Que sont les propriétés colligatives ?

Le chimiste allemand Wilhelm Ostwald a été le premier à introduire le concept de propriétés colligatives en 1891. Ce nom est né de ses travaux sur les propriétés des solutés, notamment :

1. Propriétés colligatives : elles ne dépendent que de la concentration et de la température du soluté et non du type de particules de soluté.
2. Propriétés constitutives : sont celles qui dépendent de la structure moléculaire des particules de soluté dans une solution.
3. Propriétés additives : qui sont la somme de toutes les propriétés des particules et dépendent de la formule moléculaire du soluté. Par exemple, la masse.

Les propriétés colligatives ne sont pas liées à la taille ou à toute autre propriété des solutés, mais uniquement au nombre de particules dans le soluté. Ces propriétés sont le résultat de l’effet des particules de soluté sous la pression de vapeur du solvant.

Exemples de propriétés colligatives

Les propriétés colligatives sont :

• Pression osmotique
• élévation ébulliscopique
• descente cryoscopique
• Chute de pression de vapeur de solvant

pression osmotique

La pression osmotique est liée aux concepts de diffusion et d’osmose. Elle est définie comme la tendance à diluer une solution séparée du solvant par une membrane semi-perméable. Le soluté exerce une pression osmotique face au solvant s’il ne peut pas traverser la membrane qui les sépare.

On peut aussi dire que la pression osmotique d’une solution équivaut à la pression mécanique nécessaire pour empêcher l’entrée d’eau lorsqu’elle est séparée du solvant par une membrane semi-perméable.

La pression osmotique est mesurée avec l’osmomètre. Il s’agit d’un récipient fermé au fond par une membrane semi-perméable. Au sommet, il y a un piston. Si une solution est introduite dans le récipient puis immergée dans de l’eau distillée, elle traverse la membrane semi-perméable et exerce une pression capable de faire remonter le piston. De cette façon, en soumettant le piston à une pression mécanique appropriée, il est possible d’empêcher l’eau de passer dans la solution.

La pression osmotique est l’une des propriétés colligatives les plus importantes, en particulier au niveau biologique, car elle est présente dans la fonction cellulaire et d’autres processus de l’organisme des êtres vivants.

Élévation ébulliscopique

L’élévation ébulloscopique est liée au point d’ébullition d’un liquide. La température d’ébullition est celle dont la pression de vapeur est égale à la pression atmosphérique.

Si la pression de vapeur diminue, une augmentation de la température d’ébullition se produit. Cette augmentation est proportionnelle à la fraction molaire du soluté. L’augmentation de la température d’ébullition (en abrégé DTe) est proportionnelle à la concentration molaire du soluté. Elle s’exprime par l’équation suivante :

DTe = Ke·m

La constante ebulloscopique (Ke) est connue comme la caractéristique de chaque solvant quel que soit le type de soluté. Pour l’eau, la valeur de la constante d’ébullition est de 0,52 ºC/mol/Kg. Cela signifie qu’une solution molaire de n’importe quel soluté dans l’eau présente une élévation ébulloscopique de 0,52 ºC.

descente cryoscopique

La descente cryoscopique est liée au point de congélation d’un liquide. La température de congélation des solutions est inférieure à la température de congélation du solvant. Par conséquent, la congélation se produit lorsque la pression de vapeur du liquide est égale à la pression de vapeur du solide. Cela s’exprime ainsi :

DTc = Kcm

La diminution cryoscopique est appelée « Tc» et la concentration molaire du soluté « m» .

La constante cryoscopique du solvant est appelée « Kc ». Dans le cas de l’eau, la valeur de la constante cryoscopique est de 1,86 ºC/mol/Kg. Autrement dit, les solutions molales (m = 1) de tout soluté dans l’eau gèlent à -1,86 ºC.

Chute de pression de vapeur de solvant

La pression de vapeur d’un solvant chute lorsqu’un soluté non volatil y est ajouté. Cet effet se produit parce que :

• Le nombre de molécules de solvant sur la surface libre diminue.
• Des forces attractives apparaissent entre les molécules du soluté et celles du solvant, rendant plus difficile leur transformation en vapeur.

Autrement dit, lorsque nous ajoutons plus de soluté, une pression de vapeur plus faible est observée. Par conséquent, la chute de pression de vapeur du solvant dans une solution est proportionnelle à la fraction molaire du soluté.

Cela peut être exprimé par la formule suivante :

ΔP= x _s P ₀

Dans ce cas, x _s est la fraction molaire du soluté et P ₀ indique la pression de vapeur du solvant.

Comment fonctionnent les propriétés colligatives ?

Le fonctionnement des propriétés colligatives est évident lorsqu’un soluté est ajouté à un solvant pour former une solution. Là, les particules dissoutes déplacent une partie du solvant à l’état liquide, diminuant la concentration de solvant par unité de volume. Dans une solution diluée, peu importe de quelles particules il s’agit, mais combien il y en a. Par exemple, en dissolvant du chlorure de calcium (CaCL ₂) en tout trois particules sont produites : un ion calcium et deux ions chlorure. En revanche, si nous dissolvons du sel de table ou du chlorure de sodium (NaCl), nous obtiendrons deux particules : un ion sodium et un ion chlorure. Dans ce cas, le chlorure de calcium aurait un effet plus important sur les propriétés colligatives que le sel de table. Par conséquent, le chlorure de calcium est un agent de dégivrage plus efficace à des températures plus basses que le sel ordinaire.

Bien que les propriétés colligatives soient généralement considérées pour les solutés non volatils, l’effet s’applique également aux solutés volatils comme le sel. Si nous ajoutons une pincée de sel à une tasse d’eau, l’eau gèlera à une température inférieure à la normale, bouillira à une température plus élevée, aura une pression de vapeur plus faible et modifiera sa pression osmotique. 

Un autre exemple simple consiste à ajouter de l’alcool, un liquide volatil, à de l’eau. De cette façon, le point de congélation que l’alcool pur ou l’eau a normalement est abaissé, c’est pourquoi les boissons alcoolisées ne gèlent généralement pas dans un réfrigérateur domestique.

Bibliographie

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