16.11: Facteurs affectant la solubilité

Par rapport à l'eau pure, la solubilité d'un composé ionique est moindre dans les solutions aqueuses contenant un ion commun (un autre ion produit également par dissolution du composé ionique). C’est l'exemple d'un phénomène connu sous le nom de l’effet d'ion commun, qui est une conséquence de la loi d’action de masse qui peut être expliquée en utilisant le principe de Le Chȃtelier. Considérons la dissolution de l'iodure d'argent :

Cet équilibre de solubilité peut être déplacé par l'addition d'ions argent ou iodure, ce qui entraîne la précipitation d'AgI et une diminution des concentrations d'Ag⁺ et d'I^– dissous. Dans les solutions qui contiennent déjà l'un ou l'autre de ces ions, moins d'AgI peut être dissout que dans les solutions sans ces ions.

Cet effet peut également être expliqué en termes d'action de masse tel que représenté dans l'expression du produit de solubilité :

Le produit mathématique des molarités des ions argent et iodure est constant dans un mélange en équilibre, quelle que soit la source des ions, et donc une augmentation de la concentration d'un ion doit être équilibrée par une diminution proportionnelle de l'autre ion.

Le rôle de la précipitation dans le traitement des eaux usées

Les équilibres de solubilité sont des outils importants pour le traitement des eaux usées effectué dans des installations qui peuvent traiter l'eau municipale dans une ville ou une commune. Plus précisément, la précipitation sélective est utilisée pour éliminer les contaminants des eaux usées avant qu'elles ne soient reversées dans les plans d'eau naturels. Par exemple, les ions phosphate (PO₄³⁻) sont souvent présents dans l'eau évacuée des sites de production. Une abondance de phosphate provoque la croissance d'un excès d'algues, ce qui a une incidence sur la quantité d'oxygène disponible pour la vie marine et rend l'eau inadaptée à la consommation humaine.

L'ajout d'hydroxyde de calcium, ou de chaux, Ca(OH)₂, est une façon courante d'éliminer les phosphates de l'eau. Comme l'eau devient plus basique, les ions calcium réagissent avec les ions phosphate pour produire de l'hydroxylapatite, Ca₅(PO₄)₃·OH, qui précipite ensuite hors de la solution :

Étant donné que la quantité d'ions calcium ajoutée n'entraîne pas un dépassement des produits de solubilité pour les autres sels de calcium, les anions de ces sels restent dans les eaux usées. Le précipité est ensuite éliminé par filtration, et l'eau est ramenée à un pH neutre par l'addition de CO₂ dans un procédé de recarbonatation. D'autres produits chimiques peuvent également être utilisés pour l'élimination des phosphates par précipitation, y compris le chlorure de fer(III) et le sulfate d'aluminium.

 Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 15.1: Précipitation et dissolution.

La solubilité d'un composé ionique peut varier en fonction d'autres solutés présent dans la solution. Le soluté peut être un ion commun au composé, ou un acide ou une base. Ainsi, les deux principaux facteurs affectant la solubilité sont des ions communs et le pH d'une solution.

Si du chlorure de plomb est ajouté à une solution de chlorure de sodium, les deux sels s'ioniseront dans l'eau, produisant du sodium et les cations de plomb et l'anion commun, le chlorure. Parce que les ions chlorure en solution proviennent à la fois de l'ionisation complète du chlorure de sodium et l'ionisation partielle du chlorure de plomb leur concentration serait plus élevée que celle des ions sodium ou des ions plomb. Pour compenser, l'équilibre entre chlorure de plomb solide et ses ions en solution se déplace vers le sel non dissocié, ce qui fait que plus de chlorure de plomb ne se dissout.

Ainsi, la présence d'un ion commun diminue la solubilité d'une substance peu soluble. Par exemple, la solubilité molaire, x, de chlorure de plomb dans une solution de chlorure de sodium à 0, 100 molaire peut être calculé à partir du tableau ICE. La concentration initiale d'ions plomb dans la solution est égal à zéro, tandis que le chlorure est égal à 0, 100 molaire.

Chaque molécule de chlorure de plomb se dissociera en un plomb et deux ions chlorure. Ainsi, le changement de concentration des ions plomb sera x et celui du chlorure sera 2x. La concentration d'équilibre des ions plomb sera x, mais pour les ions chlorure, ce sera la somme de 2x et 0, 100.

À 25 degrés Celsius la valeur de Ksp pour le chlorure de plomb est de 1, 17 10⁻⁵, et l'expression d'équilibre est le produit des concentrations d'équilibre de plomb et les ions chlorure, qui est x fois le carré de Comme le Ksp est faible, 2x est beaucoup plus petit que 0, 100 molaire et leur somme peut être rapprochée de 0, 100 molaire. En substituant dans l'expression, on obtient 1, 17 10⁻⁵ égale à x fois 0, 100 molaire au carré. Résolution de x, la solubilité molaire du chlorure de plomb dans une solution de chlorure de sodium 0, 100 molaire est 1, 17 10⁻³ molaire.

Par rapport à la solubilité molaire du chlorure de plomb dans l'eau, qui est de 1, 43 10⁻² molaire, l'ion commun diminue la solubilité du chlorure de plomb 12 fois. La solubilité d'un composé peut également être affectée par le pH de la solution. Considérez la dissociation partielle d'hydroxyde de calcium en ions calcium et hydroxyde.

Si le pH est augmenté, en ajoutant de l'hydroxyde de potassium par exemple, l'ion hydroxyde commun réduira la solubilité de l'hydroxyde de calcium. Inversement, si le pH est diminué, par exemple en ajoutant de l'acide chlorhydrique, les protons se combineront avec les ions hydroxyde, ce qui diminuera la concentration des ions hydroxyde en solution. L'équilibre de solubilité de l'hydroxyde de calcium se déplacerait alors vers les produits, conduisant à une solubilité accrue dans une solution acide.