La chimie à l’école — Années 1 à 12 · Grades 1–12

9Solutions et solubilité

On ouvre une bouteille d’eau gazeuse : un sifflement, et un flot de minuscules bulles monte de nulle part. Une seconde plus tôt, l’eau semblait parfaitement limpide, et pourtant un gaz y était dissous depuis le début. Les solides se dissolvent, les liquides aussi, et les gaz également — mais jamais sans limite. Ce chapitre nomme les parties d’une solution et mesure la quantité d’une substance qu’un liquide peut contenir.

Rappel

Un solide qui se dissout dans l’eau disparaît à la vue et laisse le liquide limpide ; ce liquide limpide est une solution, et ce qui a été dissous s’y trouve toujours (Chapitre 2). Une solution est un mélange homogène d’espèces chimiques (Chapitre 8). Faire évaporer l’eau permet de récupérer le solide dissous (Chapitre 3).

On ouvre une bouteille d’eau gazeuse : le gaz dissous ressort sous forme de bulles.

9.1 Soluté et solvant

Définition 9.1 (Soluté, solvant, solution aqueuse)

Dans une solution, la substance qui se dissout est le soluté, et le liquide dans lequel elle se dissout est le solvant. Quand le solvant est l’eau, la solution est une solution aqueuse.

Exemple 9.2 (D’autres solvants que l’eau)

L’eau est le solvant le plus courant, mais pas le seul. Le vernis à ongles ne se dissout pas dans l’eau ; il se dissout dans la propanone (l’acétone), le solvant du dissolvant pour vernis. La graisse et la peinture à l’huile se dissolvent dans le white-spirit. Beaucoup de médicaments sont dissous dans l’éthanol. Une solution peut avoir plusieurs solutés : l’eau de mer contient du sel dissous et bien d’autres substances.

Sécurité

La propanone (acétone) : liquide et vapeur très inflammables (GHS02) ; elle irrite les yeux et sa vapeur peut provoquer somnolence ou vertiges (GHS07). On l’utilise dans une pièce aérée, loin de toute flamme.

Proposition 9.3 (Les masses s’additionnent)

La masse d’une solution est la masse du solvant plus la masse du soluté dissous : rien ne se perd quand un solide se dissout, même si on ne le voit plus.

Dissoudre 10\, g de sucre dans 100\, g d’eau donne 110\, g de solution (la masse du bécher n’est pas comptée). — Dissoudre $10\,\mathrm{g}$ de sucre dans $100\,\mathrm{g}$ d’eau donne $110\,\mathrm{g}$ de solution (la masse du bécher n’est pas comptée).

9.2 Saturation et solubilité

Définition 9.4 (Solution saturée)

Une solution est une solution saturée quand elle ne peut plus dissoudre davantage de son soluté : tout soluté ajouté reste au fond sans se dissoudre, même si l’on remue longtemps.

Définition 9.5 (Solubilité)

La solubilité d’un soluté dans un solvant est la plus grande masse de soluté qu’une quantité donnée de solvant peut dissoudre, à une température donnée. Pour un solide dans l’eau, on la donne souvent en grammes par litre (ou par kilogramme) d’eau.

Proposition 9.6 (Quelques solubilités dans l’eau)

Les solubilités mesurées dans l’eau sont extrêmement différentes :

soluté	solubilité dans l’eau	conditions
sucre (saccharose)	environ $2000\,\mathrm{g}$ par litre d’eau	température ambiante
sel (chlorure de sodium)	$360\,\mathrm{g}$ par kilogramme d’eau	$25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$
dioxyde de carbone	environ $1.5\,\mathrm{g}$ par litre	$25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , sous le gaz
oxygène	environ $0.04\,\mathrm{g}$ par litre	$20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , sous le gaz
sable, craie	pratiquement nulle	—

Un litre d’eau peut dissoudre plus que sa propre masse de sucre, mais pas même un demi-gramme d’oxygène.

Méthode 9.7 (Tout va-t-il se dissoudre ?)

Pour savoir si une masse $m$ de soluté se dissout complètement dans un volume d’eau :

chercher la solubilité du soluté (en g par litre d’eau) ;
calculer la plus grande masse que ce volume d’eau peut dissoudre ;
comparer avec $m$ : si $m$ est plus petite, tout se dissout ; si $m$ est plus grande, la solution est saturée et le reste demeure au fond.

Exemple 9.8 (Du sel dans un verre)

$50\,\mathrm{g}$ de sel peuvent-ils se dissoudre dans $200\,\mathrm{mL}$ d’eau (environ $200\,\mathrm{g}$ ) ? Un kilogramme d’eau dissout au plus $360\,\mathrm{g}$ de sel, donc $200\,\mathrm{g}$ d’eau en dissolvent au plus $360 \times \frac{200}{1000} = 72\,\mathrm{g}$ . Comme $50 < 72$ , tout le sel se dissout.

On ajoute de plus en plus de sel à la même eau. Une fois la solution saturée, le sel en trop reste au fond.

Au laboratoire — Saturer de l’eau en sel

L’enseignant ajoute du sel à $100\,\mathrm{mL}$ d’eau, une cuillerée à la fois, en remuant bien après chacune. Les premières cuillerées disparaissent ; puis une cuillerée ne se dissout plus entièrement et des grains blancs restent au fond : la solution est saturée. En pesant le sel utilisé, on trouve qu’environ $36\,\mathrm{g}$ se sont dissous.

9.3 Liquides miscibles et non miscibles

Définition 9.9 (Liquides miscibles et non miscibles)

Un liquide est miscible avec un autre quand, mélangés, les deux donnent un seul liquide homogène. Il est non miscible avec lui quand les deux se séparent en deux couches, la plus légère au-dessus.

Exemple 9.10 (L’eau et l’éthanol, l’eau et l’huile)

L’eau et l’éthanol sont miscibles : agités ensemble, ils donnent un seul liquide limpide. L’eau et l’huile ne sont pas miscibles : on a beau les agiter fort, l’huile remonte et flotte sur l’eau en une couche séparée. Dans un pot de vinaigrette, l’huile flotte au-dessus du vinaigre, qui est surtout de l’eau.

Des liquides miscibles donnent une couche ; des liquides non miscibles en donnent deux.

La vinaigrette : l’huile et le vinaigre ne sont pas miscibles.

9.4 Les gaz se dissolvent aussi

Proposition 9.11 (Les gaz dissous)

Les gaz se dissolvent dans l’eau, un peu. On fabrique les boissons gazeuses en y dissolvant du dioxyde de carbone sous pression, dans une bouteille fermée ; quand on ouvre la bouteille, une partie du gaz ressort sous forme de bulles. L’eau au contact de l’air contient de l’oxygène dissous, que les poissons prélèvent par leurs branchies. Un gaz se dissout moins dans l’eau chaude que dans l’eau froide : une boisson gazeuse tiède perd plus vite ses bulles.

Exemple 9.12 (Les océans et le dioxyde de carbone)

Les océans sont au contact de l’air sur les deux tiers de la surface de la Terre. Le dioxyde de carbone de l’air s’y dissout : les océans absorbent ainsi une partie du dioxyde de carbone que les humains rejettent dans l’air.

Un aquarium : les bulles d’air maintiennent dans l’eau de l’oxygène dissous pour les poissons.

9.5 Exercices

Exercice 9.1 ★

Dans l’eau sucrée, nomme le soluté et le solvant. Est-ce une solution aqueuse ?

Solution

Solution de Exercice 9.1.

Soluté : le sucre. Solvant : l’eau. Oui, le solvant est l’eau : c’est une solution aqueuse.

Exercice 9.2 ★

Qu’est-ce qu’une solution saturée ? Comment peut-on voir qu’une solution est saturée ?

Solution

Solution de Exercice 9.2.

Une solution qui ne peut plus dissoudre davantage de son soluté. Le soluté qu’on y ajoute reste au fond sans se dissoudre.

Exercice 9.3 ★

On dissout $20\,\mathrm{g}$ de sel dans $250\,\mathrm{g}$ d’eau. Quelle est la masse de la solution ?

Solution

Solution de Exercice 9.3.

$250 + 20 = 270\,\mathrm{g}$ .

Exercice 9.4 ★

Miscible ou non miscible avec l’eau : l’éthanol, l’huile de cuisine, le vinaigre ?

Solution

Solution de Exercice 9.4.

L’éthanol : miscible. L’huile de cuisine : non miscible. Le vinaigre : miscible (c’est surtout de l’eau).

Exercice 9.5 ★

Nomme le solvant du dissolvant pour vernis à ongles et donne la signification de ses deux pictogrammes.

Solution

Solution de Exercice 9.5.

La propanone (acétone). GHS02 : très inflammable ; GHS07 : irrite les yeux, la vapeur peut provoquer somnolence ou vertiges.

Exercice 9.6 ★★

À l’aide de la solubilité du sel, trouve la plus grande masse de sel que $500\,\mathrm{g}$ d’eau peuvent dissoudre à $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Solution

Solution de Exercice 9.6.

$360 \times \frac{500}{1000} = 180\,\mathrm{g}$ .

Exercice 9.7 ★★

On remue $80\,\mathrm{g}$ de sel dans $200\,\mathrm{g}$ d’eau à $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Tout se dissout-il ? Sinon, quelle masse reste au fond ?

Solution

Solution de Exercice 9.7.

$200\,\mathrm{g}$ d’eau dissolvent au plus $360 \times \frac{200}{1000} = 72\,\mathrm{g}$ . Non : $80 - 72 = 8\,\mathrm{g}$ restent au fond.

Exercice 9.8 ★★

On dissout $25\,\mathrm{g}$ de sucre dans $225\,\mathrm{g}$ d’eau. Quel pourcentage de la masse de la solution est du sucre ?

Solution

Solution de Exercice 9.8.

La solution pèse $225 + 25 = 250\,\mathrm{g}$ ; $\frac{25}{250} = 10\,\%$ .

Exercice 9.9 ★★

Regarde la figure des trois béchers d’eau salée. Dans quel bécher pourrait-on encore dissoudre du sel ?

Solution

Solution de Exercice 9.9.

Dans le premier bécher, où tout le sel s’est dissous et où la solution n’est pas encore saturée.

Exercice 9.10 ★★

Pourquoi une bouteille d’eau gazeuse pétille-t-elle quand on l’ouvre, et pas avant ?

Solution

Solution de Exercice 9.10.

Le dioxyde de carbone a été dissous sous pression dans la bouteille fermée. L’ouvrir fait baisser la pression : l’eau peut contenir moins de gaz, et le gaz en trop ressort sous forme de bulles.

Exercice 9.11 ★★★

Un litre d’eau peut dissoudre environ $2000\,\mathrm{g}$ de sucre, mais seulement environ $0.04\,\mathrm{g}$ d’oxygène. Combien de fois plus de sucre que d’oxygène cela fait-il ?

Solution

Solution de Exercice 9.11.

$2000 \div 0.04 = 50\,000$ fois plus.

Exercice 9.12 ★★★

En été, l’eau d’un étang se réchauffe et les poissons montent à la surface pour avaler de l’air. Explique pourquoi à l’aide de ce chapitre.

Solution

Solution de Exercice 9.12.

Un gaz se dissout moins dans l’eau chaude : l’étang réchauffé contient moins d’oxygène dissous, et les poissons manquent d’oxygène.

9.6 Problème : la saumure du fromager

Problème 9.1

Problème du week-end — un bain d’eau saturée en sel pour les fromages, et ce que la chaleur de l’été lui fait

Beaucoup de fromages trempent quelques heures dans un bain de saumure : de l’eau saturée en sel. Un fromager remplit une cuve de $20\,\mathrm{L}$ d’eau ( $20\,\mathrm{kg}$ ) et ajoute du sel jusqu’à ce qu’il en reste au fond sans se dissoudre. On prend pour solubilité du sel $360\,\mathrm{g}$ par kilogramme d’eau.

Partie I — Le vocabulaire.

Dans la saumure, quel est le soluté et quel est le solvant ?
Que signifie « saturée » pour la saumure ?
Pourquoi le fromager ajoute-t-il du sel jusqu’à ce qu’il en reste un peu au fond ?

Partie II — Préparer la saumure.

Quelle masse de sel se dissout dans les $20\,\mathrm{kg}$ d’eau ?
Quelle est la masse de la saumure (sans le sel non dissous) ?
Quel pourcentage de la masse de la saumure est du sel ? Arrondis à l’unité.
Un jour, on n’ajoute que $5\,\mathrm{kg}$ de sel. La saumure est-elle saturée ? Combien de sel pourrait-elle encore dissoudre ?

Partie III — Un été chaud. Pendant une semaine chaude, $5\,\mathrm{L}$ ( $5\,\mathrm{kg}$ ) d’eau s’évaporent de la saumure saturée de la partie II, sans perte de sel.

Combien d’eau reste-t-il dans la cuve ?
Quelle masse de sel cette eau peut-elle encore garder dissoute ?
Que devient le sel que l’eau restante ne peut plus contenir ?
Comment le fromager peut-il voir, en regardant, que cela s’est produit ?
Calcule la masse de sel qui a cristallisé au fond de la cuve.

Solution

Solution de Problème 9.1.

1. Soluté : le sel. Solvant : l’eau.

2. L’eau contient autant de sel qu’elle le peut : plus aucun sel ne peut s’y dissoudre.

3. Le sel non dissous au fond prouve que la saumure est saturée : elle contient le plus de sel possible.

4. $360 \times 20 = 7200\,\mathrm{g} = 7.2\,\mathrm{kg}$ .

5. $20 + 7.2 = 27.2\,\mathrm{kg}$ .

6. $\frac{7.2}{27.2} \approx 0.26$ : environ $26\,\%$ .

7. Non : l’eau pourrait dissoudre $7.2\,\mathrm{kg}$ . Elle pourrait encore en dissoudre $7.2 - 5 = 2.2\,\mathrm{kg}$ .

8. $20 - 5 = 15\,\mathrm{kg}$ d’eau ( $15\,\mathrm{L}$ ).

9. $360 \times 15 = 5400\,\mathrm{g} = 5.4\,\mathrm{kg}$ .

10. Il sort de la solution sous forme de cristaux solides : il cristallise et tombe au fond.

11. De nouveaux cristaux blancs apparaissent et s’entassent au fond de la cuve.

12. $7.2 - 5.4 = 1.8\,\mathrm{kg}$ de sel ont cristallisé.

Termes définis dans ce chapitre

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