Solvants

Introduction

Dans un bécher où l'on prépare une solution, dans le ballon d'une synthèse, dans une bouteille de dissolvant à vernis ou dans un flacon de sirop, une espèce chimique est presque toujours ultra-majoritaire et pourtant presque jamais nommée : le solvant. On écrit \(\ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O}\) sans mentionner les quelque \(55~\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\) d'eau qui entourent chaque ion. Cette discrétion typographique est trompeuse.

Le fil directeur de la leçon tient en une phrase : le solvant n'est pas un décor inerte, c'est un constituant du système que l'on choisit. Il décide de ce qui se dissout et de ce qui ne se dissout pas ; il peut accélérer ou ralentir une réaction d'un facteur considérable, parfois en changer le produit majoritaire ; il fixe la température de travail par son domaine liquide ; il porte l'essentiel du risque d'incendie, de l'exposition toxicologique et de l'empreinte environnementale d'un procédé, parce qu'il en représente l'essentiel de la masse. Choisir un solvant est donc un acte de conception, exactement au même titre que choisir un réactif.

Nous procéderons en trois temps. D'abord décrire et classer les solvants à partir d'observations accessibles dès la Seconde, en installant le vocabulaire et la distinction dissolution / réaction. Ensuite choisir, en construisant la grille de critères que le programme de Terminale spécialité mobilise sous le titre « chimie durable ». Enfin quantifier, au niveau PCSI, avec deux descripteurs — le moment dipolaire \(\vec{\mu}\), microscopique, et la permittivité relative \(\varepsilon_r\), macroscopique — et une lecture thermodynamique de la dissolution. Deux exigences épistémologiques traverseront l'exposé : distinguer en permanence ce qui est observé, ce qui est modélisé et ce qui est tabulé ; et ne jamais confondre \(\Delta_r G\) et \(\Delta_r G^\circ\) lorsque l'on discutera de la spontanéité d'une dissolution.

Trois sujets voisins bornent volontairement le propos : l'extraction liquide-liquide et la distillation relèvent de Séparation (sujet 1), l'origine des interactions (électronégativité, liaison hydrogène, solvatation ion-dipôle) de Liaisons et interactions (sujet 2), et l'effet du solvant sur la compétition \(S_N1\) / \(S_N2\) de Mécanismes réactionnels (sujet 22). Nous nous y appuierons sans les refaire : l'objet propre de cette leçon est le solvant lui-même, comme objet physico-chimique caractérisable et comme variable de choix.

I. Qu'est-ce qu'un solvant ? Décrire pour classer Seconde / Première spé

Le mot apparaît dès le cycle 4, avec l'eau « solvant de nombreuses espèces ». Il faut d'emblée en fixer le sens de façon opératoire, car le vocabulaire de la dissolution est une source d'erreurs durable.