Chimie des solutions

1. Chimie des solutions Éditions Études Vivantes

2. Les solutions aqueuses Diaporama réalisé par Christian Louis, Ph.D.

3. + + + + + - - - - - ++ ++ ++ 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 sont de nature variée. 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.

4. Solvant Soluté Solution Formule chimique Masse Volume Nombre de moles Masse molaire Masse volumique Concentration en mol/L Concentration en g/100 mL Concentration en % massique Concentration en fraction molaire Concentration en mol/kg de solvant 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. H2O NaCl 1,0 L*1050 g L 0,50 mol*58,4 g mol 1050 g 1021 g 29,2 g 1050 g –29,2 g 1,0 L 1021 g 18,0 g/mol 0,50 mol 56,7 mol 57,2 mol 56,7 mol + 0,50 mol 18,0 g/mol 58,4 g/mol 1,05 g/mL 1050 g/L 0,50 mol/L 29,2 g = 29,2 g 1,0L 1000mL 2,92 g/100mL 29,2 g*100 1050 g 2,78 % 0,50 mol 57,2 mol 0,00874 0,50 mol 1021 g 0,50 mol 1,021 kg 0,49 mol/kg

5. Solutions aqueuses de gaz L’eau est habituellement en contact avec l’air. Les gaz de l’air (N2, O2, CO2, Ar, etc.) se solubilisent dans l’eau. 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 augmente avec la pression. 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.

6. 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. Eau : H – O – H. Acide oléique (un des constituants des huiles) : CH3–(CH2)7–CH=CH–(CH2)7-CO2H. On utilise souvent des liquides qui ne se mélangent pas à l’eau pour en extraire des molécules indésirables. Heptane (un des constituants de l’essence) : CH3–CH2–CH2–CH2–CH2-CH2-CH3 .

7. H - O - H Liaison hydrogène O || H - O - S - O - H || O Solutions aqueuses de liquides Certains liquides, comme l’éthanol et l’acide sulfurique, se mélangent à l’eau en toutes proportions. Ces liquides ont des structures moléculaires qui ressemblent à celle de l’eau et ils sont polaires comme l’eau. Eau : H–O–H. Éthanol : CH3-CH2-O-H. Acide sulfurique : H-O-SO2-O-H. Les interactions entre les molécules d’eau et les molécules de ces liquides sont fortes.

8. Température en °C Vapeur 100 90 80 70 Liquide 60 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Fraction molaire d’éthanol Séparations par distillation Le diagramme de phase d’une solution eau-éthanol montre que la vapeur qui s’en échappe s’enrichit en constituant le plus volatil (éthanol). 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.

9. Distillations fractionnées Montage de distillation fractionnée La séparation d’un mélange de deux liquides volatils est plus efficace si on remplace la distillation simple par une distillation fractionnée. Montage de distillation simple Le distillation fractionnée d’un mélange eau-éthanol conduit à un distillat dans lequel la fraction molaire d’éthanol est de 0,90.

10. Structure moléculaire de SiO2 (sable ou quartz) Structure moléculaire de NaCl (sel de cuisine) Solutions aqueuses de solides Dans 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. 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.

11. Peau Fraction molaire de soluté Variation de la pression de vapeur Dans un récipient fermé, la vapeur d’eau contenue dans l’air est en équilibre avec l’eau liquide. 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. La présence d’un soluté solide (soluté non volatil) dans l’eau diminue sa pression de vapeur. Dans une solution diluée, l’abaisse-ment de pression de vapeur (D P) est directement proportionnel à la fraction molaire de soluté. D P = k Xsoluté (loi de Raoult).

12. tcongélation Fraction molaire de soluté Variation de la température de congélation La présence d’un soluté dans l’eau fait baisser sa température de congélation. Dans une solution diluée, l’abaissement de la température de congélation (D t) est directement proportionnel à la concen-tration du soluté. D t dépend de la concentration du soluté, mais ne dépend pas de la nature du soluté. 1 mol/kg de n’importe quel soluté moléculaire fait baisser la température de congélation de l’eau de 1,86 °C. 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.