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Pourquoi les solutions sursaturées sont-elles considérées comme un phénomène mystérieux dans la communauté scientifique ?
En chimie physique, la sursaturation se produit lorsque la concentration d'un soluté dans une solution dépasse la solubilité de ce soluté à l'équilibre. Ce phénomène s’applique principalement aux solutés solides dans les liquides, mais il peut également s’appliquer aux liquides et aux gaz se dissolvant dans les liquides. Une solution sursaturée est dans un état métastable et peut revenir à l'équilibre en dissociant l'excès de soluté, en ajoutant du solvant pour le diluer ou en augmentant la solubilité du soluté.
L’étude des solutions sursaturées remonte aux premières expériences avec du sulfate de sodium, un sel idéal pour les premières recherches car sa solubilité dans l’eau diminue à mesure que la température augmente.
Au fil du temps, les scientifiques ont progressivement réalisé que le processus de cristallisation des solutions sursaturées ne repose pas uniquement sur l'agitation comme on le croyait auparavant, mais nécessite l'ajout de « graines » solides pour démarrer le processus de cristallisation. Ce concept a été élargi par le célèbre chimiste Gay-Lussac, qui a souligné l'influence de la cinématique des ions salins et des caractéristiques du récipient sur l'état sursaturé. Henry Lowell a plus tard suggéré que les noyaux dans la solution et les parois du récipient catalysaient le processus de cristallisation.
Exemples et mécanismes de sursaturation
Lorsque la température d’une solution saturée change, la solution d’un composé dans un liquide devient sursaturée. Généralement, lorsque la température diminue, la solubilité diminue et l'excès de soluté se sépare rapidement de la solution sous forme de cristaux ou de poudre amorphe. Il existe cependant des cas où le contraire se produit. La recristallisation est un procédé utilisé pour purifier les composés chimiques. Il consiste à chauffer un mélange d'impuretés et de solvant jusqu'à ce que le composé soit dissous, puis à filtrer les impuretés restantes, puis à abaisser la température pour sursaturer brièvement la solution.
Ces processus illustrent le comportement des solutions sursaturées et indiquent que de minuscules cristaux ou particules de verre peuvent agir comme noyaux pour induire la cristallisation.
Interaction des solutés gazeux et des liquides
La solubilité d’un gaz dans un liquide augmente lorsque la pression du gaz augmente. Lorsque la pression externe est réduite, l’excès de gaz est libéré de la solution. Par exemple, les boissons gazeuses pétillent parce que le dioxyde de carbone se dissout dans le liquide sous haute pression. Lorsque la bouteille est ouverte, la pression diminue et le gaz est libéré sous forme de bulles. Pour les plongeurs, lorsque le corps est sursaturé en gaz, la remontée à la surface peut entraîner un risque de maladie de décompression.
Applications sursaturées
Dans le domaine pharmaceutique, les solutions sursaturées ont des applications pratiques. En créant une solution sursaturée d’un médicament, celui-ci peut être pris sous forme liquide. Cet état sursaturé du médicament peut favoriser l’absorption dans le corps, et même les médicaments pris sous forme cristalline peuvent former un état sursaturé dans le corps. Ce phénomène est appelé sursaturation interne et, en utilisant des outils permettant d’identifier les solutions sursaturées, les écologues marins peuvent étudier l’activité des organismes et des populations pour déterminer la productivité biologique d’une région.
En ce qui concerne la science atmosphérique, l’existence de la sursaturation est reconnue depuis les années 1940. Lorsque la troposphère est sursaturée en vapeur d’eau, le risque de gel de l’eau augmente. Cela révèle l’importance des phénomènes de sursaturation en météorologie et en sciences de l’environnement.
Lorsque les molécules d’eau sont dans un état sursaturé, l’humidité relative peut parfois atteindre plus de 100 %, un phénomène que les scientifiques n’ont pas encore exploré en profondeur.
Les solutions sursaturées non seulement inspirent l’enthousiasme des scientifiques pour la recherche, mais révèlent également la logique derrière de nombreux phénomènes mystérieux de la nature. Quelles sont les lois et les mécanismes de fonctionnement des réactions dans ces états extrêmes ?
