Soluté, solvant et solution
Une solution est un mélange homogène : il est identique partout. Elle a deux parties :
- Soluté : la substance qui se dissout (en général la plus petite quantité), par exemple le sucre.
- Solvant : la substance dans laquelle elle se dissout (en général la plus grande quantité), par exemple l'eau.
Quand le solvant est l'eau, on parle de solution aqueuse. L'eau dissout tant de choses qu'on l'appelle le solvant universel. Autres solvants : l'alcool, l'acétone (le dissolvant pour vernis à ongles).
Soluté et solvant peuvent être solides, liquides ou gazeux : sel dans l'eau (solide dans liquide), oxygène dans l'eau (gaz dans liquide), alliages comme le laiton (solide dans solide), air (gaz dans gaz).
Ce qui se passe quand un corps se dissout
Les particules d'eau attirent les particules du soluté et les séparent. Le soluté se répartit en molécules ou en ions isolés, bien trop petits pour être vus.
Propriétés d'une vraie solution
- Limpide et transparente (elle peut être colorée, comme le sulfate de cuivre).
- Les particules ne se déposent pas quand on laisse reposer.
- Elle traverse le papier filtre sans changer.
- Taille des particules inférieure à environ 1 nm.
Une suspension (du sable dans l'eau) a de grosses particules qui se déposent. Un colloïde (le lait) a des particules de taille moyenne qui ne se déposent pas mais qui diffusent la lumière.
Dissoudre n'est pas fondre : le sucre se dissout dans l'eau à température ambiante, il ne fond pas.
Concentration
Concentration = quantité de soluté dans une quantité donnée de solution. Une solution diluée contient peu de soluté ; une solution concentrée en contient beaucoup.
- Pourcentage massique = masse de soluté ÷ masse de solution × 100
- Masse de la solution = masse de soluté + masse de solvant
- Concentration massique = masse de soluté (g) ÷ volume de solution (L), en g/L
Ajouter du solvant (dilution) diminue la concentration, mais la quantité de soluté reste la même.
Solubilité, saturation et température
La solubilité est la plus grande masse de soluté qui se dissout dans 100 g de solvant à une température donnée.
- Insaturée : on peut encore dissoudre du soluté.
- Saturée : plus rien ne se dissout à cette température ; l'excès de solide reste au fond.
- Sursaturée : elle contient plus que d'habitude après un refroidissement très prudent ; un tout petit cristal fait sortir l'excès.
Une courbe de solubilité montre la solubilité en fonction de la température. Pour la plupart des solides, elle monte avec la température. Pour les gaz, elle baisse : une boisson gazeuse tiède perd plus vite ses bulles, et l'eau chaude contient moins d'oxygène pour les poissons.
Remuer et utiliser des grains plus petits font dissoudre un solide plus vite, mais ne changent pas la quantité maximale dissoute. Les échanges d'énergie pendant la dissolution peuvent réchauffer ou refroidir la solution.
« Qui se ressemble s'assemble » : l'eau dissout les sels et le sucre ; l'huile ne se mélange pas à l'eau mais se dissout dans l'essence.
Séparer une solution
La filtration ne marche pas pour une solution, car les particules sont trop petites.
- Évaporation : on chauffe jusqu'à ce que le solvant parte ; le solide reste.
- Cristallisation : on chauffe pour obtenir une solution saturée, puis on refroidit lentement ; des cristaux purs se forment (utilisée pour le sulfate de cuivre, le sucre).
- Distillation : on fait bouillir, puis on refroidit la vapeur pour recueillir le solvant pur (utilisée pour obtenir de l'eau potable à partir d'eau de mer).
- Chromatographie : sépare des substances colorées dissoutes, comme les encres.
Formules et définitions clés
- Solution = soluté + solvant
- % massique = (masse de soluté ÷ masse de solution) × 100
- Masse de la solution = masse de soluté + masse de solvant
- Concentration (g/L) = masse de soluté ÷ volume de solution en L
- Solubilité = masse maximale de soluté pour 100 g de solvant à une température donnée
Exemples résolus
1. On dissout 15 g de sucre dans 135 g d'eau. Calcule le pourcentage massique.
Masse de la solution = 15 + 135 = 150 g. % massique = 15 ÷ 150 × 100 = 10 %.
2. Quelle masse de sel y a-t-il dans 250 g d'une solution salée à 4 % ?
Sel = 4 % de 250 = 0.04 × 250 = 10 g. Eau = 240 g.
3. On dissout 12 g d'hydroxyde de sodium pour faire 500 mL de solution. Calcule la concentration en g/L.
500 mL = 0.5 L. Concentration = 12 ÷ 0.5 = 24 g/L.
4. La solubilité d'un sel à 20 °C est de 36 g pour 100 g d'eau. Quelle masse peut se dissoudre dans 50 g d'eau ?
Moitié moins d'eau, donc moitié moins de soluté : 18 g.
5. Une solution saturée à 60 °C contient 110 g de solide dans 100 g d'eau. On la refroidit à 20 °C, où la solubilité est de 32 g. Quelle masse de solide cristallise ?
110 − 32 = 78 g sortent sous forme de cristaux.
6. Pourquoi ne peut-on pas récupérer le sel de l'eau salée en filtrant ?
Le sel dissous est sous forme de minuscules ions qui passent avec l'eau dans les trous du papier filtre. Il faut faire évaporer l'eau.
Erreurs fréquentes
- Diviser par la masse du solvant au lieu de la masse de la solution dans le % massique.
- Dire que le sucre « fond » dans le thé ; il se dissout.
- Croire que remuer augmente la solubilité ; cela accélère seulement la dissolution.
- Croire que les gaz se dissolvent mieux dans l'eau chaude ; ils s'y dissolvent moins.