Chapitre 5 • Solutions aqueuses de composés ioniques
110
z L’eau liquide
L’eau liquide est un réseau tridimensionnel de molécules H 2 O associées par liaisons hydrogène,
qui se rompent et se reforment aléatoirement en permanence. Si, malgré ces liaisons, l’eau est
fluide, c’est en raison de leur très courte durée de vie (en moyenne une picoseconde par liaison
hydrogène, soit 10
–12 s).
Sur le plan structural, l’organisation due aux liaisons hydrogène fait de l’eau un liquide peu
dense : 51 % du volume occupé par l’eau liquide ne contient pas de matière.
Sur le plan thermodynamique, les liaisons hydrogène confèrent à l’eau un caractère très cohésif
qui se traduit par des températures d’ébullition et de fusion, ainsi que des enthalpies de changement
d’état, anormalement élevées par rapport aux composés hydrogénés des éléments du groupe 16.
Sur le plan diélectrique, l’eau affaiblit notablement les champs électriques dus aux ions dissous,
en raison de sa constante diélectrique élevée : ε r = 80,1 à 20 °C, et 78,3 à 25° C (cf. § 4.1).
Par ailleurs, l’eau est le siège d’une auto-ionisation qui engendre une quantité infime d’ions
H 3 O
+ et OH
–
. Le peu d’ions formés est illustré par les rapports suivants :
[H 3 O + ]/[H 2 O] = [OH – ]/ [H 2 O] = 1,8.10 –9 (à 25 °C). La conduction électrique dans un liquide
étant due à la migration des ions sous l’influence du champ électrique imposé, l’eau ultra-pure qui
ne contient quasiment pas d’ions se comporte comme une substance isolante (conductivité :
σ = 5,48 µS.m
–1 ). En revanche, les eaux usuelles, soit naturelles, soit à usage domestique ou
industriel, sont chargées de sels minéraux et conduisent le courant électrique (cf. § 5.5).
L’eau liquide est très polaire car, au moment dipolaire
permanent de chaque molécule, s’ajoutent les effets de
polarisation mutuels des molécules les unes sur les autres.
Cela confère un moment dipolaire moyen de 3 D aux
molécules d’eau en phase liquide. Cette propriété est cruciale
pour le rôle de solvant que joue l’eau sur notre planète.
5.3 L’EAU HYDRATE ET DISSOUT LES
IONS
z Dissolution d’un cristal ionique
Un cristal ionique est un assemblage régulier des cations
et d’anions (figure 5.1). La cohésion de l’édifice est due
aux attractions électrostatiques. La stœchiométrie est telle
que l’ensemble est électriquement neutre.
Comment l’eau, mise en contact avec un cristal soluble, le
dissout-elle ?
Au contact des ions, la structure de l’eau est perturbée
car les molécules d’eau, polaires, s’orientent de façon à
Na +
Cl –
Cl –
Figure 5.1
Organisation régulière des cations
Na
+ et des anions Cl – au sein de la
maille du cristal de chlorure de
sodium NaCl.
Les ions sont assimilés à des sphères, et la tangence cation-anion a lieu
le long de l’arête de la maille.
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z L’eau liquide
L’eau liquide est un réseau tridimensionnel de molécules H 2 O associées par liaisons hydrogène,
qui se rompent et se reforment aléatoirement en permanence. Si, malgré ces liaisons, l’eau est
fluide, c’est en raison de leur très courte durée de vie (en moyenne une picoseconde par liaison
hydrogène, soit 10
–12 s).
Sur le plan structural, l’organisation due aux liaisons hydrogène fait de l’eau un liquide peu
dense : 51 % du volume occupé par l’eau liquide ne contient pas de matière.
Sur le plan thermodynamique, les liaisons hydrogène confèrent à l’eau un caractère très cohésif
qui se traduit par des températures d’ébullition et de fusion, ainsi que des enthalpies de changement
d’état, anormalement élevées par rapport aux composés hydrogénés des éléments du groupe 16.
Sur le plan diélectrique, l’eau affaiblit notablement les champs électriques dus aux ions dissous,
en raison de sa constante diélectrique élevée : ε r = 80,1 à 20 °C, et 78,3 à 25° C (cf. § 4.1).
Par ailleurs, l’eau est le siège d’une auto-ionisation qui engendre une quantité infime d’ions
H 3 O
+ et OH
–
. Le peu d’ions formés est illustré par les rapports suivants :
[H 3 O + ]/[H 2 O] = [OH – ]/ [H 2 O] = 1,8.10 –9 (à 25 °C). La conduction électrique dans un liquide
étant due à la migration des ions sous l’influence du champ électrique imposé, l’eau ultra-pure qui
ne contient quasiment pas d’ions se comporte comme une substance isolante (conductivité :
σ = 5,48 µS.m
–1 ). En revanche, les eaux usuelles, soit naturelles, soit à usage domestique ou
industriel, sont chargées de sels minéraux et conduisent le courant électrique (cf. § 5.5).
L’eau liquide est très polaire car, au moment dipolaire
permanent de chaque molécule, s’ajoutent les effets de
polarisation mutuels des molécules les unes sur les autres.
Cela confère un moment dipolaire moyen de 3 D aux
molécules d’eau en phase liquide. Cette propriété est cruciale
pour le rôle de solvant que joue l’eau sur notre planète.
5.3 L’EAU HYDRATE ET DISSOUT LES
IONS
z Dissolution d’un cristal ionique
Un cristal ionique est un assemblage régulier des cations
et d’anions (figure 5.1). La cohésion de l’édifice est due
aux attractions électrostatiques. La stœchiométrie est telle
que l’ensemble est électriquement neutre.
Comment l’eau, mise en contact avec un cristal soluble, le
dissout-elle ?
Au contact des ions, la structure de l’eau est perturbée
car les molécules d’eau, polaires, s’orientent de façon à
Na +
Cl –
Cl –
Figure 5.1
Organisation régulière des cations
Na
+ et des anions Cl – au sein de la
maille du cristal de chlorure de
sodium NaCl.
Les ions sont assimilés à des sphères, et la tangence cation-anion a lieu
le long de l’arête de la maille.