Solutions vraies, colloïdes et suspensions

Décrire un système dispersé

La phase dispersée et la phase continue peuvent avoir des états physiques différents. La classification biophysique repose surtout sur le diamètre caractéristique $d$ des entités dispersées, mais aussi sur leur comportement vis-à-vis de la lumière, de la diffusion, de la sédimentation et des procédés de séparation.

La distinction entre solution vraie, colloïde et suspension est donc opérationnelle : elle indique comment le système se comporte à l’échelle de l’observation et de la mesure.

Les trois grandes classes de dispersion

Les limites de taille sont approximatives, car elles dépendent de la nature des particules et de la méthode d’observation. On retient habituellement :

• une solution vraie pour $d < \pu{1 nm}$ ;
• une dispersion colloïdale pour un diamètre compris approximativement entre $\pu{1 nm}$ et $\pu{1 μm}$ ;
• une suspension pour $d > \pu{1 μm}$.

Le nanomètre, noté $\mathrm{nm}$, vaut $10^{-9}\ \mathrm{m}$ ; le micromètre, noté $\mathrm{\mu m}$, vaut $10^{-6}\ \mathrm{m}$.

La solution vraie

Le solvant constitue la phase majoritaire ou la phase qui impose l’état physique du système. Le soluté est réparti à l’échelle moléculaire ou ionique. Il n’existe donc pas d’interface macroscopique durable entre le soluté et le solvant.

Les interactions entre le soluté et le solvant provoquent une solvatation. Lorsque le solvant est l’eau, on parle d’hydratation. Les molécules du solvant entourent alors les entités dissoutes et stabilisent leur dispersion. Cette stabilisation explique que le soluté ne sédimente pas sous l’effet de la pesanteur.

Une solution vraie possède les propriétés suivantes :

• elle est homogène à l’échelle macroscopique et microscopique usuelle ;
• les entités dissoutes traversent généralement les filtres ordinaires ;
• elles diffusent sous l’effet de l’agitation thermique et des gradients de concentration ;
• le système ne sépare pas spontanément ses constituants par simple repos ;
• les particules dissoutes ne diffusent pas suffisamment la lumière pour produire un effet Tyndall notable.

La contribution des solutés aux propriétés colligatives et à l’osmose est étudiée dans les fiches voisines consacrées à la pression osmotique, à l’osmolarité et à la tonicité.

Les dispersions colloïdales

Un colloïde paraît souvent homogène à l’œil nu, mais il est hétérogène à l’échelle microscopique. Chaque particule colloïdale est séparée de la phase continue par une interface.

Mouvement brownien et stabilité

À l’échelle colloïdale, le mouvement brownien s’oppose en partie à l’action de la pesanteur. La sédimentation est donc très lente ou indétectable pendant la durée d’observation. Cette stabilité n’est toutefois pas nécessairement thermodynamique : de nombreux colloïdes sont seulement métastables, c’est-à-dire persistants tant qu’une barrière empêche l’agrégation des particules.

Cette barrière peut provenir :

• de charges électriques de même signe portées par les particules, qui se repoussent ;
• d’une couche de solvatation entourant leur surface ;
• de chaînes moléculaires fixées à la surface, qui gênent leur rapprochement.

Interaction avec la lumière

Les particules colloïdales sont assez grandes pour diffuser la lumière, contrairement aux molécules et ions d’une solution vraie. L’intensité de cette diffusion dépend notamment de leur taille, de leur concentration et de la différence de propriétés optiques entre les deux phases.