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Leçon de chimie n°2 (agrégation) :
Solutions électrolytiques. Mise en solution d'espèces ioniques ou moléculaires (1^re S).

Transcription des notes manuscrites de préparation à l'agrégation. Les schémas et le détail des calculs sont dans le document original : télécharger la leçon manuscrite (PDF, 4 pages).

Remarques du jury

Pour illustrer l'influence de la température sur la solubilité, après dissolution par chauffage (endothermique), revenir à la température initiale pour vérifier que la substance précipite ; sinon, l'augmentation de température a surtout accéléré la dissolution. La dissolution de composés ioniques ou moléculaires s'accompagne d'interactions soluté-solvant multiples, pouvant aller jusqu'à de véritables réactions chimiques. Définir la dissolution sans la confondre avec la dissociation, et ne pas confondre solubilité et produit de solubilité. Pour les espèces moléculaires, commencer par une espèce qui ne réagit pas avec l'eau, puis distinguer dissolution et réaction avec le solvant : CO_2(g) = CO_2(aq) puis CO_2(aq) + H₂O = HCO₃⁻ + H₃O⁺. Les interactions soluté-solvant ne se font pas nécessairement par liaisons hydrogène.

Obtention d'une solution électrolytique

Expérience

Cristallisoir d'eau déminéralisée dans un circuit avec un ampèremètre : sans NaCl, \(I \approx 0\) ; avec NaCl, \(I \approx 15\) mA.

Interprétation

• Test à la flamme au fil de platine : couleur jaune, ions Na⁺.
• Test au nitrate d'argent : précipité blanc, ions Cl⁻.
• Une solution électrolytique contient des ions et conduit le courant. Ces ions existaient-ils au départ ?

Dissolution dans l'eau d'un solide ionique

Solide ionique

NaCl est constitué d'ions (modèles moléculaires) ; cette répartition structurée est due aux forces coulombiennes. Un solide ionique est composé d'anions et de cations qui s'attirent, ce qui assure une grande cohésion.

Mise en solution

• Expérience : un cristal de KMnO₄ dans l'eau du robinet : dispersion des ions dans la solution.
• Polarité de la molécule d'eau : un filet d'eau est attiré par une règle frottée (pas avec le cyclohexane) : la molécule d'eau possède un moment dipolaire.

Solvatation des ions

Du fait de cette polarité, les molécules d'eau interagissent avec les ions : ils sont solvatés (hydratés). La dispersion de KMnO₄ provient de l'insertion de l'eau dans l'édifice cristallin jusqu'à sa dislocation : NaCl_(s) → Na⁺_(aq) + Cl⁻_(aq). L'eau est un fort pouvoir dispersant grâce à sa constante diélectrique \(\varepsilon_r \approx 80\) : les forces d'interaction y sont 80 fois moindres que dans l'air.

Obtention d'une solution électrolytique par dissolution d'un gaz : HCl

• Expérience du jet d'eau.
• Interprétation : dislocation de la liaison polarisée H–Cl sous l'action des molécules d'eau, dispersion (H⁺, Cl⁻), hydratation des ions.
• Réaction de dissolution : HCl_(g) → H⁺_(aq) + Cl⁻_(aq), ou HCl_(g) + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻_(aq) (sans parler de réaction acide-base à ce niveau).

Obtention d'une solution électrolytique par dissolution d'un liquide : H₂SO₄

• Expérience : eau et hélianthine additionnées de H₂SO₄ : couleur rose (ions H⁺) ; en tube à essai, avec BaCl₂, précipité blanc (ions SO₄²⁻).
• Équation : H₂SO_4(l) → 2 H⁺_(aq) + SO₄²⁻_(aq), ou H₂SO₄ + 2 H₂O → 2 H₃O⁺ + SO₄²⁻.

Concentration molaire

• Concentration molaire en soluté apporté.
• Concentration molaire des ions en solution : pour Na₂SO_4(s) → 2 Na⁺_(aq) + SO₄²⁻_(aq), [Na⁺] = 2C et [SO₄²⁻] = C.

Conclusion

La principale propriété des solutions électrolytiques est de conduire le courant ; son intensité dépend de la concentration et de la nature des ions.

Complément : énergie d'un cristal

\(E_{totale} = E_{cohésion} + E_{répulsion} = -\dfrac{2\ln2\,e^2}{4\pi\varepsilon_0a} + \dfrac{B}{a^n}\) (cas d'une chaîne d'ions : constante de Madelung \(2\ln2\), facteur de Born-Landé \(B\), paramètre de maille \(a\)) ; l'énergie totale présente un minimum à la distance d'équilibre.

Bibliographie

• Manuel de 1^re S, Nathan
• Manuel de 1^re S, Hachette
• Chimie I, Bréal / Tec & Doc