Solubilité et miscibilité

Introduction

Pourquoi le sucre se dissout-il dans l'eau mais pas dans l'huile ? Pourquoi l'eau et l'éthanol se mélangent-ils en toutes proportions, tandis que l'eau et le cyclohexane forment deux couches distinctes ? Ces questions fondamentales trouvent leur réponse dans l'étude de la solubilité et de la miscibilité, deux concepts qui reposent sur la nature des interactions entre les molécules de soluté et de solvant. En Première, on apprend la règle « le semblable dissout le semblable », on étudie les facteurs qui influencent la solubilité et on maîtrise la technique d'extraction liquide-liquide.

Section 1 — La dissolution

Vocabulaire

Lorsqu'une espèce chimique (le soluté) se disperse de façon homogène dans un milieu (le solvant), on parle de dissolution. Le mélange homogène obtenu est une solution.

• Soluté : espèce dissoute (peut être solide, liquide ou gaz).
• Solvant : espèce en plus grande quantité, qui constitue le milieu de la solution.
• Solution : mélange homogène de soluté et de solvant.

Mécanisme microscopique (solvatation)

Lors de la dissolution, les molécules de solvant entourent chaque entité de soluté : c'est la solvatation (ou hydratation si le solvant est l'eau). Des interactions s'établissent entre le soluté et le solvant, qui compensent la rupture des interactions soluté-soluté et solvant-solvant initiales. La dissolution est favorable lorsque les interactions soluté-solvant sont suffisamment fortes pour compenser cette perte.

Section 2 — La solubilité

Définition

La solubilité $s$ d'un soluté dans un solvant, à une température donnée, est la masse maximale de soluté que l'on peut dissoudre dans un litre de solvant :

$$s = \frac{m_{\text{soluté dissous}}}{V_{\text{solvant}}}$$

L'unité courante est le g·L$^{-1}$. On peut aussi exprimer la solubilité en concentration molaire à saturation :

$$C_{sat} = \frac{s}{M}$$

où $M$ est la masse molaire du soluté (en g·mol$^{-1}$).

Solution saturée

Quand on atteint la solubilité maximale, la solution est dite saturée : tout ajout supplémentaire de soluté ne se dissout plus et reste sous forme solide au fond du récipient. Avant ce seuil, la solution est dite non saturée.

Paramètres influençant la solubilité

Deux facteurs principaux gouvernent la solubilité :

1. La température :

• Pour les solides dans les liquides : la solubilité augmente généralement avec la température (ex : le sucre se dissout mieux dans l'eau chaude).
• Pour les gaz dans les liquides : la solubilité diminue quand la température augmente (l'agitation thermique favorise le dégazage — c'est pourquoi une boisson gazeuse pétille davantage quand elle se réchauffe).

2. La nature du soluté et du solvant (voir section 3).

Section 3 — La règle « le semblable dissout le semblable »

Cette règle fondamentale stipule qu'un soluté se dissout bien dans un solvant de même nature du point de vue des interactions intermoléculaires :

• Un soluté polaire ou ionique se dissout bien dans un solvant polaire (ex : $NaCl$ dans l'eau).
• Un soluté apolaire se dissout bien dans un solvant apolaire (ex : graisse dans l'hexane, iode dans le cyclohexane).
• Un soluté apolaire se dissout mal dans un solvant polaire (ex : huile dans l'eau) et réciproquement.

Explication microscopique : les interactions soluté-solvant ne sont suffisamment fortes que si les deux espèces partagent le même type d'interactions (liaisons hydrogène, dipôle-dipôle, London). Si les interactions sont de natures différentes, l'énergie gagnée par la solvatation ne compense pas l'énergie perdue par la rupture des interactions initiales.

Section 4 — Miscibilité de deux liquides

Définition

Deux liquides sont miscibles s'ils forment un mélange homogène en toutes proportions. Ils sont non miscibles si, après agitation et repos, ils se séparent en deux phases distinctes.

Exemples :

• Eau et éthanol : miscibles (tous deux polaires, capables de former des liaisons hydrogène O–H···O).
• Eau et cyclohexane : non miscibles (eau polaire, cyclohexane apolaire).
• Eau et acétone : miscibles (l'acétone est suffisamment polaire).

Lorsque deux liquides non miscibles sont mélangés, le liquide le moins dense se place au-dessus (phase supérieure) et le liquide le plus dense se place en dessous (phase inférieure).

Section 5 — Extraction liquide-liquide

Principe

L'extraction liquide-liquide est une technique de séparation qui exploite la différence de solubilité d'une espèce chimique entre deux solvants non miscibles. On transfère l'espèce d'intérêt de son solvant initial vers un solvant extracteur dans lequel elle est plus soluble.

Protocole expérimental

1. Introduire la solution contenant l'espèce à extraire et le solvant extracteur dans une ampoule à décanter.
2. Agiter vigoureusement en retournant l'ampoule plusieurs fois, puis dégazer en ouvrant le robinet pour évacuer la surpression.
3. Laisser décanter : les deux phases se séparent sous l'effet de la gravité.
4. Récupérer la phase contenant l'espèce d'intérêt en ouvrant le robinet de l'ampoule.

Choix du solvant extracteur

Le solvant extracteur doit remplir trois conditions :

• Être non miscible avec le solvant initial.
• L'espèce à extraire doit y être plus soluble (meilleure affinité).
• Être facilement évaporable (bas point d'ébullition) pour récupérer le soluté pur ensuite.

Section 6 — Application : exercice résolu

Énoncé : On souhaite extraire le diiode $I_2$ d'une solution aqueuse. On dispose de cyclohexane ($C_6H_{12}$, densité $d = 0{,}78$, non miscible avec l'eau). Le diiode, molécule apolaire, est beaucoup plus soluble dans le cyclohexane que dans l'eau. Décrire le protocole et identifier les phases.

Résolution :

Étape 1 : On verse la solution aqueuse de diiode et le cyclohexane dans l'ampoule à décanter.

Étape 2 : On agite vigoureusement puis on dégaze en ouvrant le robinet.

Étape 3 : Après décantation, deux phases apparaissent. Le cyclohexane ($d = 0{,}78$) est moins dense que l'eau ($d = 1{,}0$) : il constitue la phase supérieure. Le diiode, plus soluble dans le cyclohexane, migre dans cette phase (coloration violette en haut, phase aqueuse décolorée en bas).

Étape 4 : On récupère d'abord la phase aqueuse (inférieure) par le robinet, puis la phase organique contenant le diiode.

À retenir

• La solubilité $s$ (g·L$^{-1}$) est la masse maximale de soluté dissout par litre de solvant ; $C_{sat} = s / M$.
• « Le semblable dissout le semblable » : polaire dans polaire, apolaire dans apolaire.
• La solubilité des solides dans les liquides augmente généralement avec la température ; celle des gaz diminue.
• Deux liquides miscibles forment un mélange homogène ; deux liquides non miscibles se séparent en deux phases.
• L'extraction liquide-liquide (ampoule à décanter) exploite la différence de solubilité entre deux solvants non miscibles pour isoler une espèce.

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