Parmi les éléments figurant à la base de l’enseignement de chimie, on retrouve déjà des choses qui sont extrêmement complexes. Sauriez-vous définir ce qu'est une solution, par exemple ? Êtes-vous capable de décrire quels sont les différents types de solutions ? En chimie, tout devient très rapidement technique et particulièrement complexe, en effet. C'est d'ailleurs ce qui fait qu'un grand nombre d'enfants wallons (et autres bien sûr !) nécessitent des cours particuliers de chimie, souvent accompagnés de physique, avant un certain stade. Mais même un grand nombre d'adultes wallons ne savent pas définir avec précision ce qu'est une solution ! Si certaines idées germent nécessairement très vite dans la tête, les adultes ont beaucoup de mal à réunir les mots exacts.
C'est un peu comme pour le tableau périodique, finalement. Nous vous proposons de remédier à ce flou concernant ce que sont les solutions en chimie. Un, deux, trois, c'est parti !
Les solutions sont partout présentes durant notre vie de tous les jours !
Sans rentrer dans des termes et explications plus techniques et farfelues que nécessaire, il convient de commencer par les bases lorsque l'on s'intéresse à la chimie. Or, même pour un passionné de chimie, revenir aux bases est parfois salutaire. En chimie, certains des éléments les plus fondamentaux car à la base d'énormément d'expériences chimiques sont les solutions.
Les solutions sont dures à définir lorsque l'on n'est pas chimistes, et pourtant elles sont partout présentes autour de nous ! La chimie, plus globalement, est partout autour de nous, mais s'il y a bien un élément de chimie dont nous faisons sans cesse l’expérience au cours de notre vie, c'est bien les solutions. On en retrouve, par exemple, dans :
- les différentes boissons que nous achetons en magasin ou que nous fabriquons, tout simplement (l'eau minérale en est un bel exemple parlant !)
- les médicaments pharmaceutiques
- les fluides organiques produits par notre corps (le sang, la salive, les larmes, la sueur, l'urine...)
Comprendre en quoi consiste une solution en chimie : quelle définition donner ?
Tout élève assistant à des cours de chimie secondaire doit maîtriser la notion de solution, car il sera très souvent amené à réfléchir et à calculer à partir de cela. Une solution est avant tout composée de deux catégories d'éléments. Nous parlons bien de catégories d'éléments et non d'éléments, car elle peut être composée de plus que deux éléments. Les deux catégories d'éléments d'une solution, n'importe laquelle, sont le soluté et le solvant. Il y a toujours un seul solvant, mais par contre, il peut arriver qu'il y ait plusieurs solutés. Ainsi, une solution ne se réduit pas toujours simplement à deux éléments, mais elle consiste toujours en deux catégories d'éléments.
La solution est dite un mélange homogène étant donné car il n'y a qu'une seule phase, et dès que le mélange est fait, on ne perçoit plus aucune distinction possible entre les deux éléments (ou plus) de la solution. Étant donné qu'une solution est composée d'un solvant et d'un (ou plusieurs) soluté(s), voyons à présent comment distinguer les deux catégories d'éléments.
Que sont le solvant et le soluté d'une solution ?
Dans une solution, le solvant est une espèce chimique utilisée en grande quantité et dans laquelle on va injecter un soluté (ou plusieurs, encore une fois). Le soluté est une espèce chimique dispersée dans un solvant. Il faut bien noter qu'un soluté est toujours l'espèce chimique la plus minoritaire de la solution, tandis que le solvant est donc l'espèce chimique majoritaire de la solution. Bien souvent, le solvant utilisé en chimie est l'eau. Le pourcentage de cas dans lesquels l'eau est le solvant est très élevé ! Mais il peut tout de même arriver qu'un solvant ne soit pas l'eau. Lorsque le solvant est l'eau, on dit que la solution est aqueuse, du terme aqua (latin) = eau. Savoir ce que sont les solutions, et comprendre leur fonctionnement par la même occasion, vous sera d'une grande utilisé pour aborder plus tard les liaisons chimiques, dans le cas où vous souhaitez réellement vous intéresser en profondeur à la chimie.
Vous l'aurez compris, le mélange des deux (solvant et soluté-s) est appelé une solution, en chimie ! L'eau est bien le solvant principalement utilisé, mais il peut également s'agir d'un autre type de solvant, tel que par exemple l’alcool ou l’ammoniaque, ou encore certains éthers et hydrocarbures. Pour comprendre encore mieux, rien de tel qu'un exemple tout bien trouvé : prenons l'exemple familier de l'eau de mer. Dans l'eau de mer, solution chimique naturelle, le solvant est constitué des molécules d'eau, tandis que les solutés sont, entre autres (il en existe des quantités !) les particules dissoutes dans le solvant que sont les ions Na+ sodium ainsi que les ions Cl- chlorure de sodium. Il existe bien plus de substances de solutés dans l'eau de mer, bien entendu ! Dans l'eau de mer, nous retrouvons également les ions suivants, en plus faible quantité :
- les ions Mg2+ (magnésium)
- les ions SO2- (dioxyde de souffre)
- les ions Ca2+ (calcium)
- les ions K- (potassium)
- les ions Br- (bromure)
- etc.
Les solutions liquides les plus vastes rencontrables sur Terre sont les océans, bien sûr. Malgré la superficie des océans de cette planète, l'eau de mer ne peut pas être directement utilisée telle quelle étant donné que les nombreux sels dissous dans l'eau de mer sont en trop grande concentration.
Nature du soluté
En chimie, au sein d'une solution, il faut savoir que le soluté peut être de deux natures : ionique (constitué d'ions, donc) ou bien moléculaire (constitué de molécules). Un exemple de soluté ionique est le sel, et un exemple de soluté moléculaire est le sucre.
Les différents types de solutions dans le monde
Sur Terre, bien que les solutions liquides (et notamment aqueuses) soient très majoritaires, il existe deux autres types de solutions : solides et gazeuses. Un exemple de solutions solides concerne les alliages de métaux, ou encore les solutions solides de non-métaux (silicium contenant par exemple du phosphore, cette solution étant l'un des matériaux de base utilisés dans l'industrie de l'électronique). Un autre exemple de solutions solides concerne tout alliage, un alliage étant une solution solide métallique contenant deux types d'éléments (dont un au moins est métallique) au minimum. Ainsi, l'or blanc est un alliage entre 75% d'or "jaune" et 25% de nickel. Les solutions sont un élément-clé pour aborder les réactions acido-basiques, par exemple, l'un des autres éléments incontournables en chimie.
Les solutions gazeuses peuvent également être rencontrées sur Terre : l'une des plus connues est l'air. Dans l'air, le solvant est l'azote gazeux, représentant environ 78% de la composition totale de l'air. Les différents solutés présents sont, entre autres : l'oxygène, l'argon, le gaz carbonique (notre fameux dioxyde de carbone), la vapeur d'eau... Ces différents gaz représentent environ 22% de la composition de l'air, donc, et c'est l'oxygène (21% environ) qui y est majoritaire.
Solutions obtenues par dissolution
Une solution obtenue par dissolution, en chimie, consiste à avoir dispersé un solide dans un solvant, par exemple l'eau. C'est notamment le cas du sucre : le solide et donc le soluté, ici le sucre, a été dissous dans un solvant, l'eau, créant une solution aqueuse mélangée au sein de laquelle le sucre s'est dissous. Pour une solution obtenue par dissolution, il s'agit bien toujours d'un soluté solide dispersé dans un solvant liquide.
Les solides se dissolvent dans l'eau parce que les molécules ou les ions sont irrémédiablement attirés par les molécules d'eau, et se séparent donc. En chimie, la raison pour laquelle les solutions liquides sont les plus exécutées par les chimistes est que les molécules et les ions des substances solides sont plus mobiles une fois en solution liquide plutôt qu'à leur état initial solide. Ainsi, ces ions sont capables de réagir de manière beaucoup plus rapide les uns avec les autres.
Solutions obtenues par dilution
Les solutions peuvent également être obtenues par le biais de ce que l'on appelle, en bases de chimie, le procédé de dilution. Ceci consiste à ajouter un solvant à une solution déjà existante, ce dans le but de réduire la concentration du soluté présent. Voici un exemple : on ajoute de l'eau dans une solution contenant du sirop en petite quantité.
Sans l'eau rajoutée, le soluté, à savoir le sirop, est majoritaire et n'a pas le même goût : en y ajoutant de l'eau en plus grande quantité, la tendance s'inverse, car l'eau devient majoritaire, et le solvant est donc l'eau, ayant diminué la concentration du sirop sans en avoir changé la masse volumique.
La solubilité d'une solution : sa concentration maximale
En chimie, la notion de solubilité est fondamentale. Il s'agit en quelque sorte de la concentration molaire (en mol/L) d'une substance lorsqu'elle est saturée. Une solution est dite saturée dès lors que la quantité de solvant n'est plus capable de dissoudre l'ensemble du soluté. Ainsi, si l'on rajoute une petite quantité de sucre dans le solvant qu'est l'eau, le sucre se dissout. Mais il arrête de se dissoudre aussi rapidement et efficacement dès lors que l'on a atteint la limite de dissolution du soluté : dans ce cas, le solvant n'arrive plus à dissoudre plus et le reste de soluté demeure solide.
Comment reconnaître la solubilité d'un soluté avant expérience ?
La solubilité d'une substance dans un certain solvant dépend d'un certain nombre de facteurs :
- nature du solvant (toutes substances)
- température (tous types de substances, même gazeuses)
- pression partielle (substances gazeuses seulement)
Sans rentrer dans des détails plus amples et techniques, il faut savoir qu'en examinant convenablement les propriétés des particules du solvant et du soluté, on est capable de déterminer les différences d'interaction entre ces particules, à l'avance donc. Pour ceci, l'étape à franchir est de séparer les particules du solvant pour briser l'interaction entre ces particules, et d'y insérer les particules du soluté. Ceci permet d'espacer les particules du solvant afin d'y laisser entrer les particules du soluté (qui doivent également avoir été espacées au préalable avant l'opération). Pourquoi ne pas vous mettre à la chimie organique, tant que vous y êtes, si bien parti(e) ? Les nouvelles interactions observées permettent d'en déduire la solubilité du soluté utilisé. Il est très important, essentiel même, de garder la température aussi constante que possible durant toute l'opération chimique.
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