Les solutions : dissolution et solubilité 3e

Du sel qu’on ne voit plus dans l’eau des pâtes, du sucre qui reste au fond d’un verre d’eau froide, des poissons qui manquent de dioxygène pendant une canicule : ces trois situations posent la même question. Que devient un corps qu’on dissout dans l’eau, et jusqu’où peut-on en dissoudre ? Le chapitre donne les mots pour le dire, soluté, solvant et solution, et deux idées qui servent dans de nombreux exercices : la masse se conserve pendant une dissolution, et une quantité d’eau ne peut dissoudre qu’une masse limitée de soluté. Les trois premiers exercices vérifient que le cours est compris, sans calcul : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les deux suivants se font au brouillon, avec un corrigé rédigé comme au tableau : calculer ce qui reste au fond de la saumure d’un fromager, puis fabriquer du sucre candi en lisant une courbe de solubilité, comme en évaluation.

Dissoudre, saturer : l’essentiel du chapitre

Soluté, solvant, solution

Le soluté est l’espèce chimique qu’on dissout, le solvant est le liquide qui la dissout, et la solution est le mélange homogène obtenu. Quand le solvant est l’eau, on parle de solution aqueuse.

Dissoudre n’est pas fondre : le soluté se disperse entre les molécules du solvant, qui reste liquide.

La masse se conserve

Pendant une dissolution, rien ne se perd : on ne voit plus le soluté, mais il est encore là. La balance affiche la même masse avant et après.

m(solution) = m(solvant) + m(soluté)

Le volume de la solution, lui, n’est en général pas la somme des volumes de départ.

Jusqu’où dissoudre ?

La solubilité est la masse maximale de soluté qu’une quantité de solvant peut dissoudre, à une température donnée. Elle se donne pour une quantité d’eau précise : 1 L, 1 kg ou 100 g d’eau.

Au-delà, le surplus reste au fond, même si on agite : la solution est saturée. Deux fois plus d’eau dissout deux fois plus de soluté.

La température compte

Pour la plupart des solides, la solubilité augmente quand la température augmente : beaucoup pour le sucre, très peu pour le sel. Pour les gaz, comme le dioxygène ou le dioxyde de carbone, elle diminue.

Remuer fait dissoudre plus vite, mais ne change pas la masse maximale.

Deux liquides miscibles forment un seul liquide, deux liquides non miscibles forment deux couches. On dit d’un solide ou d’un gaz qu’il est soluble dans l’eau, et de deux liquides qu’ils sont miscibles.

La carte du chapitre : les trois mots de la dissolution, la masse qui se conserve, la saturation et l’effet de la température.

Avant de te lancer : pour les exercices 4 et 5, cherche au brouillon avant d’ouvrir le corrigé : c’est en te trompant que tu progresses. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.

Exercice 3

Compléter le cours : dissolution, saturation, solubilité

★★★

Le cours en un texte à trous

L'eau de mer est une solution : le sel y est . Le sel est le , l'eau est le , et le mélange obtenu est . La masse de la solution est égale à la masse . On ne peut pas dissoudre autant de sel qu'on veut : au-delà d'une masse maximale, le sel reste au fond et la solution est . Cette masse maximale, pour une quantité d'eau donnée, s'appelle la ; elle dépend de la . Pour la plupart des solides, elle quand la température augmente ; pour un gaz comme le dioxygène, elle . Enfin, deux liquides qui se mélangent en un seul liquide sont dits .

Exercice 4

Solution saturée : calculer la masse dissoute et le dépôt

★★★

Application directe, avec la conservation de la masse

Pour saler certains fromages, on les plonge dans une saumure : de l’eau dans laquelle on a dissous beaucoup de sel. Dans une cuve, un fromager verse $20{,}0\ \text{kg}$ d’eau, puis $8{,}0\ \text{kg}$ de gros sel. Il remue longuement : une couche de sel reste au fond de la cuve.

Données : à la température de la fromagerie, $1\ \text{kg}$ d’eau peut dissoudre au maximum $360\ \text{g}$ de sel. $1\ \text{kg} = 1\,000\ \text{g}$ .

Nommer le soluté et le solvant de la saumure.
Calculer la masse maximale de sel que les $20{,}0\ \text{kg}$ d’eau peuvent dissoudre. Exprimer le résultat en kilogrammes.
En déduire la masse de sel qui reste au fond de la cuve. Comment qualifie-t-on la saumure obtenue ?
Quelle est la masse totale du contenu de la cuve ? Quelle est la masse de la saumure liquide, sans le sel resté au fond ?
Le fromager laisse volontairement du sel au fond de la cuve. Les fromages qu’il y plonge absorbent un peu du sel dissous. Expliquer pourquoi la saumure reste quand même saturée.

Voir le corrigé

1. Le soluté est l’espèce qu’on dissout : le sel. Le solvant est le liquide qui le dissout : l’eau. La saumure est donc une solution aqueuse de sel.

2. D’après les données, $1\ \text{kg}$ d’eau dissout au maximum $360\ \text{g}$ de sel. La masse maximale dissoute est proportionnelle à la masse d’eau. Le fromager a mis 20 fois plus d’eau que $1\ \text{kg}$ :

$\dfrac{20{,}0\ \text{kg}}{1\ \text{kg}} = 20$

Il peut donc dissoudre 20 fois plus de sel :

$m_{\text{max}} = 360\ \text{g} \times 20 = 7\,200\ \text{g}$

On convertit en kilogrammes : $7\,200\ \text{g} = 7{,}20\ \text{kg}$ . Les $20{,}0\ \text{kg}$ d’eau peuvent dissoudre au maximum $7{,}20\ \text{kg}$ de sel.

3. Le fromager a versé $8{,}0\ \text{kg}$ de sel, plus que les $7{,}20\ \text{kg}$ que l’eau peut dissoudre. Le reste ne se dissout pas et forme la couche du fond :

$m_{\text{fond}} = 8{,}0\ \text{kg} - 7{,}20\ \text{kg} = 0{,}8\ \text{kg}$

Il reste $0{,}8\ \text{kg}$ de sel au fond de la cuve. La saumure ne peut plus dissoudre de sel, malgré l’agitation : elle est saturée.

4. Rien n’est sorti de la cuve, et la masse se conserve pendant une dissolution. La masse totale est celle de l’eau plus celle de tout le sel versé, dissous ou non :

$m_{\text{totale}} = 20{,}0\ \text{kg} + 8{,}0\ \text{kg} = 28{,}0\ \text{kg}$

La saumure liquide contient l’eau et le sel dissous, mais pas le sel du fond :

$m_{\text{saumure}} = 20{,}0\ \text{kg} + 7{,}20\ \text{kg} = 27{,}2\ \text{kg}$

Vérification : $27{,}2\ \text{kg} + 0{,}8\ \text{kg} = 28{,}0\ \text{kg}$ , on retrouve bien la masse totale.

5. Les fromages retirent un peu de sel dissous : la saumure en contient alors moins que ce que son eau peut dissoudre, elle n’est plus saturée. Le sel resté au fond se dissout donc à son tour, jusqu’à ce que la saumure soit de nouveau saturée. Tant qu’il reste du sel au fond, la saumure reste saturée : c’est pour cela que le fromager en laisse volontairement.

Réflexe à retenir : pour savoir s’il reste un dépôt, calcule d’abord la masse maximale que la quantité d’eau de l’énoncé peut dissoudre, puis compare-la à la masse de soluté versée. Pour les masses, additionne : rien ne se perd pendant une dissolution.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Exercice 5

Lire une courbe de solubilité : le sucre candi

★★★

Type évaluation, avec un protocole et une courbe à exploiter

Le sucre candi est fait de gros cristaux de sucre. Chloé veut en fabriquer chez elle.

Document 1 : la préparation. Dans une casserole, Chloé chauffe $200\ \text{g}$ d’eau jusqu’à 80 °C. Elle y verse $500\ \text{g}$ de sucre en poudre et remue : tout le sucre se dissout, et le liquide est limpide. Elle verse ce liquide dans un bocal, y suspend une ficelle propre, puis ferme le bocal avec son couvercle. Elle le laisse refroidir jusqu’à la température de la pièce, 20 °C. Plus tard, des cristaux de sucre se sont formés sur la ficelle et au fond du bocal. On néglige l’eau qui s’évapore pendant le chauffage.

Le bocal de Chloé, fermé par son couvercle, à 80 °C puis à 20 °C.

Document 2 : la solubilité du sucre dans l’eau. La courbe donne la masse maximale de sucre que $100\ \text{g}$ d’eau peuvent dissoudre, selon la température de l’eau.

Solubilité du sucre dans l’eau, selon la température de l’eau.

Nommer le soluté et le solvant. Le liquide versé dans le bocal est-il un mélange homogène ou hétérogène ? Justifier.
Lire sur le document 2 la masse maximale de sucre que $100\ \text{g}$ d’eau peuvent dissoudre à 80 °C. En déduire la masse maximale que les $200\ \text{g}$ d’eau de Chloé peuvent dissoudre à cette température, puis expliquer pourquoi tout le sucre s’est dissous.
Lire de même la masse maximale de sucre que $100\ \text{g}$ d’eau peuvent dissoudre à 20 °C. En déduire la masse de sucre que les $200\ \text{g}$ d’eau peuvent garder dissoute à 20 °C, puis la masse de sucre qui forme des cristaux.
La solution de Chloé contient $500\ \text{g}$ de sucre pour $200\ \text{g}$ d’eau, soit $250\ \text{g}$ de sucre pour $100\ \text{g}$ d’eau. À l’aide du document 2, estimer la température à laquelle la solution devient saturée pendant qu’elle refroidit.
Chloé pense que son bocal fermé est devenu plus léger, « puisqu’une partie du sucre n’est plus dissoute ». A-t-elle raison ? Justifier.

Voir le corrigé

1. Le soluté est l’espèce dissoute : le sucre. Le solvant est le liquide qui le dissout : l’eau. D’après le document 1, tout le sucre s’est dissous et le liquide est limpide : on ne distingue pas le sucre de l’eau à l’œil nu. Le mélange est homogène : c’est une solution aqueuse de sucre.

2. À 80 °C, on lit sur la courbe environ $365\ \text{g}$ : $100\ \text{g}$ d’eau peuvent dissoudre environ $365\ \text{g}$ de sucre. Chloé a deux fois plus d’eau :

$\dfrac{200\ \text{g}}{100\ \text{g}} = 2$

La masse maximale dissoute est proportionnelle à la masse d’eau :

$m_{\text{max}} = 365\ \text{g} \times 2 = 730\ \text{g}$

Une lecture comprise entre $360\ \text{g}$ et $370\ \text{g}$ convient : on trouve alors entre $720\ \text{g}$ et $740\ \text{g}$ . Comme $500\ \text{g} < 730\ \text{g}$ , les $200\ \text{g}$ d’eau à 80 °C peuvent dissoudre tout le sucre versé : la solution n’est pas saturée, et tout le sucre se dissout.

3. À 20 °C, on lit environ $200\ \text{g}$ pour $100\ \text{g}$ d’eau. Pour les $200\ \text{g}$ d’eau de Chloé :

$m_{\text{max}} = 200\ \text{g} \times 2 = 400\ \text{g}$

À 20 °C, l’eau ne peut garder dissous qu’environ $400\ \text{g}$ de sucre. Le reste ne peut plus rester dissous et forme les cristaux :

$m_{\text{cristaux}} = 500\ \text{g} - 400\ \text{g} = 100\ \text{g}$

Environ $100\ \text{g}$ de sucre forment des cristaux, sur la ficelle et au fond du bocal. La solution qui les entoure est saturée.

4. On cherche sur la courbe le point où la masse maximale vaut $250\ \text{g}$ pour $100\ \text{g}$ d’eau : on trace une droite horizontale à $250\ \text{g}$ jusqu’à la courbe, puis on descend sur l’axe des températures. On lit environ 46 °C ; une lecture comprise entre 44 °C et 48 °C convient.

Les lectures du corrigé : environ 365 g à 80 °C, environ 200 g à 20 °C, et 250 g vers 46 °C.

Au-dessus de 46 °C environ, $100\ \text{g}$ d’eau peuvent dissoudre plus de $250\ \text{g}$ de sucre : la solution n’est pas saturée. En dessous, la masse maximale devient plus petite que $250\ \text{g}$ : le sucre ne peut plus rester entièrement dissous. La solution devient donc saturée vers 46 °C, et c’est à partir de cette température que des cristaux peuvent se former.

5. Non, Chloé n’a pas raison. Le bocal est fermé par son couvercle : rien n’y entre et rien n’en sort, pas même la vapeur d’eau. Le sucre des cristaux était dissous dans l’eau ; il est passé de l’état dissous à l’état de cristaux, mais il est encore dans le bocal. La masse totale ne change pas : c’est celle du bocal, de la ficelle, des $200\ \text{g}$ d’eau et des $500\ \text{g}$ de sucre, comme au début.

Réflexe à retenir : une courbe de solubilité se lit pour la quantité d’eau indiquée, souvent $100\ \text{g}$ d’eau. Ramène la valeur lue à la quantité d’eau de l’énoncé, puis compare-la à la masse de soluté : en dessous, tout se dissout ; au-dessus, le surplus forme un dépôt ou des cristaux.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Les trois réflexes à retenir

Dissoudre, ce n’est ni fondre ni faire disparaître. Le soluté se disperse dans le solvant : on ne le voit plus, mais il est encore là, et la masse de la solution est égale à la masse du solvant plus celle du soluté.
Avant de conclure qu’il reste un dépôt, calcule la masse maximale dissoute. Une solubilité se donne pour une quantité d’eau précise : ramène-la à la quantité d’eau de l’énoncé par proportionnalité, puis compare-la à la masse de soluté versée.
Regarde la température. La solubilité de la plupart des solides augmente quand l’eau se réchauffe, celle des gaz diminue. Remuer fait dissoudre plus vite, sans changer la masse maximale.

Pour estimer une solubilité par une expérience, ou pour séparer les constituants d’un mélange, les exercices sur les corps purs et les mélanges prennent le relais. Et l’évaporation de l’eau, qui laisse le soluté derrière elle, se travaille aussi avec les exercices sur les états et les changements d’état.

Exercices corrigés — Les solutions : dissolution et solubilité

Soluté, solvant, solution : le vocabulaire de la dissolution

Solution saturée, solubilité et température