Solutions empiriques en chimie : définition, types, propriétés et exemples courants

En chimie, les solutions sont généralement binaires, c'est-à-dire qu'elles sont composées de deux éléments : le soluté et le solvant , l'un étant la substance à dissoudre et l'autre le facteur solvant.

Sur cette base, on peut les diviser en deux types : les solutions standardisées et les solutions empiriques , ces dernières étant celles dans lesquelles la quantité de soluté et de solvant qu’elles peuvent contenir n’est pas prise en compte quantitativement et exactement.

Normalement, dans les solutions empiriques, les solutés et les solvants sont relatifs, car ceux-ci peuvent varier simplement en fonction des quantités ; si nous avons une solution avec les mêmes quantités des deux éléments, l'un ou l'autre des deux noms peut être attribué à chacun, bien que par convention, la substance qui est en plus grande proportion soit considérée comme le solvant.

Qu'est-ce qu'une solution?

Pour bien comprendre le terme « solutions empiriques », il est nécessaire de savoir ce qu'est une solution. En chimie, une solution est définie comme un mélange homogène , généralement composé de particules inférieures à 10 atomes ou de molécules relativement petites. Ces solutions sont habituellement constituées de deux substances principales : les solutés et les solvants.

Un mélange homogène est un mélange dont les composants sont uniformément répartis à l'échelle microscopique, de sorte que les phases ne sont pas discernables à l'œil nu. L'eau salée, une boisson gazeuse ou l'air que nous respirons (un mélange de plusieurs gaz) en sont des exemples typiques.

Solutés

Les solutés sont des substances qui se dissolvent dans un mélange car elles sont présentes en plus faible quantité que le solvant. Un soluté peut être un solide, un liquide ou un gaz, pourvu qu'il puisse se disperser uniformément dans le solvant. Un exemple courant est celui du sucre qui se dissout dans l'eau.

Solvants

Les solvants sont des substances qui dissolvent les solutés ; ils sont présents en proportions supérieures à celles du soluté lui-même. Le solvant constitue le milieu dans lequel les particules de soluté sont dispersées. L’eau est le solvant le plus courant dans la vie quotidienne et est connue comme le solvant universel en raison de sa capacité à dissoudre une grande variété de substances.

Les solutions se divisent en deux grands types : celles dans lesquelles la quantité exacte de soluté et de solvant dans un mélange peut être déterminée, appelées solutions standard ; et les solutions empiriques , qui ne permettent pas la détermination précise de la quantité de ces composants car elles ne suivent pas de méthodes de mesure formelles.

Qu'est-ce qu'une solution empirique?

Les solutions empiriques sont des mélanges dont la proportion exacte de soluté et de solvant ne peut être déterminée par des calculs quantitatifs ou des instruments de laboratoire. Dans ces solutions, le rapport entre les deux est établi qualitativement , par expérience ou par jugement personnel, sans recourir à des unités de concentration telles que la molarité, la normalité ou le pourcentage.

Dans une solution empirique, différents états de la matière peuvent être impliqués : les solides peuvent être séparés ou combinés dans des liquides , les liquides dans des liquides , les gaz dans des liquides et les gaz dans des gaz , la substance en plus grand volume agissant généralement comme solvant et dissolvant celle présente en plus faible proportion.

Le terme « empirique » indique que ces solutions sont le fruit de la pratique et de l'expérience de la personne qui les élabore. Elles sont également qualifiées de qualitatives car elles sont décrites en termes tels que « une petite quantité », « beaucoup », « une pincée » ou « une cuillère à café », sans préciser les masses, les moles ou les volumes exacts.

Le temps de dissolution varie en fonction de facteurs tels que la température , la pression et la nature du soluté . Dans le cas des solutions gazeuses, ces facteurs déterminent en grande partie la capacité du gaz à se dissoudre dans le solvant, ce qui peut augmenter la viscosité ou l'épaisseur de la solution lorsque la quantité de soluté gazeux est importante.

Il est important de noter que les solutions empiriques sont courantes dans la vie de tous les jours, notamment à la maison, au restaurant, au bar et dans la cuisine . N'importe qui peut les préparer sans formation particulière en chimie ni utilisation d'instruments de mesure. Par exemple, la préparation d'un jus, d'un cocktail ou d'un café au lait relève souvent de l'empirisme : on ajuste les quantités selon ses goûts.

Il existe cinq types de solutions empiriques, classées selon les propriétés du solvant et du soluté : diluées , concentrées , saturées , insaturées et sursaturées . Cette classification repose sur la solubilité et la quantité de soluté ajoutée au solvant, bien que des valeurs exactes ne soient pas utilisées dans un contexte empirique.

Si un mélange contient les deux substances sous forme liquide, elles perdent leur identité en tant que matières premières d'origine, et la seule façon de les distinguer est leur proportion dans le mélange. Ce phénomène est très courant lors de la préparation de cocktails, de mélanges d'huiles ou de sauces liquides.

Caractéristiques des solutions empiriques

Parmi les caractéristiques les plus pertinentes des solutions empiriques, on peut citer les suivantes :

Ils sont généralement préparés dans contextes informels comme les habitations, les bars, les cafés, les salles à manger ou les cuisines industrielles, plutôt que les laboratoires de recherche.
Ils peuvent être fabriqués par Toute personne, sans nécessiter de formation spécifique en chimie ni d'expérience dans l'utilisation de matériel ou de balances volumétriques.
Ils sont conçus pour répondre à des besoins pratiques tels que nourriture, goût, texture ou apparence des produits alimentaires et des boissons, plutôt que pour des analyses précises ou à des fins industrielles.
prédomine goût personnel, jugement personnel et expérience : plus ou moins de soluté est ajouté selon le goût, la couleur, l’odeur ou la consistance souhaités.
Aucune méthode de pesée n'est suivie ni effectuée. calculs stœchiométriquesAucun équipement instrumental tel que des pH-mètres ou des burettes n'est utilisé pour sa préparation.
Ils ne sont généralement pas utilisés matériaux volumétriques calibrés ; on utilise plutôt des cuillères, des verres, des pichets, des tasses, des « pincées » avec les doigts ou n'importe quel récipient du quotidien.
Dans les laboratoires de routine et de recherche, son utilisation est peu fréquentcar, dans ce contexte, des solutions standardisées à concentrations connues sont nécessaires pour obtenir des résultats reproductibles.
Les solutions empiriques les plus courantes sont généralement solutés solides dissous dans des liquides (comme le sucre dans l'eau) ou des mélanges liquide-liquide (par exemple, différentes liqueurs dans un cocktail).

Types de solutions empiriques

Ces types sont classés selon la résistance des substances à la dissolution et, surtout, la quantité de soluté présente dans le mélange, toujours d'un point de vue qualitatif. Les principales catégories sont les suivantes.

Solutions diluées

Il s'agit de solutions dans lesquelles la quantité de solvant est bien supérieure à celle du soluté, ce qui explique la faible proportion de soluté. On les appelle également solutions diluées en raison de la faible quantité de substance dissoute. Par exemple, si l'on ajoute une cuillère à café de sucre à du café chaud, celui-ci se dissoudra très rapidement grâce à la quantité de solvant.

Dans l'approche empirique, une solution diluée se reconnaît à des caractéristiques telles qu'un goût doux , une couleur pâle ou une faible densité apparente . Par exemple, un jus préparé avec très peu de concentré de fruits et beaucoup d'eau est perçu comme léger et peu sucré.

Solutions concentrées

Il s'agit de solutions présentant une forte concentration de soluté par rapport à la quantité de solvant. On peut également interpréter cela comme la quantité maximale de substance pouvant se dissoudre dans la quantité de solvant jugée appropriée par la personne qui prépare la solution. Par exemple, 10 grammes de sel dans un demi-litre d'eau, ou encore une grande quantité de sucre ajoutée à une limonade jusqu'à ce qu'elle soit très sucrée.

Il est important de noter qu'il n'existe pas de frontière empirique exacte entre solutions diluées et solutions concentrées ; la distinction repose sur des critères qualitatifs tels que le goût, la couleur, la viscosité ou la densité perçue. Une personne peut considérer comme concentrée une boisson qu'une autre juge agréablement sucrée.

Solutions insaturées

Ces solutions se caractérisent par une concentration en soluté inférieure à la quantité maximale que le solvant peut dissoudre dans des conditions de température et de pression données. Autrement dit, il est encore possible de dissoudre davantage de soluté sans formation de précipité. Concrètement, il s'agit de solutions dans lesquelles, si l'on ajoute du soluté, celui-ci continue de se dissoudre sans problème. Par exemple, 30 grammes de sel dans 2 litres d'eau.

Solutions saturées

Les solutions saturées sont l'inverse des solutions insaturées : elles contiennent la quantité maximale de soluté que la solution peut retenir dans des conditions de pression et de température données. Lorsqu'une solution devient saturée, le soluté ne se dissout plus , créant un équilibre dynamique entre le soluté dissous et le soluté non dissous. En pratique, on constate que, même en agitant la solution, une partie du soluté reste au fond du récipient.

Solutions sursaturées

Ces solutions contiennent encore plus de soluté que les solutions saturées dans les mêmes conditions. On les obtient généralement en augmentant la température du solvant afin qu'il puisse dissoudre une plus grande quantité de soluté que d'habitude, puis en refroidissant le mélange sans le perturber. Le seul moyen de maintenir le soluté en excès dissous est de préserver les conditions obtenues ; lors d'un refroidissement ou d'autres modifications, une grande partie du soluté peut retourner à son état initial et cristalliser.

Les solutions sursaturées sont instables et, au moindre choc, mouvement brusque ou à l'introduction d'un cristal de soluté, elles redeviennent rapidement des solutions saturées, le soluté en excès précipitant. Ce phénomène est très visible lors des expériences de laboratoire et dans la fabrication de bonbons et de confiseries cristallisées.

Propriétés de la solution

Les solutions possèdent de nombreuses propriétés, mais l'une des plus importantes est la solubilité , c'est-à-dire la quantité de soluté qui, à une température donnée, peut se dissoudre dans un solvant jusqu'à l'atteinte de l'équilibre. Chaque composé a sa propre solubilité, qui dépend de facteurs tels que sa nature chimique et celle du solvant.

Dans le contexte des solutions, d'autres propriétés sont associées au soluté et au solvant. Pour le soluté, il s'agit notamment de la conductivité électrique (dans le cas des électrolytes), de la pression de vapeur et de l'influence sur le point de congélation ou d'ébullition de la solution. Pour le solvant, on étudie des propriétés telles que le point d'ébullition , le point de fusion et la constante diélectrique.

À l'échelle microscopique, pour qu'une solution homogène se forme, il doit exister une attraction entre les molécules de soluté et de solvant qui surpasse les forces d'attraction entre les molécules de soluté seules. Ceci entraîne la dispersion des particules de soluté et leur liaison aux particules de solvant, créant ainsi un système uniforme.

L'exemple classique est celui de l'eau et du sucre. Lorsqu'on met une cuillère à café de sucre dans un verre d'eau, il se dissout car les molécules d'eau sont suffisamment fortes pour interagir avec les molécules de sucre , brisant ainsi la structure cristalline de ce dernier et enrobant chaque particule dissoute. On obtient alors un liquide homogène dans lequel les cristaux de sucre ne sont plus visibles à l'œil nu.

La méthode de préparation de nombreuses solutions empiriques (agitation, chauffage, broyage du soluté) influence également la vitesse de dissolution . Le broyage d'un soluté solide en fines particules ou l'augmentation de la température du solvant accélèrent généralement le processus, même sans mesures quantitatives.

Comment prépare-t-on les solutions empiriques ?

Lors de la préparation de solutions empiriques, les préférences personnelles et les contraintes pratiques prévalent . La quantité de soluté et la quantité de solvant dépendent du jugement de la personne qui prépare le mélange, sans recours à des pesées exactes ni à des mesures volumétriques précises.

Dans ce type de solutions, les unités de mesure formelles sont inexistantes . Au lieu de grammes ou de millilitres, on utilise des expressions telles que « une cuillère à café de sel », « un filet de lait », « une pincée de sucre » ou « deux doigts d'alcool », qui sont clairement empiriques car elles n'expriment pas la concentration en termes de masse exacte ou de nombre de moles présentes.

Les matériaux utilisés pour préparer les solutions empiriques sont tout aussi informels : cuillères, tasses, verres, pichets, poignées ou même quelques gouttes prélevées du bout des doigts. Ces récipients ne comportent pas d’indicateur de volume gradué, si bien que deux personnes peuvent préparer des mélanges différents même en utilisant la même « mesure » apparente.

Malgré ce manque de précision, de nombreuses personnes parviennent à une remarquable reproductibilité empirique grâce à la pratique : elles peuvent préparer, par exemple, le même type de café ou le même cocktail avec un goût très similaire à de nombreuses reprises, en se basant uniquement sur leur expérience sensorielle.

Exemples quotidiens de solutions empiriques

Les solutions empiriques sont omniprésentes dans la vie quotidienne. Voici quelques exemples supplémentaires, en plus de ceux présentés plus loin :

Préparation de cocktailsBien que les quantités d'alcool et autres ingrédients soient indiquées, en pratique elles varient généralement selon les goûts de la personne qui prépare la boisson ou du convive.
Fabrication de gâteaux et de pâtisseries: mélanger les œufs, la farine, le lait, le sucre et l'huile en quantités souvent ajustées à la volée pour obtenir la texture désirée.
Sauces et ragoûtsLa quantité de sel, d'épices, de bouillon ou d'eau est ajustée en fonction de la saveur désirée, sans pesée ni mesure exacte.
Jus et smoothiesOn modifie les proportions de pulpe de fruits, d'eau, de lait ou de glace pour obtenir des préparations plus épaisses, plus légères, plus sucrées ou plus acides.
Infusions et thés: ajouter « une cuillère à soupe » ou « une poignée » d’herbes à l’eau chaude, mais cette quantité varie d’une personne à l’autre.

8 exemples qui aident à déterminer des solutions empiriques

Lors de la préparation d'un café con lecheLe café, solide (en grains ou moulu, puis extrait), est considéré comme le soluté, et le lait, liquide, comme le solvant. La couleur du mélange dépend des quantités de lait et de café ajoutées, sans que le rapport exact soit mesuré.
Chocolat et eauLe chocolat (en poudre ou fondu) est le soluté et l'eau le solvant. L'intensité de la saveur dépendra de la quantité de chocolat dissoute, un exemple clair de solution empirique.
Lorsqu'il est soumis à une solution l'eau et l'airOn obtient du brouillard ou de la brume : de petites gouttelettes d'eau dispersées dans l'air forment un système où le gaz agit comme milieu de dispersion.
Peinture et diluantPour faciliter l'utilisation de la peinture à l'huile, il faut la diluer avec du diluant, le solvant prévu à cet effet. La quantité de diluant ajoutée dépend de la consistance souhaitée ; il n'existe pas de mesure exacte.
eau savonneuseDans cette solution, l'eau est le solvant et le savon le soluté. Selon la quantité de savon ajoutée, il peut s'agir d'une solution insaturée ou concentrée.
Café avec de l'eauLorsqu'on prépare du café filtré ou instantané avec de l'eau, on obtient une autre solution empirique, dans laquelle l'eau sert de solvant et la quantité de café est ajustée selon les goûts.
eau sucréeLe sucre est la substance à dissoudre et l'eau est le solvant. La douceur du mélange dépend de la quantité ajoutée empiriquement.
Eau avec des jus artificielsCes boissons sont des produits déshydratés qui fonctionnent comme une sorte de sucre aromatisé. Leur utilisation est similaire à l'exemple précédent : on ajuste la quantité de poudre « à l'œil » pour obtenir la saveur désirée.

Cet ensemble d'exemples montre comment, dans la vie quotidienne, on élabore constamment des solutions empiriques dans lesquelles on ne manipule pas de chiffres ou de concentrations exacts, mais où l'on exploite intuitivement les propriétés de solubilité, de goût, de couleur et de consistance.