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chimie (MPSI) · Chapitre 4 · Exercice de TD

Pourquoi l'eau dissout le sel : la permittivité en chiffres

Structure et propriétés physiques macroscopiques · D. Solubilité et miscibilité · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Données à °C (solubilité de de l'ordre de) :

Solvant (D)Solubilité de ()
eau
méthanol
éthanol
propanonequasi nulle
diméthylsulfoxyde (DMSO)—
cyclohexanenulle

1) Classer ces solvants en polaires protiques (protogènes), polaires aprotiques et apolaires. Justifier chaque critère.

2) On admet que l'énergie d'attraction, par mole, d'une paire d'ions et au contact (distance ) dans un milieu de permittivité relative vaut La calculer dans le vide, dans l'eau, dans l'éthanol et dans le cyclohexane. Comparer chaque valeur à à .

3) Confronter ces calculs aux solubilités mesurées. Que dire d'un solide ionique dans un solvant de faible permittivité ?

4) La permittivité n'explique pas tout : décrire la solvatation des ions et par l'eau, et indiquer quel ion le caractère protique de l'eau aide particulièrement à solvater. Le DMSO, aprotique, solvate bien les cations mais mal les anions : pourquoi ?

Corrigé

La stratégie. Le cours associe la dissolution des solides ioniques à une grande permittivité. On chiffre cette affirmation : la permittivité divise l'énergie d'attraction entre ions, et la question est de savoir si le résultat est petit ou grand devant l'agitation thermique . On complète ensuite par ce que la permittivité ne dit pas : l'orientation des molécules autour des ions.

1) Le classement.

  • Polaires protiques : eau, méthanol, éthanol. Moment dipolaire non nul, et des hydrogènes liés à un oxygène : ils sont donneurs de liaison hydrogène (protogènes).
  • Polaires aprotiques : propanone, DMSO. Moment dipolaire élevé, permittivité notable, mais aucun H lié à N, O ou F : ils sont accepteurs, pas donneurs.
  • Apolaires : cyclohexane. Moment nul, permittivité voisine de .

2) L'attraction écrantée. Dans le vide : Homogénéité : est en , et en fait une énergie par mole. Dans un solvant, :

Milieu ()
vide
eau
éthanol
cyclohexane

Dans le vide, l'attraction de deux ions au contact est de l'ordre d'une liaison covalente : , rien ne les sépare. Dans l'eau, elle tombe à , deux fois et demie : l'agitation thermique suffit à séparer la paire. Dans le cyclohexane, elle reste à , cent fois .

3) La confrontation. L'ordre des solubilités mesurées, eau () méthanol () > éthanol () cyclohexane (nulle), est exactement l'ordre des permittivités. Dans un solvant de faible permittivité, l'attraction entre ions reste énorme : les ions restent associés, le solide ne se dissout pas (ou se dissout en paires d'ions, très peu). C'est le sens précis de la phrase du cours : une grande permittivité affaiblit l'attraction entre ions et rend la dissociation possible.

4) La solvatation. Une fois séparés, les ions sont solvatés : chaque molécule d'eau se tourne pour présenter à l'ion la face de son dipôle qui l'attire. Autour de , les oxygènes () sont tournés vers l'ion ; autour de , un hydrogène () de chaque molécule pointe vers l'ion — c'est une liaison hydrogène entre l'eau, donneur, et l'anion, accepteur. Le caractère protique de l'eau aide donc surtout à solvater les anions. Le DMSO, très polaire, a un oxygène bien dégagé qui solvate les cations ; mais il n'a aucun hydrogène capable de donner une liaison hydrogène : ses anions restent peu solvatés, « nus ». La propanone, aprotique et de permittivité modeste, cumule les deux handicaps vis-à-vis de .

Ce que l'exercice installe. Associer chaque propriété d'un solvant à sa grandeur : la permittivité sépare les ions (on la compare à après division) ; le moment dipolaire oriente les molécules autour des ions ; le caractère protique solvate les anions par liaison hydrogène. C'est exactement la capacité exigible du programme.

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