POINT DE CONGÉLATION: COMMENT LE CALCULER ET EXEMPLES - CHIMIE - 2025

Le point de congélation est la température à laquelle une substance subit un équilibre de transition liquide-solide. En matière de substance, il peut s'agir d'un composé, d'un élément pur ou d'un mélange. Théoriquement, toute matière se fige lorsque la température tombe à zéro absolu (0K).

Cependant, des températures extrêmes ne sont pas nécessaires pour observer le gel des liquides. Les icebergs sont l'un des exemples les plus évidents de plans d'eau gelés. De même, le phénomène peut être suivi en temps réel à l'aide de bains d'azote liquide, ou à l'aide d'un simple congélateur.

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Quelle est la différence entre la congélation et la solidification? Que le premier processus dépend fortement de la température, de la pureté du liquide et est un équilibre thermodynamique; tandis que le second est davantage lié à des changements dans la composition chimique de la substance qui se solidifie, même sans être complètement liquide (une pâte).

Par conséquent, un gel est une solidification; mais l'inverse n'est pas toujours vrai. De plus, pour écarter le terme de solidification, il doit y avoir une phase liquide en équilibre avec le solide de la même substance; les icebergs font cela: ils flottent sur l'eau liquide.

Ainsi, on est confronté à la congélation d'un liquide lorsqu'une phase solide se forme suite à une baisse de température. La pression influence également cette propriété physique, bien que ses effets soient moindres dans les liquides à faible pression de vapeur.

Quel est le point de congélation?

Lorsque la température baisse, l'énergie cinétique moyenne des molécules diminue, et par conséquent, elles ralentissent un peu. Au fur et à mesure que vous ralentissez dans le liquide, il arrive un moment où elles interagissent suffisamment pour former un arrangement ordonné de molécules; c'est le premier solide à partir duquel se développeront des cristaux plus gros.

Si ce premier solide «vacille» trop, il faudra alors baisser encore la température jusqu'à ce que ses molécules restent suffisamment immobiles. La température à laquelle cela est réalisé correspond au point de congélation; à partir de là, l'équilibre liquide-solide s'établit.

Le scénario précédent se produit pour les substances pures; mais que faire s'ils ne le sont pas?

Dans ce cas, les molécules du premier solide doivent réussir à incorporer les molécules étrangères. En conséquence, un solide impur (ou une solution solide) est formé, ce qui nécessite une température inférieure au point de congélation pour sa formation.

On parle alors d'abaissement du point de congélation. Comme il y a plus de molécules étrangères, ou plus correctement d'impuretés, le liquide gèlera à des températures de plus en plus basses.

Congélation vs solubilité

Étant donné un mélange de deux composés, A et B, lorsque la température baisse, A gèle, tandis que B reste liquide.

Le scénario est similaire à ce qui vient d'être expliqué. Une partie de A n'est pas encore gelée, et est donc dissoute dans B. Est-ce alors l'équilibre de solubilité dont on parle plutôt qu'une transition liquide-solide?

Les deux descriptions sont valides: A précipite ou gèle, se séparant de B lorsque la température baisse. Tout A aura précipité quand il n'y en aura plus dissous dans B; ce qui revient à dire que A sera complètement gelé.

Cependant, il est plus pratique de traiter le phénomène du point de vue de la congélation. Ainsi, A gèle d'abord parce qu'il a un point de congélation plus bas, tandis que B aura besoin de températures plus fraîches.

Cependant, la «glace de A» consiste en fait en un solide qui a une composition plus riche de A que de B; mais B est là aussi. Ceci est dû au fait que A + B est un mélange homogène, et donc une partie de cette homogénéité est transférée au solide congelé.

Comment le calculer?

Comment prédire ou calculer le point de congélation d'une substance? Il existe des calculs physico-chimiques qui permettent d'obtenir une valeur approximative de ce point sous d'autres pressions (autres que 1atm, la pression ambiante).

Cependant, ceux-ci conduisent à l'enthalpie de fusion (Δ _Fus); puisque, la fusion est le processus dans le sens opposé de la congélation.

De plus, expérimentalement, il est plus facile de déterminer le point de fusion d'une substance ou d'un mélange que son point de congélation; Bien qu'ils puissent sembler identiques, ils présentent certaines différences.

Comme mentionné dans la section précédente: plus la concentration d'impuretés est élevée, plus la baisse du point de congélation est importante. Cela peut également être dit comme suit: plus la fraction molaire X du solide dans le mélange est faible, plus la température gèlera.

Équation de diminution de la température

L'équation suivante exprime et résume tout ce qui a été dit:

LnX = - (Δ _Fus / R) (1 / T - 1 / Tº) (1)

Où R est la constante du gaz idéal, qui a une utilisation presque universelle. Tº est le point de congélation normal (à pression ambiante), et T est la température à laquelle le solide gèlera jusqu'à une fraction molaire X.

A partir de cette équation, et après une série de simplifications, on obtient ce qui suit, mieux connu:

ΔTc = K _F m (2)

Où m est la molalité du soluté ou de l'impureté, et K _F est la constante cryoscopique du solvant ou du composant liquide.

Exemples

Une brève description de la congélation de certaines substances sera donnée ci-dessous.

Eau

L'eau gèle autour de 0 ° C. Cependant, cette valeur peut diminuer si elle contient un soluté dissous; dire, sel ou sucre.

Selon la quantité de soluté dissous, il existe différentes molalités m; et à mesure que m augmente, X diminue, dont la valeur peut être substituée dans l'équation (1) et ainsi résoudre pour T.

Par exemple, si un verre avec de l'eau est placé dans un congélateur et un autre avec de l'eau sucrée (ou toute boisson à base d'eau), le verre d'eau gèlera en premier. En effet, ses cristaux se forment plus rapidement sans perturbation des molécules de glucose, des ions ou d'autres espèces.

La même chose se produirait si vous mettiez un verre d'eau de mer dans le congélateur. Or, le verre d'eau de mer peut ou non être congelé en premier que le verre d'eau sucrée; la différence dépendra de la quantité de soluté et non de sa nature chimique.

C'est pour cette raison que la diminution de Tc (température de congélation) est une propriété colligative.

De l'alcool

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Les alcools gèlent à des températures plus froides que l'eau liquide. Par exemple, l'éthanol gèle vers -114 ° C. S'il est mélangé avec de l'eau et d'autres ingrédients, il y aura une augmentation du point de congélation au contraire.

Parce que? Parce que l'eau, une substance liquide miscible à l'alcool, gèle à une température beaucoup plus élevée (0 ° C).

Retourner au frigo avec les verres d'eau, si cette fois on en introduit un avec une boisson alcoolisée, ce sera le dernier à geler. Plus la teneur en éthyle est élevée, plus le congélateur devra le refroidir davantage pour congeler la boisson. C'est pour cette raison que les boissons comme la tequila sont plus difficiles à congeler.

Lait

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Le lait est une substance à base d'eau, dans laquelle la graisse est dispersée avec le lactose et les phosphates de calcium, en plus d'autres lipoprotéines.

Les composants les plus solubles dans l'eau déterminent à quel point son point de congélation variera avec la composition.

En moyenne, le lait gèle à une température autour de -0,54 ° C, mais elle varie entre -0,50 et -0,56 selon le pourcentage d'eau. Ainsi, il est possible de savoir si le lait a été frelaté. Et comme vous pouvez le voir, un verre de lait gèlera presque à égalité avec un verre d'eau.

Tout le lait ne gèle pas à la même température, car sa composition dépend également de sa source animale.

Mercure

Le mercure est le seul métal sous forme liquide à température ambiante. Pour le congeler, il faut abaisser la température à -38,83 ° C; Et cette fois, l'idée de le verser dans un verre et de le mettre au congélateur sera évité, car cela pourrait entraîner de terribles accidents.

Notez que le mercure gèle avant l'alcool. Cela peut être dû au fait que le cristal de mercure vibre moins car il se compose d'atomes liés par des liaisons métalliques; alors que dans l'éthanol, ce sont des molécules CH ₃ CH ₂ OH relativement légères qui doivent être accueillies lentement.

De l'essence

De tous les exemples de point de congélation, l'essence est le plus complexe. Comme le lait, c'est un mélange; mais sa base n'est pas l'eau, mais un groupe d'hydrocarbures divers, chacun avec ses propres caractéristiques structurelles. Certaines petites molécules et certaines grandes.

Les hydrocarbures avec des pressions de vapeur plus faibles gèlent en premier; tandis que les autres resteront à l'état liquide, même si un verre d'essence est entouré d'azote liquide. Il ne formera pas correctement une «glace à essence», mais un gel aux tons jaune-vert.

Pour congeler complètement l'essence, il peut être nécessaire de refroidir la température jusqu'à -200 ° C. À cette température, il est probable que de la glace d'essence se forme, car tous les composants du mélange auront gelé; c'est-à-dire qu'il n'y aura plus de phase liquide en équilibre avec un solide.

Références

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6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 juin 2018). Point de congélation de l'alcool. Récupéré de: thinkco.com