Structure chimique et différences avec les acides
Tous les sels possèdent un réseau cristallin ionique constitué de cations (atomes métalliques ou groupes polyatomiques, par exemple l'ammonium) et d'anions (résidus acides monoatomiques ou polyatomiques) alternant régulièrement. Cela les différencie fondamentalement des acides, qui sont pour la plupart des liquides ou des gaz.
Le remplacement du métal dans la structure d'un sel par un autre métal entraîne la formation d'un nouveau sel. Si, en revanche, on remplace le métal par de l'hydrogène, on obtient une substance d'une classe totalement différente : un acide.
Pour écrire avec précision la formule développée complète d'un sel, il est nécessaire de connaître le nombre de coordination du métal. Si ces données font défaut, seule la structure du résidu acide est représentée. Par exemple, dans le phosphate de potassium, les ions potassium sont entourés d'atomes d'oxygène provenant de différents groupes, et sans la structure exacte, on se contente d'écrire simplement le groupe $PO_4$.
La diversité des sels s'explique par le fait qu'un même acide peut correspondre à un nombre considérable de sels issus de différentes bases. Il existe également des sels d'acides instables. Un exemple classique est le dithionite de zinc ($ZnS_2O_4$), formé lors de la réaction du zinc avec le dioxyde de soufre, alors que l'acide dithionique lui-même ($H_2S_2O_4$) se décompose instantanément lorsqu'on tente de l'isoler.
Propriétés physiques, solutions et hydrates cristallins
Les sels ont des points de fusion relativement élevés. La plupart des sels sont blancs ou incolores (comme le bicarbonate de sodium ou le chlorure de sodium), mais beaucoup possèdent une couleur caractéristique propre (comme le permanganate de potassium $KMnO_4$). La solubilité varie : les données de référence peuvent toujours être trouvées dans des tableaux spéciaux.
La propriété clé des solutions aqueuses est leur haute conductivité électrique, qui dépend directement de la concentration en ions. Si l'on place un bécher contenant une solution de chlorure de sodium dans un circuit muni d'une lampe, l'intensité lumineuse augmente à mesure que de nouvelles portions de sel sont dissoutes.
Lors de la cristallisation, les sels se séparent sous deux formes :
- Cristaux anhydres : caractéristiques des précipités insolubles et de certains sels de potassium, de sodium et d'ammonium.
- Hydrates cristallins : composés chimiques solides dans lesquels le sel cristallise en incorporant un nombre déterminé de molécules d'eau (caractéristique de la plupart des sels solubles).
Réaction du milieu et propriétés chimiques
La double nature des sels (présence d'un résidu d'acide et d'un cation basique) fait que leurs solutions aqueuses peuvent modifier le pH :
- Réaction acide (tournesol rouge) — caractéristique des sels d'un acide fort et d'une base faible (aluminium, zinc, fer).
- Réaction alcaline (tournesol bleu) — caractéristique des sels d'une base forte et d'un acide faible. Par exemple, le carbonate de sodium ($Na_2CO_3$) est utilisé en pratique pour créer un milieu alcalin en tant qu'alternative plus sûre à la soude caustique.
- Réaction neutre — caractéristique des sels d'acides forts et de bases fortes.
Les sels participent à des réactions d'échange qui vont à leur terme s'il y a formation d'un précipité, dégagement d'un gaz ou obtention d'une substance faible (par exemple, de l'eau ou un acide faible). Dans les réactions de substitution, un métal actif déplace un métal moins actif de sa solution saline. Ainsi, un trombone en fer plongé dans une solution de sulfate de cuivre($CuSO_4$) se recouvri de cuivre, et un granulé de zinc dans du nitrate de plomb($Pb(NO_3)_2$) se couvre de cristaux de plomb (un « arbre de Saturne »).
Classification des sels et stabilité thermique
Les sels peuvent être divisés en plusieurs grands groupes :
- Sels binaires (composés avec les halogènes et le soufre). Ils se distinguent par leur stabilité thermique. Fait intéressant : parmi les halogénures d'argent, le fluorure est très soluble, tandis que le chlorure, le bromure et l'iodure ne le sont pas. C'est l'inverse pour les sels de calcium : le fluorure est insoluble, tandis que les autres halogénures sont solubles.
- Sels oxygénés (sulfates, carbonates, phosphates). Le métal y est lié à l'oxygène.
- Sels d'acides organiques. Les simples (acétates) ressemblent aux sels inorganiques. Quant aux sels d'acides supérieurs à longue chaîne carbonée (les savons), ils ne cristallisent pas, forment un film à la surface de l'eau et ne se dissolvent pas comme les sels ordinaires.
- Sels d'ammoniaque et d'amines. Ils contiennent des cations polyatomiques. En présence de bases, ils libèrent de l'ammoniaque, et lors du chauffage, ils se décomposent entièrement en produits gazeux.
Lors du chauffage, les sels binaires et les sels de métaux alcalins se contentent de fondre (par exemple, le $NaCl$ à 801 °C). En revanche, la plupart des sels d'acides oxygénés d'autres métaux se décomposent en libérant de l'oxygène et des oxydes de non-métaux (par exemple, la décomposition du nitrate de cuivre(II) ou du sulfate de zinc).
Importance biologique et principaux sels
En médecine, la classe des sels est étudiée avec une attention particulière, car ces substances sont nécessairement présentes dans les organismes vivants et assurent l'homéostasie.
Parmi les sels les plus importants dans le corps humain :
- Le chlorure de sodium ($NaCl$) — le sel de table ;
- Le chlorure de potassium ($KCl$) et le chlorure de magnésium ($MgCl_2$) ;
- Le bicarbonate de sodium ($NaHCO_3$) — le bicarbonate de soude ;
- Le phosphate de calcium ($Ca_3(PO_4)_2$) — le principal composant minéral des os et des dents.
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quels sels ont une réaction de milieu acide en solution aqueuse ?
Ont une réaction de milieu acide en solution aqueuse les sels formés par une base faible et un acide fort. Dans ces solutions, l'indicateur tournesol vire au rouge.
Ces composés comprennent :
- Les sels d'aluminium (Al) — qui s'hydrolysent en formant un milieu acide.
- Les sels de zinc (Zn) — qui présentent des propriétés similaires.
- Les sels de fer (Fe) — qui ont également une réaction acide.
Quels produits précis sont formés lors de la décomposition thermique du nitrate de cuivre(II) ?
Lors de la décomposition thermique du nitrate de cuivre(II), il se forme un oxyde métallique, du dioxyde d'azote et de l'oxygène.
Produits spécifiques de la réaction :
- L'oxyde de cuivre(II) (CuO) — résidu solide d'oxyde métallique.
- Le dioxyde d'azote (NO₂) — oxyde volatil de non-métal, dégagé sous forme de gaz.
- L'oxygène (O₂) — produit gazeux de la décomposition.
Équation de la réaction en cours : $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$.
Quels sels forment les tampons bicarbonate et phosphate du sang ?
Le tampon bicarbonate du sang est formé par le bicarbonate de sodium, tandis que les sels spécifiques du tampon phosphate ne sont pas spécifiés dans les sources.
- Le bicarbonate de sodium (NaHCO₃) — toujours présent dans le sang, il crée un milieu faiblement alcalin en agissant comme composant du système tampon.
Le système tampon phosphate est mentionné comme l'une des principales lignes de défense physico-chimiques du sang, mais la composition saline exacte de ce tampon n'est pas fournie.
Pour déterminer rapidement si une réaction d'échange ionique va à son terme, recherchez dans les produits un « maillon faible » : un gaz (flèche vers le haut), un précipité insoluble (flèche vers le bas) ou une substance faible (acide/base/eau).
Questions des cours et des examens
Quelle est la principale différence entre les sels et les acides ?
Par leur état d'agrégation et leur structure. Les sels possèdent toujours un réseau cristallin ionique, tandis que les acides sont généralement des liquides ou des gaz.
Pourquoi une solution de carbonate de sodium présente-t-elle un milieu alcalin ?
Parce que le carbonate de sodium est formé par une base forte (l'hydroxyde de sodium) et un acide faible (l'acide carbonique). Les propriétés du composant fort prédominent en solution.
Qu'est-ce qu'un hydrate cristallin ?
Il s'agit d'une substance chimique individuelle : un composé solide dans le réseau cristallin duquel des molécules d'eau sont piégées et retenues.
Comment prouver qu'il s'agit d'un sel d'ammonium ?
Il faut réaliser une réaction avec une base. Par suite de l'interaction entre un sel d'ammonium et une base, de l'ammoniaque gazeux sera libéré, ce qui est facile à détecter.
À étudier également sur le sujet
- Règles d'établissement des formules développées des sels et nombres de coordination
- Particularités de la solubilité des fluorures par rapport aux autres halogénures
- Décomposition thermique des sels d'acides oxogénés
- Propriétés chimiques des sels d'acides gras supérieurs (savons)
- Spécificité des sels d'amines organiques et du cation ammonium
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