Solubilité et miscibilité d’une espèce chimique Cours

Sommaire

IExtraction par solvantALa solubilité dans un solvantBLa miscibilité de deux liquidesCExtraction d'une entité par un solvantIILes propriétés des savonsALes tensioactifsBL'action nettoyante des savonsIIIRécapitulatif

Notion

À savoir

Molécule polaire

Molécule portant des charges partielles positives et négatives en raison d'une différence d'électronégativité de certains atomes qui la composent, et dont les barycentres ne sont pas confondus, comme l'eau :

Solution

Une solution est le mélange obtenu lorsqu'un soluté est dissous dans un solvant.

Molécule polaire

Molécule polaire

I

Extraction par solvant

A

La solubilité dans un solvant

La masse maximale d'un soluté que l'on peut dissoudre dépend du solvant utilisé.

Solubilité

La solubilité d'un soluté, notée s, est la masse maximale de ce composé que l'on peut dissoudre par litre de solvant. C'est donc aussi la concentration maximale de la solution (= solution saturée) et on l'exprime généralement en g·L−1.

À 20 °C, la solubilité du sel (chlorure de sodium, «  \ce{NaCl_{(s)}} ») dans l'eau est de 360 g·L−1. On peut donc dissoudre au maximum 360 g de sel dans 1 L d'eau. Au-delà, la solution est saturée et le sel ajouté se dépose au fond du récipient.

La solubilité dépend de la température et des interactions entre le soluté et le solvant : plus les interactions sont nombreuses, plus la solubilité est élevée.

Nature du solvant

Adapté pour dissoudre

Solvant polaire (ex. : eau)

Solide ionique, molécule polaire

Solvant apolaire (ex. : cyclohexane)

Molécule apolaire

B

La miscibilité de deux liquides

Tous les liquides ne se mélangent pas.

Miscibilité 

La miscibilité est la capacité de deux liquides à se mélanger.

L'eau et l'éthanol sont deux liquides miscibles en toutes proportions, alors que l'eau et l'huile sont deux liquides non miscibles.

La nature du mélange de deux liquides dépend donc de leur miscibilité.

  • Si on ne peut pas discerner les deux liquides après mélange, c'est qu'ils sont miscibles. Le mélange est alors homogène, constitué d'une seule phase.
  • Si on ne peut pas discerner les deux liquides après mélange, c'est qu'ils sont non miscibles. Le mélange est alors hétérogène, constitué de deux phases.
-

Des liquides sont miscibles s'il existe des interactions entre leur composants, ainsi :

  • des liquides composés de molécules polaires sont miscibles ;
  • un liquide composé de molécules polaires n'est pas miscible à un liquide composé de molécules apolaires.
  • L'eau et l'éthanol sont miscibles car ils sont composés de molécules polaires.
  • L'eau et l'huile ne sont pas miscibles car l'huile est composée de molécules apolaires. 

La position relative de deux liquides non miscibles dépend de leur densité.

La densité d d'un corps est le rapport de sa masse volumique à celle de l'eau : \displaystyle{d_{\text{corps}} = \dfrac{\mu_{\text{corps}}}{\mu_{\text{eau}}}}

avec :

\displaystyle{\mu_{\text{eau}} = 1} \text{ kg.L}^{-1}

C'est une grandeur sans unité (les deux masses volumiques devant être exprimées avec la même unité).

La masse volumique d'une huile d'olive est \displaystyle{\rho_{\text{huile}} = 0,92} \text{ kg.L}^{-1}, sa densité est donc : 
\displaystyle{d_{\text{huile}} = \dfrac{\mu_{\text{huile}}}{\mu_{\text{eau}}} = \dfrac{0,92}{1} = 0,92}

Lorsque deux liquides sont non miscibles, ils se positionnent en fonction de leur densité : le liquide le moins dense se place au-dessus du liquide le plus dense. 

L'utilisation d'une ampoule à décanter permet de séparer deux liquides non miscibles.

L'huile d'olive étant moins dense que l'eau, dans une ampoule à décanter elle se place au-dessus et on peut séparer ces deux liquides en les faisant couler dans des récipients différents.

-
C

Extraction d'une entité par un solvant

On peut mettre à profit les différences de solubilité d'une entité chimique pour l'extraire d'un solvant initial.

Extraction par solvant 

L'extraction par solvant (ou extraction liquide-liquide) est une technique permettant d'extraire une espèce chimique dissoute dans un solvant à l'aide d'un autre solvant, appelé solvant extracteur.

Il convient alors de bien choisir le solvant extracteur.

Lorsqu'on doit choisir un solvant extracteur, il faut que :

  • l'espèce à extraire soit davantage soluble dans le solvant extracteur que dans le solvant initial ;
  • le solvant initial et le solvant extracteur ne soient pas miscibles, afin que l'on puisse les séparer.
  • si plusieurs choix sont possibles, le solvant extracteur soit le moins nocif possible.

On souhaite extraire l'acide benzoïque d'une solution aqueuse. 

Les données sont les suivantes.

Solvant extracteur

Eau

Ethanol

Dichlorométhane

Miscibilité à l'eau

-

Bonne

Nulle

Solubilité de l'acide benzoïque

Faible

Très élevée

Élevée

Le solvant extracteur adapté est le dichlorométhane car :

  • l'acide benzoïque y est très soluble ;
  • il est non miscible à l'eau (contrairement à l'éthanol, qu'on ne pourrait pas séparer).

Souvent, on appelle :

  • « Phase aqueuse » : la phase dans laquelle le solvant est l'eau.
  • « Phase organique » : la deuxième phase, car généralement elle est composée d'un solvant organique.

 

L'extraction par solvant d'une entité chimique se déroule en trois étapes.

On mélange le solvant initial et le solvant extracteur dans une ampoule à décanter.

-

On agite l'ampoule à décanter en dégazant régulièrement (en orientant l'ampoule vers le haut et en ouvrant le robinet). 

L'extraction a alors lieu : l'espèce à extraire migre de la solution aqueuse vers le solvant extracteur.

-

On laisse décanter le mélange (le bouchon ayant été ôté). Alors, les deux phases se séparent, en fonction de leur densité. On peut ensuite les verser dans deux récipients différents.

-

En choisissant un solvant extracteur qui soit en plus volatil, il sera facile de l'éliminer (en l'évaporant) et d'isoler l'espèce chimique qui a été extraite.

Le cyclohexane est un solvant apolaire, non miscible à l'eau, de température d'ébullition 81 °C donc facilement éliminable par évaporation.

II

Les propriétés des savons

A

Les tensioactifs

Certains produits ménagers doivent leurs propriétés aux tensioactifs qu'ils contiennent.

Tensioactifs

Les tensioactifs sont des composés qui modifient la tension de surface du solvant dans lequel ils sont dissous, ce qui augmente ses capacités de détachement, d'étalement et de mouillage.

Les détergents (utilisés dans le liquide vaisselle, la lessive, etc.) sont des tensioactifs.

Les propriétés des tensioactifs sont dues à leur structure, dite amphiphile :

  • Une partie hydrophile (attirée par l'eau), capable d'interagir avec la molécule d'eau, donc composée d'un groupe d'atomes globalement polaire ou porteur de charge électrique. Cette partie est souvent assez petite et est qualifiée de « tête ».
  • Une partie hydrophobe (repoussée par l'eau), qui ne peut pas interagir avec la molécule d'eau car électriquement neutre et apolaire. Elle est généralement plus longue que la partie hydrophile et composée de liaisons carbone-carbone (« \ce{C–C} ») et carbone-hydrogène (« \ce{C–H} »). Cette partie est souvent assez longue et est qualifiée de « queue ».
Structure d'une molécule amphiphile

Structure d'une molécule amphiphile

L'acide décanoïque est un tensioactif car sa formule semi-développée fait bien apparaître une partie hydrophile et une partie hydrophobe.

-

On peut aussi qualifier les deux parties d'un tensioactif en fonction de leur affinité avec les molécules apolaires (qui composent les graisses notamment, ou lipides).

Adjectif

Synonyme

Hydrophile

Lipophobe (repoussé par les lipides)

Hydrophobe

Lipophile (attiré par les lipides)

B

L'action nettoyante des savons

L'action nettoyante des savons est due aux tensioactifs qu'ils contiennent.

Les savons contiennent des ions carboxylate, qui sont des tensioactifs.

L'ion palmitate est un ion carboxylate qui compose certains savons.

-

Dans une eau savonneuse, les tensioactifs s'organisent en micelles.

Dans une eau savonneuse à faible concentration, les ions carboxylate s'organisent en petites sphères, appelées micelles, en fonction de leur affinité pour l'eau :

  • les queues hydrophobes se rapprochent les unes des autres, fuyant l'eau et créant entre elles des interactions de Van der Waals ;
  • les têtes hydrophiles s'orientent vers l'extérieur, là où elles peuvent interagir avec les molécules d'eau.
-

C'est l'organisation des molécules de tensioactifs en micelles qui explique leur action nettoyante.

Une tache grasse ne peut pas être nettoyée seulement avec de l'eau car la graisse (apolaire) et l'eau (polaire) sont non miscibles. 

Les tensioactifs présents dans une eau savonneuse permettent à l'eau d'évacuer le gras car, au contact de la tache grasse, les micelles s'organisent : les queues hydrophobes se dissolvent dans la graisse et les têtes hydrophiles restent tournées vers l'eau, ce qui permet à la micelle d'emporter la graisse, comme si celle-ci était miscible à l'eau.

-

On obtient alors une émulsion.

Émulsion

Une émulsion est un mélange entre deux liquides non miscibles en présence d'un tensioactif, dans lequel un des liquides se disperse sous forme de micelles dans le second.

  • Un mélange de graisse et d'eau savonneuse est une émulsion.
  • La mayonnaise est une émulsion d'eau et d'huile rendue possible par un tensioactif contenu dans le jaune d'œuf (la lécithine).

Ce sont aussi les tensioactifs qui sont responsables de la mousse formée par un mélange d'eau et de savon, l'air étant alors piégé par un film d'eau stabilisé par les tensioactifs.

-
III

Récapitulatif

Solubilité

Masse maximale de soluté que l'on peut dissoudre dans un litre de solvant, généralement exprimée en g·L–1.

Choix du solvant

  • Un solvant polaire, comme l'eau, permet une bonne solubilité des solides ioniques ou des molécules polaires.
  • Un solvant apolaire, comme le cyclohexane, permet une bonne solubilité des molécules polaires.

Miscibilité

Capacité de deux liquides à se mélanger.

  • Deux liquides miscibles forment un mélange homogène, constitué d'une seule phase (les deux liquides sont polaires ou apolaires).
  • Deux liquides non miscibles forment un mélange hétérogène, constitué de deux phases (un liquide est polaire et l'autre est apolaire).

Densité d'un corps

Rapport de sa masse volumique à celle de l'eau.

\displaystyle{d_{\text{corps}} = \dfrac{\mu_{\text{corps}}}{\mu_{\text{eau}}}}

avec :

\displaystyle{\mu_{\text{eau}} = 1} \text{ kg.L}^{-1}

Dans le cas de deux liquides non miscibles, le liquide le moins dense se place toujours au-dessus du plus dense.

Extraction d'une entité par un solvant

Technique qui permet d'extraire une entité dissoute dans un solvant en ajoutant un solvant extracteur.

Elle a lieu dans une ampoule à décanter.

Choix d'un solvant extracteur

  • L'espèce à extraire doit être davantage soluble dans le solvant extracteur que dans le solvant initial.
  • Le solvant initial et le solvant extracteur ne doivent pas être miscibles.
  • Si plusieurs choix sont possibles, le solvant extracteur doit être le moins nocif possible.

Tensioactif

Entité ayant une structure amphiphile, c'est-à-dire possédant à la fois une partie hydrophile et une autre hydrophobe.

Micelle

Ensemble constitué par des tensioactifs qui se positionnent selon leur affinité avec l'eau.

Tensioactif

Tensioactif

Micelle

Micelle