Propriétés colligatives

Les propriétés colligatives sont des propriétés des solutions qui dépendent surtout du nombre de particules dissoutes, et non de la nature de ces particules. En chimie générale, les formules usuelles fonctionnent surtout pour des solutions diluées et supposent souvent que le soluté est non volatil.

Si vous ne devez retenir qu’une seule idée, retenez celle-ci : ajouter des particules de soluté modifie la facilité avec laquelle les molécules du solvant peuvent s’échapper, geler ou traverser une membrane. C’est pourquoi la pression de vapeur diminue, la température d’ébullition augmente, la température de fusion diminue et la pression osmotique apparaît.

Les quatre propriétés colligatives

Les quatre propriétés colligatives classiques sont l’abaissement de la pression de vapeur, l’élévation de la température d’ébullition, l’abaissement de la température de fusion et la pression osmotique.

Abaissement de la pression de vapeur

Pour une solution idéale avec un soluté non volatil, la loi de Raoult donne

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{solvent}} P^0_{\text{solvent}}$$

Ici, $X_{\text{solvent}}$ est la fraction molaire du solvant et $P^0_{\text{solvent}}$ est la pression de vapeur du solvant pur. Comme l’ajout de soluté rend $X_{\text{solvent}} < 1$, la solution a une pression de vapeur plus faible que le solvant pur.

Élévation de la température d’ébullition

Pour une solution diluée,

$$\Delta T_b = i K_b m$$

La température d’ébullition augmente parce qu’il faut chauffer davantage la solution avant que sa pression de vapeur n’atteigne la pression extérieure.

Abaissement de la température de fusion

Pour une solution diluée,

$$\Delta T_f = i K_f m$$

La température de fusion diminue parce que les particules dissoutes rendent plus difficile la formation de la structure solide ordonnée du solvant.

Pression osmotique

Pour une solution diluée,

$$\pi = i M R T$$

La pression osmotique est la pression nécessaire pour arrêter le flux net de solvant à travers une membrane semi-perméable.

Dans ces formules, $i$ est le facteur de van ’t Hoff, $m$ est la molalité, $M$ est la molarité, et $K_b$ ainsi que $K_f$ dépendent du solvant.

Pourquoi le nombre de particules compte

Un non-électrolyte comme le glucose reste généralement sous forme de molécules entières en solution, donc 1 mole donne environ 1 mole de particules dissoutes. Un électrolyte comme le chlorure de sodium peut produire davantage de particules parce qu’il se dissocie en ions.

C’est pourquoi des quantités égales de solutés différents ne produisent pas toujours des effets colligatifs égaux. Dans les exercices d’introduction, le nombre de particules est généralement pris en compte avec le facteur de van ’t Hoff $i$. Dans les solutions réelles, surtout à concentration plus élevée, l’effet réel peut différer de l’estimation idéale simple.

Exemple résolu : abaissement de la température de fusion

Supposons que vous dissolviez du glucose dans l’eau pour obtenir une solution à $0.50\ \mathrm{m}$. Pour l’eau,

$$K_f = 1.86\ ^\circ\mathrm{C\, m^{-1}}$$

Comme le glucose est ici un non-électrolyte, on prend

$$i = 1$$

Calculons maintenant la variation de la température de fusion :

$$\Delta T_f = i K_f m = (1)(1.86)(0.50) = 0.93\ ^\circ\mathrm{C}$$

L’eau pure gèle à $0.00\ ^\circ\mathrm{C}$, donc la nouvelle température de fusion est

$$0.00 - 0.93 = -0.93\ ^\circ\mathrm{C}$$

Cette solution gèle donc à

$$-0.93\ ^\circ\mathrm{C}$$

Cet exemple montre l’idée essentielle : l’ampleur de la variation vient du nombre de particules. Si vous gardiez la même molalité mais utilisiez un soluté produisant plus de particules, l’abaissement de la température de fusion serait plus important.

Erreurs fréquentes avec les propriétés colligatives

Utiliser les formules hors de leurs meilleures conditions

Les formules colligatives standard sont les plus fiables pour les solutions diluées. Si la solution est concentrée ou fortement non idéale, les formules simples deviennent moins précises.

Confondre unités formulaires et particules

Une mole d’unités formulaires dissoutes n’est pas toujours égale à une mole de particules dissoutes. Les électrolytes peuvent se séparer en ions, donc l’effet colligatif peut être plus grand que pour un non-électrolyte à la même concentration.

Confondre molalité et molarité

Pour l’élévation de la température d’ébullition et l’abaissement de la température de fusion, les formules standard utilisent la molalité. La pression osmotique utilise la molarité dans la forme usuelle pour les solutions diluées.

Supposer que tous les solutés sont non volatils

Le schéma simple de l’abaissement de la pression de vapeur est le plus clair lorsque le soluté ne s’évapore pas de façon significative. Si les deux constituants sont volatils, il faut un modèle plus rigoureux.

Où apparaissent les propriétés colligatives

Les propriétés colligatives interviennent dans les antigels, le salage des routes, la conservation des aliments, l’équilibre hydrique des cellules, l’osmose inverse et certaines mesures de masse molaire. La même idée les relie toutes : les particules dissoutes modifient le comportement global du solvant.

Essayez un exercice similaire

Essayez votre propre version avec une solution de glucose dans l’eau à $1.00\ \mathrm{m}$. Utilisez la même valeur $K_f = 1.86\ ^\circ\mathrm{C\, m^{-1}}$ et trouvez la nouvelle température de fusion. Comparez-la ensuite au cas à $0.50\ \mathrm{m}$ pour voir directement la relation avec le nombre de particules.