Chapitre 1 Molécules d'eau - Secondaire - De Boeck

Extrait de Chimie 5e - 6e, P. Pirson, A. Bribosia, C. Martin, A. Tadino, De Boeck & Larcier, 2004
Chapitre 1
Molécules d’eau :
molécules incontournables
•
A. SOLUBILITÉ DES COMPOSÉS DANS L’EAU
1. Mise en situation
Tâche
2. Appropriation du concept : solubilité des composés dans l’eau
3. Expression de la solubilité
B. MODÈLES DE SOLUTIONS AQUEUSES
1. Mise en situation
Tâche
2. Appropriation des concepts : électrolytes et non-électrolytes
3. Modèles de solutions aqueuses
4. Écriture des équations de dissociation et d’ionisation
C. MISE EN ÉVIDENCE D’IONS EN SOLUTION AQUEUSE
ET RÉACTION DE PRÉCIPITATION
1. Mise en situation
Tâche
2. Appropriation du concept : réaction de précipitation
3. Écriture des équations traduisant des réactions de précipitation
4. Mise en évidence d’ions dans une eau de distribution
D. ACTIVITÉS D’APPROPRIATION
E. RESSOURCES À INTÉGRER
Pour en savoir plus… Eau de distribution, eau de source et eaux minérales
naturelles : comment s’y retrouver ?
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Danse folle
Belle farandole
Univers explosé
Éléments surchauffés.
Voici qu’apparaît H.
Sa nature généreuse
Aux liaisons dangereuses
L’incite. Ce n’est pas un lâche.
Approche, ami de l’homme !
Tel un fidèle majordome,
Tu orchestres ma respiration.
Molécule
Oxygène, voici l’inspiration.
Quel couple merveilleux
Lorsque, chagrin des cieux,
Vous purifiez le monde entier.
O H ! s’exclamait Lavoisier,
Ignorant la bigamie
De l’élément laxiste.
Un coquin de chimiste,
Défiant la loi établie,
Osa te nommer H deux O
Puisque de toi il s’agit, Eau !
VANEL 1992
L’eau, dont la formule H 2 O n’a été établie qu’en 1805 par Gay-Lussac 1 et von Humboldt 2 , est très
abondante sur Terre : elle recouvre environ 80 % de la surface du globe. Elle est aussi le principal
constituant des organismes vivants : l’eau représente à peu près 60 % de la masse d’un être
humain.
L’eau est le meilleur solvant pour bon nombre de composés, formant ainsi des solutions aqueuses.
Ainsi, par exemple, dans l’organisme :
●
des médicaments doivent être absorbés en solution aqueuse afin que leur action soit efficace
et rapide (sirops, perfusions, gouttes nasales, injections,…) ;
1. Louis-Joseph Gay-Lussac (1778-1850), physicien et chimiste français.
2. Alexander von Humboldt (1769-1859), naturaliste allemand.
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●
la sève et le sang sont en partie des solutions aqueuses de composés minéraux et organiques
qui sont transportés au sein de tout le végétal ou de l’organisme.
Ainsi, par exemple, dans l’industrie :
● le sel de cuisine (NaCl), le sucre de table (saccharose C 12 H 22 O 11 ), …, sont obtenus par cristallisation
de leurs solutions aqueuses ;
● le cuivre et d’autres métaux sont fabriqués par électrolyse de solutions aqueuses de leurs
sels ;
● l’eau de Javel, le vinaigre, l’acide utilisé dans les accumulateurs au plomb (batteries), …, sont
respectivement des solutions aqueuses de NaClO, CH 3 COOH, H 2 SO 4 .
L’eau est également utilisée en tant que réactif, aussi bien dans la nature (photosynthèse, hydrolyse
de l’amidon et des protéines lors de la digestion, …) que dans l’industrie (fabrication des
savons, formation de dihydrogène par électrolyse de l’eau, …).
Dans ce chapitre, nous allons, au travers de situations telles que :
● la problématique des marées noires ;
● les risques d’électrocution en milieu humide ;
● la recherche d’ions dans une eau de distribution ;
répondre aux questions suivantes :
● comment expliquer que certains composés sont solubles dans l’eau et d’autres pas ?
● comment expliquer que toutes les solutions ne sont pas conductrices de l’électricité ?
● comment déterminer la présence de composés dissous dans l’eau ?
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A. Solubilité des composés
dans l’eau
1. MISE EN SITUATION
Les naufrages de pétroliers émaillent régulièrement l’actualité.
Une de leurs conséquences est l’apparition de marées noires,
comme le signale le bulletin d’information ci-joint.
Cela résulte du fait que le pétrole ne se dissout quasiment pas
dans l’eau de mer.
Afin de répondre à la question « Comment expliquer que certains
composés sont solubles dans l’eau et d’autres pas ? », une série
d’expériences permettra de déterminer des critères de dissolution
pouvant s’appliquer à un maximum de composés.
Naufrage du pétrolier
Prestige
Jeudi 5 décembre 2002
… Des nappes de fioul lourd qui s’est
échappé de l’épave du pétrolier forment
une marée noire qui touche les côtes espagnoles.
Des mesures sont prises au cas où
cette marée noire risquerait d’atteindre les
côtes françaises.
AFP
TÂCHE
Rechercher quels types de composés sont solubles ou non solubles dans l’eau (C.G.1)
Matériel
● 5 tubes à essais
● Matériel pour la production de HCl (g)
Réactifs
● Eau distillée ou déminéralisée à température ambiante
● NaCl (s) ; I 2 (s) ; C 8 H 18 (essence) ; HCl (g) ; NaOH (s) ; C 6 H 5 – CH = CH 2 (styrène)
Mode opératoire
● Placer 10 mL d’eau déminéralisée, dans chaque
tube à essais.
● Ajouter respectivement, dans chaque tube à essais,
2 mL de chacun des composés liquides ou 0,5 g des
composés solides.
● Agiter si nécessaire et observer s’il y a dissolution
ou non.
● Production de HCl (g) (par le professeur) : préparer
le montage ci-contre et réaliser l’expérience (sous
hotte) :
– Introduire 5 grammes de NaCl dans le ballon.
H 2
SO 4
HCl
NaCl
HCl
HCl
H 2
O
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●
– Par l’entonnoir, verser 30 mL de H 2 SO 4 concentré et chauffer modérément.
– Le gaz HCl est recueilli dans un flacon par déplacement d’air.
– Le gaz en excès est conduit dans l’eau d’un berlin.
Observer s’il y a dissolution ou non.
Tableau des observations
Réaliser un tableau dans lequel les composés seront classés en composés solubles ou non
solubles dans l’eau.
Interprétation des observations
Rechercher, à partir des formules de structure des composés, des hypothèses permettant
de justifier les différences de solubilité.
2. APPROPRIATION DU CONCEPT :
SOLUBILITÉ DES COMPOSÉS DANS L’EAU
Nous savons que :
●
une dissolution est un phénomène au cours duquel un composé (le soluté) se dissout dans
un liquide (le solvant) ;
● le soluté est le composé qui se dissout (sel de cuisine, savon, sels de bain, …) ;
● le solvant est le composé qui dissout (eau dans le cas d’une boisson, d’un bain) ;
Une solution est un mélange homogène formé par un soluté dissous dans un solvant et, si le solvant
est de l’eau, il s’agit d’une solution aqueuse.
Nous avons remarqué, lors de la réalisation de la tâche, que les composés ne sont pas tous solubles
dans l’eau.
Voici la classification normalement obtenue :
composés solubles
NaCl ; NaOH ; HCl
composés non solubles
diiode ; styrène ; essence
2.1 Interprétation
●
En 4 e , il a été montré que la molécule d’eau est polaire car
– elle possède des liaisons covalentes polarisées ;
– la résultante des charges partielles positives ne coïncide
pas avec la résultante des charges partielles négatives.
De ce fait, la molécule possède deux pôles distincts :
H 2 O est une molécule polaire.
H
2 δ –
2 δ + H
ou plus
simplement
–
+
dipôle
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●
Si on analyse les formules de structure des composés solubles dans l’eau,
Na + Cl – Na + OH – H δ+ Cl δ– Le chlorure de sodium NaCl, est extrait
●
on constate que ceux-ci possèdent :
– soit des liaisons ioniques, comme dans NaCl ou NaOH.
Ces composés renferment donc des charges positives et
négatives (Na + et Cl – ou Na + et OH – ) : ce sont des composés
ioniques ;
– soit des liaisons covalentes polarisées comme dans
HCl (g) : la résultante des charges partielles positives ne
coïncide pas avec la résultante des charges partielles
négatives : ce sont des molécules polaires.
Si on analyse les formules de structure des composés non
solubles dans l’eau,
dans des mines ou des salines ou par évaporation
de l’eau de mer.
Il sert de condiment (à consommer avec
modération), est présent dans les sels de
bain, est utilisé dans les adoucisseurs
d’eau, facilite le déneigement, …
Diiode
I
I
Styrène
CH = CH 2
C 6 H 5
Octane (hydrocarbure présent
dans le pétrole et l’essence)
H H H H H H H
H C C C C
H
H C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
on constate qu’ils sont constitués de molécules ayant une
large prédominance de liens covalents parfaits (entre I et I
dans le diiode ou entre C — C et C — H dans le styrène et
dans l’octane) et aucun pôle positif ou négatif n’apparaît
donc dans ces molécules.
Il s’agit de molécules non polaires.
En conclusion, on peut interpréter la solubilité dans l’eau par
le fait qu’une attraction existe entre les pôles positifs et négatifs
de l’eau et :
●
●
les charges – et + des ions des composés à liaisons
ioniques ;
les pôles négatifs et positifs des molécules des composés
covalents à liaisons polarisées, à condition que la résultante
des charges partielles positives ne coïncide pas avec la
résultante des charges partielles négatives.
Ces ions ou molécules forment avec l’eau une solution aqueuse.
L’iode est présent sous forme d’iodures
dans l’eau de mer, dans des algues marines.
Il est utilisé dans les lampes à iode (pour
augmenter leur longévité), comme désinfectant
dans la teinture d’iode.
Ses sels sont utilisés pour le traitement de
la glande thyroïde, en photographie, dans
la fabrication du pain iodé,…
Par contre, les molécules non polaires ne sont quasiment pas attirées par les molécules d’eau : elles
sont donc très peu solubles dans l’eau.
En termes de solubilité, on peut dire : « En général, ce qui se ressemble s’assemble ».
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Solvant
Soluté
Ionique
ou
polaire
Non polaire
polaire
SOLUBLE
TRÈS PEU SOLUBLE
2.2 Le phénomène de formation des marées noires
Ayant acquis le concept de « solubilité des substances dans l’eau », nous pouvons maintenant rendre
compte du phénomène de formation des marées noires.
Le pétrole, composé d’un ensemble de molécules d’hydrocarbures non polaires de la même famille
que l’octane, a un comportement globalement non polaire et se dissout très peu dans l’eau, contrairement
à des sels tels que NaCl et KCl (composés ioniques).
Puisque la masse volumique du pétrole (0,993 g.mL –1 pour celui du pétrolier Prestige) est légèrement
inférieure à celle de l’eau, la plus grande partie du pétrole flotte à la surface de l’eau : ceci
explique la formation des nappes de pétrole lors du naufrage d’un pétrolier et leur dérive possible
vers les côtes sous l’influence des marées et des vents dominants.
Les moyens de lutte contre une marée noire sont mécaniques (installation de barrages flottants,
nettoyage des plages, …), chimiques (usage de détergents) ou biologiques (utilisation de bactéries
« mangeuses » d’hydrocarbures) mais n’évitent pas une destruction partielle de la flore et de la
faune du milieu marin.
Étant donné qu’il vaut mieux prévenir que guérir, il serait indispensable que les conditions de
transport du pétrole soient mieux sécurisées (généralisation des pétroliers à double coque, routes
de navigation moins encombrées) et respectées (inspection régulière des bateaux et dégazage
aux endroits prévus).
Ainsi, des accidents à répétition tels ceux du Prestige en 2002, de l’Erika en 1999, de l’Exxon Valdez
en 1989, …, ne seraient plus à craindre.
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3. EXPRESSION DE LA SOLUBILITÉ
La solubilité molaire est le nombre maximum de moles de soluté dissous dans un litre de solution
à une température donnée. On la note « s » et son unité est « mol.L –1 ».
La solubilité massique est le nombre maximal de grammes de soluté dissous dans un litre de
solution à une température donnée. On la note « s » et son unité est « g.L –1 ».
Lorsque la valeur de la solubilité est atteinte dans une solution, on ne peut plus dissoudre de soluté
dans cette solution : la solution est saturée. Si on continue à ajouter du soluté à une solution
saturée, celui-ci ne se dissout plus et un dépôt apparaît dans le cas d’un soluté solide.
Le tableau suivant montre que la solubilité dans l’eau, à 20 °C, varie fortement d’un composé à
l’autre :
composé solubilité (mol.L –1 ) solubilité (g.L –1 )
CaCO 3 9,5.10 –5 0,01
NaCl 6,0 350
NaOH 10,5 420
C 12 H 22 O 11 3,9 1334
La solubilité variant fortement d’un composé à l’autre, par convention, sont considérés comme :
● solubles, les composés dont la solubilité est supérieure à 0,1 mole par litre de solution ;
●
peu solubles, les composés dont la solubilité est inférieure à 0,1 mole par litre de solution. Le
terme « insoluble » est souvent utilisé pour désigner ces composés.
En se basant sur la convention précédente, un tableau qualitatif des composés solubles et peu solubles
(appelés aussi « insolubles ») dans l’eau a été établi. En voici un extrait :
Anions
Nitrate
Chlorure
Sulfure
Sulfate
Cations
–
NO 3
Cl –
S 2–
2–
SO 4
Na + K + Ca 2+ Fe 2+ Ag + Pb 2+
soluble
peu soluble (insoluble)
n’existe pas ou
se décompose dans l’eau
La lecture de ce tableau montre que :
● NaCl, CaCl 2 , Pb(NO 3 ) 2 sont des composés solubles ;
● AgCl, CaSO 4 , PbS sont des composés peu solubles.
Un tableau plus complet est donné en annexe, p. 256.
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Exercices
●
●
●
Calculer et exprimer en g.L –1 et en mol.L –1 la solubilité des composés suivants
et déterminer s’ils sont solubles ou peu solubles, en se basant sur la convention
établie au point 3 :
– PbCl 2 si 1,2 g sont dissous dans 250 mL de solution saturée ;
– CaCl 2 si 372,5 g sont dissous dans 500 mL de solution saturée ;
– AgCl si 3,9.10 –4 g sont dissous dans 200 mL de solution saturée.
Calculer la masse de chlorure de potassium que contient 1 litre de solution
saturée, sachant que la solubilité de ce composé est 4,66 mol.L –1 .
Calculer la masse de carbonate de calcium que
contiennent 250 mL de solution saturée, sachant
que la solubilité de ce composé est 9,5. 10 –5
mol.L –1 .
Couche de calcaire
Le carbonate de calcium CaCO 3 , appelé
calcaire, est présent dans la craie et le
marbre, dans les coquilles d’œufs et de
coquillages.
Il est transformé en chaux vive, CaO, par
chauffage.
On l’utilise pour la fabrication de ciments
(combiné à de la silice et de l’alumine
d’où le terme aluminosilicate de calcium).
Ajouté au papier, il confère à ce dernier un
éclat plus blanc et un toucher plus lisse.
Le calcaire est, entre autres, responsable
de l’entartrage des tuyaux où circule une
eau dure qui a été chauffée.
●
Lire l’article ci-dessous et vérifier si les renseignements de l’article sont conformes
à la convention concernant les substances solubles ou peu solubles :
« Le sulfate de baryum est un produit de contraste utilisé lors d’examens
radiographiques des tissus mous du tube digestif.
Il se présente sous la forme d’une poudre blanche cristalline
peu soluble dans l’eau. La solubilité du sulfate de baryum est de
2,4.10 –4 g dans 100 mL de solution aqueuse.
En radiologie, le sulfate de baryum est utilisé sous la forme d’une
suspension aqueuse appelée baryte. C’est un produit qui n’est ni
digéré, ni absorbé. La seule contre-indication à l’utilisation de la
baryte est la présence préalable d’une perforation du tube digestif :
au contact des tissus, le sulfate de baryum entraîne une réaction
inflammatoire. »
Radiographie
de l’intestin
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B. Modèle de solutions aqueuses
1. MISE EN SITUATION
Nous venons d’étudier la solubilité des composés dans l’eau et nous savons maintenant que certains
composés sont solubles dans l’eau et forment des solutions aqueuses.
L’eau de distribution est l’une de ces solutions aqueuses. Or, cette eau est conductrice du courant
électrique, puisqu’on peut s’électrocuter si, en prenant un bain, un appareil électrique branché
tombe dans l’eau.
Il serait donc intéressant de savoir sous quelle forme les différents composés dissous sont présents
au sein de ces solutions aqueuses. Pour ce faire, nous allons mesurer la conductivité électrique
de l’eau distillée et de quelques solutions aqueuses afin d’établir un modèle des solutions
aqueuses.
TÂCHE
Mesurer la conductivité électrique de solutions aqueuses en vue de les classer
en solutions conductrices et non conductrices (C.G.1,3)
Appareillage
● La conductivité électrique des solutions se mesure à l’aide
d’un appareil appelé conductimètre qui détermine la capacité
d’une solution à conduire le courant. La conductivité est
généralement exprimée en microsiemens par cm (µS.cm –1 ).
● Si on ne possède pas de conductimètre, on peut employer le
montage ci-après en veillant à conserver constantes la différence
de potentiel et la distance entre les électrodes. Ce
montage permet de mesurer l’intensité du courant passant
dans la solution, nous donnant ainsi une idée de la conductivité
de cette solution. L’intensité du courant sera mesurée
en ampères (A) : plus sa valeur est élevée, plus la solution
est conductrice.
Matériel
● Berlin de 100 mL
● Cylindres gradués de 50 mL
● Appareil pour déterminer la conductivité (conductimètre ou ampèremètre)
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Réactifs
●
●
●
●
Eau déminéralisée fraîchement bouillie
Eau de distribution
Eau minérale
Solutions aqueuses environ 1 mol.L –1 de : NaCl, HCl, NaOH,
C 12 H 22 O 11 (sucre), CH 3 OH(méthanol), CH 3 COCH 3 (acétone),
CH 3 COOH (acide acétique)
Mode opératoire
●
●
Plonger les électrodes propres dans 50 mL d’eau distillée contenue
dans un berlin et mesurer la conductivité de la solution
électrodes
ou l’intensité du courant.
Faire de même avec les différentes solutions en ayant soin, entre chaque expérience,
de rincer les électrodes à l’eau distillée.
Tableau des observations
A
V
5 V
Échantillon
testé
Conductivité (µ S.cm –1 )
ou intensité (A)
Échantillon
testé
Conductivité (µ S.cm –1 )
ou intensité (A)
Eau distillée
HCl
Eau de distribution
NaOH
Eau minérale
sucre
NaCl
méthanol
Acide acétique
acétone
Analyse des résultats
1. Classer les solutions aqueuses en solutions conductrices ou non conductrices.
2. Après lecture de l’article ci-dessous, expliquer pourquoi certains composés dissous
dans l’eau rendent conductrice la solution obtenue.
« Svante Arrhénius, savant suédois, est né à Wyk-Uppsala le 19 février 1859.
En 1882, il s’intéressa à la conductivité de solutions diluées et publia ses premiers résultats
dans deux articles rédigés en français sous le titre : « Recherches sur la conductibilité
galvanique des électrolytes ».
Dans sa brillante théorie, Arrhénius admettait que les composés dissous étaient susceptibles
d’exister en solution diluée sous deux formes, l’une dissociée en ions responsables de
la conductivité électrique, l’autre non dissociée et donc sous une forme moléculaire. Cette
formation d’ions se heurta au scepticisme de nombreux scientifiques, tant parmi les chimistes
que parmi les physiciens, qui avaient des difficultés à admettre que les propriétés
du sodium et du chlore, par exemple, étaient très différentes de celles des ions provenant
de la dissociation du chlorure de sodium dissous dans l’eau.
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