Cohésion de la matière, solubilité, extraction, savons

1Cohésion des solides

Définition. Un solide ionique est un empilement régulier d’anions et de cations, en proportions telles que l’ensemble est électriquement neutre : la formule statistique traduit cette neutralité (ions $\ce{Ca^2+}$ et $\ce{F^-}$ $\rightarrow$ $\ce{CaF2}$). Sa cohésion est assurée par l’interaction électrostatique attractive entre ions de signes opposés, d’autant plus intense que les charges sont grandes et les ions proches : $F=k\,\abs{q_A q_B}/d^{2}$.

Définition. Un solide moléculaire est un empilement de molécules. Sa cohésion est assurée par les interactions de van der Waals, attractions électriques de faible intensité entre molécules, d’autant plus intenses que les molécules sont grosses (nombreux électrons) et polaires.

Définition. Un pont hydrogène s’établit entre un atome d’hydrogène lié à un atome très électronégatif ($\ce{N}$, $\ce{O}$ ou $\ce{F}$) et un doublet non liant porté par un atome $\ce{N}$, $\ce{O}$ ou $\ce{F}$ d’une autre molécule ; on le représente en pointillés : $\ce{O-H}$$\,\cdots\,$$\ce{O}$. Plus intense qu’une interaction de van der Waals, il explique les températures de fusion et d’ébullition élevées de l’eau, des alcools et des acides carboxyliques, ainsi que la structure de la glace et de l’ADN.

Remarque. Toutes ces interactions restent bien plus faibles qu’une liaison covalente : fondre un solide moléculaire ne casse aucune molécule.

2Dissolution d’un solide ionique dans l’eau

Propriété. L’eau est un solvant polaire : la liaison $\ce{O-H}$ est polarisée et la molécule, coudée, porte une charge partielle $\delta^-$ sur $\ce{O}$ et $\delta^+$ sur chaque $\ce{H}$. Elle solvate donc efficacement les ions.

Méthode — les trois étapes de la dissolution. dissociation (les ions du cristal sont séparés par les molécules d’eau), solvatation ou hydratation (chaque ion s’entoure de molécules d’eau, $\ce{O}$ tourné vers un cation, $\ce{H}$ tournés vers un anion), dispersion (les ions hydratés se répartissent dans tout le volume).

Notation. L’équation de dissolution s’écrit avec le solide à gauche et les ions $\ce{(aq)}$ à droite : $\ce{Al2(SO4)3(s) -> 2 Al^3+(aq) + 3 SO4^2-(aq)}$. Si $c$ est la concentration en soluté apporté, les concentrations effectives des ions s’en déduisent par les nombres stœchiométriques : $[\ce{Al^3+}]=2c$ et $[\ce{SO4^2-}]=3c$. La solution reste neutre : $3\,[\ce{Al^3+}]=2\,[\ce{SO4^2-}]$.

3Solubilité, polarité et miscibilité

Définition. La solubilité $s$ d’une espèce dans un solvant est la concentration maximale que l’on peut obtenir à une température donnée (en ${\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}}$ ou ${\mathrm{g}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}}$) ; au-delà, la solution est saturée. Deux liquides sont miscibles s’ils forment un mélange homogène.

Propriété — « qui se ressemble s’assemble ». Une espèce polaire ou ionique est très soluble dans un solvant polaire (eau, éthanol) ; une espèce apolaire est très soluble dans un solvant apolaire (cyclohexane, huile). L’eau et le cyclohexane, de polarités opposées, ne sont pas miscibles. La solubilité d’un solide augmente en général avec la température.

Définition. Une espèce hydrophile est soluble dans l’eau (ions, groupes $\ce{-OH}$, $\ce{-COO^-}$), une espèce lipophile (hydrophobe) l’est dans les corps gras et les solvants apolaires (chaînes carbonées) ; une espèce amphiphile possède les deux parties.

4Extraction liquide-liquide

Méthode — extraire une espèce. verser la solution et le solvant extracteur dans une ampoule à décanter, boucher, agiter, dégazer, laisser décanter, puis recueillir la phase du bas par le robinet. Le solvant extracteur doit être non miscible au solvant initial et l’espèce doit y être plus soluble.

Propriété. La phase la plus dense est en bas : on compare les densités $d=\rho/\rho_{\text{eau}}$. Le dichlorométhane ($d=1{,}33$) est sous l’eau, le cyclohexane ($d=0{,}78$) au-dessus. Le solvant est aussi choisi pour sa faible toxicité et sa température d’ébullition (évaporation ultérieure).

5Savons et pouvoir lavant

Définition. Un savon est un carboxylate de sodium ou de potassium dont l’anion est amphiphile : une tête hydrophile ($\ce{-COO^-}$) et une longue queue lipophile, comme l’ion stéarate $\ce{CH3-(CH2)16-COO^-}$. C’est un tensioactif : il abaisse la tension superficielle de l’eau, qui mouille mieux les surfaces.

Propriété — pouvoir lavant. Les ions amphiphiles s’accumulent à l’interface eau–graisse, queues plantées dans la salissure et têtes dans l’eau : la graisse est fragmentée puis emprisonnée dans des micelles, gouttelettes à surface hydrophile chargée négativement, qui se repoussent, restent dispersées et sont entraînées par le rinçage.

Remarque. Dans une eau dure (riche en ions $\ce{Ca^2+}$ et $\ce{Mg^2+}$), les ions carboxylate précipitent en un dépôt insoluble qui n’a plus de pouvoir lavant.

6Savoir-faire du chapitre

7Exemples types