Cohésion de la matière et solubilité
Cohésion des solides ioniques et moléculaires, interactions de Van der Waals et liaisons hydrogène, dissolution, solubilité, miscibilité et savons.
1. Cohésion des solides
Propriété · Solides ioniques
Un solide ionique (sel) est un empilement régulier de cations et d'anions. Sa cohésion est assurée par l'interaction électrostatique entre ions de charges opposées : elle est très forte (températures de fusion élevées : $801\,{}^\circ\text{C}$ pour $\text{NaCl}$).
Propriété · Solides moléculaires
Entre molécules s'exercent des interactions plus faibles :
- les interactions de Van der Waals, entre toutes les molécules (plus fortes entre molécules polaires et grosses molécules) ;
- les liaisons hydrogène, entre un atome H lié à O, N ou F et un atome très électronégatif (O, N, F) d'une autre molécule porteur d'un doublet non liant.
Exemple · Températures d'ébullition
L'eau ($M = 18$ g/mol) bout à $100\,{}^\circ\text{C}$ alors que le méthane ($M = 16$ g/mol) bout à $-161\,{}^\circ\text{C}$ : les liaisons hydrogène entre molécules d'eau sont bien plus fortes que les interactions de Van der Waals entre molécules de méthane.
2. Dissolution d'un solide ionique
Propriété · Trois étapes
- Dissociation : les ions se séparent sous l'action des molécules d'eau polaires.
- Solvatation (hydratation) : chaque ion s'entoure de molécules d'eau orientées.
- Dispersion : les ions solvatés se répartissent dans toute la solution.
Équation : $\text{NaCl}(s) \rightarrow \text{Na}^+(aq) + \text{Cl}^-(aq)$.
3. Solubilité et miscibilité
Propriété · « Qui se ressemble s'assemble »
Une espèce polaire ou ionique se dissout bien dans un solvant polaire (eau) ; une espèce apolaire se dissout bien dans un solvant apolaire (cyclohexane). Deux liquides sont miscibles s'ils forment un mélange homogène.
Expérience · Où se dissout le diiode ?
Propriété · Savons
Un ion carboxylate de savon possède une tête hydrophile (ionique) et une longue chaîne hydrophobe. Dans l'eau, les chaînes emprisonnent les salissures grasses au cœur de micelles, que l'eau emporte.
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Exercices corrigés
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Équation de dissolution
★☆☆Écrire l'équation de dissolution du chlorure de calcium $\text{CaCl}_2$ dans l'eau.
Températures d'ébullition
★★☆L'éthanol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) bout à $78\,{}^\circ\text{C}$ alors que le propane (masse proche) bout à $-42\,{}^\circ\text{C}$. Expliquer.
Choix d'un solvant
★★★On veut extraire le diiode d'une solution aqueuse. Solvants disponibles : éthanol (miscible à l'eau, bonne solubilité du diiode) ; cyclohexane (non miscible, très bonne solubilité, $d = 0{,}78$). Lequel choisir ? Où se trouvera la phase organique ?
Formule d'un solide ionique
★☆☆Écrire la formule du fluorure de calcium ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{F}^-$) et son équation de dissolution.
Concentrations des ions
★★☆On dissout $0{,}10$ mol de $\text{CaCl}_2$ dans $500$ mL d'eau. Calculer $[\text{Ca}^{2+}]$ et $[\text{Cl}^-]$.
Liaison hydrogène
★★☆Entre quelles molécules peut-il exister des liaisons hydrogène : $\text{CH}_4$, $\text{NH}_3$, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$, $\text{CO}_2$ ?
Classer des températures d'ébullition
★★☆Classer par température d'ébullition croissante : éthanol, propane, eau. Justifier.
Taille des molécules
★★☆Les alcanes méthane, butane, octane bouent à $-161$, $-1$ et $126\,{}^\circ\text{C}$. Interpréter.
Étapes de la dissolution
★☆☆Nommer et décrire les trois étapes de la dissolution du sel dans l'eau.
Orientation des molécules d'eau
★★☆Autour d'un ion chlorure $\text{Cl}^-$, comment s'orientent les molécules d'eau ?
Solubilité
★☆☆Le sucre (molécule polaire avec de nombreux groupes OH) est-il soluble dans l'eau ? dans l'huile ?
Miscibilité
★☆☆L'eau et l'éthanol sont miscibles, l'eau et l'huile non. Expliquer.
Savon
★★☆Décrire le mode d'action d'un savon sur une tache de graisse.
Solide moléculaire
★★☆La glace fond à $0\,{}^\circ\text{C}$, le sel à $801\,{}^\circ\text{C}$. Pourquoi cette différence ?
Glace moins dense
★★★Pourquoi la glace flotte-t-elle sur l'eau liquide ?
Exploiter l'expérience
★★☆Dans l'expérience du diiode, quel solvant choisir pour extraire le diiode d'une solution aqueuse ? Pourquoi ?
Concentration massique d'un ion
★★★On dissout $5{,}85$ g de NaCl ($M = 58{,}5$ g/mol) dans $250$ mL. Calculer $[\text{Na}^+]$ et la concentration en masse des ions chlorure ($M(\text{Cl}) = 35{,}5$ g/mol).
Iodure de potassium
★☆☆Écrire l'équation de dissolution de l'iodure de potassium $\text{KI}$ et celle du sulfate de sodium $\text{Na}_2\text{SO}_4$.
Eau dure
★★☆Pourquoi les savons moussent-ils mal dans une eau riche en ions $\text{Ca}^{2+}$ ?
Vrai ou faux
★★☆a) Une liaison hydrogène est plus forte qu'une liaison covalente. b) Le sel se dissout dans l'eau car l'eau est polaire. c) Deux liquides apolaires sont généralement miscibles.
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