Solubilité — règles, courbes et facteurs

La solubilité est la quantité maximale d’un soluté qui peut rester dissoute dans un solvant dans des conditions données. En chimie, cela signifie généralement qu’il faut connaître le solvant, la température et, pour les gaz, parfois la pression.

Si vous cherchez la version rapide, la voici : la solubilité n’est pas la même chose que la vitesse de dissolution. C’est la limite d’équilibre de la quantité qui peut rester dissoute une fois que le système s’est stabilisé.

Ce que signifie la solubilité en chimie

Lorsqu’on ajoute une petite quantité de soluté à un solvant, elle peut se dissoudre complètement. Si on en ajoute davantage, la solution atteint finalement un point où la dissolution et la re-formation du solide se compensent. À ce moment-là, la solution est saturée.

C’est pourquoi la solubilité est une notion d’équilibre. Si un tableau indique qu’un sel a une solubilité de $36\ \mathrm{g}$ pour $100\ \mathrm{g}$ d’eau à une certaine température, cela signifie qu’environ cette quantité peut rester dissoute à l’équilibre dans ces conditions.

Trois termes liés sont utiles :

• Une solution non saturée peut encore dissoudre davantage de soluté.
• Une solution saturée a atteint la limite d’équilibre dans ces conditions.
• Une solution sursaturée contient plus de soluté dissous que la quantité habituelle à l’équilibre et est généralement instable.

Règles de solubilité : ce qu’elles permettent réellement de prévoir

En chimie générale, les règles de solubilité sont généralement des raccourcis pour les composés ioniques dans l’eau. Elles aident à prévoir si un composé est en général soluble ou si un précipité risque de se former.

Une manière prudente de les utiliser est de les considérer comme une première approximation, et non comme une loi universelle. Par exemple, les nitrates sont généralement solubles dans l’eau, donc $\mathrm{NaNO_3}$ devrait se dissoudre facilement. En revanche, certains composés ioniques comme $\mathrm{AgCl}$ sont peu solubles, ce qui explique pourquoi on les traite souvent comme des précipités dans les exercices d’introduction.

« Le semblable dissout le semblable » est une autre règle empirique concernant le choix du solvant. Les substances polaires et ioniques se dissolvent souvent mieux dans des solvants polaires comme l’eau, tandis que de nombreuses substances non polaires se dissolvent mieux dans des solvants non polaires.

Comment lire une courbe de solubilité

Une courbe de solubilité montre comment la solubilité d’une substance varie avec la température. L’axe vertical indique généralement la quantité de soluté qui se dissout dans une quantité fixe de solvant, et l’axe horizontal représente la température.

Si un point se trouve sur la courbe, la solution est saturée à cette température. S’il se trouve en dessous de la courbe, la solution est non saturée. S’il se trouve au-dessus de la courbe, la quantité indiquée dépasse la limite habituelle de saturation dans ces conditions.

Il ne faut pas trop généraliser la forme de la courbe. Beaucoup de solides deviennent plus solubles quand la température augmente, mais ce n’est pas toujours le cas. La solubilité des gaz dans l’eau suit souvent la tendance inverse avec la température.

Exemple résolu : utiliser la valeur d’une courbe de solubilité

Supposons qu’une courbe de solubilité montre qu’un sel se dissout jusqu’à $36\ \mathrm{g}$ pour $100\ \mathrm{g}$ d’eau à $25^\circ\mathrm{C}$.

Ajoutons maintenant $40\ \mathrm{g}$ de ce sel à $100\ \mathrm{g}$ d’eau et attendons l’équilibre à la même température.

Dans ces conditions, environ $36\ \mathrm{g}$ peuvent rester dissous. Les $4\ \mathrm{g}$ restants ne se dissolvent pas.

Cet exemple unique donne la compétence principale pour lire les courbes de solubilité :

• lire la quantité maximale dissoute à la température indiquée
• la comparer à la quantité réellement ajoutée
• considérer tout excès de soluté comme non dissous à l’équilibre

La solubilité est une limite de capacité dans des conditions données, pas la garantie que chaque gramme ajouté disparaîtra.

Facteurs qui modifient la solubilité

Température

Pour de nombreux solides dans l’eau, la solubilité augmente lorsque la température augmente. C’est fréquent, mais ce n’est pas universel.

Pour les gaz dissous dans les liquides, la solubilité diminue souvent lorsque la température augmente. Une boisson gazeuse tiède qui perd son dioxyde de carbone dissous en est un exemple familier.

Pression

La pression a son effet le plus net sur les gaz dissous dans les liquides. Une pression plus élevée au-dessus du liquide augmente généralement la solubilité du gaz. Pour les solides et les liquides, les variations ordinaires de pression ont en général beaucoup moins d’effet.

Nature du soluté et du solvant

Les forces intermoléculaires comptent. Un solvant dissout plus facilement un soluté lorsque les nouvelles interactions soluté-solvant sont suffisamment favorables pour rivaliser avec les interactions soluté-soluté et solvant-solvant.

C’est la version plus précise de « le semblable dissout le semblable ».

Environnement chimique

Certaines variations de solubilité dépendent des réactions dans la solution. Par exemple, la solubilité de certains composés ioniques peut changer si le pH varie ou si l’on ajoute un ion commun.

Ce point dépend de la substance considérée. Ne supposez pas que chaque problème de solubilité exige un raisonnement sur le pH ou l’ion commun.

Erreurs fréquentes sur la solubilité

Confondre solubilité et vitesse de dissolution

Agiter, broyer ou chauffer permet souvent à une substance de se dissoudre plus vite, mais une dissolution plus rapide n’est pas la même chose qu’une solubilité finale plus grande dans les mêmes conditions.

Oublier la température ou la pression

Une valeur de solubilité sans température, et parfois sans pression, est incomplète.

Supposer que tous les solides deviennent plus solubles quand on les chauffe

Beaucoup de solides deviennent plus solubles dans l’eau chaude, mais certains non. Une courbe ou un tableau de données est plus fiable qu’une règle générale.

Appliquer les règles de pression au mauvais système

La pression est particulièrement importante pour les gaz dissous dans les liquides. Ce n’est généralement pas le facteur principal pour la solubilité des solutés solides ordinaires.

Où la solubilité est utilisée

La solubilité est importante en pharmacie, dans le traitement de l’eau, en géologie, en chimie de l’environnement, en science des aliments et dans la préparation de solutions au laboratoire. Elle aide à prévoir la précipitation, à choisir des solvants et à décider si un mélange restera homogène ou se séparera.

Elle intervient aussi dans des situations courantes : pourquoi le sucre se dissout différemment dans une boisson chaude ou froide, pourquoi les boissons gazeuses perdent leurs bulles après ouverture, et pourquoi certains mélanges deviennent troubles lorsque les conditions changent.

Essayez une question similaire sur la solubilité

Face à une question de solubilité, posez-vous quatre questions dans l’ordre : quel est le soluté, quel est le solvant, quelle température est fixée, et si la pression a de l’importance. Cette courte liste de vérification évite la plupart des erreurs avant même de commencer les calculs.

Essayez votre propre version avec une courbe de solubilité : choisissez une température, lisez la quantité maximale dissoute, puis décidez si un échantillon est non saturé, saturé ou au-dessus de la limite habituelle.