Chimie des électrolytes SMC S3 ch1

Chapitre I : Généralités sur les solutions électrolytiques

I. Définition et propriétés des solutions électrolytiques

À l’échelle macroscopique comme microscopique, une solution aqueuse peut être définie comme un mélange homogène formé de deux substances ou davantage. Elle comprend un ou plusieurs corps appelés solutés, qui peuvent soit être simplement dissous, comme dans le cas des solutions non électrolytiques (urée, glucose, etc.), soit dissous puis dissociés, comme dans les solutions électrolytiques telles que celles de NaCl ou de CaCl₂, le tout dans l’eau qui joue le rôle de solvant.

Les propriétés et les caractéristiques physico-chimiques des solutions aqueuses dépendent principalement de la nature des espèces présentes, de leur forme moléculaire ou ionique, ainsi que de leurs proportions dans le mélange.

1.1. Une solution

Une solution est un mélange constitué de deux matières ou plus. Elle comprend :

• Le solvant : substance présente en quantité majoritaire.
• Le soluté : substance présente en quantité plus faible.

1.2. Solution aqueuse

Une solution aqueuse est un mélange composé de :

• l’eau en quantité dominante ;
• des espèces chimiques dissoutes en quantités beaucoup plus faibles.

1.3. Solution électrolytique

Les solutions électrolytiques sont des solutions capables de conduire le courant électrique. Leur étude met en évidence la présence d’ions libres et mobiles, comme dans le cas d’une solution de chlorure de sodium.

Ainsi, lorsqu’un champ électrique est appliqué entre deux électrodes plongées dans une cellule contenant une solution électrolytique, les cations, porteurs de charges positives, migrent vers la cathode, tandis que les anions, porteurs de charges négatives, se dirigent vers l’anode.

• Les cations → cathode
• Les anions → anode

1.4. Solutions non électrolytiques

Dans les solutions non électrolytiques, le soluté reste sous forme de molécules neutres après dissolution dans l’eau. Ces substances ne produisent donc pas d’ions libres et ne permettent pas la conduction du courant électrique.

• Petites molécules organiques : comme par exemple le glucose (C₆H₁₂O₆), l’urée (CH₄N₂O) ou encore l’éthanol dissous dans l’eau.
• Macromolécules : certaines grandes molécules biologiques, comme les enzymes, peuvent également être dissoutes dans l’eau sans produire d’ions.

1.5. Types d’électrolytiques

1.5.1. Électrolytes forts

Les électrolytes forts sont des substances dont l’ionisation dans l’eau est complète. Lorsqu’ils se dissolvent, ils se dissocient totalement en ions, ce qui donne des solutions possédant une forte conductivité électrique. Les acides forts et les bases fortes en sont des exemples typiques.

Exemple : Chlorure de sodium

NaCl → Na⁺ + Cl^-

1.5.2. Électrolytes faibles

Les électrolytes faibles, au contraire, ne se dissocient que partiellement dans l’eau. Ils produisent donc une quantité plus faible d’ions, ce qui explique la faible conductivité électrique des solutions correspondantes.

Exemple : Acide acétique (CH₃COOH)

CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO^- + H₃O⁺

1.6. Classification des solutions

Une solution est un mélange homogène formé par plusieurs composés dispersés dans un liquide jusqu’au niveau moléculaire. Les solutions peuvent être classées selon différents critères, notamment la charge électrique des particules dissoutes ainsi que la taille de ces particules.

Selon la nature électrique des particules dissoutes :

• Solutions neutres : les espèces dissoutes sont sous forme de molécules non chargées.
• Solutions électrolytiques : les espèces dissoutes sont présentes sous forme d’ions.

Selon la taille des particules :

a. Solutions cristalloïdes (solutions micromoléculaires)

Dans ce type de solution, les molécules sont relativement petites et contiennent généralement quelques dizaines d’atomes. Parmi les exemples courants on peut citer l’urée, le glucose ou encore le chlorure de sodium (NaCl).

b. Pseudo-solutions (colloïdes)

Ces systèmes ne correspondent pas à de véritables solutions car ils contiennent des particules ou des molécules de grande taille. On peut citer comme exemples le sang, l’albumine humaine, le plasma congelé ou encore la gélatine.

c. Solutions macromoléculaires

Dans ces solutions, les molécules sont très grandes et peuvent contenir entre 10³ et 10⁷ atomes, comme c’est le cas pour l’ADN. Ces macromolécules ne peuvent pas traverser certains types de membranes biologiques.

1.7. Caractéristiques quantitatives des solutions

D’un point de vue quantitatif, une solution est décrite par sa concentration. Cette dernière peut être exprimée de différentes manières selon les besoins de l’étude chimique.

1.7.1. Fraction molaire

La fraction molaire d’un constituant i correspond au rapport entre le nombre de moles de ce constituant n_i et le nombre total de moles présentes dans la solution. Cette grandeur est sans dimension.

f_i = n_i / n_tot

avec :

• n_i : nombre de moles du constituant
• n_tot : nombre total de moles dans la solution

Conclusion

L’étude des solutions électrolytiques met en évidence l’importance de la nature des espèces dissoutes, de leur comportement dans l’eau et de leur capacité à produire des ions. Ces notions constituent une base essentielle pour la compréhension des phénomènes de conduction électrique et des propriétés quantitatives des solutions.