Les propriétés colligatives
Dissoudre un soluté dans un solvant abaisse sa température de congélation et élève sa température d’ébullition. Ces effets, appelés propriétés colligatives, dépendent du nombre de particules dissoutes et non de leur nature. C’est pourquoi on sale les routes en hiver, pourquoi le liquide de refroidissement protège les moteurs et pourquoi l’eau de mer gèle vers −1,9 °C et non à 0 °C.
Les formules
- Abaissement cryoscopique : ΔTf = i × Kf × b
- Élévation ébullioscopique : ΔTe = i × Ke × b
- Molalité : b = quantité de soluté ÷ masse de solvant en kg
Kf (constante cryoscopique) et Ke (constante ébullioscopique) sont propres au solvant, en °C·kg/mol, et i est le facteur de van ’t Hoff, le nombre de particules libérées par unité de soluté dissoute.
Exemple chiffré
On dissout 58,44 g de chlorure de sodium (1 mol) dans 1 kg d’eau. NaCl se dissocie en Na⁺ et Cl⁻ : i = 2.
- b = 1,00 mol ÷ 1,00 kg = 1,00 mol/kg.
- ΔTf = 2 × 1,86 × 1,00 = 3,72 °C : l’eau gèle désormais à −3,72 °C.
- ΔTe = 2 × 0,512 × 1,00 = 1,024 °C : elle bout à 101,02 °C.
Selon la quantité de sel (1 kg d’eau)
| NaCl ajouté | Température de congélation | Température d’ébullition |
|---|---|---|
| 10 g | −0,64 °C | 100,18 °C |
| 50 g | −3,18 °C | 100,88 °C |
| 100 g | −6,37 °C | 101,75 °C |
| 200 g | −12,73 °C | 103,50 °C |
Aux fortes concentrations, l’abaissement réel est un peu plus faible que le calcul, car les ions s’associent et la loi idéale n’est plus exacte. Une saumure saturée ne descend pas sous −21 °C environ.
Constantes de quelques solvants
| Solvant | Fusion | Kf | Ébullition | Ke |
|---|---|---|---|---|
| Eau | 0 °C | 1,86 | 100 °C | 0,512 |
| Benzène | 5,5 °C | 5,12 | 80,1 °C | 2,53 |
| Cyclohexane | 6,5 °C | 20,0 | 80,7 °C | 2,79 |
| Éthanol | −114,1 °C | 1,99 | 78,4 °C | 1,22 |
| Acide acétique | 16,6 °C | 3,90 | 118,1 °C | 3,07 |
Mesurer une masse molaire
Avant la spectrométrie de masse, on déterminait les masses molaires par cryométrie : on dissout une masse connue dans un solvant à forte constante, comme le cyclohexane ou le camphre, on mesure ΔTf et on en déduit la quantité de matière. François-Marie Raoult a établi ces lois à Grenoble dans les années 1880.
Salage des routes et liquide de refroidissement
Le sel de déneigement (chlorure de sodium) reste efficace jusque vers −8 à −10 °C sur la chaussée ; plus bas, les services routiers utilisent du chlorure de calcium (i = 3) ou des saumures. Le liquide de refroidissement des voitures contient du monoéthylène glycol, soluté moléculaire (i = 1) : un mélange à 50 % protège jusqu’à environ −37 °C, bien au-delà de ce que prévoit la formule idéale pour une solution aussi concentrée.