Les électrolytes
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• définir un électrolyte, un anion et un cation ;
• calculer une concentration molaire ;
• distinguer la concentration du soluté et celle des ions qu'il libère ;
• distinguer un électrolyte fort d'un électrolyte faible ;
• écrire l'équation d'ionisation d'un électrolyte dans l'eau.
Situation de départ
Sur l'étiquette d'une bouteille d'eau minérale, on lit les noms de plusieurs ions : calcium, magnésium, sodium, chlorure, sulfate…
Cette eau est-elle un corps pur ? Conduit-elle le courant électrique mieux que l'eau distillée ?
Pour répondre, il faut savoir ce qu'est une solution électrolytique.
I. Les électrolytes
1. Conduction du courant par les solutions
On réalise le montage ci-dessous : un générateur G, un interrupteur K, un milliampèremètre et un électrolyseur à électrodes de graphite. On place successivement dans l'électrolyseur plusieurs liquides.
Résultats des mesures
| Liquide placé dans l'électrolyseur | Intensité mesurée |
|---|---|
| eau distillée | très faible (I1) |
| eau + éthanol C2H5OH | du même ordre que I1 |
| eau + sucre (saccharose) | du même ordre que I1 |
| eau + chlorure de sodium NaCl | beaucoup plus grande |
| solution d'acide chlorhydrique | beaucoup plus grande |
L'alcool et le sucre n'améliorent pas la conduction de l'eau ; le sel et le chlorure d'hydrogène l'améliorent nettement.
2. Définition d'un électrolyte
Un électrolyte est un composé dont la solution aqueuse conduit le courant électrique mieux que l'eau pure.
Sa solution est appelée solution électrolytique.
Exemples
- Exemples d'électrolytes : NaCl, KCl, HCl, CuCl2, FeSO4, FeCl3, AlCl3, ZnSO4, NH3…
- Le sucre et l'alcool ne sont pas des électrolytes : dans l'eau, ils restent sous forme de molécules.
II. Le courant dans une solution électrolytique
1. Migration des ions
Dans un tube en U, on place au fond une solution S1 contenant du sulfate de cuivre CuSO4 (bleu) et du permanganate de potassium KMnO4 (violet) dans l'acide sulfurique. On ajoute au-dessus, avec précaution, de l'acide sulfurique dilué (incolore), séparé par un peu de coton. On plonge deux électrodes reliées à un générateur.
Après quelques minutes
- une coloration bleue monte vers l'électrode reliée au pôle - (la cathode) ;
- une coloration violette monte vers l'électrode reliée au pôle + (l'anode).
Dans l'eau, ces solides se dissocient en ions :
2. Interprétation
Le courant électrique est transporté dans la solution par le déplacement simultané des ions positifs et des ions négatifs, en sens inverses :
- les ions positifs, appelés cations (Cu2+, K+, Na+…), se dirigent vers la cathode ;
- les ions négatifs, appelés anions (MnO4-, SO42-, Cl-…), se dirigent vers l'anode.
Une solution électrolytique est donc une solution ionique. Dans l'eau, chaque ion est entouré de molécules d'eau : on dit qu'il est hydraté (ou solvaté).
L'acide sulfurique dilué sert seulement à rendre la partie haute conductrice ; le coton évite le mélange des solutions. On peut aussi faire l'expérience plus simplement avec un coton imbibé de S1 posé sur un papier filtre mouillé, sous une tension d'environ 10 V.
III. La concentration d'une solution
1. Concentration massique et concentration molaire
Pour une solution de volume V contenant une masse m (ou une quantité n) de soluté :
- concentration massique : C = mV en g.L-1 ;
- concentration molaire : C = nV en mol.L-1, avec n = mM.
On appelle aussi la concentration molaire molarité : une solution à 2 mol.L-1 est dite « 2 M ».
on veut 50 mL de solution de nitrate de potassium KNO3 à 0,025 mol.L-1.
n = C.V = 0,025 × 0,050 = 1,25.10-3 mol ; M(KNO3) = 101 g.mol-1 ;
m = n.M = 1,25.10-3 × 101 ≈ 0,126 g.
on veut 100 mL de solution à C2 = 0,15 mol.L-1 à partir d'une solution à C1 = 0,60 mol.L-1. La quantité de soluté ne change pas : C1.V1 = C2.V2, donc V1 = C2.V2C1 = 0,15 × 1000,60 = 25 mL. On prélève 25 mL de la solution mère, on les verse dans une fiole jaugée de 100 mL et on complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.
2. Préparer une solution
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