Solutions

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L'essentiel

Une solution est constituée d'un solvant majoritaire, et de solutés en quantité moindre. Dans le cas d'une solution aqueuse, l'eau est le solvant. Les solutés peuvent être des ions (on parle alors de solution ionique) ou des molécules dissoutes (on parle alors de solution moléculaire). La concentration de ces solutés, exprimée en mol\,\cdot\,L−1, reflète la quantité de particules de solutés présentes par litre de solution. Une solution de concentration précise peut être préparée par dissolution d'un solide, ou par dilution d'une solution déjà préparée dont on connaît la concentration (solution mère).

La fiche

La notion de solution présente un intérêt fondamental dans les domaines de la santé, de l'agro-alimentaire et plus généralement de la chimie. Ainsi, la préparation d'une solution aqueuse à usage médical a une grande importance car il s'agit de maîtriser sa concentration, c'est-à-dire la quantité précisé de soluté actif par litre de préparation (noté : [\mathrm{solut\acute{e}}] = \frac{n(\mathrm{solut\acute{e}})}{V}). Lors d'analyses sanguines, on cherche à évaluer la concentration d'espèces (cholestérol par exemple) dissoutes dans le sang d'un patient. Un test d'alcoolémie pratiqué sur un conducteur a pour objectif de déterminer la quantité de molécules d'alcool (éthanol) dissoutes dans le sang. Dans l'eau potable, il est indispensable de contrôler très régulièrement les concentrations des diverses espèces dissoutes, pour prévenir pollution et contamination. Une solution correspond à la coexistence, dans des proportions très différentes, de molécules de solvant (par exemple l'eau) et de solutés (molécules, ions, etc.) dissous dans ce liquide. Il existe plusieurs types de solutions que nous allons rappeler. De nombreuses réactions, dont les réactions biologiques, se font en solution, dans l'eau ou dans un autre solvant.
Définitions
Aperçu historique
Avant le xixe siècle, l'objectif du « chimiste » (l'appellation est anachronique), n'était pas de décrire la matière qui l'entoure et encore moins de la « mesurer » c'est-à-dire d'en déterminer la constitution précise.
Dès la fin du xviiie siècle puis au début du siècle suivant, on commence à s'intéresser aux particules qui constituent toute matière. Dans le cas des gaz, le chimiste Dalton interprète ainsi en 1808 les mélanges chimiques gazeux comme la recombinaison d'atomes entre eux, le mot « atome » ayant été choisi pour sa signification grecque (insécable). En s'appuyant sur des considérations faites par Avogadro – qui n'était pas certain de l'existence des molécules – et les observations faites en 1827 par le botaniste Brown sur le mouvement spontané désordonné de fines particules de pollen en suspension dans de l'eau, A. Einstein (1879 - 1955) démontre définitivement en 1905 l'existence de molécules, mais celles-ci restent trop petites pour être observées.
Le développement des connaissances et des techniques au début du xxe siècle, comme la diffraction des rayons X, permettront de valider cette description de la matière et de concevoir la matière comme faite d'atomes, de molécules ou d'ions. La taille de ces particules, en quantité gigantesque dans tout échantillon de matière, exclut de pouvoir les manipuler individuellement, si bien que les chimistes ont adopté une unité pratique, la mole (qui a la même racine latine que molécule et qui signifie « quantité »).
Constituants d'une solution : solvant, soluté
Lorsqu'on met du sucre dans un verre d'eau pure, celui-ci se dissout. On dit que l'on obtient une solution aqueuse sucrée. L'eau est le solvant de cette solution et le sucre est le soluté.
Plus généralement, dans une solution aqueuse, l'eau est le solvant, c'est le constituant majoritaire de la solution. Le ou les composés minoritaires correspondent aux solutés. Ces espèces sont dissoutes au milieu des molécules d'eau. Ces espèces ne réagissent pas avec les molécules du solvant, il y a simplement coexistence entre les molécules d'eau solvant et les composés solutés.
Exemple : dans de l'eau de table pétillante, abusivement appelée eau gazeuse, on trouve entre autres du gaz (dioxyde de carbone) CO2 dissous (c'est bien un soluté sous forme moléculaire), et des ions (sodium Na+ par exemple).
La couleur éventuellement prise par la solution dépend du solvant et du soluté. Ainsi, du sulfate de cuivre anhydre (non humide) CuSO4 solide dissous dans l'eau donne une teinte bleue à la solution (c'est d'ailleurs le test de présence de l'eau) ; en revanche, dans de l'acide nitrique très concentré, il donne une teinte verte. De même, la couleur prise par les fleurs peut dépendre de l'eau utilisée pour arroser la plante en question…
Quantité de matière : la mole
Un volume d'eau ou de liquide, même petit à notre échelle, contient une gigantesque quantité de molécules d'eau. Ainsi, dans 1 L d'eau il y a près de 3 × 1025 molécules d'eau ; dans 1 mL, il y a plus de 1022 molécules !
On décide donc de compter les particules (molécules, atomes, ions) par multiple du nombre NA = 6,02 × 1023 appelée constante d'Avogadro. Si, par exemple,  N est le nombre total de molécules d'une quantité d'eau, on définit n = \frac{N}{\mathrm{N_A}} comme la quantité de matière en eau. On décide de lui donner l'unité de mole (symbole mol).
Par exemple, si 1 L d'eau contient (pour simplifier) 3 × 1025 molécules d'eau, alors ce volume contient n = \frac{3\times10^{25}}{6,02\times10^{23}} soit environ n = 50 moles d'eau. Ce nombre est plus pratique à manipuler.
Caractérisation d'une solution
Pour caractériser une solution, on a recours à sa concentration molaire ou massique, quantité molaire de matière.
La concentration molaire d'un soluté X dissous dans une solution de volume V (en litres) est égale au rapport de la quantité de matière n en soluté X, par le volume V de la solution. Cette concentration se note [X] et vaut donc [\mathrm{X}] = \frac{n}{V}. Comme n est en moles, [X] est en mol\,\cdot\,L−1.
Exemple : on décide de dissoudre une masse de 1,8 g de glucose dans 100 mL d'eau distillée. On peut lire dans des tables qu'une mole de glucose pèse 180 g. Alors on a dissous une quantité de matière \frac{1,8}{180} = 0,01 mol de glucose dans 100 mL d'eau (soit 0,1 L). La concentration de cette solution aqueuse sucrée est donc [glucose dissous] = 0,01 mol / 0,1 L = 0,1 mol\,\cdot\,L−1. Plus simplement, on peut aussi parler de la concentration massique en glucose, qui correspond à la masse de glucose dissous dans un litre de solution. Ici, c'est 18 g\,\cdot\,L−1.
Préparation d'une solution
Dilution et dissolution
Une solution peut être préparée par dissolution d'un solide dans de l'eau, mais aussi à partir d'une solution déjà existante (appelée solution mère) que l'on dilue.
La dissolution consiste à prélever une certaine masse  m de solide (le futur soluté), qui correspond à une quantité de matière n (en moles) précise en soluté. On introduit avec soin cette quantité dans un volume donné d'eau distillée. La dissolution, comme toute manipulation chimique, nécessite de pouvoir mesurer les quantités avec précision.
La dilution consiste à prélever un certain volume d'une solution déjà existante (dite solution mère) et à le compléter par du solvant (de l'eau, par exemple). La quantité totale de soluté est celle présente dans le volume de solution mère prélevé. Le volume total de la solution ayant augmenté, la concentration en soluté diminue au cours de la dilution. Exemple : une grenadine faite de sirop dilué dans l'eau.
Solubilité et précipitation
Lors d'une dissolution, tant que la solution reste limpide, on n'observe pas de dépôt à la surface ou au fond du solvant. Par contre, si l'on cherche à dissoudre trop de solide, il peut y avoir précipitation du solide qui ne peut plus se dissoudre. On dit alors que la solution est saturée. On peut éliminer le trop-plein de solide en filtrant la solution saturée.
La solubilité est la quantité maximale de soluté (elle s'exprime donc en moles) qui peut être dissoute dans un litre de solvant. Elle est évaluée en mol\,\cdot\,L−1. La solubilité dépend beaucoup de la température. Ainsi, si on cherche à dissoudre une grande quantité de sel dans de l'eau, on a intérêt à prendre de l'eau très chaude, car la solubilité du sel (chlorure de sodium Na+ + Cl) augmente avec la température.
Application : en géologie, le lent dépôt de sédiments dans une eau saturée (sédimentation) est une précipitation. C'est par précipitation de calcaire dissous que se forment les stalactites.
Solubilisation
La solubilité d'un soluté donné dépend aussi beaucoup du solvant utilisé. Par exemple, si l'on cherche à faire partir une tache (par exemple une tache grasse) d'un vêtement, on peut procéder à un « détachage à sec ». Cette appellation désigne en fait une opération de solubilisation de la tache dans un solvant « sec », c'est-à-dire autre que de l'eau. En effet, les graisses sont insolubles dans l'eau, mais peuvent l'être dans un autre solvant.
Différents types de solutions
Solutions homogènes et hétérogènes
On appelle « phase » l'état solide, liquide ou gazeux pris par un corps pur. Dans le cas où on procède à un mélange de deux solutions, on peut observer deux comportements :
  • les deux solutions se mélangent parfaitement pour n'en former qu'une nouvelle parfaitement limpide à l'œil. On dit alors que le mélange des deux solutions est homogène. Exemple : un mélange d'eau et d'éthanol (alcool des boissons alcoolisées) est homogène ;
  • les deux solutions, même après une agitation vigoureuse, ne se mélangent pas ou pas complètement. On dit que le mélange est hétérogène. En laissant le mélange reposer (il décante), on peut observer la formation de plusieurs couches de solutions. Exemple : le mélange d'eau et d'huile est hétérogène.
Solutions moléculaires et solutions électrolytiques
Suivant la nature du soluté présent dans la solution, on distingue :
  • les solutions moléculaires : une fois dissous, le soluté reste à l'état de molécules. Exemple : dans de l'eau de table pétillante, abusivement appelée eau gazeuse, on trouve entre autres du gaz (dioxyde de carbone) CO2 dissous (c'est bien un soluté sous forme moléculaire). Dans un sirop à l'eau, le colorant et l'agent sucré sont sous forme de molécules ;
  • les solutions ioniques appelées aussi électrolytiques : le soluté est un ion, c'est-à-dire qu'il porte une charge électrique. Pour cette raison, les solutions ioniques conduisent facilement le courant électrique. Exemple : les eaux pétillantes sont riches en solutés ioniques comme les ions potassium K+, sodium Na+.
Solutions acides ou basiques
Le caractère acide d'une solution est dû à l'existence dans la solution des ions hydronium H3O+ (ou plus simplement H+, aussi parfois appelé ion hydrogène). Une solution est dite acide si son pH (qui évalue l'acidité du milieu et est lié à la concentration en ions hydronium) est inférieur à 7 (à 25 °C), elle est dite basique si son pH est supérieur à 7, et neutre si son pH vaut 7. L'acidité d'une solution a une grande importance, qu'il s'agisse par exemple du pH des produits cosmétiques, du pH des eaux potables ou d'une piscine, du pH du sang ou de la terre dans laquelle on effectue des plantations. Exemple : les sodas sont des solutions acides.

Zoom sur…

L'eau potable
La question de l'accessibilité à de l'eau potable douce pour toutes les populations mondiales est un enjeu planétaire. Dans les pays les plus pauvres, il s'agit notamment de développer des techniques peu coûteuses permettant de purifier de l'eau existante mais, en l'état, impropre à la consommation, ainsi que d'en réduire la concentration en solutés polluants (organiques ou minéraux). De même qu'un adoucisseur d'eau permet la transformation d'une eau dure en eau douce en captant les solutés ioniques responsables du dépôt de calcaire (ions calcium Ca2+ par exemple), on utilise actuellement une combinaison de techniques pour purifier l'eau disponible, mais sans pouvoir lui garantir un très haut degré de potabilité.
L'eau peut subir en premier lieu une filtration plus ou moins élaborée (notamment une filtration au « charbon actif » que l'on produit entre autres à partir de noix de coco) qui intercepte les petites particules. Ensuite, l'ébullition permet d'inactiver les micro-organismes, la distillation transforme l'eau à l'état de vapeur qui ensuite se reliquéfie en laissant derrière elle les solutés. Enfin, on a, depuis peu, recours à l'électrolyse, opération qui consiste à faire passer un courant électrique fort dans l'eau contaminée, rendue ionique par ajout de sel de mer.
L'homéopathie
De plus en plus de personnes ont recours à une médecine qualifiée de « parallèle » par les spécialistes. En particulier, l'effet des substances homéopathiques, et plus généralement le recours à l'homéopathie, font souvent l'objet de critiques de la part des milieux médicaux eux-mêmes. Ces préparations sont obtenues par dilutions successives d'une solution mère concentrée, la dilution permet ainsi d'éviter les effets toxiques directs de la solution mère. La substance de base est appelée la teinture mère TM, elle est diluée successivement au centième (1/100). Ainsi, sur les flacons homéopathiques, 1 CH signifie une dilution au centième (« C » pour centésimale, et « H » pour Hahneman). En réalité, il ne s'agit pas d'une véritable dilution comme on peut la définir en chimie (on passerait ainsi d'une solution de concentration C à une solution fille de concentration \frac{C}{100}) : une goutte de la teinture mère TM est complétée de 99 gouttes de solvant. Pour obtenir un échantillon 2 CH, on dilue une goutte de la solution fille 1 CH, que l'on complète avec 99 gouttes de solvant, ce qui revient presque à diluer la teinture mère à \frac{1}{100}\times\frac{1}{100} = \left(\frac{1}{100}\right)^2 = \frac{1}{10\,000}. Il en est de même pour passer de 2 CH à 3 CH. Dans le cas de la dilution à 12 CH, on a dilué la teinture-mère à \left(\frac{1}{100}\right)^{12} = \frac{1}{10^{24}} soit 10−24 fois. Si la solution mère avait une concentration de 1 mol\,\cdot\,L−1, soit environ 6 × 1024 molécules actives par litre, alors la solution 12 CH n'a plus que \frac{6\times10^{24}}{10^{24}}=6 molécules actives par litre… Depuis quelques années, cet argument est souvent repris en défaveur au recours à une homéopathie trop diluée.
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