Cohésion, dissolution et solubilité

Cours complet · chimie (première), chapitre 7 · première, spécialité physique-chimie

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Pourquoi le sel fond-il à $801^{\circ}$ C et le beurre à $30^{\circ}$ C ? Pourquoi l'eau dissout-elle le sel mais pas l'huile ? Réponse en un mot : les interactions entre entités. Ce chapitre les classe (ioniques, entre dipôles, ponts hydrogène), puis les met au travail : dissolution des solides ioniques, solubilité et miscibilité, extraction par solvant et le chef-d'œuvre applicatif — le savon.

7.1 La cohésion des solides

◆Théorème 7.1Trois types d'interactions attractives

La cohésion d'un solide vient d'interactions attractives entre ses entités, d'intensités très différentes :

solide ionique (ex. $NaCl$ ) : attraction électrostatique entre cations et anions (loi de Coulomb — livre de physique !) : très forte ;
solide moléculaire polaire (ex. glace, sucre) : attractions entre dipôles ( $δ^{+}$ face à $δ^{-}$ ), renforcées le cas échéant par des ponts hydrogène : modérées ;
solide moléculaire apolaire (ex. diiode, paraffine) : attractions de Van der Waals entre dipôles instantanés : faibles, mais croissant avec la taille des entités.

Définition 7.2Le pont hydrogène

Un pont hy\-dro\-gène s'établit entre un atome d'hy\-dro\-gène lié à un atome très électronégatif (O, N) et un doublet non liant d'un atome O ou N d'une entité voisine. Intermédiaire entre Van der Waals et liaison covalente, il explique les propriétés hors normes de l'eau.

Le pont hydrogène (pointillé orange) : le H, appauvri en électrons ( $δ^{+}$ ) car lié à un oxygène très électronégatif, s'accroche au doublet non liant d'un O voisin.

Exemple 7.3La hiérarchie se lit dans les températures de fusion

Solide	Type	Cohésion	$θ_{fusion}$
chlorure de sodium $NaCl$	ionique	électrostatique	$801^{\circ}$ C
glace $H X_{2} O$	moléculaire polaire	dipôles $+$ ponts H	$0^{\circ}$ C
diiode $I X_{2}$	moléculaire apolaire	Van der Waals	$114^{\circ}$ C (grosses entités)
dioxygène $O X_{2}$	moléculaire apolaire	Van der Waals	$- 219^{\circ}$ C

Fondre, c'est vaincre les interactions : plus elles sont fortes, plus la température de fusion grimpe. (Comparer $O X_{2}$ et $I X_{2}$ : mêmes interactions, mais Van der Waals croît avec la taille.)

7.2 Dissolution des solides ioniques dans l'eau

◆Théorème 7.4Les trois étapes de la dissolution

L'eau, polaire, dissout un solide ionique en trois temps :

dissociation : les molécules d'eau, attirées par les ions de surface, affaiblissent puis rompent les liaisons du réseau ;
solvatation (hydratation) : chaque ion s'entoure de molécules d'eau orientées — l'oxygène $δ^{-}$ vers les cations, les hydrogènes $δ^{+}$ vers les anions ;
dispersion : les ions solvatés se répartissent dans tout le volume (agitation).

La solvatation : l'eau, dipôle coudé, présente à chaque ion sa face de charge opposée — c'est la polarité de l'eau (chapitre 6) qui fait d'elle le grand solvant des espèces ioniques.

Méthode : Équation de dissolution et concentrations des ions

On modélise la dissolution par une équation avec les états $(s)$ et $(a q)$ , en respectant la formule statistique du solide :

$NaCl X_{(s)} eau Na X^{+} X_{(aq)} + Cl X^{-} X_{(aq)}, CaCl X_{2} X_{(s)} eau Ca X^{2 +} X_{(aq)} + 2 Cl X^{-} X_{(aq)} .$

Si l'on dissout $n$ mol de solide dans un volume $V$ , les coefficients donnent les concentrations effectives des ions : pour $CaCl X_{2}$ de concentration apportée $C = n / V$ ,

$[Ca X^{2 +}] = C, [Cl X^{-}] = 2 C .$

Exemple 7.5

On dissout $5, 55$ g de $CaCl X_{2}$ ( $M = 111, 0 g / mol$ ) dans $500, 0$ mL d'eau : $n = 5, 00 \times 1 0^{- 2}$ mol, $C = 0, 100 mol / L$ , d'où $[Ca X^{2 +}] = 0, 100 mol / L$ et $[Cl X^{-}] = 0, 200 mol / L$ .

7.3 Solubilité et miscibilité

Définition 7.6

La solubilité d'une espèce dans un solvant est la masse (ou quantité) maximale que l'on peut y dissoudre par litre ; au-delà, la solution est saturée.
Deux liquides sont miscibles s'ils forment un mélange homogène en toutes proportions (eau/éthanol), non miscibles s'ils se séparent en deux phases (eau/cyclohexane, eau/huile).

◆Théorème 7.7« Qui se ressemble s'assemble »

Une espèce se dissout d'autant mieux que ses entités peuvent établir avec le solvant des interactions comparables à celles qu'elles quittent :

solvant polaire (eau) : dissout les solides ioniques et les espèces polaires (surtout celles à ponts H : sucres, alcools) ;
solvant apolaire (cyclohexane, huile) : dissout les espèces apolaires (diiode, graisses, paraffine).

Exemple 7.8

Le diiode $I X_{2}$ (apolaire) : solubilité $0, 3$ $g / L$ dans l'eau, $28$ $g / L$ dans le cyclohexane — presque cent fois plus. Le sel : $360$ $g / L$ dans l'eau, insoluble dans le cyclohexane. Chaque espèce va vers le solvant qui lui « ressemble ».

7.4 L'extraction liquide-liquide

Protocole expérimental : Extraire une espèce par un solvant

Pour extraire une espèce dissoute dans l'eau, on choisit un solvant extracteur :

non miscible à l'eau (deux phases se forment) ;
dans lequel l'espèce est beaucoup plus soluble que dans l'eau ;
sûr et adapté (peu toxique, non inflammable si possible, densité connue pour prévoir quelle phase est au-dessus).

Dans l'ampoule à décanter : verser les deux liquides, agiter (en dégazant), laisser décanter ; l'espèce migre vers le solvant extracteur ; soutirer la phase inférieure.

Extraction du diiode d'une eau iodée par le cyclohexane : après agitation, le diiode a migré vers le solvant apolaire où il est cent fois plus soluble ; la phase organique, moins dense, surnage.

7.5 Savons et espèces amphiphiles

Définition 7.9Hydrophile, lipophile, amphiphile

Une espèce (ou une partie d'entité) est hydrophile si elle a de l'affinité pour l'eau (polaire, ionique, ponts H), lipophile (= hydrophobe) si elle a de l'affinité pour les graisses (apolaire). Une entité amphiphile possède les deux : c'est le cas des ions carboxylate des savons,

$longue cha ı ˆ ne carbon e ˊ e : lipophile CH X_{3} - (CH X_{2}) X_{16} - t e ˆ te ionique : hydrophile COO X^{-}$

◆Théorème 7.10Pourquoi le savon lave

La graisse, apolaire, ignore l'eau. Les entités de savon s'y plantent par leurs queues lipophiles et hérissent la surface de têtes hydrophiles : la gouttelette, encapsulée dans une micelle, devient « soluble » et part au rinçage. Les tensioactifs de la même famille servent partout : détergents, shampooings, émulsifiants alimentaires (mayonnaise !), mousses.

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