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Solution (chimie)

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Pour les articles homonymes, voirSolution.

Solution saline en dissolvant du sel dans l'eau.

Enchimie, unesolution est unmélange homogène (constitué d'une seulephase) résultant de ladissolution d'un ou plusieurssoluté(s) (espèce chimique dissoute) dans unsolvant. Les molécules (ou les ions) de soluté sont alorssolvatées et dispersées dans le solvant.

Typologie des solutions

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Solution à l'état liquide

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La solution liquide est l'exemple le plus connu. Une solution ayant l'eau comme solvant est appeléesolution aqueuse. Il est possible de mettre en solution :

un liquide dans un autre : limité par lamiscibilité des deux liquides ;
un solide dans un liquide : limité par lasolubilité du solide dans le solvant, au-delà de laquelle le solide n'est plus dissous. On parle alors de solution saturée ;
un gaz dans un liquide.

Solution à l'état solide

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Article détaillé :Solution solide.

Unesolution solide correspond à un mélange de plusieurscorps purs.

Solution à l'état gazeux

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Articles détaillés :Gaz etGaz parfait.

On parle assez rarement de « solution » pour ungaz. Un mélange de gaz est en général homogène après un court instant, en raison de l'agitation thermique (voir les articlesMouvement brownien etDiffusion), mais il peut y avoir une stratification en présence d'un champ degravité si la hauteur du contenant est importante (par exemple dans l'atmosphère).

Coexistence de phases

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Une solution peut être :

saturée : à une température et une pression données, une solution saturée est une solution qui ne peut plus dissoudre de soluté ;
insaturée : une solution insaturée est une solution qui peut dissoudre plus de soluté, aux conditions du système ;
sursaturée : une solution sursaturée est une solution contenant une plus grande quantité de soluté dissous que celle qui correspond à la limite de saturation.

Expressions de la composition

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Soienti composants. La concentration du composant peut s'exprimer de plusieurs manières dont les fractions et les concentrations :

fractions : une fraction est le rapport de deux quantités du même type, la quantité du numérateur s'appliquant à un constituant du système et celle du dénominateur à la somme des quantités de tous les constituants du système. Quand elles sont appliquées aux mélanges, les fractions peuvent être de trois types^[1] :
- lafraction molairex_i (sans unité ou %mol), qui est le rapport entre le nombren_i de moles dei sur le nombren total de moles
  $x_{i}={\frac {n_{i}}{n}}={\frac {n_{i}}{\sum _{j=1}^{l}n_{j}}}$ ;
- lafraction massiquew_i (sans unité ou %m), qui est le rapport entre la massem_i dei sur la masse totalem
  $w_{i}={\frac {m_{i}}{m}}={\frac {m_{i}}{\sum _{j=1}^{l}m_{j}}}$ .
- lafraction volumiqueV_i (sans unité ou %vol), qui est le rapport entre le volume du composanti sur la somme des volumes de tous les composants utilisés pour fabriquer ce mélange $\sum _{j=1}^{l}v_{j}$ ^[2] : $V_{i}={\frac {v_{i}}{\sum _{j=1}^{l}v_{j}}}$ .
concentrations : une concentration est une quantité caractérisant la composition d'un mélange par rapport à son volumeV^[3] :
- laconcentration molairec_i (mol·L⁻¹), rapport entre le nombre de moles dei et le volume de liquide : $c_{i}={\frac {n_{i}}{V}}$ ;
- laconcentration massique ρ_i, rapport entre la masse dei et le volume de liquide : $\rho _{i}={\frac {m_{i}}{V}}$ ;
- lafraction volumique (appelée « concentration volumique » dans le cas dessolutions idéales)V_i ; dans le cas d'un mélange de liquides, c'est le volumev_i dei divisé par le volume totalV : $V_{i}={\frac {v_{i}}{V}}={\frac {v_{i}}{\sum _{j=1}^{l}v_{j}}}$ .

Dans le cas d'un gaz, on utilise :

lapression partielleP_i, qui est la contribution de la phasei à lapression totaleP ;
la fraction volumique (sans unité ou %vol), qui est, dans les conditions depression et detempérature fixées, le volumev_i que représenterait la phasei toute seule sur le volume total ; dans le cas degaz parfaits, on montre aisément que le pourcentage volumique est égal à la pression partielle divisée par la pression totaleP: $V_{i}={\frac {v_{i}}{V}}={\frac {P}{P_{i}}}$ .

Il existe plusieurs autres façons d'exprimer la composition ou la concentration :

molalité ;
notation en « parts pour » ;
CH ou DH : dilutionCentésimale ouDécimale,Hahnemanienne (réservée à l'homéopathie).

Thermodynamique des solutions

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Solution diluée, activité

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On appelle une solution diluée le cas d'une solution pour laquelle la quantité de solutés est très inférieure à la quantité totale de solution. Si l'on désigne le solvant par l'indices, on peut donc utiliser les approximations suivantes :

n\simeq n_{s}

,

x_{i}\simeq {\frac {n_{i}}{n_{s}}}

,

x_{s}\simeq 1

;

m\simeq m_{s}

,

w_{i}\simeq {\frac {m_{i}}{m_{s}}}

,

w_{s}\simeq 1

.

Pour les solutions liquides :

c_{i}\simeq {\frac {n_{i}}{v_{s}}}

,c_s est l'inverse duvolume molaire du solvant ;

\rho _{i}\simeq {\frac {m_{i}}{v_{s}}}

,ρ_s est lamasse volumique du solvant ;

v\simeq v_{s}

,

V_{i}\simeq {\frac {v_{i}}{v_{s}}}

,

V_{s}\simeq 1

Dans le cas d'une solution diluée, lepotentiel chimique est unefonction affine dulogarithme de la fraction molaire, pour unetempérature fixée :

en solution liquide, $\mu _{i}(P,T)=\mu _{i}^{\circ }(T)+RT\,\ln x_{i}$ ;
en solution gazeuse, $\mu _{i}(P,T)=\mu _{i}^{\circ }(T)+RT\,\ln P_{i}$ .

Si la solution n'est pas diluée (ou dans le cas de gaz, à haute pression, lorsque l'on ne peut plus faire l'approximation desgaz parfaits), il faut faire intervenir l'activité chimiquea_i :

\mu _{i}(P,T)=\mu _{i}^{\circ }(T)+RT\,\ln a_{i}

dans le cas d'une solution liquide,a_i = γ_i·x_i où γ_i est lecoefficient d'activité dei ; l'état de référence est le liquidei pur ;
dans le cas d'une solution gazeuse,a_i = ƒ_i/P_i où ƒ_i est lafugacité ; l'état de référence est le liquidei gaz parfait pur.

Ceci est l'approche du point de vue « chimique » : on part de ce que l'on mesure bien (le volume, la masse, etc.). D'un point de vue thermodynamique, on commence plutôt par définir l'activité, puis on établit que dans le cas des solutions diluées :

pour un liquide, l'activité d'un soluté vaut à peu près sa concentration molaire (liquide) et l'activité du solvant vaut 1 ;
pour un gaz, l'activité du soluté est pression partielle en atmosphère, un gaz ayant une pression partielle d'une atmosphère a une activité de 1 ;
pour un solide, l'activité vaut 1.

Solution idéale

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Article détaillé :Solution idéale.

Du point de vue de lathermodynamique, une solution en phase $\phi$ (gaz, liquide ou solide), à $P {\displaystyle P}$ et $T {\displaystyle T}$ , estidéale si chacun de ses constituants répond à laloi de Lewis et Randall (1923) basée sur lesfugacités :

f_{i}^{\phi ,{\text{id}}}(P,T,x)=x_{i}f_{i}^{\phi ,*}(P,T)

avec :

$f_{i}^{\phi ,{\text{id}}}$ fugacité du composant $i {\displaystyle i}$ dans la solution idéale ;
$f_{i}^{\phi ,*}$ fugacité du composant $i {\displaystyle i}$ pur, à mêmes $P {\displaystyle P}$ , $T {\displaystyle T}$ et phase $\phi$ que la solution idéale ;
$P {\displaystyle P}$ pression totale du mélange ;
$T {\displaystyle T}$ température du mélange ;
$x_{i}$ fraction molaire du constituant $i {\displaystyle i}$ .

Notes et références

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↑(en) « fraction »,IUPAC,Compendium of Chemical Terminology [« Gold Book »], Oxford, Blackwell Scientific Publications, 1997, version corrigée en ligne : (2019-),2^e éd.(ISBN 0-9678550-9-8).
↑(en) « volume fraction »,IUPAC,Compendium of Chemical Terminology [« Gold Book »], Oxford, Blackwell Scientific Publications, 1997, version corrigée en ligne : (2019-),2^e éd.(ISBN 0-9678550-9-8).
↑(en) « Concentration »,IUPAC,Compendium of Chemical Terminology [« Gold Book »], Oxford, Blackwell Scientific Publications, 1997, version corrigée en ligne : (2019-),2^e éd.(ISBN 0-9678550-9-8).

Articles connexes

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