La solubilité du CO2

Lorsque l'on observe une bouteille d'eau gazeuse ou de soda, on remarque deux éléments différents :verre-eau-1.jpg
 le liquide contenu dans la boisson et le gaz. Mais le gaz n'occupe pas vraiment une "place", notre bouteille ne prévoit pas un "espace en plus pour contenir le gaz". En effet, ce gaz nous apparait sous formes de petites bulles. Alors comment cela se fait-il ? Il est dissous bien entendu !

Quelques rappels sur la solubilité :

D'après la définition du petit Larousse 2011, la solubilité est la : "qualité de ce qui est soluble". On cherche donc "soluble" et voici ce qu'on nous propose : "qui peut être dissous dans un solvant". Alors concrètement, qu'est ce ?
La solubilité est la quantité  maximale (en moles par litre, ou g/L…) d'un soluté que l'on peut dissoudre dans un solvant à une température et une pression données. Quand la solution est saturée, le solvant ne peut plus dissoudre le soluté.
Le solvant le plus courant est l'eau. Le soluté peut être un gaz (notre exemple du CO2), un liquide (exemple : alcool dans l'eau) ou un solide (exemple : sel de cuisine dans l'eau).

 Revenons à notre CO2 !

Voici la courbe de la solubilité maximale du CO2 en fonction de sa température et d'une pression donnée :

Solubilitéco2.png
Quelques valeurs importantes : dans des conditions standards et à une température de 0 degré C, on peut dissoudre 3.4 g de CO2 dans un volume d’eau soit la concentration gazeuse est de 3.4 g/L.
à 10°C      :     2,25 g/l,
à 20°C      :     1,62 g/l,
à 40 °C     :     0,98 g/l
à 60 °C     :     0.5 g/L
à 100 °C   :     0 g/L         Le CO2 n'est plus soluble.

 

On remarque sur cette courbe que lorsque la température augmente, la solubilité diminue. En effet la pression atmosphérique et la température du gaz jouent tous deux sur la solubilité de celui-ci.

  • Le rôle de la pression atmosphérique :

    Voici la Loi de Henry, formulée en 1803 par William Henry (physicien et chimiste britannique) :
    « À température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression qu'exerce ce gaz sur le liquide. ».  C’est-à-dire que si l'on est en un point où la pression est le double de la pression atmosphérique (c'est le cas dans l'eau à 10 m de profondeur), chaque gaz de l'air pourra se dissoudre deux fois mieux qu'en surface.

Petite expérience de mise en évidence : Dans une enceinte close sous une pression de 1 bar, placez en équilibre sur une balance un récipient contenant de l'eau et un poids. Si la pression est augmentée à 3 bars, le récipient contenant de l'eau devient plus lourd : le gaz contenu dans l'enceinte close s'est de plus en plus dissous dans l'eau, elle en devient plus lourde.

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  • L'intervention de la température du gaz : Lorsque la température augmente, la solubilité d'un gaz diminue et inversement : lorsque la température diminue, la solubilité augmente.
  • L'intervention d'autres facteurs : Le pH peut intervenir dans la solubilité, ainsi que la présence de liaisons hydrogènes ou non dans la molécule. Ces liaisons entrainent des difficultés pour la molécule à se dissocier.

Pourquoi le CO2 est-il peu soluble dans l'eau ?

Si le CO2 est peu soluble dans l'eau, cela s'explique principalement par le fait que le CO2 est une molécule apolaire tandis que l'H2O est un solvant polaire. Or une molécule polaire est très soluble dans un solvant polaire et une molécule apolaire très soluble dans une molécule apolaire.

Voici la géométrie de la molécule d'H2O :

h2o-molecule-polaire-1.png

L'atome d'oxygène est plus électronégatif que les atomes d'hydrogène, il attire le nuage électronique de ces deux atomes d'hydrogène et porte donc deux charges partielles négatives δ-. En contrepartie chaque atome d'hydrogène porte une charge partielle positive δ+. Or les "centres géométriques" des charges partielles (ici G- et G+ sur le schéma) ne coïncident pas. Voilà pourquoi la molécule d'H2O est polaire.

La molécule de CO2 est linéaire : co2-2.png

Les atomes d'oxygène sont plus électronégatifs que l'atome de carbone, ils attirent donc le nuage électronique (les électrons) et portent chacune une charge partielle négative δ-. La molécule de carbone porte donc 2 charges partielles positives δ+ car une molécule est électriquement neutre. Les "centres géométriques" de ces charges partielles coïncident en C, c'est donc pourquoi la molécule de CO2 est apolaire.

 

NB : Quelques valeurs de teneur en gaz dans les boissons gazeuses :

Une eau dite "gazeuse" contient 250 mg de CO2 par litre d'eau. Une eau dite "gazeuse forte" contient plus de 1000 mg de CO2 par litre d'eau.

 

 

Alors, maintenant que l'on sait que le CO2 est dissous dans la bouteille malgré qu'il soit peu soluble, cela vous intéresserait-il de savoir comment cette dissolution s'est passée ? Allez donc voir à la page suivante !

 

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