Cohésion et solubilité

Dans un solide ionique, les cations et les anions s’organisent en un ensemble électriquement neutre. Les interactions électrostatiques entre charges contribuent à sa cohésion : les charges opposées s’attirent, les charges de même signe se repoussent. La structure résulte de l’ensemble de ces interactions. On ne décrit pas le chlorure de sodium solide comme un empilement de molécules NaCl isolées ; sa formule exprime le rapport entre les ions dans le réseau.

Dans un solide moléculaire, les molécules conservent leurs liaisons covalentes internes, mais des interactions existent aussi entre elles. Les interactions entre dipôles permanents concernent les molécules polaires. Des fluctuations électroniques produisent également des interactions entre entités apolaires : l’absence de polarité permanente ne signifie pas absence d’attraction. Leur intensité dépend notamment de la taille et de la déformabilité du nuage électronique, ainsi que des contacts possibles entre entités.

Un pont hydrogène est une interaction particulière entre un hydrogène lié à un atome très électronégatif, notamment O, N ou F, et un doublet disponible sur un autre atome approprié. Dans l’eau, il relie des molécules entre elles ; il n’est pas la liaison covalente O–H interne à chaque molécule. La présence d’hydrogène dans une formule ne suffit donc pas à annoncer des ponts hydrogène. Il faut examiner son environnement et les possibilités d’interaction.

L’eau est polaire. Son côté oxygène, partiellement négatif, interagit favorablement avec les cations ; ses côtés hydrogène, partiellement positifs, interagissent avec les anions. Lors d’une dissolution, les interactions avec le solvant permettent la séparation et la dispersion des ions si le bilan global est favorable. Les ions hydratés restent des ions : ils ne deviennent pas des atomes neutres par simple dissolution. La notation (aq) indique leur présence dans la solution aqueuse.

La dissolution du chlorure de sodium se représente par NaCl(s) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq). Pour le chlorure de calcium, CaCl₂(s) → Ca²⁺(aq) + 2 Cl⁻(aq). Le coefficient deux est indispensable pour conserver les éléments et la charge totale. Une quantité de sel dissous ne donne donc pas toujours la même quantité de chaque ion. La formule du solide impose les proportions entre les ions dispersés.

La concentration apportée en soluté et la concentration d’un ion sont donc distinctes. Le calcul précédent suppose la dissolution complète et le volume final donné. Si une partie du solide reste au fond, toute la quantité introduite ne doit pas être considérée comme dissoute. Il faut alors connaître la quantité effectivement dissoute ou la solubilité. La présence de solide peut aussi demander de vérifier si l’équilibre de dissolution a eu le temps de s’établir, sans le confondre avec un simple mélange insuffisant.

Une espèce moléculaire peut se dissoudre sans se dissocier en ions. Ses molécules se dispersent parmi celles du solvant grâce aux interactions possibles. Une espèce polaire ou capable de ponts hydrogène présente souvent des affinités avec l’eau. Une partie hydrocarbonée importante favorise d’autres interactions et peut limiter la solubilité aqueuse. Le repère « des structures semblables se mélangent mieux » aide à proposer une hypothèse, mais ne remplace pas des données expérimentales.

La solubilité dépend de l’espèce, du solvant et des conditions, notamment de la température. Il faut lire son unité et sa convention : g par litre de solution, g par litre de solvant ou g pour une masse de solvant ne sont pas interchangeables. Une solution saturée contient la quantité maximale dissoute dans les conditions considérées. Ajouter davantage de solide ne fait pas automatiquement augmenter la concentration de la phase liquide.

Deux liquides miscibles forment une seule phase dans les proportions étudiées. Deux liquides non miscibles forment deux phases après séparation. La masse volumique détermine leur ordre vertical : la phase la plus dense se place en dessous. La solubilité d’une espèce dans l’un des liquides est une autre question. Un soluté peut préférer l’une des phases sans rendre les deux solvants miscibles.

La couleur aide parfois à suivre le soluté, mais elle ne suffit pas à identifier toutes les phases. Une phase incolore peut contenir une espèce dissoute. La phase organique n’est pas toujours au-dessus : certains solvants organiques sont plus denses que l’eau. Pour identifier l’ordre, il faut utiliser les masses volumiques et les observations prévues par le protocole, pas un dessin mémorisé sans conditions.

Une extraction liquide-liquide transfère une espèce d’un solvant vers un autre. Le second solvant doit former une phase séparée du premier, dissoudre suffisamment bien l’espèce recherchée et ne pas réagir de manière indésirable. Son choix tient aussi compte des risques et des possibilités de traitement des déchets. Une extraction unique ne retire pas nécessairement tout le soluté : une répartition entre les phases peut subsister.

Dans une ampoule à décanter, le contact entre les phases favorise les échanges, puis on laisse les liquides se séparer. L’agitation et les dégazages suivent strictement les consignes, avec une orientation sûre et les protections adaptées. On retire le bouchon pour permettre l’écoulement lors de la séparation selon la procédure enseignée. L’interface se surveille pour éviter de mélanger à nouveau les fractions. Une émulsion peut rendre la séparation plus difficile.

Une espèce amphiphile possède une partie hydrophile, ayant une affinité avec l’eau, et une partie lipophile, ayant une affinité avec les corps gras. Un ion savon comporte une longue chaîne hydrocarbonée et une tête carboxylate COO⁻. La tête interagit avec l’eau tandis que la chaîne interagit avec la graisse. Des assemblages peuvent entourer des fragments gras et faciliter leur dispersion dans l’eau. Ce phénomène aide au lavage ; il ne signifie pas que la graisse est transformée en eau.

Pour poursuivre, les propriétés des molécules serviront à justifier les étapes d’une synthèse. Le hub Exercices du site donne accès à l’espace S’entraîner.