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Loi de Raoult : abaissement de la pression de vapeur et mélanges idéaux

Calculez la pression de vapeur d'une solution contenant un soluté non volatil, ou la pression totale et la composition de la vapeur d'un mélange idéal de deux liquides volatils.

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mol

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kPa

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Résultats

Pression de vapeur de la solution (totale)

2,908 kPa

Fraction molaire du solvant (ou de A) dans le liquide
0,9174
Abaissement de la pression de vapeur du solvant
0,262 kPa
Abaissement relatif, ΔP ÷ P° (égal à la fraction molaire du soluté)
0,08264
Fraction molaire de A dans la vapeur (deux liquides)
1
Pression partielle de B
0 kPa

Pression de vapeur et solutions

Tout liquide émet de la vapeur. Dans un récipient fermé, cette vapeur atteint une pression d’équilibre, la pression de vapeur saturante, qui ne dépend que du liquide et de la température. Quand on dissout une substance dans le liquide, cette pression diminue. En 1887, le chimiste français François-Marie Raoult, professeur à la faculté des sciences de Grenoble, a montré que cette baisse suit une loi simple pour les solutions idéales.

Les formules

  • Loi de Raoult : P = x × P°, où x est la fraction molaire du constituant dans le liquide et P° sa pression de vapeur à l’état pur
  • Fraction molaire : x_A = n_A ÷ (n_A + n_B)
  • Abaissement par un soluté non volatil : ΔP = P° − P = x_soluté × P°
  • Deux liquides volatils : P_totale = x_A × P°_A + x_B × P°_B, et la vapeur contient une fraction molaire y_A = x_A × P°_A ÷ P_totale de A

Exemple : du sucre dans l’eau

Dissolvons 0,5 mol de saccharose dans 100 g d’eau, soit 5,55 mol, à 25 °C, température à laquelle l’eau pure a une pression de vapeur de 3,17 kPa :

  • Fraction molaire de l’eau : 5,55 ÷ 6,05 = 0,9174
  • Pression de vapeur de la solution : 0,9174 × 3,17 = 2,908 kPa
  • Abaissement : 0,262 kPa, soit 8,26 % de la valeur de l’eau pure

Pour un sel comme le chlorure de sodium, comptez les moles d’ions, environ le double des moles de sel, car l’effet dépend du nombre de particules dissoutes.

Exemple : un mélange idéal

À 25 °C, le benzène a une pression de vapeur d’environ 12,7 kPa et le toluène d’environ 3,8 kPa. Pour un liquide contenant autant de moles des deux, la pression totale vaut 0,5 × 12,7 + 0,5 × 3,8 = 8,25 kPa, et la vapeur contient 6,35 ÷ 8,25 = 77 % de benzène. La vapeur est plus riche en constituant le plus volatil : c’est le principe de la distillation fractionnée, étudiée en terminale et en classes préparatoires avec les diagrammes binaires.

Les propriétés colligatives

L’abaissement de la pression de vapeur est l’une des quatre propriétés colligatives, qui dépendent du nombre de particules de soluté et non de leur nature. Les autres, élévation du point d’ébullition (ébulliométrie), abaissement du point de congélation (cryométrie) et pression osmotique, en découlent. Raoult a d’ailleurs fondé la cryométrie, qui servait à mesurer les masses molaires. Ces lois expliquent pourquoi l’eau salée bout un peu plus chaud et pourquoi le sel fait fondre la glace sur les routes.

Les solutions réelles

La loi de Raoult s’applique aux solutions diluées et aux mélanges de liquides chimiquement proches. Les mélanges dont les constituants s’attirent fortement, comme l’acétone et le chloroforme, présentent des écarts négatifs ; ceux qui se repoussent, comme l’éthanol et l’hexane, des écarts positifs. De forts écarts conduisent à des azéotropes, mélanges qui bouillent sans changer de composition, comme l’éthanol à 95,6 % dans l’eau : c’est pourquoi la distillation simple ne donne pas d’alcool pur.

Questions fréquentes

Que dit la loi de Raoult ?

Dans une solution idéale, la pression de vapeur de chaque constituant est égale à sa fraction molaire dans le liquide multipliée par la pression de vapeur du constituant pur : P = x × P°. Ajouter un soluté non volatil diminue la fraction molaire du solvant, donc sa pression de vapeur.

Pourquoi dissoudre du sel ou du sucre abaisse-t-il la pression de vapeur ?

Les particules de soluté diluent le solvant et occupent une partie de la surface du liquide : moins de molécules de solvant passent en phase vapeur. L'abaissement relatif, ΔP ÷ P°, est égal à la fraction molaire des particules de soluté.

Faut-il compter les ions séparément ?

Oui. La loi de Raoult dépend du nombre de particules dissoutes : 1 mol de chlorure de sodium donne environ 2 mol d'ions et 1 mol de chlorure de calcium environ 3, d'où le facteur de van 't Hoff.

Quand la loi de Raoult ne s'applique-t-elle pas ?

Elle convient aux solutions diluées et aux mélanges de molécules semblables, comme le benzène et le toluène. Des interactions fortes entre constituants créent des écarts positifs ou négatifs, et certains mélanges forment des azéotropes, comme l'eau et l'éthanol, ce qui limite la distillation.

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