Dissolution et solubilité

Dans un dossier expérimental encadré, du sucre est entièrement dissous dans l'eau sans perte ni réaction. Il n'est plus visible à l'œil nu, mais reste présent. Aucun goût n'est nécessaire pour l'établir.

Voici les trois mots qui décrivent ce qui vient de se passer.

Le soluté est ce que l'on dissout : ici, le sucre. Le solvant est le liquide qui dissout : ici, l'eau. La solution est le mélange homogène obtenu à la fin : ici, l'eau sucrée. Quand le solvant est l'eau, on dit que la solution est aqueuse.

Que s'est-il vraiment passé ? Le morceau de sucre s'est dispersé dans l'eau, en particules bien trop petites pour être vues à l'œil nu, et ces particules se sont réparties dans tout le liquide. C'est pour cela que la solution est homogène : la composition est uniforme à l'échelle observée après homogénéisation, sans morceau de sucre visible.

La preuve par la balance. Voici l'expérience qui règle la question une fois pour toutes. Après avoir taré le bécher vide, on mesure 200 g d'eau, puis on pèse à part 20 g de sucre. Total : 220 g. On verse le sucre dans l'eau, on agite jusqu'à ce que tout soit dissous, et on repèse le bécher. La balance affiche 220 g.

Rien n'a disparu, rien n'a été créé : la masse se conserve lors d'une dissolution.

Deux mots à ne jamais échanger. On entend souvent dire que le sel « fond » dans l'eau. C'est faux, et c'est une faute de vocabulaire qui cache une faute de raisonnement.

Fondre, c'est passer de l'état solide à l'état liquide sous l'effet de la chaleur. À pression atmosphérique usuelle, la glace pure fond vers 0 °C, le beurre fond dans la poêle. Le sel, lui, ne fond qu'à plus de 800 °C.

Se dissoudre, c'est se disperser dans un solvant. La dissolution est distincte de la fusion et peut avoir lieu à froid. Elle peut néanmoins absorber ou libérer de l'énergie thermique ; température et solubilité sont liées.

Retiens donc la formule juste : le sel se dissout dans l'eau, il n'y fond pas.

Peut-on en dissoudre autant qu'on veut ? Non, et c'est la seconde grande idée de la leçon. Considère l'ajout progressif de sel avec agitation dans un dossier encadré : à un moment, le sel cesse de disparaître et s'accumule au fond. L'eau ne peut plus en dissoudre davantage. On dit alors que la solution est saturée. À l'équilibre, à température et composition du solvant fixées, agiter davantage n'augmente pas la solubilité ; l'agitation peut en revanche accélérer l'approche de cet équilibre.

La quantité maximale que l'eau peut dissoudre porte un nom et se mesure.

La solubilité d'un soluté est la masse maximale de ce soluté que l'on peut dissoudre dans une quantité donnée de solvant, à une température donnée. Dans cette leçon, les données sont exprimées en grammes pour 100 g d'eau, donc par masse de solvant, et non par masse de solution. D'autres expressions de la solubilité existent.

Deux précisions sont contenues dans cette définition, et il ne faut oublier ni l'une ni l'autre : la solubilité dépend du soluté — le sucre et le sel n'ont pas la même — et elle dépend de la température.

Données numériques utilisées pour les exercices, en grammes pour 100 g d'eau :

Ces valeurs sont fournies dans les exercices de ce parcours : il n'y a rien à retenir par cœur. Mais il y a beaucoup à lire dans ce tableau.

Première lecture : chauffer aide, en général. Le nitrate de potassium passe de 31,6 g à 20 °C à 110 g à 60 °C : l'eau chaude en dissout environ 3,48 fois plus. C'est la raison pour laquelle le sucre se dissout mieux dans un thé chaud que dans un thé glacé.

Deuxième lecture, et elle est essentielle : ce n'est pas une loi. Le chlorure de sodium passe de 35,9 g à 20 °C à seulement 39,1 g à 100 °C. Faire bouillir l'eau ne permet donc presque pas d'y dissoudre plus de sel. Une phrase comme « chauffer permet toujours de dissoudre beaucoup plus » est fausse : elle dépend du soluté, et le tableau le montre.

Troisième lecture : les solubilités sont très différentes entre elles. À 20 °C, 100 g d'eau dissolvent 35,9 g de sel mais 204 g de sucre, soit près de six fois plus. Comparer deux solubilités n'a donc de sens qu'à la même température.

Calculer avec la solubilité, en deux temps. La solubilité est donnée pour 100 g d'eau, et le bécher en contient rarement exactement 100 g. La méthode est toujours la même :

1. trouver la masse d'eau du bécher, puis combien de fois elle contient la portion de 100 g ;
2. multiplier la solubilité par ce nombre de portions.

Dans le modèle donné où la masse volumique de l'eau est arrondie à 1,00 g/mL, 250 mL correspondent à 250 g, soit $250 \div 100 = 2{,}5$ portions de 100 g. À 20 °C, ces 250 g d'eau peuvent donc dissoudre au maximum $35{,}9 \times 2{,}5 = 89{,}75$ g de sel.

Rappel de la leçon précédente, sans lequel rien ne marche. Les volumes d'eau se donnent en millilitres, les solubilités en grammes. Le pont entre les deux est la masse volumique de l'eau : on utilise ici l'approximation donnée : un millilitre d'eau correspond à un gramme. C'est pourquoi 250 mL d'eau valent 250 g.

Que devient l'excès ? Si l'on verse plus que le maximum, la différence ne se dissout pas : elle reste solide, au fond du bécher. On la retrouve par une simple soustraction :

La recristallisation : faire réapparaître le solide. Considère une solution saturée de nitrate de potassium dans de l'eau chaude, à 60 °C : 100 g d'eau y tiennent 110 g de soluté. On considère ensuite un refroidissement jusqu'à 20 °C, sans perte d'eau ou de soluté, suivi d'un retour à l'équilibre avec cristallisation. Un état sursaturé transitoire peut retarder l'apparition des cristaux. L'eau ne peut plus en garder que 31,6 g. Le reste, $110 - 31{,}6 = 78{,}4$ g, réapparaît sous forme de cristaux au fond du bécher.

Ce phénomène s'appelle la recristallisation, et il n'a rien de magique : la matière n'avait jamais disparu, l'eau froide ne peut simplement plus la garder dispersée. Dans les marais salants, la cristallisation résulte principalement de l'évaporation de l'eau : le mécanisme n'est donc pas ce refroidissement à masse d'eau constante. Des recristallisations peuvent aussi participer à la purification d'un solide dans un protocole adapté.

Données du dossier. Un bécher contient 150 g d'eau et reçoit 60,0 g de nitrate de potassium. La solubilité donnée est 31,6 g pour 100 g d'eau à 20 °C et 110 g à 60 °C. Le système ne perd ni eau ni soluté ; les états finaux sont supposés à l'équilibre. La masse du récipient est exclue des masses indiquées.

1. À 20 °C, la masse maximale dissoute est $31{,}6\times150/100=47{,}4$ g. Le soluté versé dépasse cette capacité : $60{,}0-47{,}4=12{,}6$ g restent solides.
2. Le contenu total pèse $150+60{,}0=210{,}0$ g. La solution liquide seule pèse $150+47{,}4=197{,}4$ g ; elle ne comprend pas les 12,6 g de solide résiduel. Une balance non tarée ajouterait encore la masse du bécher.
3. À 60 °C, la capacité donnée vaut $110\times150/100=165$ g : les 60,0 g peuvent entièrement se dissoudre. Cette conclusion suppose une température maintenue, une quantité d'eau inchangée et un temps suffisant.
4. Après refroidissement et cristallisation à l'équilibre à 20 °C, 12,6 g recristallisent. Une solution sursaturée peut retarder cette observation ; le calcul n'est pas une horloge de cristallisation.
5. Pour comparer, prends 200 g d'eau saturée en chlorure de sodium à 100 °C, avec 78,2 g de sel dissous d'après les données. À 20 °C, la capacité est 71,8 g : 6,4 g cristallisent à l'équilibre, sans évaporation. Une faible variation de solubilité ne signifie donc pas une masse de cristaux nulle.

La figure montre les points de solubilité fournis : le nitrate de potassium varie davantage que le chlorure de sodium. Les raccordements entre points sont des interpolations pédagogiques, pas des mesures supplémentaires garanties. Les zones s'interprètent pour le soluté désigné, aux conditions données et à l'équilibre ; les états sursaturés ne sont pas représentés.

La flèche 110 − 31,6 = 78,4 g concerne une solution initialement saturée dans 100 g d'eau, sans perte d'eau, refroidie puis cristallisée à l'équilibre. Le bandeau de pesée suppose le bécher taré : 200 g d'eau plus 20 g de soluté entièrement dissous donnent 220 g de solution sans perte. Le bandeau de saturation concerne un autre dossier, avec 200 g d'eau à 20 °C ; la masse du solide au fond n'appartient pas à la solution liquide.