Les Sciences - programme de cinquième
Physique-chimie, sciences de la vie et de la Terre, technologie
Leçon 2 - Les mélanges aqueux
Dissoudre, saturer, cristalliser
Les mélanges aqueux
🧵 Le fil rouge
Lors du premier cours, nous avons appris à distinguer deux familles de mélanges. Dans un mélange hétérogène, nous repérons à l’œil les différents constituants : l’eau et le sable, l’eau et l’huile. Dans un mélange homogène, au contraire, tout paraît uniforme : l’eau sucrée est limpide, et nous n’y voyons plus le moindre grain de sucre.
Mais une question restait suspendue. Comment le sucre s’y prend-il pour se rendre invisible tout en donnant son goût à l’eau ? Ce deuxième cours répond à cette énigme. Nous allons suivre un simple morceau de sucre : nous verrons comment il se disperse, pourquoi sa matière ne se perd pas, jusqu’où l’eau peut en accueillir, et comment le faire réapparaître sous forme de cristaux.
Dissoudre : le tour de magie du sucre
Imaginez une tasse de thé bien chaud. Vous y laissez tomber un morceau de sucre, vous remuez quelques secondes avec la cuillère, et le morceau fond… non : il disparaît. La tasse redevient limpide, comme si de rien n’était. Pourtant, si vous goûtez, le thé est franchement sucré. Le sucre n’est donc plus visible, mais il demeure présent. Ce petit tour de passe-passe porte un nom précis, et il mérite d’être examiné de près.
Trois mots pour décrire la scène avec justesse
Les scientifiques n’aiment pas les à-peu-près. Pour parler de ce qui vient de se produire dans la tasse, ils emploient trois mots complémentaires. Le sucre que vous avez versé est le soluté : c’est la substance qui se dissout. Le thé, presque entièrement composé d’eau, est le solvant : c’est le liquide qui accueille le soluté et le fait disparaître à la vue. Le mélange limpide obtenu à la fin, ce thé désormais sucré, est une solution. Retenez cette phrase, elle résume tout : un soluté se dissout dans un solvant pour former une solution.
📘 Définition
La dissolution est le phénomène par lequel un solide (le soluté) se disperse dans un liquide (le solvant) au point de ne plus être visible, formant un mélange homogène appelé solution. C’est un phénomène physique : la matière du soluté n’est ni détruite ni transformée, elle est seulement dispersée.
Voilà le secret du tour de magie. Un morceau de sucre est un empilement de milliards de grains microscopiques serrés les uns contre les autres. Lorsque l’eau s’en approche, elle détache ces grains un à un et les emporte dans tout le liquide. Ils deviennent si petits et si dispersés que nul œil ne peut plus les distinguer. Le sucre n’a pas quitté la tasse : il s’est répandu partout, entre les molécules d’eau.
Deux preuves confirment que le sucre est bien présent. La première est le goût : l’eau est sucrée d’un bord à l’autre du verre, signe que le soluté s’y trouve. La seconde est plus spectaculaire encore : si l’on laisse l’eau s’évaporer, le sucre réapparaît au fond du récipient. Il n’avait donc pas disparu.
💡 Le savais-tu ?
L’eau est parfois surnommée le « solvant universel », car elle dissout un nombre impressionnant de substances : le sel, le sucre, de nombreux médicaments. Ce surnom est pourtant exagéré. L’huile refuse de se mélanger à l’eau, le sable reste au fond du verre sans se dissoudre, et l’or n’y disparaît pas davantage. Il n’existe pas de solvant capable de tout dissoudre : l’eau est simplement l’un des plus efficaces que la nature nous offre.
📜 Une histoire vraie
Sur les côtes de l’Atlantique, à Guérande, des hommes récoltent le sel de la même façon depuis plus de mille ans. Ils font entrer l’eau de mer dans de larges bassins peu profonds, les œillets, puis ils la laissent au soleil et au vent. Peu à peu, l’eau s’évapore, et le sel qu’elle contenait, invisible tant qu’il était dissous, se dépose en cristaux blancs que le paludier ramasse à la main.
Ce geste patient est une preuve éclatante : le sel dissous dans la mer n’avait pas disparu. Il s’était seulement caché, dispersé dans l’eau, prêt à revenir dès que le solvant s’en irait. Les marais salants sont, en quelque sorte, une immense expérience de dissolution menée à ciel ouvert.
🔬 À faire chez vous : le sucre qui revient
Versez trois cuillerées de sucre dans un petit verre d’eau tiède et remuez jusqu’à ce que tout ait disparu. Déposez ensuite quelques gouttes de cette eau sucrée sur une soucoupe propre, et placez-la près d’une fenêtre ensoleillée. Patientez un ou deux jours, sans y toucher.
L’eau s’évapore lentement, et le sucre réapparaît sous forme d’une fine pellicule collante au fond de la soucoupe. Vous venez de séparer le soluté de son solvant, tout comme le paludier de Guérande. La matière du sucre était restée intacte du début à la fin.
📋 Récapitulatif du chapitre 1
Dissoudre un solide, ce n’est pas le détruire, mais le disperser dans un liquide au point de le rendre invisible. Le solide qui se dissout est le soluté, le liquide qui l’accueille est le solvant, et le mélange homogène obtenu est une solution. La dissolution est un phénomène physique : le goût et l’évaporation prouvent que le soluté est présent et récupérable.
Où passe le sucre ? Ce que révèle la balance
Nous savons désormais que le sucre dissous ne disparaît pas vraiment. Mais une question plus subtile se pose. Puisque le sucre devient invisible, la solution est-elle plus légère qu’avant ? Aurait-il perdu un peu de sa matière en se dispersant ? Pour trancher, il n’existe qu’un seul juge fiable : la balance.
Peser avant, peser après
Imaginons l’expérience la plus simple du monde. Nous posons sur une balance un verre d’eau et, à côté, un morceau de sucre. L’affichage indique une certaine masse : disons 220 grammes en tout. Nous versons alors le sucre dans le verre, nous remuons jusqu’à dissolution complète, puis nous reposons l’ensemble sur le plateau. Le résultat se répète, et il surprend souvent : la balance affiche encore 220 grammes.
Ce résultat n’est pas un hasard : c’est une loi de la nature. Lors d’une dissolution, la masse de la solution est égale à la masse du solvant ajoutée à celle du soluté. Le sucre n’a rien perdu ; il occupe désormais l’espace entre les molécules d’eau, mais sa matière est là, tout entière, et la balance la retrouve.
📘 Définition
La conservation de la masse énonce que, lors d’une dissolution, la masse totale ne change pas :
masse de la solution = masse du solvant + masse du soluté. La matière n’est ni créée ni supprimée ; elle se réorganise.
Une confusion à éviter : dissoudre n’est pas fondre
Dans le langage de tous les jours, il est fréquent d’entendre que « le sucre fond dans l’eau ». La formule est commode, mais elle est fausse, et un jeune scientifique se doit de la corriger. Fondre et dissoudre sont deux phénomènes différents, qu’il ne faut pas mélanger.
| Fondre | Dissoudre | |
|---|---|---|
| Ce qu’il faut | de la chaleur | un liquide (le solvant) |
| Ce qui se passe | le solide devient liquide | le solide se disperse dans le liquide |
| Résultat obtenu | la même substance, à l’état liquide | une solution (un mélange) |
| Exemple juste | un glaçon qui devient de l’eau | du sel qui disparaît dans l’eau |
Un glaçon qui fond devient liquide : il change d’état, mais reste de l’eau. Le sucre, lui, ne fond pas dans le thé : il se dissout, car il se disperse dans un liquide sans changer d’état par la chaleur. Retenir cette différence évite bien des erreurs.
💡 Le savais-tu ?
Le vrai sucre fondu existe pourtant : c’est le caramel ! Pour l’obtenir, il faut chauffer le sucre à près de 160 degrés, sans une goutte d’eau. Il devient alors un liquide doré. C’est là un cas de fusion, et même un peu davantage, car le sucre très chaud commence aussi à se transformer : voilà pourquoi le caramel prend cette belle couleur brune et ce goût nouveau. Dissoudre dans l’eau et caraméliser au feu sont deux aventures totalement différentes.
📜 Une histoire vraie
La loi de conservation de la masse porte le nom d’un savant français du XVIIIe siècle : Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794). Passionné de mesure, il pesait tout avec des balances d’une précision inouïe pour son époque. En comparant patiemment la masse de la matière avant et après ses expériences, il établit un principe alors révolutionnaire : dans toute transformation, la masse totale se conserve. Son épouse, Marie-Anne Paulze, travaillait à ses côtés, notant les résultats et gravant les planches de ses ouvrages.
Cette formule élégante lui est souvent prêtée : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». En vérité, cette phrase est une reformulation tardive ; Lavoisier avait exprimé son idée dans un langage plus technique. Le principe, lui, est bien le sien. Son destin fut tragique : pris dans la tourmente de la Révolution française, il fut guillotiné le 8 mai 1794. Le lendemain, un mathématicien confia que, s’il avait suffi d’un instant pour faire tomber cette tête, un siècle ne suffirait peut-être pas pour en produire une semblable.
🔬 À faire chez vous : la balance juge de tout
Avec une balance de cuisine, posez un verre contenant un peu d’eau et notez sa masse. Ajoutez deux cuillerées de sel, sans remuer encore, et notez la nouvelle masse totale. Remuez ensuite jusqu’à ce que tout le sel disparaisse, puis pesez l’ensemble une dernière fois.
La masse affichée après la dissolution est la même qu’avant : le sel invisible pèse autant. Vous venez de vérifier de vos propres mains la loi établie par Lavoisier il y a plus de deux siècles.
📋 Récapitulatif du chapitre 2
Lors d’une dissolution, la masse se conserve : la masse de la solution égale la somme des masses du solvant et du soluté. La matière du soluté n’est pas perdue. Il ne faut pas confondre dissoudre (disperser un solide dans un liquide) et fondre (faire passer un solide à l’état liquide grâce à la chaleur). Cette loi porte le nom d’Antoine-Laurent de Lavoisier.
Dissoudre sans fin ? La saturation
Reprenons notre morceau de sucre. Il s’est dissous sans difficulté, et sa matière est restée intacte. Une nouvelle curiosité surgit alors : si un morceau se dissout, deux morceaux aussi, sans doute ; mais dix ? Cent ? Un verre d’eau peut-il accueillir une quantité illimitée de sucre ? L’expérience va nous répondre, et la réponse est plus intéressante qu’un simple oui ou non.
L’expérience qui atteint la limite
Prenons un verre d’eau et ajoutons-y du sel, une cuillerée après l’autre, en remuant à chaque fois. Les premières cuillerées disparaissent sans peine. Puis, après un certain nombre, quelque chose change : le sel cesse de se dissoudre. Nous avons beau remuer avec énergie, un dépôt blanc s’accumule au fond du verre et refuse de partir. L’eau a atteint sa limite : elle ne peut plus rien accepter. Cette solution est dite saturée.
📘 Définition
Une solution est saturée lorsqu’elle contient la quantité maximale de soluté qu’un volume donné de solvant peut dissoudre, à une température précise. Tout soluté ajouté au-delà de cette limite ne se dissout plus : il forme un dépôt au fond du récipient.
La saturation n’est donc pas un caprice : c’est une frontière nette, propre à chaque soluté. Le sel possède la sienne, le sucre la sienne, et nous verrons au prochain chapitre qu’elles sont très différentes l’une de l’autre. Tant que cette frontière n’est pas franchie, le solvant dissout ; une fois qu’elle est atteinte, il refuse tout ajout supplémentaire.
💡 Le savais-tu ?
Remuer avec la cuillère, ou broyer le sucre en poudre fine, fait disparaître le soluté plus vite. Mais attention : cela ne permet pas d’en dissoudre davantage. La quantité maximale reste la même, que vous remuiez fort ou doucement. L’agitation change la vitesse de la dissolution, non sa limite. Un seul paramètre est capable de repousser cette limite pour la plupart des solides : la température, dont nous parlerons au chapitre 5.
📜 Une histoire vraie
Il existe sur Terre une étendue d’eau si salée qu’elle atteint presque sa limite : la mer Morte, un lac situé entre Israël et la Jordanie. Son eau est près de dix fois plus salée que celle des océans : environ 340 grammes de sels par litre, contre 35 grammes en moyenne dans l’eau de mer. Elle est si chargée qu’elle ne parvient plus à tout garder en solution : le sel en excès se dépose en croûtes blanches le long de ses rives, comme le dépôt au fond de notre verre.
Cette eau réserve une autre surprise. Comme elle contient énormément de sel, elle est bien plus lourde que l’eau douce ; un nageur y flotte sans effort, presque assis à la surface. La mer Morte offre ainsi une leçon de saturation à l’échelle d’un lac : la nature, elle aussi, connaît une limite qu’elle ne peut dépasser.
🔬 À faire chez vous : fabriquer une solution saturée
Remplissez un verre d’eau à température ambiante. Ajoutez le sel de table cuillère par cuillère, en remuant patiemment après chaque ajout jusqu’à ce que le sel disparaisse. Comptez les cuillerées.
À un moment, malgré une agitation prolongée, un peu de sel demeure au fond, immobile. C’est le signe que votre solution est saturée : l’eau a pris tout le sel qu’elle pouvait prendre. Notez le nombre de cuillerées : vous avez mesuré, à votre façon, la limite de ce verre d’eau.
📋 Récapitulatif du chapitre 3
Un solvant ne dissout pas une quantité illimitée de soluté. Lorsqu’il a atteint sa quantité maximale, la solution est saturée : tout ajout supplémentaire se dépose au fond sans se dissoudre. Cette limite est propre à chaque soluté et dépend de la température. Remuer ou broyer accélère la dissolution, mais ne modifie pas cette limite.
La solubilité : mettre un chiffre sur la limite
Au chapitre précédent, nous avons découvert que chaque solvant possède une limite. Un scientifique digne de ce nom ne se contente pas de dire « il y a une limite » : il veut la mesurer, la comparer, la noter dans un tableau. Cette limite chiffrée porte un nom : la solubilité.
📘 Définition
La solubilité d’un soluté est la masse maximale que l’on peut dissoudre dans une quantité donnée de solvant, à une température précise. Elle se mesure le plus souvent en grammes pour 100 grammes d’eau. Indiquer la température est indispensable : sans elle, une valeur de solubilité n’a pas de sens.
Le sel et le sucre ne jouent pas dans la même catégorie
À température ambiante, autour de 20 degrés, comparons les deux solutés les plus familiers de notre cuisine. Les mesures donnent un résultat frappant : le sucre se dissout bien plus généreusement que le sel.
| Soluté | Solubilité dans l’eau (g pour 100 g d’eau) |
|---|---|
| Sel de table (chlorure de sodium) | environ 36 g |
| Sucre (saccharose) | environ 204 g |
La différence est spectaculaire : une même quantité d’eau dissout à peu près cinq à six fois plus de sucre que de sel. Voilà pourquoi un sirop peut être si épais et si concentré en sucre, alors qu’une eau salée atteint sa limite bien plus tôt. Chaque substance a sa propre solubilité, comme une signature.
💡 Le savais-tu ?
Toutes les substances ne sont pas aussi accueillantes dans l’eau que le sel et le sucre. Le calcaire, cette roche blanche dont sont faites certaines falaises, est extrêmement peu soluble : à peine une trace se dissout dans l’eau. C’est une chance, car sans cela, les montagnes de calcaire se dissoudraient peu à peu sous la pluie ! À l’inverse, le sel et le sucre comptent parmi les solides les plus solubles de notre quotidien. Entre l’insoluble et le très soluble, la nature déploie toute une gamme de comportements.
📜 Une histoire vraie
Bien avant l’invention du réfrigérateur, nos ancêtres avaient trouvé une ruse redoutable pour conserver les fruits d’été jusqu’en hiver : la confiture. Le principe repose entièrement sur la solubilité du sucre. La cuisson des fruits dans une très grande quantité de sucre donne une solution si concentrée que les moisissures et les bactéries, privées de l’eau dont elles ont besoin pour se développer, ne peuvent plus s’y installer.
La forte solubilité du sucre est donc bien plus qu’une curiosité de laboratoire : c’est elle qui a permis, pendant des siècles, de traverser les mois froids sans manquer de douceurs. Le même principe protège le miel, qui peut se conserver des années sans se gâter.
🔬 À faire chez vous : la course du sel et du sucre
Préparez deux verres identiques, remplis de la même quantité d’eau tiède. Dans le premier, ajoutez du sel cuillère par cuillère jusqu’à saturation, en comptant les cuillerées. Dans le second, faites de même avec du sucre.
Vous constaterez que le second verre en accepte bien davantage avant de former un dépôt. Le sucre l’emporte largement : sa solubilité est plusieurs fois supérieure à celle du sel. Vous venez de comparer, par vous-même, deux solubilités.
📋 Récapitulatif du chapitre 4
La solubilité est la masse maximale de soluté qu’un solvant peut dissoudre, à une température précise. Elle s’exprime en grammes pour 100 grammes d’eau et doit être accompagnée de sa température. À 20 degrés, le sucre (environ 204 g) se dissout bien plus que le sel (environ 36 g), tandis que le calcaire ne s’y dissout presque pas.
Le rôle de la température : chauffer pour en dissoudre plus
Nous voici au terme du voyage de notre morceau de sucre, et une dernière surprise nous attend. La solubilité, cette limite que nous avons appris à mesurer, n’est pas gravée dans le marbre. Elle dépend d’un paramètre que nous avons croisé à plusieurs reprises : la température. Chauffer l’eau change tout, mais pas de la même façon pour toutes les substances.
Ce que révèle un tableau de mesures
Voici les solubilités du sel et du sucre relevées à différentes températures. Lisez ce tableau ligne par ligne, et observez comme les deux colonnes racontent deux histoires opposées.
| Température | Sel (chlorure de sodium) | Sucre (saccharose) |
|---|---|---|
| 0 °C | 35,7 g | 179 g |
| 20 °C | 36,0 g | 204 g |
| 50 °C | 37,0 g | 260 g |
| 100 °C | 39,8 g | 487 g |
Le contraste saute aux yeux. Du plus froid au plus chaud, la solubilité du sel monte à peine, de 36 à 40 grammes environ : l’eau bouillante n’en dissout guère plus que l’eau glacée. Le sucre, lui, s’envole : de 179 grammes dans l’eau glacée, il grimpe à près de 487 grammes dans l’eau bouillante, soit presque le triple. Un graphique rend cette différence encore plus parlante.
Une règle générale se dessine : pour la plupart des solides, chauffer l’eau permet d’en dissoudre davantage. Le sucre en offre l’exemple le plus éclatant. Le sel, lui, fait figure d’exception : sa solubilité augmente si peu qu’elle en paraît presque immobile. La chaleur n’agit donc pas avec la même générosité sur tous les solutés.
💡 Le savais-tu ?
Les gaz font tout le contraire des solides ! Un gaz se dissout moins bien dans l’eau chaude que dans l’eau froide. C’est pourquoi une boisson gazeuse tiède pétille furieusement et perd vite ses bulles : la chaleur chasse le gaz dissous. C’est aussi pour cette raison que les poissons peinent à respirer dans une eau trop chaude : elle contient moins d’oxygène dissous. La température commande la solubilité, mais elle ne pousse pas tout le monde dans le même sens.
Refroidir : le retour des cristaux
Puisque l’eau chaude dissout beaucoup de sucre et l’eau froide bien moins, que se passe-t-il lorsqu’une solution très sucrée et brûlante se met à refroidir ? L’eau, en refroidissant, ne peut plus garder tout ce sucre dissous. Le surplus doit ressortir : il se rassemble en beaux cristaux solides. Ce phénomène porte un nom.
📘 Définition
La cristallisation est le phénomène par lequel un soluté dissous ressort de la solution sous forme de cristaux solides. Elle se produit notamment lorsqu’une solution saturée chaude refroidit : incapable de retenir tout le soluté, elle laisse l’excédent se regrouper en cristaux.
📜 Une histoire vraie
Depuis des siècles, les confiseurs savent transformer cette règle en gourmandise : c’est ainsi que naît le sucre candi. Ils dissolvent une énorme quantité de sucre dans de l’eau très chaude, jusqu’à saturation, puis plongent un fil ou un bâtonnet dans le récipient et laissent le tout refroidir avec une patience infinie, parfois plusieurs jours.
À mesure que la solution refroidit, le sucre en excès quitte l’eau et vient s’accrocher au fil, cristal après cristal. Il se forme peu à peu de gros cristaux translucides, réguliers et brillants : le sucre candi. Ce bonbon n’est rien d’autre que de la cristallisation rendue délicieuse.
🔬 À faire chez vous : faire pousser des cristaux de sucre
Avec l’aide d’un adulte pour l’eau très chaude, dissolvez une grande quantité de sucre dans un verre, en ajoutant les cuillerées jusqu’à saturation. Suspendez une ficelle propre dans le verre, sans qu’elle touche le fond, puis laissez reposer dans un endroit calme.
Au fil des jours, la solution refroidit puis s’évapore lentement, et des cristaux de sucre se développent le long de la ficelle. Vous obtenez votre propre sucre candi : la preuve, sous vos yeux, que le soluté était bien là, prêt à reprendre une forme solide.
📋 Récapitulatif du chapitre 5
La solubilité dépend de la température. Pour la plupart des solides, l’eau chaude en dissout davantage : l’effet est spectaculaire pour le sucre, très faible pour le sel. Les gaz, au contraire, se dissolvent moins dans l’eau chaude. Lorsqu’une solution saturée chaude refroidit, le soluté en excès ressort sous forme de cristaux : c’est la cristallisation, celle qui donne naissance au sucre candi.
Quiz final : as-tu suivi le voyage du sucre ?
Réponds à ces questions de mémoire, puis vérifie tes réponses grâce au corrigé, tout en bas. Prends le temps de réfléchir avant de regarder !
Huit questions pour tout revoir
- Dans une eau sucrée, quels noms portent le sucre, l’eau, et le mélange limpide obtenu ?
- Un morceau de sucre a disparu dans le thé. Deux preuves permettent d’affirmer qu’il est encore présent : lesquelles ?
- Un verre d’eau et du sucre, pesés séparément, totalisent 250 grammes. Après la dissolution complète du sucre, quelle masse indique la balance, et quel principe l’explique ?
- Quelle différence sépare le verbe « fondre » du verbe « dissoudre » ?
- Que signifie l’expression « solution saturée » ? Que devient le soluté ajouté au-delà de cette limite ?
- À température ambiante, lequel se dissout le mieux dans l’eau : le sel ou le sucre ?
- Pourquoi des cristaux de sucre candi se forment-ils lorsqu’une solution très sucrée et chaude refroidit lentement ?
- Face à une eau que l’on chauffe, les gaz se comportent-ils comme le sucre, ou à l’inverse ?
Lexique : les mots à retenir
- Soluté
- Substance (le plus souvent un solide) qui se dissout dans un liquide. Exemple : le sucre dans l’eau sucrée.
- Solvant
- Liquide qui dissout le soluté et l’accueille. L’eau est le solvant le plus répandu.
- Solution
- Mélange homogène obtenu lorsqu’un soluté s’est dissous dans un solvant. Exemple : l’eau salée.
- Dissolution
- Phénomène physique par lequel un solide se disperse dans un liquide au point de devenir invisible. La matière du soluté est conservée.
- Conservation de la masse
- Loi selon laquelle la masse totale ne change pas lors d’une dissolution : masse de la solution = masse du solvant + masse du soluté.
- Fondre (fusion)
- Passage d’un solide à l’état liquide sous l’effet de la chaleur, sans changer de substance. À ne pas confondre avec dissoudre.
- Solution saturée
- Solution qui contient la quantité maximale de soluté qu’un solvant peut dissoudre à une température donnée. Le soluté ajouté au-delà se dépose.
- Dépôt
- Soluté non dissous qui s’accumule au fond du récipient lorsque la solution est saturée.
- Solubilité
- Masse maximale de soluté qu’un solvant peut dissoudre, à une température précise. Elle s’exprime souvent en grammes pour 100 grammes d’eau.
- Cristallisation
- Phénomène par lequel un soluté dissous ressort de la solution sous forme de cristaux solides, par exemple lorsqu’une solution saturée chaude refroidit.
Valeurs de solubilité approximatives (chlorure de sodium et saccharose) ; elles varient légèrement selon les mesures.