Dissolution, solubilité et solution aqueuse : soluté, solvant, saturation, concentration

Le sucre disparaît, mais il est toujours là

Un morceau de sucre dans une tasse de thé : on remue, il disparaît. Le thé est aussi limpide qu’avant, mais il est sucré. Le sucre n’a pas été détruit, il n’a pas fondu, il ne s’est pas évaporé : il s’est dissous. Ses particules, bien trop petites pour être vues, sont maintenant réparties dans toute la tasse, et chaque gorgée en contient.

La dissolution est l’une des transformations les plus courantes de la vie quotidienne et de la chimie. Elle fabrique l’eau salée, le sirop, la limonade, le sérum physiologique, la mer ; elle permet aux plantes d’absorber les minéraux du sol et à notre sang de transporter le glucose ; elle explique les bulles d’une boisson gazeuse, l’oxygène que respirent les poissons et le calcaire des bouilloires.

Le programme de 5e demande de connaître le vocabulaire de la dissolution (soluté, solvant, solution), de distinguer la dissolution de la fusion, de savoir que la masse se conserve, de comprendre la saturation et la solubilité, et de calculer une concentration en masse. Cette page suit ce fil, avec les expériences de classe et les valeurs de référence.

Le vocabulaire de la dissolution

Une dissolution est la dispersion d’une substance dans un liquide, jusqu’à former un mélange homogène : on ne distingue plus la substance dissoute, même à la loupe. Le résultat s’appelle une solution. Trois mots la décrivent :

• le solvant est le liquide qui dissout, présent en grande quantité : l’eau dans la plupart des cas, mais aussi l’alcool (pour les parfums), l’acétone (pour le vernis), l’essence (pour les graisses). Quand le solvant est l’eau, la solution est dite aqueuse ;
• le soluté est la substance dissoute, en plus petite quantité : un solide (sel, sucre, sulfate de cuivre), un liquide (sirop, alcool) ou un gaz (dioxyde de carbone, dioxygène) ;
• la solution est le mélange homogène obtenu. Elle est limpide (la lumière la traverse sans être diffusée), mais pas forcément incolore : une solution de sulfate de cuivre est bleue, une solution de permanganate est violette.

Le mot solution vient du latin solvere, « délier, dissoudre ». Soluté est ce qui est dissous, solvant ce qui dissout ; on retient l’ordre avec la phrase « le solvant dissout le soluté ». Tous les solides ne se dissolvent pas : la craie, le sable, le plastique, l’huile dans l’eau sont insolubles ; ils forment un mélange hétérogène, pas une solution.

Dissoudre n’est pas fondre

C’est l’erreur de vocabulaire la plus fréquente du chapitre, et elle mérite un paragraphe. Quand on dit que « le sucre fond dans le café », on confond deux phénomènes qui n’ont rien à voir.

La fusion est un changement d’état : un solide devient liquide sous l’effet de la chaleur, seul, sans autre substance. Le sucre fond à 186 °C dans une casserole sèche, et devient un liquide transparent qui, refroidi, redonne du sucre solide (ou du caramel s’il a été trop chauffé). La glace fond à 0 °C, le beurre vers 35 °C.

La dissolution est un mélange : un solide se disperse dans un liquide grâce à ce liquide. Le sucre se dissout dans le café à 60 °C comme dans l’eau froide à 5 °C (plus lentement), très loin de sa température de fusion. Il ne devient pas liquide : ses particules se séparent les unes des autres et se glissent entre celles de l’eau. Si l’on évapore l’eau, on retrouve le sucre solide, intact.

	Fusion	Dissolution
Ce qui se passe	le solide devient liquide	le solide se disperse dans un liquide
Nombre de substances	une seule	au moins deux (soluté + solvant)
Condition	atteindre la température de fusion	présence d’un solvant qui convient
Exemple	glace → eau à 0 °C ; sucre → sucre liquide à 186 °C	sucre dans le thé ; sel dans l’eau
Résultat	un corps pur liquide	un mélange homogène (solution)
Pour revenir en arrière	refroidir	évaporer le solvant

La masse se conserve, pas le volume

Pesons. Un bécher contenant 200,0 g d’eau, une coupelle contenant 20,0 g de sel : ensemble, 220,0 g. On verse le sel dans l’eau, on agite jusqu’à disparition complète, on repose le tout, coupelle vide comprise : la balance indique toujours 220,0 g. La dissolution conserve la masse. Rien d’étonnant : le sel est toujours dans le bécher, simplement invisible, et la masse ne dépend pas de la taille des morceaux.

Le volume, lui, ne s’additionne pas. 200 mL d’eau et 20 g de sel (environ 9 mL de cristaux) ne donnent pas 209 mL de solution, mais environ 207 mL : les particules de sel se logent entre les molécules d’eau, dans des espaces qui existaient déjà. L’effet est encore plus net avec l’alcool : 50 mL d’eau et 50 mL d’alcool donnent 97 mL de mélange. C’est la raison pour laquelle on définit la concentration par rapport au volume de solution, mesuré après dissolution, et non par rapport au volume de solvant.

Exemple 1 — Masse d’une solution

On dissout 25 g de sucre dans 150 g d’eau. Quelle est la masse de la solution ? Et si l’on n’avait dissous que 20 g, les 5 g restants formant un dépôt ?

Conservation de la masse : 150 + 25 = 175 g de solution. Avec un dépôt, la masse totale du bécher est toujours 175 g, mais la solution (le liquide limpide) ne pèse que 150 + 20 = 170 g ; les 5 g non dissous ne font pas partie de la solution. La balance ne fait pas la différence ; le chimiste, oui.

Saturation et solubilité

Continuons à ajouter du sel dans notre bécher, cuillerée après cuillerée, en agitant longtemps. Les premières disparaissent ; puis une cuillerée ne se dissout plus, quoi qu’on fasse : des cristaux restent au fond. La solution est saturée : elle contient le maximum de sel que l’eau peut dissoudre à cette température. Tout ajout supplémentaire reste sous forme de dépôt, et le mélange devient hétérogène.

La masse maximale de soluté que l’on peut dissoudre dans un litre de solvant, à une température donnée, s’appelle la solubilité. Elle s’exprime en g/L et dépend du couple soluté-solvant et de la température.

Soluté (dans l’eau à 20 °C)	Solubilité	Ce que cela signifie
Sucre (saccharose)	environ 2 000 g/L	2 kg de sucre dans 1 L d’eau : le sirop est presque du sucre liquide
Sel de table (chlorure de sodium)	360 g/L	une eau saturée contient dix fois plus de sel que la mer
Sulfate de cuivre	320 g/L	solution bleue intense
Bicarbonate de sodium	96 g/L	dix cuillerées par litre au maximum
Dioxyde de carbone (sous 1 bar)	1,7 g/L	beaucoup plus sous la pression d’une bouteille fermée
Dioxygène (au contact de l’air)	9 mg/L	ce que respirent les poissons
Craie (carbonate de calcium)	0,014 g/L	pratiquement insoluble
Huile	0	insoluble : deux couches

Source : CRC Handbook of Chemistry and Physics, 104^e édition, section « Aqueous solubility of inorganic compounds » et « Solubility of gases in water ».

La solubilité est une caractéristique du soluté, comme sa masse volumique ou sa température de fusion : elle permet de l’identifier. Elle sépare aussi les solides solubles (sel, sucre) des peu solubles (craie, plâtre) et des insolubles (sable, huile). Et elle rend compte d’une expérience courante : le sirop de menthe est bien plus sucré qu’une eau salée ne peut être salée, parce que la solubilité du sucre est six fois plus grande que celle du sel.

Exemple 2 — Saturée ou non ?

On dissout 40 g de sel dans 100 mL d’eau à 20 °C, puis 40 g de sucre dans 100 mL d’eau à 20 °C. Que voit-on ?

Solubilité du sel : 360 g/L, soit 36 g pour 100 mL. On a mis 40 g : la solution est saturée, et environ 4 g de sel restent au fond. Solubilité du sucre : 2 000 g/L, soit 200 g pour 100 mL. 40 g se dissolvent entièrement, et l’on pourrait en ajouter 160 g. Même masse, deux comportements : la solubilité dépend du soluté.

L’influence de la température

Le thé chaud dissout mieux le sucre que l’eau froide : la solubilité de la plupart des solides augmente avec la température. Pour le sucre, elle passe de 1 800 g/L à 0 °C à 4 900 g/L à 100 °C : dans l’eau bouillante, on dissout deux fois et demie plus de sucre. Pour le sel, l’effet est faible : 357 g/L à 0 °C, 391 g/L à 100 °C. Pour quelques sels rares, la solubilité diminue quand on chauffe.

Cette dépendance explique la cristallisation au refroidissement : une solution de sucre saturée à chaud, refroidie, ne peut plus contenir tout son sucre, qui reforme des cristaux. C’est ainsi que l’on fabrique le sucre candi (de gros cristaux qui poussent sur une ficelle plongée dans un sirop chaud qui refroidit lentement), que le miel cristallise dans le placard, et que les grottes se décorent de stalactites de calcaire. La température modifie aussi la vitesse de dissolution : agiter, chauffer et réduire en poudre accélèrent la dissolution, mais n’augmentent que la vitesse, pas la solubilité, sauf pour la chaleur qui agit sur les deux.

Pour les gaz, c’est l’inverse : plus l’eau est chaude, moins elle dissout de gaz. Le dioxygène passe de 14,6 mg/L à 0 °C à 9,1 mg/L à 20 °C et 7,5 mg/L à 30 °C. C’est pourquoi de petites bulles se forment sur les parois d’une casserole d’eau que l’on chauffe, bien avant l’ébullition : l’air dissous s’échappe. C’est aussi pourquoi les poissons souffrent lors des canicules : l’eau chaude contient moins de dioxygène, et les mortalités de poissons dans les rivières en été s’expliquent en partie ainsi.

La concentration en masse

Deux eaux salées ne sont pas forcément « aussi salées » : 10 g de sel dans 1 L d’eau ou dans 100 mL, ce n’est pas le même goût. Pour décrire une solution, il ne suffit pas de dire ce qu’elle contient ; il faut dire combien par litre. C’est la concentration en masse, notée C : la masse de soluté dissous dans un litre de solution.

$$C=\frac{m}{V}$$

avec m la masse de soluté dissous (en g), V le volume de solution (en L) et C en grammes par litre (g/L). Les deux autres formes servent selon l’inconnue : m = C × V (quelle masse dans tel volume ?) et V = m / C (quel volume pour telle masse ?). L’unité peut être adaptée : mg/L pour les eaux minérales et l’oxygène dissous, kg/m³ pour l’industrie (1 g/L = 1 kg/m³).

Quelques concentrations de référence, utiles pour se repérer :

Solution	Soluté	Concentration en masse	Remarque
Sérum physiologique	chlorure de sodium	9 g/L	même salinité que le sang
Eau de mer	sels (surtout NaCl)	35 g/L	7 g/L en Baltique, 275 g/L en mer Morte
Soda sucré	sucre	100 à 110 g/L	35 g par canette de 33 cL
Sirop de menthe (pur)	sucre	environ 700 g/L	à diluer 7 fois
Eau minérale (Evian)	sels minéraux	0,35 g/L (345 mg/L)	résidu sec
Eau de piscine	chlore actif	1 à 3 mg/L	contrôlé chaque jour
Eau potable, limite nitrates	nitrates	50 mg/L	norme sanitaire
Solution saturée de sel (20 °C)	chlorure de sodium	360 g/L	la solubilité

Sources : Pharmacopée européenne (sérum), UNESCO (salinité), étiquettes des producteurs, Code de la santé publique (eau potable).

Exemple 3 — Calculer une concentration

On dissout 12 g de sucre dans de l’eau pour obtenir 250 mL de solution. Quelle est la concentration ? Quelle masse de sucre y a-t-il dans un verre de 20 cL de cette solution ?

V = 250 mL = 0,250 L. C = 12 / 0,250 = 48 g/L. Dans 20 cL = 0,20 L : m = C × V = 48 × 0,20 = 9,6 g de sucre, soit presque deux morceaux. L’erreur classique est d’oublier la conversion : 12 / 250 = 0,048 est faux (ce serait des g/mL).

Exemple 4 — Préparer une solution

Un infirmier doit préparer 500 mL de sérum physiologique (C = 9 g/L). Quelle masse de sel doit-il dissoudre ?

m = C × V = 9 × 0,500 = 4,5 g de chlorure de sodium, dissous dans de l’eau distillée, puis complétés jusqu’à 500 mL de solution (et non 500 mL d’eau : le volume de solution est ce qui compte). Cette concentration est celle des liquides du corps : une solution plus concentrée déshydraterait les cellules, une moins concentrée les ferait gonfler.

Les gaz dissous

On pense aux solides quand on parle de dissolution, mais l’eau dissout aussi des gaz, et cela compte énormément.

Le dioxygène de l’air se dissout dans l’eau des rivières, des lacs et des océans : environ 9 mg/L à 20 °C, mille fois moins que dans l’air, mais assez pour que les poissons, les crustacés et les micro-organismes respirent grâce à leurs branchies. Un aquarium a besoin d’un bulleur pour renouveler ce dioxygène ; une rivière polluée par des matières organiques en manque, car les bactéries qui les dégradent le consomment ; une eau chaude en contient moins.

Le dioxyde de carbone se dissout mieux (1,7 g/L à 20 °C sous la pression atmosphérique, davantage sous pression). Il donne le pétillant des boissons gazeuses et de l’eau de Perrier, et il rend légèrement acide l’eau de pluie, qui dissout ensuite le calcaire des roches pour creuser les grottes. Les océans absorbent chaque année le quart du CO₂ émis par les activités humaines, ce qui les acidifie lentement.

Le dichlore dissous désinfecte l’eau des piscines et, à très faible dose, celle du robinet. L’ammoniac dissous donne l’ammoniaque des produits ménagers. À l’inverse, l’hydrogène et l’azote se dissolvent très peu.

La règle générale est que la solubilité d’un gaz augmente avec la pression et diminue avec la température : ouvrir une bouteille (baisse de pression) ou la réchauffer fait sortir le gaz. Les plongeurs le savent : l’azote de l’air respiré sous pression se dissout dans le sang en profondeur, et une remontée trop rapide le fait ressortir en bulles, ce qui provoque les accidents de décompression.

Un peu d’histoire

Le mot solution est employé par les alchimistes dès le XIII^e siècle pour désigner la dissolution des métaux dans les acides. L’idée que le sel dissous est toujours présent, simplement invisible, est ancienne, mais la mesure de la solubilité n’apparaît qu’au XVIII^e siècle, avec la chimie quantitative : en 1770, Torbern Bergman publie des tables de solubilité des sels dans l’eau à différentes températures.

La dissolution des gaz est étudiée par William Henry en 1803 : il établit que la masse de gaz dissous est proportionnelle à sa pression (loi de Henry), ce qui explique le pétillant des boissons gazeuses inventées par Joseph Priestley en 1767 en dissolvant du « gaz fixe » (CO₂) dans l’eau. Jacob Schweppe en fait un commerce à Genève en 1783 : l’eau gazeuse artificielle est née.

La notion de concentration et son expression en g/L se fixent au XIX^e siècle avec le système métrique. En 1887, Svante Arrhenius comprend ce qui se passe quand le sel se dissout : il se sépare en ions, particules chargées, ce qui explique pourquoi l’eau salée conduit le courant électrique alors que l’eau sucrée ne le fait pas. Cette découverte, qui lui vaudra le prix Nobel de chimie en 1903, est au programme de 3e.

Les erreurs classiques

« Le sucre fond dans le café. » Il se dissout. Fondre exige 186 °C et pas d’eau.

Croire que le sel disparaît ou que la masse diminue. Le sel est toujours là, dispersé ; la masse de la solution est la somme des masses.

Additionner les volumes. 100 mL d’eau + 10 g de sel ne donnent pas 110 mL. On mesure le volume de la solution après dissolution.

Confondre solubilité et concentration. La solubilité est le maximum que l’on peut dissoudre (une propriété du soluté) ; la concentration est ce que l’on a effectivement dissous (une propriété de la solution). Une solution non saturée a une concentration inférieure à la solubilité.

Oublier de convertir les millilitres en litres. C = m / V avec V en litres : 250 mL = 0,25 L. Le convertisseur de volumes aide en cas de doute.

Penser que chauffer dissout toujours plus. Vrai pour la plupart des solides, faux pour les gaz : l’eau chaude en dissout moins.

Croire qu’une solution est forcément incolore. Limpide, oui ; incolore, pas toujours (sulfate de cuivre bleu, sirop de menthe vert, permanganate violet).

Exercices corrigés

Du vocabulaire aux calculs de concentration et à la saturation.

Exercice 1

Vocabulaire

5e●○○

On dissout du sulfate de cuivre (poudre blanche qui bleuit) dans de l’eau.

1. Nommer le soluté, le solvant et la solution.
2. La solution est-elle homogène ou hétérogène ? Limpide ? Incolore ?
3. Le sulfate de cuivre a-t-il fondu ? Justifier.
4. Comment récupérer le sulfate de cuivre solide ?

Voir la correction

1. Soluté : sulfate de cuivre ; solvant : eau ; solution : solution aqueuse de sulfate de cuivre.
2. Homogène et limpide, mais colorée (bleue).
3. Non : il s’est dissous à température ambiante, dispersé dans l’eau ; fondre exigerait de le chauffer seul à plusieurs centaines de degrés.
4. Par évaporation de l’eau : les cristaux bleus réapparaissent.

Exercice 2

Conservation de la masse

5e●○○

1. On dissout 15 g de sel dans 185 g d’eau. Quelle est la masse de la solution ?
2. On dissout du sucre dans 300 g d’eau ; la solution pèse 348 g. Quelle masse de sucre a-t-on dissoute ?
3. Une solution de 500 g contient 460 g d’eau. Quelle masse de soluté contient-elle ?

Voir la correction

1. 15 + 185 = 200 g.
2. 348 − 300 = 48 g.
3. 500 − 460 = 40 g.

Exercice 3

Saturation

5e●●○

La solubilité du sel dans l’eau à 20 °C est de 360 g/L.

1. Peut-on dissoudre 30 g de sel dans 100 mL d’eau ? 40 g ?
2. Quelle masse de sel au maximum peut-on dissoudre dans 250 mL d’eau ?
3. On a dissous 90 g de sel dans 250 mL. Ajoute-t-on encore 10 g : que se passe-t-il ?
4. Comment dissoudre le dépôt restant sans ajouter d’eau ?

Voir la correction

1. Maximum pour 100 mL : 36 g. 30 g oui (solution non saturée) ; 40 g non : 4 g restent au fond.
2. 360 × 0,250 = 90 g.
3. La solution est déjà saturée (90 g) : les 10 g restent au fond, la solution reste à 360 g/L.
4. En chauffant légèrement : la solubilité du sel augmente un peu avec la température (391 g/L à 100 °C), mais pour 10 g dans 250 mL il faudrait près de 400 g/L : le chauffage ne suffira pas tout à fait ; il faudra ajouter de l’eau.

Exercice 4

Concentration

5e●●○

1. On dissout 6 g de sel dans de l’eau pour obtenir 400 mL de solution. Calculer la concentration en masse.
2. Un sirop a une concentration en sucre de 650 g/L. Quelle masse de sucre dans 30 mL de sirop ?
3. Quel volume d’une solution à 20 g/L faut-il prélever pour avoir 5 g de soluté ?
4. Deux solutions : A contient 10 g dans 200 mL, B contient 30 g dans 750 mL. Laquelle est la plus concentrée ?

Voir la correction

1. V = 0,400 L ; C = 6 / 0,400 = 15 g/L.
2. m = 650 × 0,030 = 19,5 g (quatre morceaux de sucre dans un verre de sirop).
3. V = 5 / 20 = 0,25 L = 250 mL.
4. A : 10 / 0,200 = 50 g/L ; B : 30 / 0,750 = 40 g/L. A est plus concentrée, bien qu’elle contienne moins de soluté.

Exercice 5

Dilution et eau de mer

5e●●●

L’eau de mer contient 35 g de sel par litre.

1. Quelle masse de sel obtient-on en évaporant 2,5 L d’eau de mer ?
2. On mélange 1 L d’eau de mer et 1 L d’eau douce. Quelle est la concentration en sel du mélange ?
3. Quel volume d’eau douce faut-il ajouter à 1 L d’eau de mer pour obtenir la concentration du sérum physiologique (9 g/L) ?
4. Les marais salants évaporent l’eau de mer jusqu’à saturation (360 g/L). Quel volume reste-t-il de 1 000 L d’eau de mer au moment où le sel commence à cristalliser ?

Voir la correction

1. m = 35 × 2,5 = 87,5 g.
2. 35 g de sel dans 2 L : C = 35 / 2 = 17,5 g/L.
3. Il faut 35 g dans V tel que 35 / V = 9 → V = 35 / 9 ≈ 3,9 L de solution, soit environ 2,9 L d’eau douce à ajouter.
4. 1 000 L contiennent 35 kg de sel. À saturation : V = 35 000 / 360 ≈ 97 L. Il a fallu évaporer plus de 900 L d’eau : d’où la surface immense des marais salants.

Exercice 6

Gaz dissous et température

5e●●●

La solubilité du dioxygène dans l’eau au contact de l’air est de 14,6 mg/L à 0 °C, 9,1 mg/L à 20 °C et 7,5 mg/L à 30 °C. Une truite a besoin d’au moins 7 mg/L.

1. Comment évolue la solubilité du dioxygène avec la température ? Est-ce le même sens que pour le sel ?
2. Quelle masse de dioxygène contient un aquarium de 200 L à 20 °C ?
3. Lors d’une canicule, une rivière atteint 30 °C. Que risquent les truites ? Pourquoi le risque est-il plus grand si la rivière est aussi polluée par des rejets organiques ?
4. Pourquoi une bouteille d’eau gazeuse laissée au soleil « explose »-t-elle presque à l’ouverture ?

Voir la correction

1. Elle diminue quand la température augmente ; c’est l’inverse du sel et de la plupart des solides.
2. 9,1 mg/L × 200 L = 1 820 mg ≈ 1,8 g : très peu, d’où le bulleur.
3. À 30 °C, 7,5 mg/L : la truite est à la limite. Les bactéries qui dégradent la pollution consomment le dioxygène dissous, qui passe sous 7 mg/L : les poissons meurent asphyxiés.
4. La chaleur diminue la solubilité du CO₂ : il passe dans le gaz au-dessus du liquide, la pression monte, et à l’ouverture le dégazage est brutal.

Quiz : dix questions pour vérifier

1. Dans l’eau sucrée, le sucre est…

   le solvantle solutéla solutionle solide fondu
2. Le sucre dans le café…

   fondse dissouts’évaporese solidifie
3. On dissout 20 g de sel dans 180 g d’eau. La solution pèse…

   180 g200 g160 g20 g
4. Une solution saturée est une solution…

   très diluéequi ne peut plus dissoudre de solutéchaudecolorée
5. La solubilité du sel dans l’eau à 20 °C est d’environ…

   36 g/L360 g/L2 000 g/L9 g/L
6. Quand la température augmente, la solubilité des gaz dans l’eau…

   augmentediminuene change pasdevient nulle
7. La concentration en masse se calcule par…

   C = m × VC = m / VC = V / mC = m + V
8. 10 g de sel dans 250 mL de solution : la concentration est…

   0,04 g/L40 g/L25 g/L2 500 g/L
9. Diluer une solution, c’est…

   ajouter du solutéajouter du solvantla chaufferl’évaporer
10. Une solution aqueuse est toujours…

    incolorehomogène et limpidesaléesaturée

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Fiche : ce qu’il faut retenir

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