Solubilité et dissolution

Les prérequis, en trente secondes

Avant de parler de dissolution, il faut trois choses en tête. Rien de plus.

1. La masse se mesure en grammes (g). On la mesure avec une balance. C'est la seule grandeur dont tu auras besoin ici.

2. Un mélange homogène est un mélange dans lequel on ne distingue plus les constituants à l'oeil nu : il est uniforme, transparent ou coloré, mais sans morceau visible ni dépôt.

3. Un mélange hétérogène, au contraire, laisse voir plusieurs parties : des grains au fond, des morceaux qui flottent, deux couches distinctes.

Toute la leçon consiste à savoir dans quel cas on tombe quand on verse un solide dans un liquide, et à combien la masse revient à la fin.

L'essentiel en mots simples et les relations clés

Tu verses du sucre dans de l'eau et tu remues : le sucre semble disparaître. On dit qu'il s'est dissous, et le phénomène s'appelle la dissolution. Le résultat est un mélange homogène qu'on appelle une solution.

Deux mots de vocabulaire, à ne jamais inverser :

Le solvant, c'est le liquide dans lequel on dissout (le plus souvent l'eau).

Le soluté, c'est la substance que l'on dissout (le sucre, le sel).

Attention : le sucre n'a pas disparu. Il est devenu invisible, mais il est toujours là. La preuve : la masse est conservée.

Première relation à retenir, la conservation de la masse :

$m_{\text{solution}} = m_{\text{solvant}} + m_{\text{soluté}}$

Deuxième idée : on ne peut pas dissoudre indéfiniment. La solubilité, notée $s$, est la masse maximale de soluté, en grammes, que l'on peut dissoudre dans $100$ g de solvant, à une température donnée.

Dès que l'on atteint cette limite, la solution est saturée : elle contient tout le soluté qu'elle peut contenir. Et si on la dépasse, le soluté en trop ne se dissout pas et reste visible au fond du récipient.

Un exemple entièrement traité

Énoncé. On dissout $5{,}0$ g de sel dans $200$ g d'eau. Quelle est la masse de la solution obtenue ?

Étape 1 — j'identifie. Le solvant est l'eau, de masse $m_{\text{solvant}} = 200$ g. Le soluté est le sel, de masse $m_{\text{soluté}} = 5{,}0$ g.

Étape 2 — j'écris la relation.

$m_{\text{solution}} = m_{\text{solvant}} + m_{\text{soluté}}$

Étape 3 — je remplace par les valeurs.

$m_{\text{solution}} = 200 + 5{,}0$

Étape 4 — je calcule et je conclus.

$m_{\text{solution}} = 205{,}0$ g

La solution obtenue a une masse de $205{,}0$ g. Le sel est invisible, mais ses $5{,}0$ g sont bien comptés dans le total : rien ne s'est perdu.

Les définitions, écrites proprement

Dissolution. C'est le phénomène au cours duquel un soluté se disperse dans un solvant jusqu'à devenir invisible à l'oeil nu. Le mélange obtenu est homogène.

Solution. C'est le mélange homogène obtenu après dissolution. Une solution contient au moins deux substances : ce n'est donc jamais un corps pur.

Solvant. C'est le liquide dans lequel la dissolution a lieu. C'est le constituant présent en plus grande quantité. Quand le solvant est l'eau, on parle de solution aqueuse.

Soluté. C'est la substance dissoute dans le solvant. Elle peut être solide (sel, sucre), mais aussi liquide ou gazeuse.

Solubilité $s$. C'est la masse maximale de soluté, exprimée en grammes, que l'on peut dissoudre dans $100$ g de solvant, à une température donnée. Une valeur de solubilité n'a de sens que si on précise le soluté, le solvant et la température.

Solution saturée. C'est une solution qui contient la quantité maximale de soluté dissous. Si on en ajoute davantage, l'excès ne se dissout pas et forme un dépôt au fond du récipient : le mélange devient alors hétérogène.

Et la relation de base, valable dans tous les cas :

$m_{\text{solution}} = m_{\text{solvant}} + m_{\text{soluté}}$

Cette relation traduit la conservation de la masse : au cours d'une dissolution, aucune matière n'apparaît ni ne disparaît.

La méthode pas-à-pas, et les deux cas à distinguer

Face à n'importe quelle situation de dissolution, tu déroules toujours les mêmes étapes.

Étape 1. J'identifie le solvant (le liquide) et le soluté (la substance ajoutée).

Étape 2. J'observe le mélange. Est-il homogène, c'est-à-dire uniforme, sans dépôt ni morceau visible ? Si oui, c'est une solution.

Étape 3. Je compare la masse de soluté ajoutée à ce que la solubilité autorise. Si elle atteint cette limite, la solution est saturée ; si elle la dépasse, un dépôt apparaît en plus.

Pour l'étape 3, comme la solubilité est donnée pour $100$ g de solvant, il faut souvent l'adapter à la masse de solvant réellement utilisée. On calcule la masse maximale dissoute :

$m_{\text{max}} = s \times \dfrac{m_{\text{solvant}}}{100}$

Ensuite, deux cas et deux seulement.

Cas 1 : la solution n'est pas saturée. Si $m_{\text{soluté}} < m_{\text{max}}$, tout le soluté se dissout et on pourrait encore en ajouter. Le mélange est homogène, il n'y a pas de dépôt, et la masse de la solution vaut $m_{\text{solvant}} + m_{\text{soluté}}$.

Cas 2 : la solution est saturée. Si $m_{\text{soluté}} \geqslant m_{\text{max}}$, la solution contient la masse maximale de soluté qu'elle peut dissoudre, soit $m_{\text{max}}$ : elle est saturée. Le reste, de masse $m_{\text{dépôt}} = m_{\text{soluté}} - m_{\text{max}}$, se dépose au fond.

Le cas limite, à connaître. Si $m_{\text{soluté}} = m_{\text{max}}$ exactement, on est pile à la frontière : tout se dissout, donc $m_{\text{dépôt}} = 0$ et le mélange reste homogène, mais la solution est bien saturée, puisqu'elle contient déjà la quantité maximale dissoute et qu'on ne peut plus rien y ajouter. Retiens le seuil sous cette forme : saturée dès $m_{\text{soluté}} \geqslant m_{\text{max}}$, avec dépôt seulement si $m_{\text{soluté}} > m_{\text{max}}$.

Dernier point à connaître : la solubilité dépend de la température. En général, un solide se dissout d'autant mieux que le solvant est chaud. C'est pour cela que le sucre se dissout plus facilement dans un thé brûlant que dans un thé glacé.

Deux exemples traités du cours

Exemple A — conservation de la masse.

On dissout $5{,}0$ g de sel dans $200$ g d'eau.

Solvant : l'eau, $m_{\text{solvant}} = 200$ g. Soluté : le sel, $m_{\text{soluté}} = 5{,}0$ g.

$m_{\text{solution}} = m_{\text{solvant}} + m_{\text{soluté}} = 200 + 5{,}0$

$m_{\text{solution}} = 205{,}0$ g

Exemple B — solution saturée.

La solubilité du sel à $20\,°\text{C}$ est de $36$ g pour $100$ g d'eau. On ajoute $40$ g de sel dans $100$ g d'eau.

Ici la masse de solvant est exactement $100$ g, donc la masse maximale dissoute est directement $m_{\text{max}} = 36$ g.

On compare : $40 > 36$, donc la solution sera saturée.

Seuls $36$ g de sel se dissolvent.

$m_{\text{dépôt}} = 40 - 36 = 4$ g

Les $4$ g en excès restent visibles au fond du récipient : la solution est saturée, et l'ensemble du contenu du bécher est un mélange hétérogène.

Vérifions la conservation de la masse : $100 + 40 = 140$ g de matière au départ. À l'arrivée, la solution pèse $100 + 36 = 136$ g et le dépôt pèse $4$ g, soit $136 + 4 = 140$ g. Rien n'a été perdu.

Exemple 1 — adapter la solubilité à la masse d'eau réelle

Énoncé. On verse $15$ g de sel dans $50$ g d'eau à $20\,°\text{C}$. La solubilité du sel à cette température est $s = 36$ g pour $100$ g d'eau. Tout le sel se dissout-il ? Quelle est la masse du mélange obtenu ?

On identifie d'abord. Solvant : eau, $m_{\text{solvant}} = 50$ g. Soluté : sel, $m_{\text{soluté}} = 15$ g.

Attention au piège. La solubilité est donnée pour $100$ g d'eau, mais ici on n'a que $50$ g d'eau, soit deux fois moins. On ne peut donc pas dissoudre $36$ g : il faut ramener la valeur à $50$ g d'eau.

$m_{\text{max}} = s \times \dfrac{m_{\text{solvant}}}{100} = 36 \times \dfrac{50}{100}$

$m_{\text{max}} = 36 \times 0{,}5 = 18$ g

Dans $50$ g d'eau, on peut donc dissoudre au maximum $18$ g de sel.

On compare. On a versé $15$ g, et $15 < 18$.

Conclusion sur la dissolution. La masse versée reste strictement inférieure à la limite : tout le sel se dissout, il n'y a pas de dépôt, le mélange est homogène. La solution n'est pas saturée, on pourrait encore ajouter du sel.

On calcule la masse. Puisque tout est dissous :

$m_{\text{solution}} = m_{\text{solvant}} + m_{\text{soluté}} = 50 + 15$

$m_{\text{solution}} = 65$ g

La solution obtenue a une masse de $65$ g.

Exemple 2 — cette fois, ça déborde

Énoncé. On verse $30$ g de sel dans $75$ g d'eau à $20\,°\text{C}$, avec toujours $s = 36$ g pour $100$ g d'eau. Décris ce que l'on observe, puis donne la masse de la solution et celle du dépôt.

Même point de départ : on calcule la limite.

$m_{\text{max}} = 36 \times \dfrac{75}{100}$

$m_{\text{max}} = 36 \times 0{,}75 = 27$ g

Dans $75$ g d'eau, on ne peut pas dissoudre plus de $27$ g de sel.

On compare. On a versé $30$ g, et $30 > 27$. Cette fois, on dépasse.

On décrit ce qu'on observe. Seuls $27$ g de sel se dissolvent. Le sel restant ne peut plus se dissoudre : il tombe et forme un dépôt blanc au fond du bécher, même si l'on remue longtemps. La solution est saturée.

$m_{\text{dépôt}} = m_{\text{soluté}} - m_{\text{max}} = 30 - 27$

$m_{\text{dépôt}} = 3$ g

On calcule la masse de la solution. Attention, la solution ne contient que le sel dissous, donc $27$ g et non $30$ g :

$m_{\text{solution}} = 75 + 27$

$m_{\text{solution}} = 102$ g

Vérification par la conservation de la masse. Au départ, on a mis $75 + 30 = 105$ g de matière dans le bécher. À l'arrivée : $102$ g de solution $+\ 3$ g de dépôt $= 105$ g. Le compte est bon.

Exemple 3 — remonter la relation à l'envers

Énoncé. Une solution sucrée a une masse de $260$ g. Elle a été préparée en dissolvant $12$ g de sucre. Quelle masse d'eau a-t-on utilisée ?

On repère ce qu'on connaît. Ici, c'est la masse de la solution qui est donnée, et c'est la masse de solvant qu'on cherche. On part donc de la même relation, mais on la lit dans l'autre sens.

$m_{\text{solution}} = m_{\text{solvant}} + m_{\text{soluté}}$

On isole l'inconnue. La masse d'eau est ce qu'il reste quand on retire le sucre du total :

$m_{\text{solvant}} = m_{\text{solution}} - m_{\text{soluté}}$

On remplace.

$m_{\text{solvant}} = 260 - 12$

$m_{\text{solvant}} = 248$ g

On a utilisé $248$ g d'eau.

Le réflexe qui rassure : on refait le calcul dans le sens normal pour vérifier. $248 + 12 = 260$ g, ce qui correspond bien à l'énoncé. Chaque fois que tu inverses une relation, cette vérification prend cinq secondes et t'évite une erreur de signe.

Les subtilités que le contrôle vient chercher

Subtilité 1 — une solubilité sans température ne veut rien dire. Écrire « la solubilité du sel est $36$ g » est incomplet. Il faut « $36$ g pour $100$ g d'eau, à $20\,°\text{C}$ ». La solubilité augmente en général avec la température pour un solide : c'est exactement ce qu'un énoncé exploite quand il te fait chauffer ou refroidir un mélange.

Subtilité 2 — la solution ne contient que le soluté dissous. Quand il y a un dépôt, la masse de la solution ne se calcule pas avec toute la masse versée, mais seulement avec la part réellement dissoute. Le dépôt, lui, se compte à part.

Subtilité 3 — la masse se conserve, mais pas forcément le volume. C'est la masse, et elle seule, qui se conserve lors d'une dissolution. Le volume de la solution n'est pas nécessairement égal à la somme des volumes de départ. Si un énoncé te parle de volumes, ne les additionne pas machinalement.

Subtilité 4 — homogène n'est pas synonyme de pur. Une eau salée limpide est parfaitement homogène et n'est pourtant pas un corps pur : elle contient de l'eau et du sel. Les deux notions sont indépendantes.

Subtilité 5 — qui est le solvant ? C'est le constituant présent en plus grande quantité, en pratique le liquide. Le sel dissous dans l'eau, ce n'est pas l'eau dissoute dans le sel.

Deux problèmes types entièrement résolus

Problème 1 — la cuisine, la balance et le dépôt

Énoncé. Pour préparer une saumure, on verse $50$ g de gros sel dans $120$ g d'eau à $20\,°\text{C}$, puis on remue longuement. Donnée : la solubilité du sel à $20\,°\text{C}$ est $s = 36$ g pour $100$ g d'eau.
1. Le sel se dissout-il entièrement ? Justifie.
2. Quelle masse de sel reste au fond du récipient ?
3. Quelle est la masse de la solution obtenue ?
4. Vérifie que la masse totale est conservée.

Question 1. Je calcule la masse maximale de sel que $120$ g d'eau peuvent dissoudre à cette température.

$m_{\text{max}} = s \times \dfrac{m_{\text{solvant}}}{100} = 36 \times \dfrac{120}{100}$

$m_{\text{max}} = 36 \times 1{,}2 = 43{,}2$ g

Je compare à la masse versée : $50 > 43{,}2$.

La masse de sel versée dépasse la masse maximale dissoute : le sel ne se dissout donc pas entièrement, la solution est saturée.

Question 2. Le sel en excès forme le dépôt.

$m_{\text{dépôt}} = 50 - 43{,}2$

$m_{\text{dépôt}} = 6{,}8$ g

Il reste $6{,}8$ g de sel au fond du récipient.

Question 3. La solution contient l'eau et le sel dissous, c'est-à-dire $43{,}2$ g de sel, pas $50$ g.

$m_{\text{solution}} = 120 + 43{,}2$

$m_{\text{solution}} = 163{,}2$ g

Question 4. Masse totale versée au départ : $120 + 50 = 170$ g.

Masse totale à l'arrivée : $163{,}2 + 6{,}8 = 170$ g.

Les deux valeurs sont égales : la masse est bien conservée au cours de la dissolution.

Problème 2 — on chauffe, on refroidit, ça réapparaît

Énoncé. Un solide S a une solubilité de $45$ g pour $100$ g d'eau à $60\,°\text{C}$, et de $20$ g pour $100$ g d'eau à $20\,°\text{C}$. On dissout $45$ g de S dans $100$ g d'eau chaude à $60\,°\text{C}$ : tout se dissout et la solution est limpide. On laisse ensuite refroidir jusqu'à $20\,°\text{C}$.
1. Que se passe-t-il pendant le refroidissement ? Explique.
2. Quelle masse de solide réapparaît au fond ?
3. Quelle est alors la masse de la solution ?

Question 1. À $60\,°\text{C}$, $100$ g d'eau peuvent dissoudre au maximum $45$ g de S, donc $m_{\text{max}} = 45$ g. Je compare à la masse versée : $45 = 45$, soit $m_{\text{soluté}} = m_{\text{max}}$. C'est le cas limite : tout se dissout, il n'y a aucun dépôt et le mélange est homogène, mais la solution est déjà saturée puisqu'elle contient la quantité maximale dissoute à cette température.

En refroidissant, la solubilité diminue : à $20\,°\text{C}$, la même masse d'eau ne peut plus dissoudre que $20$ g de S.

L'eau ne peut donc plus garder tout le solide en solution : l'excès ne peut plus rester dissous et réapparaît sous forme d'un dépôt solide au fond du récipient. La solution est de nouveau saturée, mais à une température plus basse.

Question 2. La masse qui réapparaît est la différence entre ce qui était dissous et ce qui peut encore l'être.

$m_{\text{dépôt}} = 45 - 20$

$m_{\text{dépôt}} = 25$ g

Il réapparaît $25$ g de solide S.

Question 3. La solution à $20\,°\text{C}$ contient les $100$ g d'eau et les $20$ g encore dissous.

$m_{\text{solution}} = 100 + 20$

$m_{\text{solution}} = 120$ g

Contrôle final : $120 + 25 = 145$ g, soit exactement $100 + 45$ g mis au départ. La masse totale n'a pas changé, elle s'est seulement répartie autrement.

Ce que le correcteur attend, et les pièges classiques

Ce que le correcteur veut lire.

Une comparaison explicite avant toute conclusion : écris noir sur blanc « $50 > 43{,}2$ », puis conclus. Sans la comparaison, la conclusion est jugée devinée.

La relation littérale avant les nombres : $m_{\text{solution}} = m_{\text{solvant}} + m_{\text{soluté}}$ écrite d'abord, valeurs remplacées ensuite. C'est souvent un point à lui seul.

Les unités partout : un résultat sans « g » perd des points, même si le nombre est juste.

Une phrase de conclusion en français qui répond à la question posée : « la solution est saturée et il reste $6{,}8$ g de sel au fond du bécher ».

Le vocabulaire exact : dissolution, soluté, solvant, solution, saturée, homogène. Ce sont les mots que le barème cherche.

Les pièges classiques.

Piège 1 — croire que le soluté a disparu. Il est invisible, pas absent. C'est pour cela que la masse est conservée. Ne réponds jamais que la masse diminue après dissolution.

Piège 2 — utiliser la solubilité sans l'adapter. $s$ est donnée pour $100$ g de solvant. Avec $50$, $75$ ou $120$ g d'eau, il faut recalculer $m_{\text{max}}$.

Piège 3 — compter le dépôt dans la solution. Le dépôt n'est pas dissous : il ne fait pas partie de la solution, il se compte séparément.

Piège 4 — oublier la température. Un solide se dissout en général mieux à chaud. Si l'énoncé chauffe ou refroidit, c'est que la réponse en dépend.

Piège 5 — confondre homogène et corps pur. Une solution limpide reste un mélange.

Piège 6 — inverser solvant et soluté. Le solvant est le liquide, présent en plus grande quantité.

Pourquoi la masse se conserve : le film au niveau microscopique

En 5e, on constate que la masse se conserve. En 4e, on apprend l'explication : la matière est constituée d'entités extrêmement petites, invisibles à l'oeil nu.

Quand le sel se dissout, ses entités ne sont pas détruites : elles se séparent les unes des autres et vont se disperser entre celles de l'eau, régulièrement dans tout le liquide. C'est exactement pour cela que la solution est homogène : à notre échelle, le mélange paraît uniforme parce que le soluté est réparti partout de la même façon.

Et comme aucune entité n'est perdue en route, la masse totale ne change pas. La conservation de la masse n'est donc pas une règle arbitraire à apprendre : c'est la conséquence directe du fait qu'on n'a fait que déplacer de la matière, jamais la faire disparaître.

Ce même raisonnement explique la subtilité sur le volume : les entités du soluté peuvent se glisser dans les espaces libres entre celles du solvant. On ajoute de la matière sans ajouter autant de place, donc le volume final n'est pas forcément la somme des volumes. La masse, elle, s'additionne toujours.

Et la saturation, dans ce tableau ? Elle correspond au moment où le solvant ne peut plus disperser davantage d'entités de soluté : les suivantes restent groupées entre elles, donc solides, donc visibles au fond.

Les notions voisines, et comment elles se répondent

Dissolution et changement d'état, à ne pas confondre. Un glaçon qui fond, c'est de l'eau solide qui devient de l'eau liquide : un seul corps, qui change d'état. Du sucre qui se dissout, c'est deux corps qui se mélangent, et le sucre reste du sucre. Dans les deux cas, en revanche, la masse se conserve. Tu retrouveras cette conservation dans la fiche sur la conservation de la masse lors des changements d'état : c'est la même idée appliquée à une autre transformation.

Comment défaire une dissolution ? On ne peut pas récupérer le sel dissous par filtration : le filtre laisse passer le soluté avec l'eau, puisqu'il est dispersé au niveau des entités. En revanche, la filtration retire parfaitement le dépôt d'une solution saturée, qui, lui, est solide et visible. Pour récupérer le soluté dissous, il faut faire partir le solvant, par exemple par évaporation. Cette différence de comportement est une question de contrôle classique en 5e et en 4e.

Le lien avec corps purs et mélanges. Une solution est un mélange homogène ; l'eau salée n'est donc pas un corps pur. C'est aussi ce qui explique une expérience que tu croiseras plus tard : l'eau pure bout à $100\,°\text{C}$ sous pression normale, mais l'eau salée n'a pas ce comportement simple, précisément parce que ce n'est pas un corps pur.

Et les gaz ? Un soluté n'est pas forcément solide. Une eau pétillante est une solution dans laquelle un gaz est dissous. Fait remarquable : contrairement à la plupart des solides, un gaz se dissout d'autant moins que le liquide est chaud. C'est pourquoi une bouteille d'eau gazeuse laissée au soleil dégaze bien plus vite qu'au réfrigérateur.

Ce qui t'attend en 4e et en 3e

La concentration en masse. Cette année, tu dis si une solution est saturée ou non. Les années suivantes, tu apprendras à chiffrer à quel point elle est concentrée, avec la concentration en masse :

$C_{m} = \dfrac{m_{\text{soluté}}}{V_{\text{solution}}}$

où $m_{\text{soluté}}$ est la masse de soluté dissous et $V_{\text{solution}}$ le volume de la solution. Elle s'exprime par exemple en grammes par litre. Tu remarqueras que la solubilité en est très proche : c'est essentiellement la concentration maximale que l'on peut atteindre à une température donnée. Deux mots, une seule idée.

Les dilutions. À partir d'une solution concentrée, on ajoute du solvant pour obtenir une solution plus diluée. La masse de soluté, elle, ne change pas au cours de l'opération : encore une fois, c'est la conservation de la matière qui fait tout le travail. Tu verras qu'un exercice de dilution se résout presque entièrement avec cette seule phrase.

La cristallisation. Le problème du solide qui réapparaît en refroidissant a un nom et des applications réelles : c'est le principe des marais salants, où l'évaporation de l'eau de mer sature la solution et fait apparaître le sel, et c'est aussi ainsi que l'on purifie des substances en chimie. Faire pousser un cristal chez soi à partir d'une solution saturée qu'on laisse refroidir lentement, c'est exactement la deuxième situation de la partie précédente, en version spectaculaire.

La dissolution comme outil de mesure. Plus tard, la solubilité servira à choisir un solvant plutôt qu'un autre : une substance peut être insoluble dans l'eau et parfaitement soluble ailleurs. La phrase « c'est soluble » n'a de sens que par rapport à un solvant précis, à une température précise. Retiens ce réflexe de prudence : il te servira longtemps.