Étude de la Solubilité du Diode (\(\text{I}_2\))
Contexte : Comprendre la solubilitéCapacité d'une substance (soluté) à se dissoudre dans une autre substance (solvant) pour former une solution homogène..
La solubilité est une propriété fondamentale en chimie qui décrit la capacité d'une substance à se dissoudre dans une autre pour former une solution. Elle est cruciale dans de nombreux domaines, de la préparation de médicaments à la compréhension de la pollution environnementale. Cet exercice vous propose d'étudier la solubilité du diode (iode, \(\text{I}_2\)) dans différents solvants et d'analyser les facteurs qui l'influencent.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous permettra d'appliquer les principes des interactions moléculaires et de la thermodynamique pour expliquer pourquoi certaines substances se dissolvent mieux dans certains solvants que dans d'autres. Vous apprendrez à manipuler les concepts de concentration et de solution saturée.
Objectifs Pédagogiques
- Définir et comprendre le concept de solubilité.
- Identifier les facteurs influençant la solubilité (\(\text{I}_2\)).
- Calculer des concentrations massiques et molaires.
- Interpréter une courbe de solubilité.
- Expliquer la règle "qui se ressemble s'assemble" en chimie.
Données de l'étude
Polarité des molécules et Solubilité attendue
Représentation 3D interactive de la dissolution de l'iode
| Paramètre / Substance | Description | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse molaire du Diode (\(\text{I}_2\)) | \(M(\text{I}_2)\) | 253.8 | \(\text{g/mol}\) |
| Solubilité de \(\text{I}_2\) dans l'eau à 20°C | \(S_{\text{eau, 20°C}}\) | 0.30 | \(\text{g/L}\) |
| Solubilité de \(\text{I}_2\) dans l'eau à 40°C | \(S_{\text{eau, 40°C}}\) | 0.50 | \(\text{g/L}\) |
| Solubilité de \(\text{I}_2\) dans l'éthanol | \(S_{\text{éthanol}}\) | 250 | \(\text{g/L}\) |
| Solubilité de \(\text{I}_2\) dans le cyclohexane | \(S_{\text{cyclohexane}}\) | 15 | \(\text{g/L}\) |
Questions à traiter
- Calculer la solubilité du diode dans l'eau à 20°C en \(\text{g/100 mL}\) et en \(\text{mol/L}\).
- Analyser l'influence de la température sur la solubilité du diode dans l'eau.
- Expliquer pourquoi la solubilité du diode est très différente dans l'eau, l'éthanol et le cyclohexane.
- Déterminer la masse maximale de diode qui peut être dissoute dans \(500 \, \text{mL}\) d'éthanol.
- Calculer la concentration molaire d'une solution saturée de diode dans le cyclohexane.
Les bases de la solubilité en chimie
Avant de commencer, rappelons quelques principes fondamentaux de la dissolution.
1. Définitions clés
- La solubilité (\(S\)) est la quantité maximale de soluté qui peut se dissoudre dans un certain volume de solvant à une température donnée. Elle s'exprime souvent en \(\text{g/L}\) ou en \(\text{mol/L}\).
- Une solution saturée est une solution qui contient la quantité maximale de soluté dissous. Tout ajout de soluté ne fera qu'augmenter la quantité de solide non dissous.
- Un soluté est la substance qui est dissoute.
- Un solvant est la substance dans laquelle le soluté est dissous.
2. La règle "qui se ressemble s'assemble"
Cette règle empirique est essentielle pour prédire la solubilité : les substances polaires se dissolvent bien dans les solvants polaires, et les substances apolaires se dissolvent bien dans les solvants apolaires.
- L'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)) est un solvant très polaire.
- L'éthanol (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}\)) a une partie polaire et une partie apolaire, ce qui en fait un bon solvant pour de nombreuses substances.
- Le cyclohexane (\(\text{C}_6\text{H}_{12}\)) est un solvant apolaire.
- Le diode (\(\text{I}_2\)) est une molécule apolaire.
3. Formules de concentration
La concentration massique (\(C_m\)) est la masse de soluté par volume de solution :
\[ C_m = \frac{m_{\text{soluté}}}{V_{\text{solution}}} \]
La concentration molaire (\(C\)) est la quantité de matière de soluté par volume de solution :
\[ C = \frac{n_{\text{soluté}}}{V_{\text{solution}}} \]
On a aussi la relation entre concentration massique et molaire :
\[ C_m = C \times M \]
Où \(M\) est la masse molaire du soluté.
Correction : Étude de la Solubilité du Diode
Question 1 : Calculer la solubilité du diode dans l'eau à 20°C en \(\text{g/100 mL}\) et en \(\text{mol/L}\).
Principe (le concept chimique)
La solubilité est une concentration. Il s'agit de convertir une unité de concentration (\(\text{g/L}\)) en d'autres unités courantes (\(\text{g/100 mL}\) et \(\text{mol/L}\)) en utilisant des facteurs de conversion et la masse molaire du soluté.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Les unités de concentration sont essentielles pour quantifier la composition d'une solution. La concentration massique est intuitive (masse par volume), tandis que la concentration molaire est plus utile pour les calculs stœchiométriques car elle représente le nombre de particules.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Soyez attentif aux unités ! Une erreur de conversion entre litres et millilitres, ou entre grammes et moles, est très fréquente. Pensez toujours à vérifier la cohérence de vos unités à chaque étape du calcul.
Normes (la référence scientifique)
Les solubilités sont généralement mesurées à des conditions de température et de pression standard pour permettre la comparaison des données. Les unités \(\text{g/L}\) et \(\text{mol/L}\) sont les unités du Système International (\(\text{SI}\)) ou des unités dérivées couramment utilisées en chimie.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Conversion \(\text{g/L}\) en \(\text{g/100 mL}\) :
Conversion \(\text{g/L}\) en \(\text{mol/L}\) :
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que la solubilité donnée est exacte et que la masse molaire du diode est celle fournie.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Solubilité \(\text{I}_2\) dans l'eau à 20°C : \(0.30 \, \text{g/L}\)
- Masse molaire du diode (\(\text{I}_2\)) : \(253.8 \, \text{g/mol}\)
Astuces(Pour aller plus vite)
Pour convertir des \(\text{g/L}\) en \(\text{g/100 mL}\), il suffit de diviser la valeur par 10. Pour convertir des \(\text{g/L}\) en \(\text{mol/L}\), divisez par la masse molaire.
Schéma (Avant les calculs)
Conversion d'unités de solubilité
Calcul(s) (l'application numérique)
1. Solubilité en \(\text{g/100 mL}\) :
2. Solubilité en \(\text{mol/L}\) :
Schéma (Après les calculs)
Solubilité du Diode dans l'eau à 20°C
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Ces conversions nous permettent d'exprimer la solubilité de l'iode dans l'eau de différentes manières, selon le contexte des calculs ou des expériences. La faible valeur en \(\text{g/L}\) et \(\text{mol/L}\) confirme que l'iode est peu soluble dans l'eau.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Assurez-vous de diviser par 1000 pour passer des litres aux millilitres (ou multiplier par 1000 pour l'inverse) et de bien utiliser la masse molaire pour les conversions entre masse et quantité de matière.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- La solubilité peut être exprimée en différentes unités de concentration.
- La masse molaire est nécessaire pour convertir entre concentration massique et molaire.
Le saviez-vous ? (la culture scientifique)
L'iode est un élément essentiel pour la thyroïde humaine. Une carence en iode peut entraîner des problèmes de santé comme le goitre. C'est pourquoi le sel de table est souvent iodé dans de nombreux pays.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Si la solubilité de l'iode dans un autre solvant était de \(5.0 \, \text{g/L}\), quelle serait sa solubilité en \(\text{mol/L}\) ?
Question 2 : Analyser l'influence de la température sur la solubilité du diode dans l'eau.
Principe (le concept chimique)
La température est un facteur clé influençant la solubilité. Pour la plupart des solides dans les liquides, la solubilité augmente avec la température. Il s'agit d'observer cette tendance pour l'iode dans l'eau à partir des données fournies.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
La dissolution est un processus qui peut être endothermique (absorbe de la chaleur) ou exothermique (libère de la chaleur). Pour les solides, la dissolution est souvent endothermique, ce qui signifie qu'une augmentation de température favorise le processus et donc augmente la solubilité (principe de Le Châtelier).
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
En chimie, l'observation des tendances est aussi importante que le calcul. Apprenez à lire et à interpréter des tableaux de données ou des graphiques pour en tirer des conclusions qualitatives avant de passer aux calculs.
Normes (la référence scientifique)
Les courbes de solubilité sont des représentations graphiques standardisées de la variation de la solubilité d'un soluté en fonction de la température. Elles sont établies expérimentalement et sont spécifiques à chaque couple soluté-solvant.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Pas de formule spécifique pour l'analyse qualitative, mais on peut calculer le coefficient de température de la solubilité :
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que la relation entre la solubilité et la température est linéaire ou suit une tendance générale sur la plage de température étudiée.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Solubilité \(\text{I}_2\) dans l'eau à 20°C : \(0.30 \, \text{g/L}\)
- Solubilité \(\text{I}_2\) dans l'eau à 40°C : \(0.50 \, \text{g/L}\)
Astuces(Pour aller plus vite)
Visualisez les données sur un graphique mentalement ou esquissez-le rapidement. Cela aide à voir la tendance plus clairement.
Schéma (Avant les calculs)
Solubilité de \(\text{I}_2\) dans l'eau vs Température
Calcul(s) (l'application numérique)
1. Comparaison des valeurs :
2. Calcul de l'augmentation :
3. Pourcentage d'augmentation :
Schéma (Après les calculs)
Influence de la Température
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Les données montrent clairement que la solubilité du diode dans l'eau augmente avec la température. Une augmentation de 20°C de la température entraîne une augmentation significative de la solubilité (environ 67%).
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne généralisez pas cette tendance à tous les solutés. La solubilité des gaz dans les liquides, par exemple, diminue généralement avec l'augmentation de la température.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- Pour la plupart des solides, la solubilité augmente avec la température.
- Cette relation peut être visualisée sur une courbe de solubilité.
Le saviez-vous ? (la culture scientifique)
La solubilité du sucre dans l'eau est un exemple quotidien de l'influence de la température. Il est beaucoup plus facile de dissoudre une grande quantité de sucre dans de l'eau chaude que dans de l'eau froide, ce qui est utilisé pour faire des sirops concentrés.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Si la solubilité d'un solide était de \(10 \, \text{g/L}\) à 25°C et \(15 \, \text{g/L}\) à 50°C, quel est le pourcentage d'augmentation de sa solubilité ?
Question 3 : Expliquer pourquoi la solubilité du diode est très différente dans l'eau, l'éthanol et le cyclohexane.
Principe (le concept chimique)
La différence de solubilité s'explique par la nature des interactions intermoléculaires entre le soluté (\(\text{I}_2\)) et les différents solvants (eau, éthanol, cyclohexane). La règle "qui se ressemble s'assemble" est la clé.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Les interactions intermoléculaires comprennent les liaisons hydrogène, les forces de Van der Waals (forces de London, forces dipôle-dipôle) et les interactions ion-dipôle. La dissolution est favorisée lorsque les forces d'attraction entre soluté-solvant sont comparables ou plus fortes que les forces soluté-soluté et solvant-solvant.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Pour expliquer la solubilité, identifiez d'abord la polarité du soluté et du solvant. C'est la première étape pour appliquer la règle "qui se ressemble s'assemble" et prédire la solubilité.
Normes (la référence scientifique)
Le concept de polarité et de forces intermoléculaires est un pilier de la chimie physique, essentiel pour comprendre les propriétés des substances et leurs interactions.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Pas de formule directe, mais la compréhension des structures moléculaires est essentielle :
Hypothèses (le cadre du calcul)
L'explication repose sur les modèles de polarité et d'interactions intermoléculaires.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Solubilité \(\text{I}_2\) dans l'eau : faible
- Solubilité \(\text{I}_2\) dans l'éthanol : élevée
- Solubilité \(\text{I}_2\) dans le cyclohexane : moyenne
Astuces(Pour aller plus vite)
Classez les solvants par polarité croissante : cyclohexane (apolaire) \(\Rightarrow\) éthanol (intermédiaire) \(\Rightarrow\) eau (polaire). Le diode est apolaire, donc il sera plus soluble dans les solvants apolaires.
Schéma (Avant les calculs)
Polarité des molécules
Calcul(s) (l'application numérique)
Il n'y a pas de calculs numériques directs pour cette question explicative. L'analyse est qualitative.
Schéma (Après les calculs)
Solubilité et Polarité
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Le diode est apolaire. Il est donc très peu soluble dans l'eau (polaire), moyennement soluble dans le cyclohexane (apolaire, interactions de London), et très soluble dans l'éthanol (qui possède une partie apolaire importante et peut former des liaisons hydrogène faibles avec l'iode, bien que ce soit moins le facteur principal).
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne confondez pas les types d'interactions. L'eau forme des liaisons hydrogène fortes, ce qui rend difficile la dissolution de molécules apolaires comme \(\text{I}_2\).
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- La solubilité dépend de la polaritéCaractère d'une molécule qui possède des charges partielles positives et négatives, créant un dipôle électrique. du soluté et du solvant.
- La règle "qui se ressemble s'assemble" est un bon guide.
Le saviez-vous ? (la culture scientifique)
Les graisses et les huiles sont apolaires, c'est pourquoi elles ne se mélangent pas avec l'eau (polaire). Pour les nettoyer, on utilise des savons ou des détergents, qui sont des molécules amphiphiles (ayant une partie polaire et une partie apolaire), leur permettant d'interagir avec l'eau et les graisses.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Quel type de solvant (polaire ou apolaire) serait le plus adapté pour dissoudre du sel de table (\(\text{NaCl}\), ionique) ?
Question 4 : Déterminer la masse maximale de diode qui peut être dissoute dans \(500 \, \text{mL}\) d'éthanol.
Principe (le concept chimique)
La solubilité représente la concentration maximale d'un soluté dans un solvant. Pour trouver la masse maximale qui peut être dissoute, on multiplie la solubilité (en concentration massique) par le volume du solvant.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Cette opération est un calcul de concentration massique "à l'envers". Si \(C_m = m/V\), alors \(m = C_m \times V\). Il est crucial de s'assurer que les unités de volume de la concentration et du volume de solvant sont cohérentes (par exemple, les deux en Litres).
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Toujours convertir les volumes en Litres avant d'utiliser des solubilités données en \(\text{g/L}\) ou \(\text{mol/L}\). C'est une source fréquente d'erreurs de calcul.
Normes (la référence scientifique)
Les calculs de masse maximale dissoute sont des applications directes de la définition de la solubilité et des concentrations, des concepts fondamentaux en chimie quantitative.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Masse de soluté :
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que la température est celle pour laquelle la solubilité est donnée (température ambiante implicite pour l'éthanol) et que la dissolution est complète jusqu'à saturation.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Volume d'éthanol : \(500 \, \text{mL}\)
- Solubilité de \(\text{I}_2\) dans l'éthanol : \(250 \, \text{g/L}\)
Astuces(Pour aller plus vite)
Pensez à la proportionnalité : si 1 L dissout 250 g, alors 0.5 L dissout la moitié.
Schéma (Avant les calculs)
Calcul de la masse dissoute
Calcul(s) (l'application numérique)
1. Conversion du volume en Litres :
2. Calcul de la masse maximale de diode :
Schéma (Après les calculs)
Masse maximale de Diode dissoute
Réflexions (l'interprétation du résultat)
On peut dissoudre une masse très importante de diode dans l'éthanol, ce qui confirme sa grande solubilité dans ce solvant. Cela contraste fortement avec sa faible solubilité dans l'eau.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Vérifiez toujours que les unités de volume sont cohérentes entre la solubilité et le volume de solvant. Utilisez des facteurs de conversion si nécessaire.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- La masse maximale dissoute est le produit de la solubilité (en \(\text{g/L}\)) par le volume de solvant (en \(\text{L}\)).
- L'éthanol est un excellent solvant pour l'iode.
Le saviez-vous ? (la culture scientifique)
La "teinture d'iode" est une solution antiseptique et désinfectante contenant de l'iode dissous dans de l'éthanol (ou un mélange éthanol-eau). Son efficacité est due à la capacité de l'iode à oxyder les composants cellulaires des micro-organismes.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Quelle masse maximale de diode peut être dissoute dans \(250 \, \text{mL}\) de cyclohexane ?
Question 5 : Calculer la concentration molaire d'une solution saturée de diode dans le cyclohexane.
Principe (le concept chimique)
La concentration molaire (\(C\)) d'une solution saturée est égale à la solubilité exprimée en \(\text{mol/L}\). Il s'agit de convertir la solubilité donnée en \(\text{g/L}\) en \(\text{mol/L}\) en utilisant la masse molaire du diode.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
La concentration molaire est une mesure de la quantité de substance (en moles) par unité de volume de solution. Elle est particulièrement utile pour les calculs de réactions chimiques, car elle permet de relier directement les quantités de réactifs et de produits.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Rappelez-vous la formule \(n = m/M\). Ici, la masse \(m\) est la solubilité massique par litre, et \(V\) est 1 litre, donc \(C = S_{\text{massique}}/M\).
Normes (la référence scientifique)
La concentration molaire est une des unités de concentration les plus utilisées en chimie, standardisée par le Système International d'Unités (\(\text{SI}\)).
Formule(s) (l'outil mathématique)
Concentration molaire :
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que la solubilité donnée est la valeur à saturation et que la masse molaire du diode est exacte.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Solubilité de \(\text{I}_2\) dans le cyclohexane : \(15 \, \text{g/L}\)
- Masse molaire du diode (\(\text{I}_2\)) : \(253.8 \, \text{g/mol}\)
Astuces(Pour aller plus vite)
Utilisez la relation directe \(C = C_m / M\). C'est une conversion fondamentale à maîtriser.
Schéma (Avant les calculs)
Conversion de concentration massique en molaire
Calcul(s) (l'application numérique)
Calcul de la concentration molaire :
Schéma (Après les calculs)
Concentration molaire saturée
Réflexions (l'interprétation du résultat)
La concentration molaire de la solution saturée de diode dans le cyclohexane est de \(0.0591 \, \text{mol/L}\). Cette valeur est significativement plus élevée que celle dans l'eau, mais bien inférieure à ce que l'on obtiendrait dans l'éthanol, ce qui reflète les différences de polarité des solvants.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Assurez-vous d'utiliser la masse molaire correcte pour le soluté. Une erreur de masse molaire entraînera une erreur sur la concentration molaire.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- La concentration molaire d'une solution saturée est sa solubilité en \(\text{mol/L}\).
- La conversion entre \(\text{g/L}\) et \(\text{mol/L}\) se fait via la masse molaire.
Le saviez-vous ? (la culture scientifique)
Le cyclohexane est un solvant organique couramment utilisé en laboratoire pour des extractions ou des réactions nécessitant un milieu apolaire. Il est souvent préféré au benzène pour des raisons de sécurité, car le benzène est cancérigène.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Quelle est la concentration molaire d'une solution saturée de diode dans l'eau à 20°C ?
Outil Interactif : Simulateur de Solubilité du Diode
Modifiez les paramètres pour voir l'influence sur la dissolution de l'iode.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Le Saviez-Vous ?
La solubilité du dioxygène (\(\text{O}_2\)) dans l'eau est faible, mais suffisante pour la vie aquatique. Les poissons respirent l'oxygène dissous dans l'eau. Une augmentation de la température de l'eau (par exemple, due à la pollution thermique) diminue la solubilité de l'oxygène, ce qui peut avoir des conséquences désastreuses pour les écosystèmes aquatiques.
Foire Aux Questions (FAQ)
Comment la taille des particules affecte-t-elle la vitesse de dissolution ?
Une taille de particule plus petite augmente la surface de contact entre le soluté et le solvant. Cela n'affecte pas la solubilité maximale (la quantité qui peut être dissoute), mais cela augmente la vitesse à laquelle le soluté se dissout.
Qu'est-ce qu'une solution sursaturée ?
Une solution sursaturée est une solution qui contient plus de soluté dissous qu'une solution saturée à la même température. C'est un état instable, souvent obtenu en refroidissant lentement une solution saturée. L'ajout d'un petit cristal de soluté peut provoquer une cristallisation rapide de l'excès de soluté.
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. La solubilité du dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) dans l'eau gazeuse diminue si...
2. Quelle est l'unité de la concentration molaire ?
- Solubilité
- Capacité d'une substance (soluté) à se dissoudre dans une autre substance (solvant) pour former une solution homogène.
- Soluté
- Substance qui est dissoute dans un solvant pour former oune solution.
- Solvant
- Substance, généralement liquide, dans laquelle un soluté est dissous pour former une solution.
- Solution saturée
- Solution qui contient la quantité maximale de soluté qui peut être dissoute à une température et pression données. Tout soluté ajouté en excès restera non dissous.
- Concentration massique
- Quantité de masse de soluté par unité de volume de solution, souvent exprimée en \(\text{g/L}\).
- Concentration molaire
- Quantité de matière (en moles) de soluté par unité de volume de solution, exprimée en \(\text{mol/L}\).
- Polaire
- Qualifie une molécule qui possède une répartition inégale des charges électriques, créant un dipôle permanent (ex: eau).
- Apolaire
- Qualifie une molécule qui ne possède pas de dipôle permanent, ou dont les dipôles s'annulent (ex: diode, cyclohexane).
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