7. Les solutions et les dispersions aqueuses
p. 60-61
Texte intégral
Les solutions dans l’eau
1Le liquide le plus abondant sur Terre est l’eau de mer. Il s’agit d’une solution, c’est-à-dire d’un mélange de molécules (eau, oxygène, azote, dioxyde de carbone) et d’ions (sodium, potassium, chlore, sulfate, carbonate). Il est généralement aisé de réaliser une solution dans l’eau : par exemple, le sel et le sucre s’y dissolvent spontanément. En revanche, l’opération inverse coûte cher. Ainsi, pour dessaler l’eau de mer (cf. V.14), pour extraire le sucre d’une boisson sucrée ou pour extraire l’eau d’une boisson alcoolisée, il faut dépenser beaucoup d’énergie. Cette question du mélange, nous parlerons ici de façon imagée de « droit au mélange », est au cœur du second principe de la thermodynamique, et du concept d’entropie. L’eau (parfaitement) pure est une abstraction, et toutes les phases liquides de l’eau sont des mélanges. La stabilité d’une phase, à une température donnée, dépend de son état de mélange, mais aussi de l’énergie emmagasinée dans les liaisons physiques et chimiques.

Fig. 1 – a) Visualisation de la décomposition d’une solution. Image de gauche : injection dans l’eau, par une micropipette, d’une solution de grandes molécules apolaires (acétate de cholestérol) dans un solvant formé de molécules polaires (N-méthyl morpholine). La micropipette arrive par le bas de l’image et la tache blanche est due à un dépôt de soluté au bout de la micropipette. Une goutte de cette solution se forme au bout de la micropipette (au-dessus de la tache blanche, au centre de l’image), et à sa surface les molécules d’eau se mélangent avec celles de la solution. Les molécules d’eau forment un réseau de liaisons H, qui inclut les molécules de solvant, mais pas les grandes molécules apolaires. Celles-ci sont expulsées sous forme de microparticules localisées à la surface de la goutte (anneau brillant au centre de l’image). b) Visualisation de la même goutte, un peu plus tard. L’injection de la solution d’acétate de cholestérol a été poursuivie, ce qui a fait grossir la goutte. La zone noire au centre de l’image correspond à de la solution qui vient d’être injectée par la micropipette, et dans laquelle l’eau externe n’a pas encore pénétré. La région couverte de points brillants est la même région qui donnait l’anneau brillant dans l’image a. L’évolution s’interprète de la manière suivante : les germes d’acétate de cholestérol qui se sont formés à l’interface entre la solution et l’eau sont trop petits et trop nombreux pour être résolus dans l’anneau brillant de l’image de gauche. Ils ont ensuite grossi par capture d’autres molécules d’acétate de cholestérol de la solution, expulsées par l’eau. Chacun de ces germes est devenu, sur l’image b, une particule visualisée comme un point brillant. Source : H. Lannibois-Dréan, thèse, Université Pierre et Marie Curie 1994

Fig. 2 – Cristallisation* de molécules apolaires dans l’eau, à partir d’une dispersion de particules amorphes, à la structure interne désordonnée. Un produit hydrophobe* est précipité sous forme de microparticules amorphes dispersées dans l’eau. Une faible fraction de ces molécules reste en solution dans l’eau. Immédiatement après cette précipitation, des microparticules amorphes ont été observées, encore visibles le long des bords gauche et supérieur de l’image. Ensuite, des petits cristaux se sont formés et ont adsorbé les molécules apolaires dissoutes qui passaient à leur portée. Ils ont ainsi grandi à partir des germes. Dans les régions proches des cristaux, les particules se sont totalement dissoutes pour satisfaire cette consommation effrénée. La durée de vie de nanoparticules dispersées dans l’eau n’est donc pas infinie : pour les conserver à l’abri de ces processus de dissolution-cristallisation, il faut empêcher le transport par la phase continue, par exemple en rajoutant beaucoup de sucre dans l’eau. Source : H. Lannibois-Dréan
2Dans certaines solutions, dites « idéales », le droit au mélange est incontestable et les molécules qui se mélangent sont assez semblables pour que le mélange n’aboutisse pas à une perte excessive de liaisons. En pratique, la plupart des sels et des molécules ionisables, ainsi que toutes les molécules capables de réaliser des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau se mélangent spontanément avec l’eau : les alcools courts (méthanol, éthanol) et les sucres (glucose, fructose, saccharose).
3Cependant, dans d’autres solutions, le droit au mélange se heurte à des préférences fortes des molécules pour des molécules semblables, qui expriment la compétition entre énergie et entropie. Ainsi, les molécules d’eau préfèrent établir des liaisons hydrogène avec d’autres molécules d’eau plutôt que d’accepter des contacts avec des molécules apolaires (dont les charges sont distribuées de manière symétrique), avec lesquelles elles ne peuvent pas établir de liaisons hydrogène. C’est pour cette raison que l’eau et l’huile se mélangent très peu (les huiles ne participent pas au réseau de liaisons H de l’eau), alors que l’eau et l’éthanol se mélangent en toutes proportions (les molécules d’éthanol participent au réseau de liaisons H de l’eau). La figure 1 montre une solution de molécules initialement mélangées à l’échelle moléculaire, mais qui se séparent en arrivant dans l’eau, car les unes participent au réseau de liaisons H de l’eau et les autres pas.
Les dispersions et les émulsions dans l’eau
4L’eau liquide contient très souvent des particules ou des gouttes formées de molécules ou d’ions qui ne se dissolvent pas complètement dans l’eau. Dans les dispersions ou émulsions qualifiées de « stables », les particules ou les gouttes peuvent rester longtemps dispersées dans l’eau, en se déplaçant sous l’effet de l’agitation thermique et en se repoussant mutuellement lors de leurs collisions. L’origine de ces répulsions s’explique par le droit au mélange des contre-ions qui sont libérés par leurs surfaces, mais qui restent retenus au voisinage de ces surfaces par le champ électrique créé par l’ionisation des surfaces. Ces contre-ions s’accumulent au voisinage des surfaces ionisées, et forment ainsi des « pare-chocs » autour de chaque goutte ou particule. Les sols argileux et les peintures hydrodiluables sont des dispersions de particules dans l’eau. Aux temps très longs, ces particules finissent quand même par s’agréger ou par se dissoudre très lentement pour être remplacées par des cristaux macroscopiques (figure 2). Ces dispersions devraient donc plutôt être qualifiées de « métastables » plutôt que « stables ».
Bibliographie
Références bibliographiques
• B. CABANE et S. HÉNON – Liquides : solutions, dispersions, émulsions, gels, Belin, 2007.
• D. FENNEL EVANS et H. WENNERSTROM – The Colloidal Domain: where Physics, Biology and Technology Meet, Wiley-VCH, 2007.
Auteur
Physico-Chimiste, Directeur de recherche Émérite au CNRS, LCMD, ESPCI, Paris, p. 60.
bernard.cabane@espci.fr
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