valeur d’électronégativité est de 3,44 et de deux atomes d’hydrogène relativement moins électronégatifs dont la valeur est 2,20. La densité électronique de la molécule d’eau est asymétrique et se situe plus près de l’atome d’oxygène hautement électronégatif car il a une électronégativité plus élevée. Cela rend l’extrémité oxygène de la molécule légèrement chargée négativement, ou 𝛿 moins. Et l’autre extrémité qui contient les deux atomes d’hydrogène, est légèrement chargée positivement, ou 𝛿 plus.
Nous pouvons donc voir qu’il existe deux pôles ou extrémités de cette molécule coudée, qui sont différents de par leur densité électronique. Et par conséquent, l’eau est une molécule polaire.
L'hexane, quant à lui, est une molécule d'hydrocarbure contenant uniquement de l'hydrogène et du carbone, avec six carbones dans une chaîne. Bien que le carbone ait une valeur d’électronégativité plus élevée que l’hydrogène, 2,55 contre 2,20, ce qui rend les liaisons individuelles légèrement polaires, la structure entière de la molécule d’hexane est non polaire. Mais pourquoi ? En raison de cette structure linéaire, aucune des deux extrémités de la molécule n’a une densité électronique supérieure à l’autre. Les électrons sont répartis uniformément à travers la molécule d’hexane. Et donc l’hexane est non polaire. C’est à cause de cette différence de polarité que l’hexane et l’eau ne se dissolvent pas l’un dans l’autre.
L’eau ne se mélangera pas avec les substances non polaires, car les interactions entre les molécules d’eau sont plus fortes que les interactions qui existeraient entre l’eau et les molécules non polaires. Cela signifie qu’il est énergiquement défavorable que les deux substances se mélangent. Et par conséquent, elles ne sont pas miscibles. Nous pouvons donc conclure que la réponse (D), parce que les molécules d’hexane sont non polaires et les molécules d’eau sont polaires, est la bonne explication des raisons pour lesquelles l’eau et l’hexane ne sont pas miscibles.
Que les molécules soient lourdes ou légères ne détermine pas si elles sont miscibles ou non, alors la réponse (A) n’est pas l’explication. La réponse (B) indique que l’hexane et l’eau sont polaires. Ce n’est pas vrai. Et la réponse (C) indique que l’hexane et l’eau sont tous deux non polaires. Ce n’est pas non plus vrai. Enfin, la taille des molécules, qu'elle soit grande ou petite, n'influence pas nécessairement le fait qu'elles seront miscibles ou non. Donc, la réponse (E) est également une affirmation incorrecte.
Nous avons maintenant vérifié que seule la proposition (D) explique correctement pourquoi l’hexane et l’eau sont immiscibles. C’est parce que les molécules d’hexane sont non polaires et que les molécules d’eau sont polaires.
