Conductivité et tests d'identification des ions

Pourquoi une solution conduit (ou non) le courant

Reprends le circuit électrique que tu manipulais déjà en 5ᵉ : une pile, des fils, une lampe. Tant que la boucle est fermée par des conducteurs, le courant passe. Coupe la boucle avec un morceau de plastique, la lampe s'éteint. Quand on remplace une portion du circuit par un liquide, la question devient : ce liquide laisse-t-il passer le courant, ou se comporte-t-il comme le plastique ?

La réponse dépend entièrement de ce qu'il y a dans le liquide.

L'eau distillée est de l'eau quasiment pure : elle ne contient presque pas d'ions. Privée de porteurs de charge, elle conduit très mal le courant — la lampe reste éteinte. À l'inverse, l'eau salée contient une multitude d'ions sodium ${\text{Na}}^{+}$ et chlorure ${\text{Cl}}^{-}$ issus de la dissolution du sel. Ces ions, libres de se mouvoir, transportent le courant : la lampe brille.

Exemple 1. Dans un verre d'eau distillée, on plonge les deux électrodes du montage. La lampe ne s'allume pas. Conclusion : l'eau distillée ne contient pas assez d'ions pour conduire.

Exemple 2. On dissout du sel de cuisine dans cette même eau. Le sel (${\text{Na}}^{+}$ et ${\text{Cl}}^{-}$) se sépare en ions qui se dispersent dans l'eau. La lampe s'allume : la solution est devenue conductrice.

Ce qui se déplace réellement dans la solution

Voici le point le plus subtil, et celui que beaucoup d'élèves négligent. Dans un fil de cuivre, ce sont des électrons libres qui se déplacent. Dans une solution, il n'y a pas d'électrons libres qui circulent : ce sont les ions eux-mêmes qui migrent.

Et ils ne migrent pas tous dans le même sens. Les cations (ions positifs, comme ${\text{Na}}^{+}$ ou ${\text{Cu}}^{2+}$) et les anions (ions négatifs, comme ${\text{Cl}}^{-}$) sont attirés par des électrodes de signes opposés : ils se déplacent donc en sens contraires. Ce double mouvement, en sens opposés, constitue le courant dans la solution.

Mesurer la conductivité

Savoir qu'une solution conduit, c'est bien ; mesurer à quel point elle conduit, c'est mieux. Le montage est exactement celui de l'introduction.

Le montage de référence comporte : un générateur (la pile), une lampe ou un ampèremètre pour visualiser ou mesurer le passage du courant, et deux électrodes (deux plaques ou deux fils) plongées dans la solution à tester. La solution ferme le circuit entre les deux électrodes.

Exemple 1. On teste successivement trois liquides avec le même montage. Eau distillée : lampe éteinte (conduit très mal). Eau du robinet : lampe faiblement allumée (elle contient quelques ions naturels). Eau salée : lampe vive (très riche en ions).

Exemple 2. Sur un ampèremètre, l'eau distillée donne une intensité quasi nulle ; l'eau du robinet, une intensité faible ; l'eau salée, une intensité nettement plus grande. L'ordre des intensités reflète l'ordre des richesses en ions.

Plus d'ions, plus de conduction

Retiens bien le sens de la relation, car c'est une source d'erreur constante. La conduction augmente avec la quantité d'ions. Une solution très concentrée en ions conduit mieux qu'une solution diluée. Si tu ajoutes du sel à de l'eau déjà salée, la lampe brille davantage, et non l'inverse.

Identifier les ions par des tests de précipitation

La conductivité te dit qu'il y a des ions, mais pas lesquels. Pour reconnaître un ion précis, le chimiste utilise une réaction qui ne se produit qu'avec cet ion-là et qui donne un résultat visible.

Un précipité, c'est un solide qui se forme et trouble le liquide, parfois jusqu'à se déposer au fond du tube. Sa couleur est une signature.

Tester les cations métalliques avec la soude

Le réactif de référence pour les ions métalliques est la soude, c'est-à-dire l'hydroxyde de sodium. Quelques gouttes de soude versées dans la solution font apparaître un précipité dont la couleur trahit l'ion présent.

Exemple 1. Une solution donne, avec la soude, un précipité bleu. La couleur bleue est la signature de l'ion cuivre : la solution contient ${\text{Cu}}^{2+}$.

Exemple 2. Deux solutions ferreuses se distinguent par la soude : celle qui donne un précipité vert contient des ions fer II ${\text{Fe}}^{2+}$ ; celle qui donne un précipité rouille contient des ions fer III ${\text{Fe}}^{3+}$. Une seule goutte de réactif sépare les deux.

Tester les ions chlorure avec le nitrate d'argent

La soude est sans effet sur les ions chlorure. Pour ceux-là, il faut un autre réactif : le nitrate d'argent.

Ce noircissement progressif à la lumière est un indice supplémentaire, propre à ce test. C'est d'ailleurs ce même composé d'argent sensible à la lumière qui était au cœur de la photographie argentique.

Exemple. On verse quelques gouttes de nitrate d'argent dans une eau salée : un précipité blanc apparaît immédiatement, puis vire au gris-noir si on l'expose à la lumière. La présence d'ions ${\text{Cl}}^{-}$ est confirmée.

Un protocole d'identification complet

Pris isolément, chaque test répond par oui ou non à une question. Mis bout à bout dans un tableau, ils deviennent une véritable démarche d'enquête pour identifier les ions inconnus d'une solution.

Voici le tableau récapitulatif qui sert de clé de lecture.

Lire le tableau comme une enquête

Face à une solution inconnue, tu raisonnes par élimination. Un précipité bleu avec la soude ? Tu tiens ${\text{Cu}}^{2+}$. Pas de réaction avec la soude mais un précipité blanc qui noircit avec le nitrate d'argent ? Ce sont les chlorures. Chaque observation referme une porte et en ouvre une autre.

Exemple. Une solution donne un précipité rouille avec la soude, et un précipité blanc qui noircit avec le nitrate d'argent. Conclusion : elle contient à la fois des ions fer III ${\text{Fe}}^{3+}$ et des ions chlorure ${\text{Cl}}^{-}$ — c'est une solution de chlorure de fer III.

Pièges classiques

Piège 1 — Croire que l'eau « pure » conduit bien. L'intuition trompe : on imagine que l'eau pure, propre, conduirait parfaitement. C'est le contraire. L'eau distillée est pure, donc presque dépourvue d'ions, donc elle conduit très mal. Ce qui fait conduire l'eau, ce sont les « impuretés » ioniques qu'elle contient.

Piège 2 — Croire que ce sont des électrons qui circulent dans la solution. Dans un métal, oui, ce sont des électrons libres. Dans une solution, non : ce sont les ions eux-mêmes qui se déplacent. Confondre les deux, c'est manquer la différence fondamentale entre conduction métallique et conduction ionique.

Piège 3 — Confondre les couleurs des précipités. ${\text{Cu}}^{2+}$ donne du bleu, ${\text{Fe}}^{2+}$ du vert, ${\text{Fe}}^{3+}$ du rouille. Salma intervertit régulièrement le vert et le rouille des deux ions fer. Mémorise : fer II (le plus « simple », charge $2+$) → vert ; fer III (charge $3+$) → rouille, la couleur de la rouille qu'on voit sur le fer abandonné dehors.

Piège 4 — Croire que la soude identifie les chlorures. La soude ne réagit qu'avec les cations métalliques. Pour les ions chlorure ${\text{Cl}}^{-}$, il faut le nitrate d'argent. Utiliser le mauvais réactif, c'est ne rien voir et conclure à tort à l'absence d'ions.

Piège 5 — Oublier qu'un précipité est un solide qui apparaît. Un précipité n'est pas un simple changement de couleur du liquide : c'est un solide qui se forme, trouble la solution et peut se déposer au fond. Si rien de solide n'apparaît, il n'y a pas de précipité.

Piège 6 — Croire que plus d'ions = moins conducteur. C'est l'inverse exact. Plus une solution contient d'ions, mieux elle conduit. Ajouter du sel à de l'eau augmente sa conductivité ; cela ne la diminue jamais.

Application concrète

Au laboratoire du lycée de Marrakech, Salma a devant elle deux récipients. Le premier est une bouteille d'eau minérale marocaine (de la Sidi Ali). Le second est une solution préparée par le professeur, étiquetée seulement « solution X ». Sa mission : caractériser ces deux liquides avec le matériel de conductivité et les réactifs d'identification.

Étape 1 — Tester la conductivité. Salma monte le circuit : générateur, ampèremètre, deux électrodes. Elle plonge les électrodes dans l'eau Sidi Ali. L'ampèremètre indique une intensité faible mais non nulle. Elle en déduit, à juste titre, que l'eau minérale contient des ions — ce qui est normal, une eau minérale tire son nom des minéraux dissous. Elle teste ensuite la solution X : l'intensité est beaucoup plus grande. La solution X est donc bien plus riche en ions que l'eau minérale.

Étape 2 — Première erreur à corriger. Salma s'exclame que l'eau distillée du robinet de secours « doit conduire encore mieux puisqu'elle est plus pure ». C'est le piège 1. On reprend : pure veut dire sans ions, donc mauvaise conductrice. Elle vérifie au montage : l'ampèremètre reste à zéro avec l'eau distillée. L'intuition est rectifiée par l'expérience.

Étape 3 — Identifier les cations de la solution X. Salma prélève un peu de solution X dans un tube et ajoute quelques gouttes de soude. Un précipité bleu se forme. En consultant son tableau, elle conclut : la solution X contient des ions cuivre ${\text{Cu}}^{2+}$.

Étape 4 — Identifier les anions de la solution X. La soude n'a rien dit sur d'éventuels chlorures. Salma prélève un nouvel échantillon et ajoute du nitrate d'argent. Un précipité blanc apparaît, qui grise à la lumière de la fenêtre. C'est la signature des ions chlorure ${\text{Cl}}^{-}$.

Étape 5 — Conclure. La solution X contient ${\text{Cu}}^{2+}$ et ${\text{Cl}}^{-}$ : c'est une solution de chlorure de cuivre, ce qui explique d'ailleurs sa belle couleur bleutée. Sa forte conductivité s'explique par l'abondance de ces ions, bien supérieure à celle de l'eau minérale.

Conclusion. En quatre tests — un de conductivité, un à la soude, un au nitrate d'argent — Salma est passée d'un liquide anonyme à sa composition. C'est exactement la démarche que tu retrouveras, plus formalisée, dans les travaux pratiques de chimie au lycée, et dont le raisonnement par réactifs spécifiques irrigue toute la chimie analytique.

À retenir