Comment faire un calcul de solubilité ?

Démystifier le Calcul de Solubilité : Guide Pas-à-Pas pour Prédire et Comprendre la Dissolution

La solubilité est un concept fondamental en chimie, essentiel pour comprendre le comportement des solutions et prédire la dissolution d’un soluté dans un solvant. Elle représente, comme vous l’avez justement souligné, la concentration maximale d’un soluté qui peut être dissoute dans un solvant spécifique à une température donnée. Au-delà de cette limite, le soluté ne se dissout plus et forme un précipité. Comprendre comment calculer et utiliser la solubilité est donc crucial pour de nombreuses applications, allant de la formulation de médicaments à la gestion de l’environnement.

Ce guide vous propose une approche structurée et concrète pour appréhender le calcul de solubilité. Nous aborderons les facteurs clés qui influencent la solubilité, les différentes manières de l’exprimer et enfin, les méthodes pratiques pour calculer la solubilité dans différents contextes.

Facteurs Influencant la Solubilité : Un Aperçu Indispensable

Avant de plonger dans les calculs, il est crucial de comprendre les principaux facteurs qui affectent la solubilité :

• La nature du soluté et du solvant : La règle d’or “qui se ressemble s’assemble” est un bon point de départ. Les composés polaires ont tendance à se dissoudre dans les solvants polaires (comme l’eau), tandis que les composés non polaires se dissolvent mieux dans les solvants non polaires (comme l’hexane). Les interactions intermoléculaires (forces de Van der Waals, liaisons hydrogène, interactions dipôle-dipôle) jouent un rôle majeur dans cette affinité.

• La température : Généralement, la solubilité des solides dans les liquides augmente avec la température. Cependant, cette règle n’est pas universelle et certains solutés présentent une solubilité qui diminue avec l’augmentation de la température. Pour les gaz, la solubilité diminue généralement avec l’augmentation de la température.

• La pression : L’effet de la pression sur la solubilité est particulièrement important pour les gaz. La solubilité d’un gaz dans un liquide est directement proportionnelle à la pression partielle du gaz au-dessus du liquide (Loi de Henry). Pour les solides et les liquides, l’impact de la pression sur la solubilité est généralement négligeable.

• La présence d’autres ions (Effet d’ion commun) : La solubilité d’un composé ionique est affectée par la présence d’autres ions dans la solution. Si la solution contient un ion commun au composé, la solubilité de ce dernier diminue (Effet d’ion commun).

Exprimer la Solubilité : Différentes Unités pour Différents Besoins

La solubilité peut être exprimée de différentes manières, chacune ayant ses avantages selon le contexte :

• Grammes par litre (g/L) ou grammes par 100 mL (g/100mL): Indique la masse maximale de soluté qui peut être dissoute dans un volume donné de solvant.

• Molarité (mol/L ou M): Exprime la solubilité en termes de nombre de moles de soluté par litre de solution. C’est une unité très utilisée en chimie car elle est directement liée à la quantité de matière.

• Solubilité molaire (s): C’est une forme spécifique de molarité qui représente la concentration du cation métallique dans une solution saturée du sel. Elle est particulièrement utile pour les sels ioniques peu solubles.

• Parties par million (ppm) ou Parties par milliard (ppb): Utilisées pour exprimer de très faibles solubilités.

Calculer la Solubilité : Techniques et Exemples

Passons maintenant aux méthodes concrètes pour calculer la solubilité. Plusieurs approches sont possibles, en fonction des informations disponibles.

1. À partir du Produit de Solubilité (Kps) :

Le produit de solubilité (Kps) est une constante d’équilibre qui décrit la solubilité d’un composé ionique peu soluble. Il représente le produit des concentrations des ions présents dans une solution saturée, chacune élevée à la puissance de son coefficient stœchiométrique dans l’équation de dissolution.

Par exemple, pour le chlorure d’argent (AgCl), la dissolution est :

AgCl(s) ⇌ Ag+(aq) + Cl-(aq)

Le Kps est donc : Kps = [Ag+][Cl-]

Si on connaît le Kps, on peut calculer la solubilité molaire (s) :

• Si la stœchiométrie est 1:1 (comme AgCl) : Kps = s² => s = √(Kps)

• Si la stœchiométrie est différente, par exemple pour le fluorure de calcium (CaF2) :

  CaF2(s) ⇌ Ca²+(aq) + 2F-(aq)
  Kps = [Ca²+][F-]² = s * (2s)² = 4s³ => s = ³√(Kps/4)

Exemple concret : Calculer la solubilité molaire de l’hydroxyde de fer(II) (Fe(OH)₂) dont le Kps est de 4.87 x 10⁻¹⁷.

• Fe(OH)₂(s) ⇌ Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq)
• Kps = [Fe²⁺][OH⁻]² = s * (2s)² = 4s³
• s = ³√(Kps/4) = ³√(4.87 x 10⁻¹⁷ / 4) ≈ 2.29 x 10⁻⁶ mol/L

2. En tenant compte de l’effet d’ion commun :

La présence d’un ion commun diminue la solubilité. Il faut alors tenir compte de la concentration initiale de cet ion dans la solution.

Exemple : Calculer la solubilité du chlorure d’argent (AgCl) dans une solution de chlorure de sodium (NaCl) 0.1 M, sachant que le Kps de AgCl est de 1.8 x 10⁻¹⁰.

• AgCl(s) ⇌ Ag+(aq) + Cl-(aq)
• [Ag+] = s
• [Cl-] = s + 0.1 (car le NaCl apporte déjà 0.1 M de Cl-)
• Kps = [Ag+][Cl-] = s(s + 0.1) = 1.8 x 10⁻¹⁰

Comme le Kps est très petit, on peut supposer que s << 0.1, donc s + 0.1 ≈ 0.1

• s * 0.1 = 1.8 x 10⁻¹⁰
• s = 1.8 x 10⁻⁹ mol/L

On observe que la solubilité de AgCl est significativement plus faible dans la solution de NaCl (1.8 x 10⁻⁹ mol/L) que dans l’eau pure (√(1.8 x 10⁻¹⁰) ≈ 1.34 x 10⁻⁵ mol/L).

3. À partir de données expérimentales :

La solubilité peut également être déterminée expérimentalement en préparant une solution saturée du soluté à une température donnée et en mesurant la concentration du soluté dans la solution. Diverses techniques analytiques (titrage, spectrophotométrie, etc.) peuvent être utilisées pour cette mesure.

Conclusion : Maîtriser la Solubilité pour Mieux Comprendre le Monde Chimique

Comprendre et calculer la solubilité est un outil puissant pour prédire le comportement des solutions et optimiser les processus chimiques. En tenant compte des facteurs qui influencent la solubilité, en utilisant les bonnes unités et en appliquant les méthodes de calcul appropriées, vous serez en mesure d’anticiper et de contrôler la dissolution des substances dans divers contextes. Ce guide vous offre une base solide pour explorer davantage ce domaine fascinant et essentiel de la chimie. N’hésitez pas à explorer des exemples plus complexes et à approfondir vos connaissances avec des ressources complémentaires.