ChAPITRE 8: Les solutions et leurs propriétés Module 4:Les solutions et la solubilité ChAPITRE 8: Les solutions et leurs propriétés

Résultat d’apprentissage Je communique oralement et par écrit dans différents contextes en me servant des termes justes.(E2.8)

8.1 Classement Des Solutions Une solution est un mélange homogène formé d’au moins deux substances Un solvant est un composant d’une solution dont la quantité est la plus grande Un soluté est une substance dissoute dans un solvant Une solution aqueuse est une solution qui contient de l’eau

Solutions à différents états Solide dissout dans un solide Le fer dissout dans l’acier de construction

Solutions à différents états Solide dissout dans un liquide La mer

Solutions à différents états Solide dissout dans un gaz Paradichlorobenzène et les boules à mites

Solutions à différents états Liquide dissout dans un solide Essences minérales ou toluène dissout dans la cire solide pour faciliter l’application sur les surfaces

Solutions à différents états Liquide dissout dans un liquide

Solutions à différents états Liquide dissout dans un gaz Hygromètre mesure l’humidité dans l’air (dissolution d’eau dans l’air)

Solutions à différents états Gaz dissout dans un solide Air dissout dans la glace

Solutions à différents états Gaz dissout dans un liquide

Solutions à différents états Gaz dissout dans un gaz Gaz naturel est une solution de méthane et de l’éthane, de l’azote, du dioxyde de carbone et d’autre gaz.

La solubilité La solubilité pour une substance est la quantité maximale d’un soluté qui peut se dissoudre dans une quantité donnée de solvant à une température donnée. Un soluté est… Soluble si 1 g de soluté peut se dissoudre dans 100 mL de solvant Peu soluble si 0,1 g à 1 g de soluté peut se dissoudre dans 100 mL de solvant Insoluble si <0,1 g de soluté peut se dissoudre dans 100 mL de solvant ∗ En chimie le mot insoluble ne veut pas nécessairement dire que le soluté ne se dissoudra pas du tout.

La SATURATION Solution saturée: solution dans laquelle il est impossible de dissoudre davantage de soluté. Solution insaturée: solution dans la laquelle il est possible de dissoudre davantage de soluté. Solution sursaturée: Solution qui contient davantage de soluté qu’une solution saturée à la même température. Réponds aux questions 1-5 et 15 de la page 358 pour le prochain cours.

Résultats d’APPRENTISSAGES J’explique l’importance de l’eau comme solvant et je précise certaines de ses propriétés particulières (E1.1). J’explique la formation d’une solution impliquant la dissolution dans l’eau de substances ioniques ou non ioniques et la dissolution de solutés non polaires dans des solvants non polaires. (E1.2) Je décris l’effet de la température sur la solubilité d’un gaz, d’un liquide et d’un solide dans l’eau. (E1.3)

La solubilité et les forces qui lient les particules. La formation des solutions dépend des forces qui lient: particules du soluté les unes aux autres particules du soluté à celles du solvant particules de solvant les unes aux autres Une solution se forme quand les particules de soluté sont attirées par les particules de solvant . Toutes les liens intermoléculaires des particules de solutés sont brisés pour que les particules du soluté se lient avec celles du solvant.

La solubilité et les forces qui lient les particules.(suite) Cependant, quand des gaz se mélangent, une solution gazeuse se forme facilement, (sauf si les gaz réagissent chimiquement les uns avec les autres). Dans une solution gazeuse, les forces d'attraction entre les particules sont si faibles qu'elles ont une influence négligeable sur la solubilité.

Solubilité dans l’eau L’eau dissout plusieurs solutés à cause de la nature polaire de ses molécules. Solvant Universel L'eau est un très bon solvant. Grâce à la nature polaire de ses molécules, elle peut dissoudre un large éventail de soluté.

Exemple de l’eau Forte attraction entre l'atome d'oxygène d'une molécule d'eau et les atomes d'hydrogène des molécules d'eau adjacentes. La liaison d'hydrogène se forme entre un atome d'hydrogène d'une molécule et un atome très électronégatif d'une autre molécule (comme O, F ou N) Liaison hydrogène

Liaisons hydrogène (suite) Les liaisons hydrogène ne se forment pas seulement dans l’eau. Vidéo YOUTUBE (Don't Make this Mistake with Hydrogen Bonding!) Tyler DeWitt

La solubilité des composés ioniques dans l’eau La plupart des composés ioniques sont solubles dans l'eau L'attraction entre les ions d'un composé ionique soluble (le solide) et les dipôles des molécules d'eau (le solvant) est assez forte pour arracher les ions à la surface du composé ionique. Hydratation: processus qui force les ions du composé ionique qui se dissout à se séparer et à se disperser dans l'eau. Certains ions ne se dissolvent pas: L'attraction entre les ions de certains composés ioniques est plus forte que celle qui s'exerce entre les ions et les dipôles des molécules d'eau.

L’eau et les composés ioniques La plupart des composés ioniques sont solubles dans l’eau. Hydratation Pour l’animation de la dissolution du NaCl dans l’eau clique sur ce lien: https://nouvelon.apprentissageelectroniqueontario.ca/d2l/lor/viewer/view.d2l?ou=8201&loIdentId=176438

L’eau et les composés moléculaires polaires La plupart des composés polaires sont solubles dans l’eau. La force dipolaire peut aussi s'exercer entre les molécules d'un composé polaire. (page 360 fig. 8.5) mais cette force est plus faible qu'une liaison ionique. La force dipolaire est assez forte pour que les molécules polaires gardent la forme d'un cristal solide. ex: le sucrose (sucre de table) forme des cristaux à cause de la force dipolaire qui unit ses molécules polaires.

La solubilité des composés polaires dans l'eau La force dipolaire entre les molécules polaires du soluté est plus faible que les liaisons hydrogène entre les molécules de soluté et les molécules d'eau. Une molécule de sucrose comprend huit groupes polaires -OH. Ces groupes peuvent former des liaisons hydrogène avec des molécules d'eau, ce qui rend le sucrose très soluble dans l'eau. L'attraction entre les molécules de sucrose et de l'eau est plus forte que celle qui lie les molécules de sucrose les unes aux autres. Ainsi, les molécules d'eau séparent facilement les molécules de sucrose de leurs cristaux solides. Les composés non polaires (huiles) ne sont pas solubles dans l'eau. L'attraction entre leurs molécules et les molécules d'eau est bien trop faible pour rompre les liaisons d'hydrogène entre les molécules d'eau.

Dissolution du sucre dans l’eau http://sciencelearn.org.nz/Contexts/Food-Function-and-Structure/Sci-Media/Images/Sugar-dissolving-in-water

La conductivité des solutions Aqueuses On peut savoir grâce à un essais de conductivité si un composé dissout dans l’eau est ionique ou polaire. Le composé ionique se dissocient en ions séparés qui se déplacent librement. Ces ions sont attirés vers les électrodes du conductivimètre. Les composés ioniques sont de bons conducteurs d’électricité. Les composés moléculaires sont des mauvais conducteurs car ils restent intacts et neutres.

Prédire si un composé ionique est soluble dans l’eau. 1) Plus l'attraction est forte entre les cations et les anions d'une substance, plus les ions sont difficiles à séparer et moins la substance est soluble dans l'eau. 2) La force d'attraction entre des ions de charges opposées dépend de la charge et du rayon des ions. 3) Plus le rayon ionique est grand plus le composé est soluble. 4) La force d'attraction entre un cation et un anion est directement proportionnelle à la charge de chaque ion. Plus la charge ionique est forte, moins le composé est soluble. Par exemple, la charge de l'ion d'oxyde, O2-, est le double de celle de l'on fluorure, F- . Donc, la liaison ionique d'un cation donné avec un oxyde est plus forte qu'avec un fluorure. La force de cette liaison rend la plupart des oxydes insolubles.

Figure: Rayon atomique représenté selon la taille des sphères

La solubilité des composés ioniques (suite) La solubilité d’un composé ionique dans l’eau dépend de la force de la liaison électrostatique entre les ions de charges opposées. L’eau rompt plus difficilement des liaisons ioniques fortes (Mg2+O2-) que des liaisons ioniques faibles (Na+Cl-) parce que la force d’attraction est plus grande entre des ions de charge (+2) et (-2) qu’entre des ions de charge (+1) et (-1). Pour cette raison, NaCl est très soluble, tandis que MgO l’est beaucoup moins. Voir tableau de solubilité page 363 tableau 8.3

Animation de la dissolution http://www.ostralo.net/3_animations/swf/dissolution.swf

Soluble ou insoluble? KCl(s) => K+(aq.) + Cl-(aq.) AgCl(s) <=> Ag+(aq.) + Cl-(aq.) BaSO4(s) <=> Ba2+(aq.) + SO42-(aq.) Na2SO4(s) => 2 Na+(aq.) + SO42-(aq.) Ba(OH)2(s) => Ba2+(aq.) + 2OH-(aq.)  Na2S(s) <=> 2Na+(aq.) + S2-(aq.) CaCO3(s) <=> Ca2+(aq.) + CO3=(aq.)

Prédire si un composé moléculaire est soluble dans l'eau La taille d'un composé moléculaire influence elle aussi sa solubilité. Le méthanol et l'éthanol sont complètement solubles dans l'eau parce que des liaisons d'hydrogène se forment entre l'eau et le group - OH de la molécules. Le reste de la molécule est non polaire, mais l'effet du groupe -OH prédomine quand la partie non polaire de la molécule est relativement petite. Voir tableau 8.4 La solubilité et la taille des molécules p.364.

« Les substances semblables se dissolvent entre elles » Soluté Polaire ou ionique Non polaire Solvant Polaire Généralement soluble Généralement insoluble Polaire soluble dans polaire Non-polaire soluble dans non-polaire La raison que les molécules non polaires comme les graisses et la cire ne sont pas solubles dans l’eau est parce que la force d’attraction entre une molécule non polaire et une molécule polaire est plus faible que la liaison hydrogène entre les molécules d’eau.

« Les substances semblables se dissolvent entre elles » et la solubilité des gaz Le chlorure d'hydrogène et l'ammoniac, sont solubles dans l'eau parce que ce sont des molécules polaires. Le dioxyde de carbone est relativement insoluble, car ses molécules sont non-polaires.

Les molécules qui ont des composants polaires et non polaires. Beaucoup de composés moléculaires ont des composantes polaires et non -polaires. Ex sucrose et alcool, savon et détergent. Exemple l'acide acétique, celle-ci contient une liaison -OH qui est polaire et un groupement méthyle (CH3) qui est non polaire. Dans ce cas, l'acide acétique est soluble dans l'eau (polaire) et dans le benzène ou le tétrachlorure de carbone des composés non -polaire.

L’effet de la température sur la solubilité des solides (page 365) Lorsqu’on indique la solubilité d’un composé, on doit toujours préciser la température La solubilité représente la quantité maximale de soluté que l’on peut dissoudre dans un solvant à une température donnée. Une fois cette quantité atteinte, on dit que la solution est maintenant saturée. Source: http://www.alloprof.qc.ca/BV/pages/s1018.aspx

Pratiquons-NOUS Exercices sur la courbe de solubilité

L’effet de la température sur la solubilité des liquides et des gaz (page 366) La température n’a normalement pas d’impact sur la solubilité d’un liquide dans un autre (pas d’échange d’énergie) Même chose pour la solubilité d’un gaz dans un autre gaz. La solubilité d’un gaz dans un liquide dépend de la température et de la pression. Car il a une grande variation d’énergie cinétique quand le gaz sort ou rentre d’un liquide. Si tu chauffes une solution contenant un gaz dissout, les molécules de ce gaz vont gagner assez d’énergie pour s’échapper. Une augmentation de température d’une solution contenant un gaz réduit la solubilité de la majorité des gaz dans la majorité des solvants liquides. Ex: boisson gazeuse qui perd son CO2 (effervescence) beaucoup plus vite à température ambiante qu’au réfrigérateur.

La pression est la solubilité Pression: la force par unité de surface. Elle n’affecte pas beaucoup les liquides et les solides car ils ne sont pas compressibles. A un effet important sur les gaz. La solubilité d’un gaz dans un liquide est directement proportionnelle à la pression de ce gaz. Exemple, on injecte du CO2 dans les cannettes de boissons gazeuses pour augmenter la pression dans la cannette de 10 000 fois. Cette forte pression augmente la solubilité du CO2 dans la boisson. Quand tu ouvres la canette, le CO2 s’échappe et sa pétille! Aussi en se réchauffant, le CO2 va sortir plus rapidement.

La pression, la solubilité et la plongée En plongée, les personnes respirent de l’air comprimé. Plus on descend profondément, plus la pression de l’eau augmente. (voir fig 8.14 page 368) . Un système de valves régule automatiquement la pression de l’air respiré pour qu’elle corresponde à la pression de l’eau environnante. Des quantités plus grandes de gaz, en particulier l’azote, se dissolvent dans leur sang au fur et à mesure qu’ils descendent. Maladie des caissons : Si la personne remonte trop vite, l’azote qui va avoir de moins en moins de pression va devenir insoluble dans le sang et donc former des bulles de gaz ce qui cause un état douloureux et parfois fatal. La quantité d’azote dissout dans le sang demeure supérieure à la normale pendant quelque temps après une plongée. C’est pourquoi il faut éviter de prendre l’avion mois de 24 heures après avoir fait une plongée.

LES FACTEURS QUI INFLUENCENT LE TAUX DE DISSOLUTION La taux de dissolution touche principalement la dissolution d’un solide dans un liquide. C’est la vitesse à laquelle un soluté se dissout dans un solvant. Facteurs qui influencent ce taux sont liés au nombre de collisions par unité de temps entre les particules de soluté et de solvant. Les facteurs principaux sont: l’agitation du mélange, la température et l’aire de la surface (c.-à-d.la diminution de la taille des particules). Source: Chimie 11 STSE, (2011), Clancy et al, Édition de la Chenelière.

À ton tour Réponds aux questions 7-12 de la page 368 Page 370 #1,2,4,5,9,10,13,14 et 15

RésultatS D’Apprentissage Je résous divers problèmes portant sur la concentration des solutions J’exprime des résultats en notation scientifique et selon différentes unités de concentration (E2.1)

La concentration page 371 Une solution concentrée contient beaucoup de particules de soluté par litre ou kg de solution. Une solution diluée en contient un nombre relativement faible. La concentration est le rapport entre la quantité de soluté et la quantité de solution.

Concentrations en pourcentage Il existe trois moyens courants d’exprimer une concentration en pourcentage: Par le pourcentage en masse par volume, ou pourcentage (m/V) Par le pourcentage en masse par masse, ou pourcentage en m/m Par le pourcentage en volume par volume, ou pourcentage en V/V

Concentrations Masse par volume Rapport entre la masse du soluté et le volume de la solution, exprimé en pourcentage. % (m/V) = msoluté(g) x 100% Vsolution(mL)

Exemple 1 (masse par volume) page 372 On prépare une solution intraveineuse en dissolvant 17,5 g de glucose dans de l’eau distillée, afin de produire 350 mL de solution. Trouve la concentration de la solution en pourcentage (m/V). Si le % (m/V) = msoluté( en g) x 100% Vsolution(en mL) % (m/V) = 17,5 g x 100% 350 mL = 5,00 % La concentration du glucose dans la solution intraveineuse est de 5,00% (m/V)

Exemple 2 (masse par volume) page 373 Les sirops de sucrose peuvent avoir une concentration en pourcentage plus grande que 100% (m/V). Trouve la masse de sucrose dans 475 mL de sirop de sucrose à 166 %. Si le % (m/V) = msoluté(g) x 100% Vsolution(mL) msoluté(g) = % (m/V) x Vsolution(mL) 100 m = 166 % g/ml x 475 mL 100% = 788 g La masse de sucrose dans le sirop est de 788 g.

Concentrations masse par masse page 374 Quelquefois appelé % en poids par poids. Rapport entre la masse du soluté et la masse de la solution,exprimé en %. % (m/m) = msoluté(g) x 100% msolution(g) Ex. Acier inoxydable 18/8: alliage de fer qui contient 18% (m/m) de chrome et 8% m/m de nickel.

Exemple Masse par masse page 374 Trouve la masse de l’argent pur contenu dans une bague d’argent sterling (92,5 % m/m) qui a une masse de 6,45 g. Si le % (m/m) = msoluté(g) x 100% msolution(g) msoluté(g) = % (m/m) x msolution(g) 100 % m = 92,5 % x 6,45 g = 5,97 g La bague contient 5,97 g d’argent pur.

Concentrations volume par volume page 375 Rapport entre le volume de soluté et le volume de solution, exprimé en %. % (V/V) = Vsoluté(mL) x 100% Vsolution(mL) Attention: Tu dois toujours exprimé les volumes dans la même unité. La volume de la solution produite n’est pas toujours la somme des deux volumes.

Exemple Volume par volume page 376 Combien d’eau pure faut-il ajouter à 15,0 mL d’acide acétique pur pour produire une solution à 5,00% (V/V)? Le volume total de la solution est égal à la somme des volumes de l’eau et de l’acide acétique. Vsolution(mL) = Vsoluté(mL) x 100 % (V/V) Vsolution(mL) = 15,0 mL x 100% 5,00% = 300 mL Soustrais le volume du soluté du volume de la solution Vsolvant(mL) = 300 mL – 15,0 mL = 285 mL Il faut ajouter 285 ml d’eau pure pour produire une solution à 5,00% (V/V).

Concentrations pPM et PPB Pour tous les solutions très diluées avec des concentrations bien inférieures à 1% (m/m). Parties par million (ppm) = msoluté(g) x 106 msolution(g) Parties par milliard (ppb) = msoluté(g) x 109 Ordre de grandeur: ppb dans une piscine: 0,1mL dans une piscine de 10mx5mx2m

Exemple ppm et ppb pAge 377 La valeur seuil établie par Santé Canada pour la teneur maximale en mercure du poisson commercial est de 0,5 ppm. L’examen d’un saumon de 1,6 kg révèle qu’il contient 0,6 mg de mercure. Peut-on le manger sans danger? Si (ppm) = msoluté(g) x 106 msolution(g) 0,6 mg = 0,0006 g 1,6 kg = 1600 g ppm = 0,0006 g x 106 1600 g = 0,4 (1 c.s comme la masse du mercure) La concentration de mercure étant 0,4 ppm, ce qui est inférieur à 0,5ppm, nous pouvons manger le saumon sans danger.

% (V/V) = Vsoluté(mL) x 100% Revue formules % (m/V) = msoluté(g) x 100% Vsolution(mL) % (m/m) = msoluté(g) x 100% msolution(g) % (V/V) = Vsoluté(mL) x 100% (ppm) = msoluté(g) x 106 (ppb) = msoluté(g) x 109

Pratique P. 373 # 1, 5, 6, 7, 9 P. 375 # 11, 13, 16, 19 P. 376 # 21, 23, 26, 29 P. 378 # 34, 38

La concentration molaire La concentration molaire c’est la quantité (en moles) de soluté dissout dans 1 L de solution. La concentration molaire s’appelle aussi la molarité Anciennement, on utilisait le symbole M à la place de mol/L Concentration molaire = quantité de soluté (mol) volume de la solution (L) c = n V

La concentration molaire des ions page 379 NaCl (aq) Na+(aq) + Cl-(aq) Une solution de chlorure de sodium contient la même quantité d’ions sodium et d’ions chlorure car le NaCl (aq) se dissocie dans le même nombre de ces ions. CaCl2 (aq) Ca2+ + 2Cl-(aq) Dans une solution de chlorure de calcium, la concentration molaire des ions chlorure est le double des ions calcium.

Exemple 1 page 379 Une élève dissout 0,212 mol de chlorure de fer(III) pour préparer une solution de 175 mL. Trouve la concentration molaire de la solution et les concentrations des ions dans la solution. 1-Trouve la concentration molaire du chlorure de fer (III) c = n = 0,212 mol = 0,212 mol = 1,211 4 mol/L V 175 mL 0,175 L 2.Écris une équation chimique de la dissociation. FeCl3 (aq)  Fe3+ (aq) + 3 Cl- (aq) 3.Trouve la concentration molaire de chacun des ions. c Fe3+ = 1,2114 mol FeCl3 x 1 mol Fe3+ = 1,21 mol/L L 1 mol FeCl3 c Cl- = 1,2114 mol FeCl3 x 3 mol Cl- = 3,63 mol/L L 1 mol FeCl3 La concentration de FeCl3 (aq) et de Fe3+ (aq) est de 1,21 mol/L. Celle de Cl- (aq) est de 3,63 mol/L

Exemple 2 page 380 Une solution intraveineuse contient 0,154 mol/L de chlorure de sodium. Calcule la masse de sodium que contient un sac de 500 mL de cette solution. Écris une équation chimique équilibrée NaCl  Na + Cl m = M = n = V = 0,500 L c = 0,154 mol/L m = M = 22,99 g/mol n = V = c = m = M = n = V = c =

Pratique P. 381 # 41, 42, 44, 45

La préparation des solutions au laboratoire page 383 Solution étalon: solution qui a une concentration exacte On se sert de la fiole jaugée pour préparer une solution exacte. Permet la mesure de volume fixe de solution à 0,1 ml près. Dans une expérience, où tu dois tenir compte des chiffres significatifs et de la marge d’erreur tu noterais le volume comme l’exemple ci-dessus. Ex. 500 mL ± 0,1 mL

La préparation des solutions au laboratoire (suite) page 384 Lire page 384

Calculer la concentration d’une solution diluées page 385 Solution mère: solution concentrée qu’on dilue avant de l’utiliser. On l’utilise pour préparer une solution aqueuse étalon. L’ajout de solvant ne change pas le nombre de particules de soluté. c = n n =cV V où n= quantité de soluté en mol c= concentration de la solution en mol/L V= volume de la solution en litres

Calculer la concentration d’une solution diluées page 385 Comme la dilution ne change pas n (qté de particules en moles),le produit de la concentration molaire avant et après la dilution ne change pas. c1V1 = c2V2 Où c1 et V1 représente la concentration et le volume de la solution concentrée et où c2 et V2 représente la concentration et le volume de la solution diluée.

Calculer la concentration d’une solution diluées page 385 Normalement ,on connait seulement 2 ou 3 chiffres significatifs de la concentration d’une solution mère. Un plus haut niveau de précision est obtenu quand on prépare une solution étalon à partir d’un soluté solide. Voir exemple page 385.

Pratique-toi Page 386 #51,52,57 et 58

Préparer une solution aqueuse étalon en diluant une solution Lire la marche à suivre pages 386 et 387. Réponds aux questions #13-18

La sécurité et la dilution des acides page 388 Lire la page 388 Dilue un acide concentrée dans une hotte, porte des gants de caoutchouc ,un sarrau et des lunettes de sécurité. Tu dois toujours ajouter un acide concentré à l’eau. Il est très dangereux d’ajouter de l’eau à un acide (éclaboussures et/ou bris de la verrerie) Réaction très exothermique.