Chimie des solutions

Éditions Études Vivantes

Les solutions aqueuses

Diaporama réalisé par Christian Louis, Ph.D.

Solutés de l’eau

L’eau est rarement pure. Elle contient des substances dissoutes.Dans une solution, la distribution des molécules est homogène.

Les solutés de l’eau de mer sont plutôt ioniques : Na+, Cl-, Mg2+, HCO3

-, etc.

Les solutés du vin sont plutôt moléculaires :C2H5OH, C2H5CO2H, C2H5CHO, etc.

Les solutés de l’eau sont de nature variée.

+

++

-

-

-

+

+

++

++

++ -

-

Concentration des solutions

La concentration d’une solution nous renseigne sur la quantité de soluté dissoute dans une quantité donnée de solution.La concentration peut s’exprimer de différentes façons.

Solvant Soluté Solution

Formule chimique

Concentration en mol/L

Masse

Volume

Nombre de moles

Masse molaire

Masse volumique

Concentration en g/100 mL

Concentration en % massiqueConcentration en fraction molaireConcentration en mol/kg de solvant

H2O NaCl

0,50 mol/L

0,50 mol1,0 L

58,4 g/mol

0,50 mol*58,4 g mol

29,2 g

2,92 g/100mL

29,2 g = 29,2 g1,0L 1000mL

1,05 g/mL1050 g/L

1,0 L*1050 g L

1050 g

29,2 g*1001050 g2,78 %

1050 g –29,2 g1021 g

18,0 g/mol

1021 g18,0 g/mol56,7 mol 56,7 mol + 0,50

mol57,2 mol

0,50 mol57,2 mol0,00874

0,50 mol1021 g0,49 mol/kg

0,50 mol1,021 kg

Solutions aqueuses de gazL’eau est habituellement en contact avec l’air.

La solubilité d’un gaz augmente avec la pression.

La solubilité d’un gaz dans l’eau est habituellement petite.

La solubilité de HCl est grande(10 mol/L), car HCl réagit vigoureu-sement avec l’eau :HCl + H2O H3O+

(aq) + Cl-(aq) .

La solubilité d’un gaz diminue avec la température.La solubilité de O2 est de 3,0x10-4 mol/kg dans l’air à 20 °C. Elle est 7 fois plus grande dans l’oxygène pur à 0 °C.

Les gaz de l’air (N2, O2, CO2, Ar, etc.) se solubilisent dans l’eau.

Mélanges hétérogènes avec des liquides

Plusieurs liquides communs (les huiles, l’essence) se mélangent très peu à l’eau.La structure moléculaire de ces liquides est très différente de celle de l’eau.

On utilise souvent des liquides qui ne se mélangent pas à l’eau pour en extraire des molécules indésirables.

Eau : H – O – H.

Acide oléique (un des constituants des huiles) :CH3–(CH2)7–CH=CH–(CH2)7-CO2H.Heptane (un des constituants de l’essence) : CH3–CH2–CH2–CH2–CH2-CH2-

CH3 .

Solutions aqueuses de liquidesCertains liquides, comme l’éthanol et l’acide sulfurique, se mélangent à l’eau en toutes proportions.

Les interactions entre les molécules d’eau et les molécules de ces liquides sont fortes.

Ces liquides ont des structures moléculaires qui ressemblent à celle de l’eau et ils sont polaires comme l’eau.Eau : H–O–H.

H - O - H

O ||H - O - S - O - H || O

Liaisonhydrogène

Éthanol : CH3-CH2-O-H.

Acide sulfurique : H-O-SO2-O-H.

Séparations par distillationLe diagramme de phase d’une solution eau-éthanol montre que la vapeur qui s’en échappe s’enrichit en constituant le plus volatil (éthanol).

100

Température en °C

Fraction molaire d’éthanol0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

90

80

70

60

Vapeur

Liquide

Si Xéthanol = 0,20,le liquide bout à 84 °C.

La vapeur formée a une fraction molaire d’éthanol de 0,62. La distillation simple à 84 °C d’un mélange liquide où la fraction molaire d’éthanol est de 0,2 0 donne un distillat dont la fraction molaire en éthanol est de 0,62.

Distillations fractionnéesLa séparation d’un mélange de deux liquides volatils est plus efficace si on remplace la distillation simple par une distillation fractionnée.

Le distillation fractionnée d’un mélange eau-éthanol conduit à un distillat dans lequel la fraction molaire d’éthanol est de 0,90.

anneau métallique

cristallisoir

robinet

évier

adaptateur 3 voies

adaptateur Claisen

réfrigérant

adaptateur à vide

manchon chauffant

pince à montage

Montage de distillation simple

colonne de Vigreux

anneau métallique

cristallisoir

robinet

évier

adaptateur 3 voies réfrigérant

adaptateur à vide

manchon chauffant

pince à montage

Montage de distillation fractionnée

Solutions aqueuses de solidesDans la nature, l’eau est en contact avec les substances solides inorga-niques et organiques du sol.Certains de ces solides sont très peu solubles dans l’eau. Ce sont surtout des substances moléculaires ou macromoléculaires.D’autres solides sont très solubles dans l’eau. Ce sont surtout des substances ioniques.

Structure moléculairede SiO2 (sable ou quartz)

Structure moléculaire de NaCl(sel de cuisine)

La dissolution de solides dans l’eau modifie les propriétés de cette dernière : masse volumique, pression de vapeur, température de congé-lation, température d’ébullition.

Variation de la pression de vapeurDans un récipient fermé, la vapeur d’eau contenue dans l’air est en équilibre avec l’eau liquide.

La présence d’un soluté solide (soluté non volatil) dans l’eau diminue sa pression de vapeur.

Les molécules de la vapeur d’eau entrent en collision avec toutes les surfaces et exercent sur elles une pression Peau.À 25 °C, la pression de vapeur de l’eau pure, P°eau, est de 3,2 kPa.

Dans une solution diluée, l’abaisse-ment de pression de vapeur (P) est directement proportionnel à la fraction molaire de soluté. P = k Xsoluté (loi de Raoult).

Peau

Fraction molaire de soluté

Variation de la température de congélation

La présence d’un soluté dans l’eau fait baisser sa température de congélation.

1 mol/kg de n’importe quel soluté moléculaire fait baisser la température de congélation de l’eau de 1,86 °C.

Dans une solution diluée, l’abaissement de la température de congélation (t) est directement proportionnel à la concen-tration du soluté.t dépend de la concentration du soluté, mais ne dépend pas de la nature du soluté.

tcongélation

Fraction molaire de soluté

La dissolution d’une mole de NaCl dans l’eau produit 2 moles d’ions ; 1 mol/kg de NaCl fait baisser la température de congélation de 2x1,86 °C.