L abaissement de la température de fusion est une des propriétés colligatives des solutions. Elle peut être exprimée par l équation suivante :

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1 Travaux Pratiques Chimie Physique I Semestre d automne 2007 Cryoscopie ABEGG Daniel SURRIABRE Pedro Université de Genève Science II, Laboratoire novembre 2007

2 Table des matières 1 Cryoscopie But de l expérience Partie théorique Partie pratique Manipulations Résultats Valeurs Théoriques Valeurs Expérimentales Discussion et conclusion Sources bibliographiques Exercices Tableau des valeurs

3 Chapitre 1 Cryoscopie 1.1 But de l expérience L objectif de cette expérience est la détermination de la constante cryoscopique de l eau de manière expérimentale ainsi que de la masse molaire du soluté (urée). 1.2 Partie théorique L abaissement de la température de fusion est une des propriétés colligatives des solutions. Elle peut être exprimée par l équation suivante : T f = K f m T f = diminution de la tempérarture K f = constante cryoscopique de l eau m = molalité de la soluion Pour arriver à une telle expression on a dû faire 3 hypothèses : Le soluté n est pas volatil, il ne contribue pas à la phase vapeur Le soluté ne se dissout pas dans le solvant solide La quantité de soluté reste faible et l on peut poser a solvant = x solvant On peut déterminer la valeur de K f théoriquement selon la formule suivante : K f = RT 2 fus MM A fush Θ R = constante universelle des gaz T fus = température de fusion MM A = masse molaire du solvant fus H Θ = enthalpie de fusion 3

4 On peut déterminer aussi K f expérimentalement en mesurant la diminution de température de fusion à différentes molalités : ( ) T K f = lim m B 0 m B Une autre application de cette propriété colligative est la détermination de la masse molaire du soluté : ( ) K f T = lim MM B p 0 p Où p = masse soluté (g) par kg de solvant = m MM A L origine des ces propriétés colligatives se trouve dans la diminution du potentiel chimique du solvant liquide en présence du soluté. 1.3 Partie pratique Manipulations On prépare 3 solutions d urée et 1 solution de NaCl avec les compositions suivantes : 0.5 g/20 ml eau m Urée = 1.0 g/20 ml eau 1.5 g/20 ml eau m NaCl = { 0.5 g/20 ml eau Pour ces 4 solutions on va déterminer la température de fusion. On introduit la solution dans une éprouvette à double paroi (pour assurer un refroidissement graduel) pourvue d un thermomètre et d un agitateur. On plonge l éprouvette dans un bain de glace (mélange eau/glace/sel) et on observe la diminution de température. On note la température de la solution toutes les 15 seconds après être arrivés à 2 C. On agite constamment la solution pendant tout le processus d abaissement de température. Pesées m Urée g m Urée g m Urée g m NaCl g 4

5 Croquis du dispositif expérimental Agitateur Thermomètre Solution H 2 O NaCl Calcul du K f de l eau K f = RT 2 fus MM A = 1.86 Kkg/mol fush Θ R = JK/mol T fus = K MM A = g/mol fus H Θ = J/mol 1.4 Résultats Les T sont l étendue entre la courbe de référence (eau) et la solution à tester. 5

6 2 1 Urée0.5g Urée1.0g Urée1.5g NaCl0.5g H 2 O pur Température[ C] Temps [s] 2 1 Urée0.5g Urée1.0g Urée1.5g NaCl0.5g H 2 O pur Température[ C] Temps [s] 6

7 1.4.1 Valeurs Théoriques m Urée [mol/kg] p[g/kg] T[K] T/m Urée [Kkg/mol] T/p[Kkg/g] Valeurs Expérimentales m B [mol/kg] p[g/kg] T[K] T/m Urée [Kkg/mol] T/p[Kkg/g] m Urée0.5 g m Urée1.0 g m Urée1.5 g m NaCl0.5 g theorique experimental 2.2 ] [ K kg mol T mb f(x) = x f(x) = x m B [mol/kg] Fig. 1.1 L ordonnée à l origine est égale à K f K f(th) K f(exp) Erreur rel % 1.5 Discussion et conclusion Les valeurs que nous avons trouvée pour l urée sont supérieurs aux valeurs de la théorie. Pour le constante cryoscopique de l eau la différence est grande ( 17%), mais cette va- 7

8 theorique experimental ] [ K kg g T p f(x) = x f(x) = x p [g/kg] Fig. 1.2 L ordonnée à l origine équivaut à K f MM B MM Urée(th) g/mol MM Urée(exp) g/mol Erreur rel 0.02 % riation se neutralise avec le deuxième graphique où comme pour le premier graphique, les valeurs sont plus élevée. Finalement la masse molaire caluclé pour l urée est excellente. Si nous calculons cette masse avec les valeurs données, nous trouvons une valeur plus éloignée que celle de la littérarture. Nous observons que la solution de NaCl diminue du double le point du fusion par rapport à l urée à la même molalité. Ceci est dû au fait que le chlorure de sodium se dissocie en Na + + Cl dans l eau donc l on peut considérer que nous avons une molalité double, (l urée ne se dissocie pas), et nous observons que la diminution de la température de fusion est environ égale à la solution d urée de 1 g. La plus grande erreur expérimentale se situe au niveau du thermomètre, car la précision n était que de 0.1 et nous avons effectivement observé cette effet. Par exemple la température de varie pas pendant 15 secondes puis juste après la prise de la valeur, elle déscend de 0.1, 0.2 en plus de la diminution normale. Les T que nous avons trouvé sont croissants comme nous l avions suposés, le T de l urée 1.0 g est le double de celui de 0.5 et l urée de 1.5 g le triple. Comme déjà dit dans la partie théorique, on peut calculer la masse molaire d un soluté inconnu pour l identifier. Sur la même logique, on peut estimer la pureté d un échantillon connu par rapport à la variation du point de fusion et ou la quantité de cette échantillon dans le solvant. 8

9 Une autre aplication extrêment répendue, que nous utilisé pendant cette expérience, est que l on fait fondre la glace, qui se trouve sur les routes en hiver pour éviter le verglas. Il y a aussi les antigels, qui comme leurs noms l indique empêche la gelée de l objet concerné, comme par exemple les serures. 1.6 Sources bibliographiques Protocole des travaux pratiques de chimie physique I Handbook of chemistry and physics 85 e édition 1.7 Exercices 1. Calculer la constante ébullioscopique pour l eau avec les valeurs du «Handbook» Kéb = RT 2 vap MM A = 0.52 Kkg/mol vaph Θ R = JK/mol T vap = K MM A = g/mol vap H Θ = J/mol 2. Calculer l intervalle de température dans lequel on peut observer (dans des conditions d équilibre) une solution (liquide) de 0.7 g de CaCl 2 dans 20 ml d eau. T fus/éb = K fus/éb m m = 0.7g 111 g/mol 3 (ions) = mol/kg 0.02 kg eau K fus = 1.86 kg C/mol T fus = 1.76 C Téb = 0.49 C Kéb = 0.52 kg C/mol T fus = 1.76 C Téb = C L intervalle de température dans laquelle on peut observer une solution liquide est : 1.76 C < T < C Et dans des conditions d équilibre : 9

10 1.76 C < T < 0 C 100 C < T < C équilibre solution-solvant solide pur équilibre solution-vapeur du solvant pur 1.8 Tableau des valeurs Temps [s] Urée 0.5g [ C] Urée 1.0g [ C] Urée 1.5g [ C] NaCl 0.5g [ C] H 2 O [ C]

11 Temps [s] Urée 0.5g [ C] Urée 1.0g [ C] Urée 1.5g [ C] NaCl 0.5g [ C] H 2 O [ C]