Les électrolytes
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• reconnaître un électrolyte grâce à un test de conductibilité ;
• expliquer le passage du courant dans une solution par la migration des ions (cations et anions) ;
• écrire l'équation de la dissociation ionique d'un électrolyte dans l'eau ;
• calculer une concentration massique, une concentration molaire et la molarité de chaque ion ;
• distinguer un électrolyte fort d'un électrolyte faible.
Prérequis : solution, soluté, solvant ; quantité de matière n = m/M ; ions simples et ions polyatomiques.
Situation de départ
Pourquoi est-il dangereux d'utiliser un sèche-cheveux près d'une baignoire pleine ? Parce que l'eau du robinet, comme l'eau de mer, conduit le courant électrique.
Pourtant, l'eau distillée le conduit très mal ! Qu'est-ce qui, dissous dans l'eau, permet au courant de passer ? Le sucre dissous dans un verre d'eau a-t-il le même effet que le sel ?
I. Rappels sur les solutions
Une solution est un mélange homogène obtenu en dissolvant une ou plusieurs substances, les solutés, dans un liquide, le solvant. Le soluté peut être un solide (sel, sucre), un liquide (alcool) ou un gaz (chlorure d'hydrogène). Quand le solvant est l'eau, la solution est dite aqueuse.
Une solution est toujours électriquement neutre : elle contient autant de charges positives que de charges négatives.
Dans l'eau sucrée, l'eau est le solvant et le sucre (saccharose) est le soluté. Dans le sérum physiologique, le soluté est le chlorure de sodium.
II. Qu'est-ce qu'un électrolyte ?
1. Un test de conductibilité
Un électrolyseur (une cuve et deux électrodes en graphite) est monté en série avec un générateur de tension continue G, un interrupteur K et un milliampèremètre ; on peut aussi y ajouter une lampe témoin. On y verse successivement 100 mL de différents liquides et l'on relève l'intensité I du courant.
Intensité mesurée sous la même tension (100 mL de liquide)
| Contenu de l'électrolyseur | Intensité I | Conductibilité |
|---|---|---|
| eau distillée | 0,6 mA | très faible |
| eau + 0,1 mol de sucre | 0,7 mA | très faible |
| eau + 0,1 mol d'éthanol | 0,6 mA | très faible |
| eau + 0,1 mol de chlorure de sodium | 48 mA | bien meilleure |
2. Définition
Un électrolyte est un corps composé dont la solution aqueuse conduit le courant électrique mieux que l'eau pure. Sa solution est appelée solution électrolytique.
Exemples
- Sont des électrolytes : le chlorure de sodium NaCl, le chlorure de potassium KCl, le sulfate de cuivre (II) CuSO4, le permanganate de potassium KMnO4, l'hydroxyde de sodium NaOH, le chlorure d'hydrogène HCl...
- Ne sont pas des électrolytes : le sucre (saccharose), le glucose, l'éthanol C2H5OH : leurs solutions ne conduisent pas mieux que l'eau pure.
L'électrolyte est le soluté (le sel), pas la solution (l'eau salée), ni le solvant (l'eau).
III. Les ions, porteurs du courant
1. La migration des ions
Au fond d'un tube en U, on place une solution contenant du sulfate de cuivre (II) (ions Cu2+ bleus) et du dichromate de potassium (ions Cr2O72- orangés), dans de l'acide sulfurique ; au-dessus, de l'acide sulfurique dilué incolore. On plonge deux électrodes en graphite reliées à un générateur. Après quelques minutes, une coloration bleue monte vers l'électrode reliée à la borne -, une coloration orangée vers l'électrode reliée à la borne +.
• La cathode est l'électrode reliée à la borne - du générateur ; l'anode est reliée à la borne +.
• Les ions positifs, ou cations (Cu2+, Na+, K+...), migrent vers la cathode ; les ions négatifs, ou anions (Cl-, SO42-, Cr2O72-...), migrent vers l'anode.
• Dans une solution électrolytique, le courant est dû au déplacement d'ensemble des ions, dans deux sens opposés : c'est une solution ionique.
2. D'où viennent les ions ? La dissociation ionique
Le chlorure de sodium solide est un cristal formé d'ions Na+ et Cl-. Dans l'eau, ces ions se séparent et se dispersent dans toute la solution : c'est la dissociation ionique. On l'écrit :
Une molécule d'eau est polaire : l'atome d'oxygène porte une charge partielle négative, les atomes d'hydrogène une charge partielle positive. Les molécules d'eau s'orientent autour des ions et les séparent du cristal.
1. Repérer le cation et l'anion du composé (par exemple Al3+ et SO42-).
2. La formule du solide assure la neutralité : 2 ions Al3+ (6 charges +) pour 3 ions SO42- (6 charges -), d'où Al2(SO4)3.
3. Écrire :
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