4.7: Solubilité des composés ioniques

La solubilité est la mesure de la quantité maximale de soluté pouvant être dissoute dans une quantité donnée de solvant à une température et une pression données. La solubilité est généralement mesurée en molarité (M) ou moles par litre (mol/L). Un composé est appelé soluble s'il se dissout dans l'eau.

Lorsque les sels solubles se dissolvent dans l'eau, les ions du solide se séparent et se dispersent uniformément dans toute la solution ; ce processus représente une transformation physique connue sous le nom de dissociation. Le chlorure de potassium (KCl) est un exemple de sel soluble. Lorsque du KCl solide est ajouté à de l'eau, l'extrémité positive (hydrogène) des molécules d'eau polaires est attirée par les ions chlorure négatifs, et les extrémités négatives (oxygène) de l'eau sont attirées par les ions potassium positifs. Les molécules d'eau entourent les ions K⁺ et Cl⁻ individuels, ce qui réduit les forces intenses liant les ions ensemble et les laisse s'éloigner en solution sous forme d'ions solvatés.  

Un autre exemple de sel soluble est le nitrate d'argent, AgNO₃, qui se dissout dans l'eau sous forme d'ions Ag⁺ et NO₃^-. Le nitrate, NO₃^-, est un ion polyatomique, et en solution, il demeure intact comme une seule unité entière. Contrairement aux ions monoatomiques (K⁺, Cl^-, Ag⁺), qui ne contiennent qu'un seul atome, les ions polyatomiques sont un groupe d'atomes qui portent une charge (NO₃^-, SO₄^2-, NH₄⁺). Ils restent tels quels en solution et ne se divisent pas en atomes individuels.  

Un composé est appelé insoluble s'il ne se dissout pas dans l'eau. Toutefois, en réalité, les composés “ insolubles ” se dissolvent dans une certaine mesure, c'est-à-dire moins de 0,01 M.

Dans le cas des sels insolubles, les forces inter-ioniques intenses qui lient les ions dans le solide sont plus fortes que les forces ion-dipôle entre les ions individuels et les molécules d'eau. Par conséquent, les ions demeurent intacts et ne se séparent pas. Ainsi, la majeure partie du composé reste non dissoute dans l'eau. Le chlorure d'argent (AgCl) est un exemple de sel insoluble. Les molécules d'eau ne peuvent pas surmonter les forces inter-ioniques intenses qui lient les  ions Ag⁺ et Cl^- ensemble ; par conséquent, le solide reste non dissous.

Règles de solubilité

La solubilité des composés ioniques dans l'eau dépend du type d'ions (cation et anion) qui forment les composés. Par exemple, AgNO₃ est soluble dans l'eau, mais AgCl est insoluble dans l'eau. On peut prévoir la solubilité d'un sel en suivant un ensemble de règles empiriques (énumérées ci-dessous), élaborées à partir des observations sur de nombreux composés ioniques.

i) Les composés contenant des ions ammonium (NH₄⁺) et des cations de métaux alcalins sont solubles.
ii) Les nitrates et acétates sont tous toujours solubles.
iii) Les composés de chlorure, de bromure et d'iodure sont solubles, à l'exception de ceux d'argent, de plomb et de mercure(I).
iv) Tous les sels de sulfate sont solubles, à l'exception de leurs sels contenant de l'argent, du plomb, du mercure(I), du baryum, du strontium et du calcium.
v) Tous les carbonates, sulfites et phosphates sont insolubles, à l'exception de leurs sels avec des cations ammonium et des cations de métaux alcalins.
vi) Les sulfures et les hydroxydes de tous les sels sont insolubles, à l'exception de leurs sels avec des cations de métaux alcalins, avec l'ion ammonium et les ions calcium, strontium et baryum.
vii) Tous les composés contenant des oxydes sont insolubles, sauf leurs composés avec des cations calcium, des cations baryum et des cations de métaux alcalins.

Ce texte est adapté de OpenStax Chemistry 2e, Section 11.2 : Électrolytes.

La solubilité d'un soluté est sa concentration maximale possible à l'équilibre de solubilité dans une quantité de solvant donnée. La solubilité est affectée par la température et d'autres conditions physiques. Les substances qui se dissolvent dans l'eau sont appelées hydrosoluble.

Un composé simple ionique hydrosoluble comme le chlorure de sodium se dissout dans l'eau en se décomposant en ions monatomiques. Ici, il est plus favorable pour que les molécules d'eau et les ions interagissent en solution que pour que les ions restent dans le solide ordonné. Un composé ionique hydrosoluble plus complexe comme le nitrate de sodium contient des ions qui sont composés de plusieurs atomes liés par covalence, ou des ions polyatomiques.

Lorsque le nitrate de sodium se dissout, les ions nitrate polyatomiques ne se divisent pas en azote et en oxygène. Au lieu de cela, les ions se dispersent en solution sous forme d'unités intactes. Les substances qui ne se dissolvent pas dans l'eau, sont insoluble dans l'eau.

Par exemple, le chlorure d'argent est un composé ionique insoluble dans l'eau. Dans ce cas, il est plus favorable pour les ions de rester dans le solide ordonné que d'interagir avec l'eau et de se disperser dans la solution. La solubilité d'un composé ionique dans l'eau dépend de la paire d'ions qui constituent le composé.

Les chimistes ont formulé un ensemble de lignes directrices empiriques pour prévoir la solubilité des composés ioniques dans l'eau. Les exceptions à ces lignes directrices sont rares. Tous les nitrates et acétates sont solubles.

De même, tous les composés de métaux alcalins d'ammonium et de non-lithium sont solubles, comme le sont presque tous les sels de lithium. Les composés de sulfate sont solubles, à l'exception de ses sels avec le plomb, le mercure et l'argent-rappelez-vous l'acronyme LMS ou l'expression Let Me See-et le calcium, le baryum et le strontium rappelez-vous l'acronyme CBS ou l'expression Come By Soon. Tous les sels de chlorure, de bromure et d'iodure sont solubles, à l'exception de leurs sels avec le LMS plomb, mercure et argent ainsi que le cuivre(I)et le thallium.

Se déplaçant vers des composés insolubles, les sulfures et les hydroxydes sont insolubles, à l'exception de leurs sels avec des métaux alcalins et du baryum. En outre, le sulfure d'ammonium est soluble et l'hydroxyde de strontium est soluble lorsqu'il est chauffé. De même, les carbonates et les phosphates sont insolubles, à l'exception de leurs sels de métaux alcalins d'ammonium et de non-lithium.