Le sel disparaît dans l’eau de cuisson, mais l’huile reste en gouttes à la surface : pourquoi ? Comprendre la solubilité d’une espèce chimique, et savoir l’utiliser pour réaliser une extraction (récupérer l’arôme d’une plante, la caféine d’un thé, un colorant), demande de regarder ce qui retient les entités les unes aux autres : la cohésion de la matière.
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La cohésion d’un solide ionique
Un solide ionique (le chlorure de sodium, par exemple) est un empilement régulier d’ions positifs (cations) et négatifs (anions) : un cristal. Le solide est électriquement neutre : les charges positives et négatives se compensent, ce qui impose la formule du solide (principe d’électroneutralité). Ainsi Na+ et Cl− donnent NaCl ; Ca2+ et Cl− donnent CaCl2 ; Al3+ et O2− donnent Al2O3 (2 × 3 = 3 × 2).
La cohésion du cristal est due à l’interaction électrostatique entre ions de signes opposés, décrite par la loi de Coulomb : F = k × |q1 × q2| ÷ d2, avec k = 9,0 × 109 N·m2·C−2, q en coulombs et d en mètres. Plus les charges sont grandes et plus les ions sont proches, plus l’attraction est forte.
Pour un ion Na+ (q = +e) et un ion Cl− (q = −e) distants de d = 2,8 × 10−10 m, avec e = 1,6 × 10−19 C : F = 9,0 × 109 × (1,6 × 10−19)2 ÷ (2,8 × 10−10)2 ≈ 2,9 × 10−9 N.
La cohésion des solides moléculaires
Dans un solide ou un liquide moléculaire, les molécules, neutres, restent proches grâce à des interactions plus faibles que les liaisons covalentes, qui ne sont pas brisées lors d’un changement d’état. On distingue deux types.
Les interactions de van der Waals sont des interactions électrostatiques attractives entre molécules, polaires ou non. Elles augmentent avec le nombre d’électrons et la surface de contact des molécules. La liaison hydrogène est une interaction plus intense qui s’établit entre un atome d’hydrogène lié à un atome très électronégatif (O, N, F) et un atome O, N ou F porteur d’un doublet non liant d’une autre molécule : A–H···B.
Cohésion et températures de changement d’état
Pour faire bouillir un liquide moléculaire, il faut vaincre les interactions entre molécules : plus elles sont intenses, plus la température d’ébullition est élevée. Les alcanes en sont un bon exemple : à chaque carbone supplémentaire, la molécule est plus grosse, comporte plus d’électrons, et les interactions de van der Waals augmentent.
| Alcane | CH4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | C5H12 | C6H14 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Téb (°C) | −162 | −89 | −42 | −1 | 36 | 69 |
À masse molaire comparable, la liaison hydrogène élève fortement la température d’ébullition : l’éthanol C2H6O (M = 46,0 g·mol−1) bout à 78 °C, alors que son isomère le méthoxyméthane CH3OCH3, sans liaison hydrogène entre ses molécules, bout à −24 °C.
Dissolution d’un solide ionique
Lorsqu’on introduit un solide ionique dans l’eau, trois étapes se produisent. La dissociation : les molécules d’eau, polaires, attaquent les ions de la surface et les arrachent du cristal. La solvatation (ou hydratation) : chaque ion est entouré de molécules d’eau, orientées avec leur côté δ− (oxygène) vers les cations et leur côté δ+ (hydrogène) vers les anions. La dispersion : les ions hydratés se répartissent dans toute la solution.
On traduit la dissolution par une équation, qui conserve les éléments et les charges : NaCl(s) → Na+(aq) + Cl−(aq) ; CaCl2(s) → Ca2+(aq) + 2 Cl−(aq) ; Al2(SO4)3(s) → 2 Al3+(aq) + 3 SO42−(aq). La concentration en soluté apporté C permet de déduire celles des ions : pour CaCl2, [Ca2+] = C et [Cl−] = 2C.
On dissout 5,85 g de NaCl dans une fiole jaugée de 500,0 mL. n = 5,85 ÷ 58,5 = 0,100 mol ; C = 0,100 ÷ 0,5000 = 0,200 mol·L−1 ; donc [Na+] = [Cl−] = 0,200 mol·L−1. La solution est électriquement neutre : 0,200 mol·L−1 de charges positives compensent 0,200 mol·L−1 de charges négatives.
Solubilité et extraction liquide-liquide
La solubilité s d’une espèce dans un solvant est la masse (ou la quantité de matière) maximale de cette espèce que l’on peut dissoudre par litre de solution, à une température donnée. Au-delà, le soluté ne se dissout plus et se dépose : la solution est saturée. La solubilité dépend de l’espèce, du solvant et de la température : la plupart des solides se dissolvent mieux à chaud.
À 20 °C, la solubilité du chlorure de sodium dans l’eau est voisine de 360 g·L−1 (valeur arrondie). Dans V = 250 mL, on peut dissoudre au plus m = s × V = 360 × 0,250 = 90 g. Si l’on introduit 100 g, il en reste 10 g non dissous : la solution est saturée.
Deux liquides sont miscibles s’ils forment une seule phase quel que soit le mélange, non miscibles s’ils se séparent en deux phases. L’eau et l’éthanol sont miscibles (liaisons hydrogène possibles entre leurs molécules) ; l’eau et le cyclohexane ne le sont pas. De façon générale, les espèces dont les molécules établissent des interactions comparables se mélangent : un solvant polaire dissout bien les espèces polaires ou ioniques ; un solvant apolaire dissout bien les espèces apolaires.
L’extraction liquide-liquide consiste à transférer une espèce d’une solution (souvent aqueuse) vers un autre solvant, le solvant d’extraction. Il doit être non miscible avec le solvant de départ et dissoudre l’espèce beaucoup mieux que lui. On opère dans une ampoule à décanter : après agitation et dégazage, on laisse reposer ; les deux phases se séparent selon leur densité, la moins dense au-dessus. On ouvre le robinet pour recueillir la phase inférieure, puis on récupère la phase supérieure par le haut.
On ne choisit pas la phase d’après sa couleur, mais d’après sa densité : la phase la plus dense est en bas. Il ne faut pas non plus confondre dissolution (le solide disparaît, l’espèce reste intacte, ou se dissocie en ions) et réaction chimique : lors d’une dissolution, la nature des entités ne change pas.
L’essentiel à retenir
- Un solide ionique est neutre ; sa cohésion vient de l’interaction électrostatique entre ions de signes opposés (loi de Coulomb).
- Les solides et liquides moléculaires sont liés par les interactions de van der Waals et par la liaison hydrogène (A–H···B avec A, B = O, N, F), qui élève les températures de changement d’état.
- Dissolution d’un solide ionique : dissociation, solvatation, dispersion ; l’équation conserve éléments et charges.
- La solubilité s est la masse maximale dissoute par litre ; au-delà, la solution est saturée.
- L’extraction liquide-liquide utilise un solvant non miscible dans lequel l’espèce est bien plus soluble ; la phase la moins dense surmonte l’autre.