Solubilité 1 Le produit de solubilité

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1 Solubilité 1 Le produit de solubilité Soluble ou insoluble? Tous les sels ne se dissocient pas de la même façon dans l eau. Certains sont très solubles, d autres moins et d autres pas du tout. En première année, on a défini un test simple pour savoir si un sel est soluble dans l eau ou pas : «est-ce que chaque ion a deux charges ou plus?» Si la réponse est «oui», le composé est insoluble, et si la réponse est «non», le composé est soluble. Mais ce test n est pas toujours applicable, car il y a des limitations et des exceptions. Sur la base de ce test, prédire si les sels ci-dessous sont solubles ou pas : NaCl soluble insoluble CaO soluble insoluble Al 2 O soluble insoluble AgNO soluble insoluble AgCl soluble insoluble Trop d exceptions ne permettent pas de prédire de façon satisfaisante si le sel est soluble ou non. D autre part, le chimiste veut quantifier la solubilité : combien peut-on dissoudre de tel ou tel sel dans l eau? La réaction de dissolution est aussi un équilibre chimique Lorsqu on veut trouver expérimentalement la solubilité maximale d un composé ionique dans l eau, on ajoute plus de sel que le solvant peut dissoudre. Exemple : dissolution du chlorure de sodium dans l eau. Il restera alors au fond du récipient une quantité de NaCl qui ne peut plus passer en solution, car cette dernière est saturée. Comme vu précédemment, la réaction ne s arrête pas : du sel dissous précipite (redevient solide) pendant que du sel solide passe en solution. C est à nouveau un problème d équilibre : Na + Cl NaCl (solide) Na + (aq) + Cl (aq) Na + Cl Na + Cl NaCl (solide) A l équilibre, la vitesse de dissolution est égale à la vitesse de cristallisation. 1

2 Produit de solubilité Puisque nous sommes à l équilibre, on peut utiliser la loi d action de masse (loi de Guldberg et Waage) : K = C C Na + Cl C NaCl L expression de la loi d action de masse peut être simplifiée car la concentration de NaCl cristallisé ne varie pas. En plaçant à gauche de l égalité tout ce qui est constant, on obtient l expression suivante : K C NaCl = C Na + C Cl Comme pour les acides bases, on définit une nouvelle constante = K C NaCl. est appelée la constante de solubilité : = C Na + C Cl Pour un sel quelconque AB, on obtient donc la relation suivante : = C A + C B Mais l expression du n est pas toujours aussi simple que le cas ci-dessus. Pour un sel A 2 B (par exemple Li 2 O), on aura la situation suivante : A 2 B (solide) 2 A + (aq) + B 2 (aq) 2 = C A + C B 2 Pour un sel AB (par exemple AlBr ), on aura : AB (solide) A + (aq) + B (aq) = C A + C B Généralisation Pour un sel A x B y, on aura l expression suivante : A x B y (solide) x A y+ (aq) + y B x (aq) x = C A y+ y C B x 2

3 Solubilité 2 La solubilité des corps ioniques Comparer les? Sur la base des, peut-on comparer la capacité plus ou moins grande d un sel à se dissoudre dans l eau? La réponse est non. Si on regarde les unités de, on constate qu elles changent selon les coefficients stoechiométriques du composé ionique. Exemples : NaCl : = C Na + C Cl Les unités de sont des mol 2 L Li 2 O : = C Li + C O 2 Les unités de sont des mol L -. AlBr : = C Al + C Br Les unités de sont des mol 4 L -4. En généralisant, on voit que pour un sel A x B y, les unités de seront des mol (x+y) L -(x+y)! On ne peut donc comparer que ce qui est comparable. Pour savoir si un sel est moins soluble qu un autre, on ne peut pas faire de classement selon le. Il faut trouver autre chose. C est pourquoi on travaille plutôt avec la concentration maximale de sel qu on peut dissoudre dans la solution. Définition La solubilité S est la quantité maximale de sel (en mol L -1 ou en g L -1 ) qui peut se dissoudre dans la solution. Exemples : NaCl Si S moles de NaCl peuvent se dissoudre, il y aura dans la solution S moles de Na + et S moles de Cl, selon les coefficients de l équation chimique : NaCl (solide) Na + (aq) + Cl (aq) S moles S moles S moles On remplace dans l équation du produit de solubilité : = S S = S 2 La solubilité sera : S = Li 2 O Si S moles de Li 2 O peuvent se dissoudre, il y aura dans la solution 2S moles de Li + et S moles de O 2-, selon les coefficients de l équation chimique : Li 2 O (solide) S moles 2 Li + (aq) + O 2- (aq) 2S moles S moles On remplace dans l équation du produit de solubilité : = ( 2S) 2 S = 4 S La solubilité sera : S = 4

4 AlBr Si S moles de AlBr peuvent se dissoudre, il y aura dans la solution S moles de Al + et S moles de Br, selon les coefficients de l équation chimique : AlBr (solide) Al + (aq) + Br (aq) S moles S moles S moles On remplace dans l équation du produit de solubilité : = S ( S) = 27 S 4 Généralisation Pour un sel A x B y, on a la situation suivante : La solubilité sera : S = Si S moles de A x B y peuvent se dissoudre, il y aura dans la solution x S moles de A y+ et y S moles de B x, selon les coefficients de l équation chimique : 4 27 A x B y (solide) S moles x A y+ (aq) + y B x (aq) x S moles y S moles On remplace dans l équation du produit de solubilité : = ( x S) x ( y S) y = x x y y S (x+y) Echelle logarithmique La solubilité sera : S = x+y x x y y Comme pour le ph et le pk a, on définit un p par l'utilisation de l échelle logarithmique : p = log = 10 p Soluble ou insoluble? Comme chaque composé ionique a une solubilité caractéristique dans l eau, il est possible de définir un classement des sels : Les sels avec S < 0,01 mol L -1 sont insolubles. Les sels avec 0,01 < S < 0,1 mol L -1 sont peu solubles. Les sels avec S > 0,1 mol L -1 sont solubles. Influence de la température Comme le est régi par la loi d action de masse, le produit de solubilité change si la température change. La solubilité S va donc aussi varier avec la température : Si la dissolution est endothermique, la solubilité augmente si la température augmente. Si la dissolution est exothermique, la solubilité diminue si la température augmente. 4

5 Règles empiriques de solubilité à 25 C Les règles empiriques ci-dessous permettent de déterminer la solubilité d un sel dans l eau pour des solutions diluées (0,1 mol L -1 ) et à température ambiante. Ces règles doivent être appliquées dans l ordre donné. En cas de conflit, la règle avec le plus petit numéro l emporte. 1. Tous les sels des métaux alcalins et d ammonium sont solubles. 2. Tous les nitrates, acétates et perchlorates sont solubles.. Tous les sels d argent, de plomb et de mercure (I) sont insolubles. 4. Tous les chlorures, bromures et iodures sont solubles. 5. Tous les carbonates, sulfures, oxydes et hydroxydes sont insolubles. 6. Tous les sulfates sont solubles, exceptés CaSO 4 et BaSO 4. Exemples : Composé Prédiction Règle utilisée (NH 4 ) 2 SO 4 CaCO Al 2 O Pb(NO ) 2 Na 2 S PbSO 4 5

6 Solubilité Réactions de précipitation Lorsqu on mélange deux solutions d électrolytes, il peut se former un précipité selon la nature des électrolytes et selon leurs concentrations. A une température donnée, une solution saturée contient des concentrations bien précises en ions. Ces concentrations peuvent être calculées d après le du sel dissous, comme nous l avons vu précédemment. La formation d un précipité au cours d une réaction indique que la solution résultant du mélange de deux électrolytes est saturée en certains ions et que l excès précipite sous forme solide. Mélange de deux sels en solution concentrée On mélange des volumes égaux de solutions de MgCl 2 0,5 mol L -1 et K 2 CO 0,5 mol L -1. Il se formera MgCO peu soluble et KCl très soluble. MgCl 2 (aq) + K 2 CO (aq) MgCO (s) + 2 KCl (aq) Dans une réaction de précipitation, on préfère écrire l équation chimique sous la forme ionique : Mg Cl + 2 K + + CO 2- MgCO + 2 K Cl Les ions K + et Cl restent en solutions : on les appelle souvent des ions spectateurs. Ils n apparaissent d ailleurs pas dans l équation chimique car elle peut être simplifiée : Mg 2+ + CO 2- MgCO Comme on a mélangé deux volumes égaux, les concentrations des deux sels sont divisées par deux : C Mg 2+ = C CO 2 = 0,25 mol L 1 On calcule une valeur appelée Q s (monôme des activités) qui est la même expression mathématique que le, mais calculé avec les concentrations initiales du système : x Q s = C initiale de A y+ y C initiale de B x Dans l exemple, Q s = 0,25 0,25 = 0,0625 mol 2 L 2 On compare Q s et : -2 Q s = 0,0625 mol 2 L = 2, mol 2 L Le monôme des activités Q s est beaucoup plus grand que le produit de solubilité, ce qui n est pas possible! Cela signifie qu il y a trop de ions en solutions : ils vont précipiter pour diminuer la concentration de Mg 2+ et CO 2- jusqu à ce que Q s =. 6

7 Mélange de deux sels en solution très diluée On réalise le mélange des mêmes sels que précédemment, mais avec des concentrations beaucoup plus faibles : MgCl mol L -1 et K 2 CO mol L -1. Comme on a mélangé deux volumes égaux, les concentrations des deux sels sont comme avant divisées par deux : C Mg 2+ = C CO 2 = 2,5 10 mol L 1 On calcule le Q s (monôme des activités) : Q s = 2,5 10 2,5 10 = 6, On compare Q s et : Q s = 6, mol 2 L = 2, mol 2 L mol 2 L 2 Le monôme des activités Q s est cette fois-ci plus petit que le produit de solubilité, ce qui est parfaitement possible. Cela signifie simplement que la solution n est pas saturée en Mg et CO et qu on pourrait donc augmenter la concentration des ions en ajoutant du carbonate de magnésium jusqu à ce que Q s soit égal à. Généralisation Lorsqu on calcule le monôme d activité Q s, trois cas peuvent se présenter : 1. Q s < : le système n est pas à l équilibre. Pour qu il y parvienne, Q s doit augmenter : il y aura une dissolution. 2. Q s = : le système est à l équilibre. Il ne se passe rien.. Q s > : le système n est pas à l équilibre. Pour qu il y parvienne, Q s doit diminuer : il y aura un précipité. Exemple Si on mélange du NaOH 0,1 mol L -1 avec Al(NO ) 0,01 mol L -1, observe-t-on un précipité? Si oui, quel est la formule chimique du sel qui précipite? Les deux sels de départ sont très solubles. Tous les sels possédant un cation alcalin sont solubles, donc ce n est pas NaNO qui pourrait précipiter. Le seul candidat possible, c est l hydroxyde d aluminium Al(OH). Pour Al(OH), l expression du est : = C Al + C OH Calculons le Q s : Q s = C C Al = 0,01 0,1 = 10 5 mol 4 L 4 + initial OH initial On compare avec le de l hydroxyde d aluminium : =, mol 4 L Q s >>! Conclusion, il y aura un précipité de Al(OH). 7

8 APPLICATIONS Analyse qualitative Les réactions de précipitation sont utilisées pour l identification des ions. Par exemple, pour savoir si des ions Cl se trouvent dans une solution, il suffit d ajouter un peu de solution d AgNO. AgCl ayant un petit, on observera un précipité blanc de chlorure d argent dès que Q s dépassera le. Analyse quantitative Par gravimétrie : C est une méthode basée sur la transformation de l élément à doser en composé insoluble de composition connue. On sépare le précipité par filtration, puis on le sèche pour le peser très précisément. On détermine ainsi la masse de substance à doser. Par volumétrie : C est une méthode équivalente au titrage acide-base. Dans un volume de la solution à analyser, on ajoute à la burette un volume de solution dont on connaît la concentration. L analyse est basée sur une réaction de précipitation. L indicateur utilisé est un sel coloré qui précipite lorsque le ion à analyser n est plus présent en solution. 8

9 Solubilité 4 Effet d ion commun et du ph EFFET D ION COMMUN Lorsqu on ajoute une solution de NaCl à une solution saturée de AgCl, la solubilité du AgCl va être modifiée par effet du ion commun Cl. En effet, dans une solution de AgCl saturée, on a l équilibre : AgCl (solide) Le et la solubilité S sont : Ag + (aq) + Cl (aq) = C Ag + C Cl = 1, mol 2 L 2 C Ag + = S = 1, mol L 1 L addition de solution de NaCl va augmenter la concentration en Cl, obligeant la concentration en Ag + à diminuer. La conséquence est que le chlorure d argent encore dissous va précipiter jusqu à ce que la concentration en Ag + corresponde à : C Ag + = S = C Cl Exemple Si on ajoute une solution de NaCl 0,1 mol L -1 à une solution saturée en AgCl, on aura : S " = C Ag + = 1, ,1 = 1, mol L 1 (C Cl = 0,1 mol L 1 car la concentration en Cl provenant de AgCl est négligeable par rapport à celle qui vient de NaCl). Si on compare S et S, on voit que le chlorure d argent est environ 10'000 fois moins soluble dans une solution de NaCl 0,1 mol L -1 que dans l eau pure. EFFET DU ph La protolyse d un des ions du sel va également influencer la solubilité dudit sel. Les sels avec des anions basiques sont particulièrement sensibles au ph. Exemples Carbonate de calcium CaCO Le carbonate de calcium CaCO (calcaire) est peu soluble dans l eau. Son produit de solubilité est = 5, mol 2 L -2. Dans une solution saturée, on a l équilibre : CaCO (solide) Ca 2+ (aq) + CO 2- (aq) Mais si on ajoute un peu d acide, on constate que CaCO se dissout. Pourquoi?... 9

10 En fait, les ions H O + provenant de l acide vont réagir avec les ions CO 2- basiques selon les deux équilibres successifs : CO 2- (aq) + H O + HCO (aq) + H 2 O HCO (aq) + H O + H 2 CO (aq) + H 2 O Mais H 2 CO est instable : il se décompose en H 2 O et CO 2 gazeux qui quitte la solution. Cette réaction est utilisée pour caractériser la présence d ions CO 2- dans un sel ou une solution. Ainsi, lorsqu on ajoute un acide à une solution ou à un précipité contenant des carbonates (ou des hydrogénocarbonates), on observe un dégagement de CO 2. Hydroxyde de fer(iii) Fe(OH) L hydroxyde de fer(iii) est très peu soluble dans l eau. Son produit de solubilité est = 4, mol 4 L -4. On peut calculer sa solubilité dans l eau pure : S = K 4 s = 4 4, = 6, mol L Si on ajoute un acide, il y aura un équilibre qui s établira entre H O + et les ions OH. Calculons l influence de la modification de la concentration en OH sur la solubilité de l hydroxyde de fer(iii) : S " = C Fe + = C OH Exprimons la concentration C OH puis la solubilité S à l aide du produit ionique de l eau : K e = C H O + C OH = donc C OH = 1014 C H O + S " = C Fe + = $ & % C H O + ' = K C s H O + ( ) ) ( Conclusion : la solubilité de Fe(OH) dépend du ph. Calculons la solubilité de ce sel pour un ph =,5 : C H O + = 10 ph = 10,5 =, mol L 1 S = C Fe + = K C s H O + = ( ) ( ) = 1, ( ) 4, , mol L 1 En comparant S avec la solubilité dans l eau pure, on voit que l hydroxyde de fer(iii) Fe(OH) est extrêmement plus soluble dans une solution acide à ph =,5. 10

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