L'eau un élément de base

Découverte de l'eau

L'eau peut se trouver sous ses 3 états à la surface de la Terre. En effet, elle est liquide dans nos rivières et lorsqu'on la boit, gazeuse dans l'air que nous respirons et dans la vapeur d'eau et pour finir solide sur les glaciers ou dans les glaçons.

L'eau gazeuse

La majorité de l'eau gazeuse est celle que nous respirons dans l'air. A pression normale de 1 bar et une fois passé la barre des 100° C, l'eau devient gazeuse et l'on parle alors de vapeur d'eau. C'est aussi l'état de l'eau qui s'évapore (au dessus des lacs, rivières ou océans). Les molécules d'eau sont dans leur état le plus agité lorsqu'elles sont gazeuses. L'attraction terrestre s'exerce alors moins dessus et permet au gaz de expanser.

L'eau liquide

On peut trouver de l'eau liquides dans les conditions climatiques habituelles de nos environnements de vie. En effet, sous pression atmosphérique normale de 1 bar et entre 0° C et 100° C, l'eau prend sa forme liquide. Elle adopte alors uns structure plus désordonnée et prends moins de place. C'est pourquoi l'eau gelée occupe plus de place que l'eau liquide.

L'eau solide

L'eau atteint son état solide lorsque la température atteint ou descend les 0° C. Les molécules adoptent donc une structure cristalline.

Définition d'une solution

Une solution est un mélange homogène obtenu en dissolvant une ou plusieurs espèces chimiques appelées les solutés, dans un liquide que l'on appelle le solvant. Vocabulaire :

  • Le soluté est une espèce chimique pouvant se présenter sous forme liquide, gazeuse ou solide.
  • Le solvant est un liquide dans lequel le soluté va se dissoudre.

Au cours de la dissolution, le soluté va se disperser progressivement dans le solvant jusqu'à ce que l'ensemble forme un mélange homogène que l'on appelle la solution. Concrètement, deux phases se sont mélangées. Lorsque le soluté n'est plus visible à l’œil nu, il s'est complètement dissout dans le solvant : il ne reste alors qu'une unique phase. Le choix du solvant dépend fortement du soluté avec lequel il va être mélangé. Plus la dissolution est importante, meilleur est le solvant. A noter que la dissolution peut se faire naturellement, mais il faut aussi parfois aider et accélérer cette dissolution en chauffant le mélange ou bien en l'agitant.

  • Par exemple, le sucre (= soluté solide) et l'eau (= solvant) forment un bon couple soluté/solvant car leur mélange forme une unique phase.
  • En revanche, l'huile (= soluté liquide) et l'eau (= solvant) (cf photo ci-dessous) ou encore le sable (= soluté solide) et l'eau (= solvant) ne forment pas de bons couples soluté/solvant puisque dans chaque cas, les deux phases ne se mélangent pas.

On parle alors de mélanges non homogènes.

Que pensez-vous de cette solution aqueuse ?
Exemple du mélange de l'huile (= soluté) dans l'eau (= solvant)

Sur la photo ci-dessus qui représente des gouttelettes d'huile dans de l'eau, on peut clairement observer que l'huile ne se mélange pas du tout avec l'eau. La solution forme dans le cas présent un mélange non homogène. Remarque : dans le cas de deux liquides en solution, le solvant est toujours le liquide présent en plus grande quantité, tandis que le soluté est le liquide minoritaire.

 

Définition d'une solution aqueuse

Ainsi, compte-tenu des éléments définis plus haut, une solution aqueuse est tout simplement une solution dans laquelle un ou plusieurs solutés (sous forme solide, liquide ou gazeuse) sont dissous dans de l'eau (= le solvant) pour former un mélange homogène.

Cette solution aqueuse forme-t-elle un mélange homogène ?
Exemple de solution aqueuse formant un mélange homogène

Remarque : l'eau est le solvant qui permet de former des solutions aqueuses. Cependant, il existe de nombreux autres solvants. Par exemple, en utilisant de l'alcool comme solvant, on obtient alors une solution alcoolique.

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Quelques exemples de solutions aqueuses

  • L'eau sucrée est une solution aqueuse dont le solvant est l'eau et le soluté est le sucre
  • L'eau salée est une solution aqueuse dont le solvant est l'eau et le soluté est le sel
  • L'eau minérale est une solution aqueuse dont le solvant est l'eau et les solutés sont les sels minéraux (les ions calcium, potassium, magnésium etc.)
  • La limonade est une solution aqueuse dont le solvant est l'eau et les principaux solutés sont le sucre, l'acide citrique et de dioxyde de carbone.

Les solutions aqueuses ioniques et moléculaires

En fonction de la nature du soluté, on peut parler de solution aqueuse ionique ou de solution aqueuse moléculaire.

Une transformation chimique est la transformation d'espèces chimiques appelées réactifs en d'autres espèces chimiques appelées produits. Cette transformation s'opère par un réarrangement des éléments chimiques. Les entités entrantes en réaction ( réactifs ) vont se casser par rupture de certaines liaisons et libérer des éléments chimiques ou groupes d'élément chimiques. Ces éléments ou groupes vont se combiner entre eux en formant de nouvelles liaisons donc de nouvelles espèces chimiques appelées produits. On peut dés lors écrire un schéma globale d'une transformation chimique : Attention ! Un changement d'état n'est pas une transformation chimique mais une transformation physique. Lors d'une réaction chimique, l'énergie a pour habitude de diminuer. En effet, la réaction et donc l'accrochage des atomes entre eux consomme de l'énergie. L'énergie consommée par les atomes s'appelle l'énergie de liaison. Cette énergie est créée lorsque deux atomes se combinent. Ils la libèrent alors. Pour que la réaction puisse avoir lieu, il faut que l'énergie au moment où les liaisons sont cassées et que les nouvelles ne sont pas encore créées ne soit pas trop importante. Cette barrière énergétique s'appelle l'énergie d'activation. Dans le cadre d'une réaction chimique à température et pression constantes, on peut mesurer l'énergie au sein de la réaction grâce à une fonction. Celle-ci s'appelle l'enthalpie et se note H.

Définition des ions

Un ion est un atome, qui à perdu ou gagné un ou plusieurs électrons (au maximum 3). Exemple, le lithium (Li) perd un électron il devient l'ion de lithium (Li+). Un autre exemple, le fluor (F) gagne un électron, il devient l'ion de fluor (F- ). Si un atome perd 2 électrons, imaginons que cette atome soit l'hydrogène (H), il devient l'ion d'hydrogène (H+2).

Un atome (ou groupe d'atomes) qui perd un ou plusieurs électrons devient une espèce chimiquement chargée appelée ion. La charge du noyau reste inchangée.

Un ion négatif est un atome (ou groupe d'atome) qui à gagné un ou plusieurs électrons. On l'appelle anion.

Un ion positif est un atome (ou groupe d'atome) qui à perdu un ou plusieurs électrons. On l'appelle cation.

Les cristaux ioniques sont constitués d'anions et de cations tenus entre eux par l'attraction électrique. Cette attraction est responsable de la structure géométrique qu'adoptent les ions pour former un cristal. Un ion positif va s'entourer d'ions négatifs et réciproquement et de la même manière que les atomes ou molécules forment les solides, les ions forment les cristaux.

Exemple : Dans un cristal de chlorure de sodium NaCl, les ions adoptent une structure cubique où un anion est entouré de 6 cations. Un cristal ionique est toujours électriquement neutre donc il y a autant de charges positives que négatives. Par conséquent, certains cristaux possèdent plus d'anions et de cations (ou inversement).

Les ions étant jointifs, la distance qui les sépare correspond à la distance entre leur centre. La cohésion du cristal est due à l'interaction coulombienne qui correspond à la force qui lie deux ions. La valeur de cette force peut paraître faible mais elle est bien plus importante par rapport au poids de l'ion. A cette échelle, c'est la force électrique qui domine. La température de fusion des solides ioniques est assez élevée (801 °C) pour le sel, ce qui veut dire que les liaisons entre ions sont très solides.

Les solutions aqueuses ioniques

Définition : une solution aqueuse est dite "ionique" si les espèces chimiques qui se dissolvent dans l'eau (= le solvant) sont des ions. Ces ions peuvent provenir directement du soluté, ou alors peuvent aussi être issus de la réaction du soluté avec l'eau. Lors de la dissolution, les molécules d'eau vont séparer les cations (= ions positifs) et les anions (= ions négatifs) se trouvant dans le soluté ionique. Ces derniers vont alors progressivement se disperser parmi les molécules d'eau jusqu'à ce que la solution forme un mélange homogène. Par exemple, le mélange entre le sel et l'eau est une solution aqueuse ionique. En effet, le sel, chimiquement désigné par le nom Chlorure de sodium (NaCl), est composé d'ions Na+ et d'ions Cl-. Une fois mis en solution dans l'eau, ces ions Na+ et Cl- vont se disperser dans l'eau. Schématiquement, l'équation bilan de la dissolution du Chlorure de sodium dans l'eau s'écrira de la façon suivante :

    \[ Na Cl (s) \rightarrow Na + (aq)  +  Cl - (aq) \]

 où "s" signifie solide et "aq" signifie aqueux, mettant en évidence que les ions Na+ et Cl- se trouvent désormais dans l'eau. Une solution aqueuse ionique est toujours électriquement neutre. Cela signifie que les charges positives des cations vont s'équilibrer avec les charges négatives des anions pour donner un bilan électriquement neutre. Si l'on reprend l'exemple de la dissolution du Chlorure de sodium, on constate que l'ion Na+ porte une charge positive tandis que l'ion Cl- porte une charge négative. Cela nous donne alors une charge positive et une charge négative : la charge globale est donc nulle et la solution est électriquement neutre. A noter que les solutions aqueuses ioniques conduisent le courant puisque les ions sont porteurs de charges.

Les solutions aqueuses moléculaires

Définition : une solution aqueuse est dite "moléculaire" si les espèces chimiques qui se dissolvent dans l'eau (= le solvant) sont des molécules. Schématiquement, au cours de la dissolution, les molécules du soluté vont petit à petit se disperser dans le solvant jusqu'à ce que la solution devienne complètement homogène. Par exemple, le mélange entre le sucre et l'eau cité plus haut est une solution aqueuse moléculaire, le sucre étant composé de molécules. Tout comme les solutions aqueuses ioniques, les solutions aqueuses moléculaires sont également électriquement neutres. En effet, les molécules de soluté ainsi que les molécules d'eau sont neutres car elles ne sont pas porteuses de charges. Le mélange est donc électriquement neutre. A noter que les solutions aqueuses moléculaires, en l'absence d'ions, ne conduisent pas le courant.

L'électrolyse d'une solution aqueuse

C'est en 1800 que la toute première électrolyse a été réalisée par deux chimistes originaires de Londres, William Nicholson et Sir Anthony Carlisle. Ils réalisent une électrolyse de l'eau.

Comment faire une électrolyse ?
Les bains à électrolyse peuvent avoir plusieurs utilités domestiques. On peut par exemple s'en servir pour nettoyer des bijoux ou encore dérouiller du fer oxydé.

L'électrolyse met en jeu deux couples rédox. Il les fait réagir dan le sens contraire de la réaction naturelle au moyen d'un courant électrique qui apporte l'énergie nécessaire à la réaction.

Un électrolyseur est un dispositif consistant en une récipient contenant une solution ionique dans la quelle plongent deux électrodes.

Une électrolyse est une opération chimique dont le but est de décomposer différentes matières. Par exemple, lorsqu'une solution contient une matière, on va y ajouter un solvant afin que ses ions soit décomposables. On plonge alors ce mélange dans un bain auquel sont intégrés une anode et une cathode, faisant alors passer un courant dans le bain.

Les électrodes se polarisent dès que le courant passe :

  • L'anode est l'électrode par laquelle le courant arrive dans le système. Les électrons en sortent donc. Il y a oxydation du réducteur. Elle est reliée au pôle + du générateur.
  • La cathode est l'électrode par laquelle sort le courant c'est à dire par laquelle entrent les électrons. Il s'y produit. Elle est reliée au pôle - du générateur.

Contrairement aux piles vues dans le chapitre sur le potentiel standard, le dispositif d'électrolyse n'est pas polarisé par les couples rédox mais bien par le générateur branché à ses bornes.

L'électrolyte est le milieu conducteur, la solution ionique dans laquelle baignent les anions et les cations.

Les anions de l'électrolyte migrent vers l'électrode reliée au pôle + ( l'anode) et y subissent parfois une réaction d'oxydation.
Les cations de l'électrolyte migrent vers l'électrode reliée au pôle - ( c'est à dire la cathode)où ils peuvent subir une réduction.

Il peut enfin y avoir éventuellement oxydation ou réduction de l'eau (voir ci-dessous les couples rédox de l'eau).

Les participants potentiels aux échanges électroniques sont donc :

  • Les ions positifs ou négatifs du bain électrolytique ;
  • Les molécules du solvant ;
  • Les matériaux constituant les électrodes.

L'électron est donc l'un des composants de l'atome au même titre que les neutrons et protons. C'est une particule élémentaire que l'on note petit e et dont la charge élémentaire est de signe négatif. Ils s'organisent autour du noyau de l'atome dans ce que l'on appelle un nuage électronique.

Les électrons et leurs propriétés ont aidé à la compréhension d'une multitude de phénomènes physiques, notamment en termes de conductivité.

Saturation de la solution aqueuse

Dans la solution, l'eau est présente en quantité limitée. Ainsi, au fur et à mesure de l'avancement de la dissolution, la dispersion du soluté dans l'eau devient de plus en plus difficile, jusqu'à ce qu'elle devienne impossible. On dit alors que la solution est saturée. Si l'on ajoute à nouveau du soluté à partir du moment où la solution est saturée, celui-ci ne pourra pas se dissoudre dans l'eau et la solution deviendra alors non homogène.

Préparation d'une solution aqueuse

Il existe deux principaux modes de préparation d'une solution aqueuse : la préparation par dissolution dans l'eau, et la préparation par dilution dans l'eau.

Préparation par dissolution dans l'eau

Tout simplement, cela consiste à dissoudre une masse m de soluté dans un volume V de solvant.

Préparation par dilution dans l'eau

Cette méthode de préparation d'une solution aqueuse consiste à prélever un volume V0 de concentration C0 d'une solution que l'on appelle la solution mère, puis à la diluer en ajoutant de l'eau distillée pour obtenir une solution "fille" de volume V1 et à la concentration souhaitée C1. Cette solution fille est alors moins concentrée que la solution mère puisque l'on a rajouté de l'eau à la solution mère.

Que peut-on dire sur ce phénomène de dilution de la solution aqueuse ?
Illustration de la méthode de préparation d'une solution aqueuse par dilution

Dans l'exemple de la photo ci-dessus, la solution mère parfaitement homogène est la solution la plus à gauche. Plus on se déplace vers la droite, plus on a ajouté d'eau à la solution mère, donc plus la solution mère est diluée et donc moins elle est concentrée. Cela se traduit ici par une diminution de l'intensité de la couleur de la solution.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir. Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).