Comment calculer la solubilité : méthodes, formules et facteurs
Définition de la solubilité
La solubilité désigne la quantité maximale de soluté que l’on peut dissoudre dans un volume donné de solvant. Elle correspond à une propriété physique propre à chaque couple soluté-solvant. Si on dépasse cette limite, le soluté excédentaire reste sous forme solide ou gazeuse et ne se dissout plus. On parle alors de solution saturée. Si on ajoute encore du soluté sans dissolution supplémentaire, la solution devient sursaturée.
Unité de mesure
On exprime généralement la solubilité en grammes de soluté par 100 millilitres de solvant, soit g/100 mL. On peut aussi la donner en grammes par litre, g/L. La température joue un rôle clé sur la valeur obtenue. On indique donc toujours la température à laquelle la mesure a eu lieu.
Formule de calcul de la solubilité en g/100 mL
Pour déterminer la solubilité, on utilise cette expression :
s = m × 100 / V
Dans cette formule :
- s correspond à la solubilité, en grammes par 100 mL (g/100 mL)
- m représente la masse maximale de soluté dissous, en grammes (g)
- V désigne le volume de solvant utilisé, en millilitres (mL)
Il suffit de mesurer la masse de soluté pouvant disparaître entièrement dans un volume connu de solvant, puis d’appliquer la formule pour obtenir la solubilité.
Exemple de calcul : bicarbonate de sodium
On dispose de 125 mL d’eau à 20 °C. On ajoute du bicarbonate de sodium jusqu’à ce qu’il cesse de disparaître dans l’eau. La masse maximale dissoute atteint 12,0 g. On veut obtenir la solubilité en g/100 mL.
- m = 12,0 g
- V = 125 mL
On calcule :
s = 12,0 × 100 / 125 = 1200 / 125 = 9,6 g/100 mL
La solubilité du bicarbonate de sodium dans l’eau à 20 °C vaut 9,6 g pour 100 mL.
Exemple de calcul : chlorure de sodium
La solubilité du chlorure de sodium dans l’eau à 25 °C atteint 36,0 g/100 mL. On veut dissoudre 150 g de sel. Quel volume minimal d’eau faut-il ?
On part de l’équation :
s = m × 100 / V
On remplace s par 36,0 g/100 mL et m par 150 g. On cherche V :
36,0 = 150 × 100 / V 36,0 = 15000 / V V = 15000 / 36,0 V ≃ 416,7 mL
Il faut donc au moins 417 mL d’eau pour dissoudre la totalité des 150 g de chlorure de sodium à 25 °C.
Différence entre solubilité et concentration
On confond parfois solubilité et concentration. La solubilité fixe une limite théorique de soluté dissous à l’équilibre. La concentration indique la quantité réelle de soluté dans une solution donnée. Une solution saturée atteint sa solubilité. Une solution non saturée affiche une concentration inférieure à cette valeur maximale.
Pourquoi connaître la solubilité
On consulte toujours la solubilité avant de préparer une solution. Si on tente de dissoudre plus de soluté que la limite, une partie reste solide au fond du récipient. Cette précipitation peut fausser une réaction chimique ou un dosage. Connaître la solubilité permet d’ajuster la quantité de solvant pour obtenir une solution homogène sans résidu solide.
Facteurs qui influent sur la solubilité
Plusieurs paramètres modifient la solubilité d’un soluté dans un solvant :
- Nature du soluté : Un gaz, un sel ou un solide covalent n’obtient pas la même solubilité dans un même solvant.
- Nature du solvant : L’eau dissout bien certains sels salins mais ne dissout pas les huiles ou certains corps organiques.
- Température : La chaleur accroît généralement la solubilité des solides et des liquides. Pour un gaz, une température plus élevée réduit la solubilité.
- Pression : Les gaz se dissolvent mieux sous pression élevée selon la loi de Henry.
Effet de la nature du soluté et du solvant
Certains solides ioniques, comme le chlorure de sodium, se dissolvent facilement dans l’eau. D’autres métaux restent presque insolubles. Les solvants organiques dissolvent mieux certaines molécules organiques que l’eau. Un soluté non chargé peut se lier plus ou moins facilement aux molécules de solvant selon la polarité.
Effet de la température
Une hausse de température accroît la mobilité des molécules. Les solides se fragmentent plus vite et se dissolvent plus rapidement. La solubilité d’un solide dans l’eau augmente donc. Pour un gaz, des températures élevées favorisent l’expulsion des molécules dans l’atmosphère. Sa solubilité diminue.
- Exemple solide : la solubilité du bromure d’ammonium passe de 22 g/100 mL à 0 °C à 65 g/100 mL à 60 °C.
- Exemple gaz : la solubilité de l’oxygène dans l’eau chute de 14,6 mg/L à 0 °C à 7,6 mg/L à 60 °C.
Pour calculer la solubilité, on mesure la masse de soluté dissous dans un volume précis de solvant, puis on applique la formule s = m × 100 / V. On choisit ensuite un solvant adapté et on règle la température pour atteindre la solubilité souhaitée. Cette méthode assure une préparation de solution fiable et sans résidu.
Comment calcule-t-on la solubilité d’un soluté en g/100 mL ?
On utilise la formule : \( s = \frac{m \times 100}{V} \), où \( m \) est la masse maximale du soluté en grammes et \( V \) est le volume du solvant en millilitres. Cela donne la solubilité en grammes par 100 mL.
Quelle est la différence entre solubilité et concentration ?
La solubilité est la quantité maximale d’un soluté pouvant se dissoudre dans un volume de solvant. La concentration indique la quantité de soluté déjà dissoute dans une solution donnée. Ce sont des notions distinctes.
Comment la température influence-t-elle la solubilité d’un soluté ?
La plupart des solides et liquides voient leur solubilité augmenter avec la température. Par contre, la solubilité des gaz diminue généralement quand la température augmente.
Comment déterminer le volume d’eau nécessaire pour dissoudre une certaine masse de soluté ?
Il suffit de diviser la masse du soluté par sa solubilité (en g/100 mL), puis multiplier par 100 pour obtenir le volume en millilitres. Ce calcul donne le volume minimal de solvant pour dissoudre entièrement le soluté.
Quels facteurs affectent la solubilité d’un soluté dans un solvant ?
Plusieurs facteurs entrent en jeu, notamment la nature du soluté et du solvant, la température, ainsi que la pression. Ils déterminent si un soluté se dissout facilement ou reste peu soluble.