L'essentiel à connaître
La chimie des solutions traite des équilibres chimiques en phase aqueuse. La solubilité d'un composé ionique est la quantité maximale de ce composé que l'on peut dissoudre dans un litre de solvant à une température donnée. Lorsqu'on atteint cette limite, la solution est dite saturée et un équilibre s'établit entre le solide non dissous et ses ions en solution. Cet équilibre est régi par la constante thermodynamique appelée produit de solubilité, notée $K_s$.
Un autre aspect crucial est la complexation. Un complexe est un édifice polyatomique formé d'un atome ou ion central (souvent un métal) entouré de molécules ou d'ions appelés ligands. La formation d'un complexe peut augmenter considérablement la solubilité d'un solide. Par exemple, l'ajout d'ammoniac sur un précipité de chlorure d'argent provoque sa redissolution par formation d'un complexe stable. Ces phénomènes sont essentiels pour la purification des métaux et l'analyse chimique qualitative.
Définition : Le produit de solubilité $K_s$ est la constante d'équilibre associée à l'équation de dissolution d'un solide ionique dans l'eau.
À retenir : Un précipité se forme si et seulement si le quotient de réaction $Q_r$ du mélange est supérieur à la constante $K_s$.
Les points clés
Le calcul de la solubilité $s$ nécessite d'écrire rigoureusement le tableau d'avancement. Pour un sel de type $A_mB_n$, le produit de solubilité s'exprime par $K_s = (m \cdot s)^m \times (n \cdot s)^n$. Une erreur fréquente consiste à oublier d'élever les concentrations à la puissance de leur coefficient stœchiométrique. L'effet d'ion commun est également un point à maîtriser : la solubilité d'un sel diminue si l'on ajoute à la solution un ion déjà présent dans le solide.
Concernant les complexes, on définit la constante de formation globale $\beta_n$ (ou $K_f$) pour la réaction de formation à partir de l'ion libre. Plus $\beta_n$ est grand, plus le complexe est stable. La compétition entre précipitation et complexation se résout en comparant les constantes d'équilibre. Un piège classique est de négliger l'influence du pH : certains précipités (comme les hydroxydes) ou complexes sont très sensibles à l'acidité de la solution, ce qui peut totalement déplacer l'équilibre.
Formule : Pour $AgCl_{(s)} = Ag^+ + Cl^-$, $K_s = [Ag^+][Cl^-] = s^2$, d'où $s = \sqrt{K_s}$.
Piège classique : Ne confonds pas la solubilité molaire $s$ (en mol/L) et la solubilité massique (en g/L). Pense à multiplier par la masse molaire !
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Question 1 : Si on mélange deux solutions et que $Q_r < K_s$, que se passe-t-il ?
Réponse : A. Tant que le produit des concentrations ioniques n'atteint pas la valeur du $K_s$, le système reste en phase homogène. La solution est dite insaturée.
Question 2 : Comment varie la solubilité de la plupart des solides ioniques quand la température augmente ?
Réponse : B. La dissolution est le plus souvent un processus endothermique. Selon le principe de Le Chatelier, une hausse de température favorise la dissolution, augmentant ainsi la valeur du $K_s$.
Question 3 : Quelle est l'expression du $K_s$ pour le phosphate de calcium $Ca_3(PO_4)_2$ ?
Réponse : D. L'expression de la constante d'équilibre fait intervenir les concentrations élevées à la puissance de leurs coefficients stœchiométriques respectifs (3 pour le calcium, 2 pour le phosphate).
Question 4 : Qu'est-ce qu'un ligand dans un complexe ?
Réponse : C. Un ligand est une base de Lewis qui "donne" ou partage un doublet d'électrons avec l'atome central pour former une liaison de coordination.
Question 5 : Comment appelle-t-on l'effet de la diminution de la solubilité d'un sel par ajout d'un de ses ions ?
Réponse : B. En augmentant la concentration d'un des produits de dissolution, on déplace l'équilibre vers la formation du solide (principe de Le Chatelier), ce qui réduit la solubilité.
Question 6 : Quel est le lien entre $pK_s$ et $K_s$ ?
Réponse : A. Comme pour le pH ou le pKa, l'opérateur "p" désigne le logarithme décimal négatif. Plus le $pK_s$ est grand, plus le composé est insoluble.
Question 7 : Un complexe a une constante de dissociation $K_d = 10^{-15}$. Est-il stable ?
Réponse : C. La constante de dissociation $K_d$ représente l'équilibre inverse de la formation. Une valeur très faible signifie que le complexe reste majoritairement sous sa forme associée.
Question 8 : Pourquoi le calcaire ($CaCO_3$) se dissout-il en milieu acide ?
Réponse : B. Les ions $CO_3^{2-}$ sont des bases. En milieu acide, ils sont consommés pour former $HCO_3^-$ puis $CO_2$. Cela force le solide à se dissoudre pour rétablir le $K_s$.
Question 9 : Dans le calcul $K_s = 108 s^5$, de quel type de sel s'agit-il ?
Réponse : A. Pour $A_2B_3$, $K_s = (2s)^2 \times (3s)^3 = 4s^2 \times 27s^3 = 108s^5$. C'est un calcul classique pour des sels comme $Al_2(SO_4)_3$.
Question 10 : Quelle est l'unité de la solubilité molaire $s$ ?
Réponse : D. La solubilité molaire exprime une concentration maximale de soluté dissous, elle s'exprime donc en moles par litre.
Question 11 : On ajoute de l'ammoniac à une solution contenant un précipité d'hydroxyde de cuivre. Le bleu s'intensifie et le solide disparaît. Pourquoi ?
Réponse : B. C'est la redissolution par complexation. Les molécules de $NH_3$ entourent l'ion $Cu^{2+}$, "arrachant" les ions du cristal solide pour les mettre en solution.
Question 12 : Que se passe-t-il si on dilue une solution saturée en présence de son solide ?
Réponse : C. En ajoutant de l'eau, on diminue temporairement les concentrations. Le système réagit en dissolvant du solide pour revenir à l'état de saturation défini par le $K_s$.
Question 13 : Quel est le rôle d'un agent séquestrant (comme l'EDTA) ?
Réponse : A. L'EDTA est un ligand polydenté qui entoure complètement les ions métalliques (chélatation), les empêchant de réagir ailleurs (comme dans les détergents).
Question 14 : Peut-on comparer directement les solubilités de deux sels en comparant simplement leurs $K_s$ ?
Réponse : B. La relation entre $s$ et $K_s$ dépend des coefficients. Un sel avec un $K_s$ plus petit peut être plus soluble qu'un autre s'il libère plus d'ions (ex: $AB_2$ vs $AB$).
Question 15 : Dans un équilibre de complexation, qu'appelle-t-on "domaine de prédominance" ?
Réponse : D. Comme pour les couples acide-base avec le pH, on définit des zones (souvent en pL = -log[Ligand]) où l'ion libre ou les différents complexes successifs sont majoritaires.
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