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Ebullioscopie, Cryoscopie, Pressionosmotique

 
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Ebullioscopie, Cryoscopie, Pressionosmotique
par nadia fertikh, samedi 11 avril 2020, 11:32
 

I-   Loi de Van’t Hoff

1)   Evaluation du point d’ébullition

Nous étudions la transformation d’un mélange Liqdouble flèche bilatérale vap

Dans le liquide nous savons qu’un des constituants (1) est grande quantité et que l’autre (2) en petite quantité,

-   Nous allons calculer l’élévation du point d’ébullition du solvant lorsqu’on y ajoute du soluté : nous partons de la relation de Gibbs-Helmoltz

      d ln x indice 1 égal à numérateur de la fraction moins incrément H indice v a p fin d'indice exposant 0 au-dessus du dénominateur R T au carré fin de la fraction d T        

x1= fraction molaire de (1) dans le liquide

ΔH indice v a p fin d'indice exposant 0 = enthalpie de vaporisation du solvant pur

Nous intégrons cette équation entre 2 états ; l’un sera un état quelconque (x1) et l’autre le solvant pur (fraction molaire égale à 1). Pour la température, les bornes seront T température d’ébullition du mélange quelconque et Teb la température d’éb. Du solvant pur.

      espace ln x indice 1 égal à numérateur de la fraction incrément H indice v a p fin d'indice exposant 0 au-dessus du dénominateur R fin de la fraction crochet ouvert 1 sur T moins 1 sur T indice e b fin d'indice crochet fermé égal à numérateur de la fraction incrément H indice v a p fin d'indice exposant 0 au-dessus du dénominateur R fin de la fraction crochet ouvert numérateur de la fraction T indice e b fin d'indice moins T au-dessus du dénominateur T T indice e b fin d'indice fin de la fraction crochet fermé       

 

Teb –T = ΔT  (élévation du point d’ébullition).

Tpresque égal à T T indice e b fin d'indice presque égal à T indice e b fin d'indice exposant 2  cette expression relie ΔT à la concentration en solvant. Nous voulons la relier à la concentration en soluté x indice 1 égal à 1 moins x indice 2

 ouvrir la parenthèse T moins T indice e b fin d'indice fermer la parenthèse égal à R T indice e b fin d'indice exposant 2 numérateur de la fraction x indice 2 au-dessus du dénominateur incrément H indice v a p fin d'indice exposant 0 fin de la fraction

 

La variation de Teb permet donc de calculer la fraction molaire x2 du soluté.

Comme   x indice 2 égal à numérateur de la fraction n indice 2 au-dessus du dénominateur n indice 1 plus n indice 2 fin de la fraction presque égal à n indice 2 sur n indice 1 numérateur de la fraction m indice 2 croix de multiplication 1 k g au-dessus du dénominateur 1 k g croix de multiplication début de style affichage 1 sur M indice 1 fin de style fin de la fraction égal à m indice 2 M indice 1

On définit alors la constante ébulliocopique Keb du solvant (1) telle que :

  ouvrir la parenthèse T moins T indice e b fin d'indice fermer la parenthèse égal à R T indice e b fin d'indice exposant 2 numérateur de la fraction x indice 2 au-dessus du dénominateur incrément H indice v a p fin d'indice exposant 0 fin de la fraction égal à R T indice e b fin d'indice exposant 2 numérateur de la fraction m indice 2 M indice 1 au-dessus du dénominateur incrément H indice v a p fin d'indice exposant 0 fin de la fraction égal à K indice e b fin d'indice m indice 2

Avec      Keb = RTT indice e b fin d'indice exposant 2 numérateur de la fraction M indice 1 au-dessus du dénominateur incrément H indice v a p fin d'indice exposant 0 fin de la fraction,    où R = constante des GP, M indice 1 la masse molaire du solvant, m indice 2 la molalité du soluté en mol / kg et incrément H indice v a p fin d'indice exposant 0 l’enthalpie de vaporisation molaire du solvant.

Keb est la constante d’élévation molaire du point d’ébullition, elle ne dépend que des propriétés du solvant et pas de celles du soluté.

2)   Abaissement du point de congélation

Dans le cas de l’équilibre solide double flèche bilatérale  liquide, nous avons : dln x indice 1 égal à moins numérateur de la fraction incrément H indice f exposant 0 au-dessus du dénominateur R T au carré fin de la fraction

 

Par intégration nous avons,

lnx indice 1 égal à numérateur de la fraction incrément H indice f exposant 0 au-dessus du dénominateur R fin de la fraction crochet ouvert 1 sur T moins 1 sur T indice f crochet fermé 

Tf  = température de congélation du solvant pur

T = température de congélation de la solution

 ln x indice 1 égal à moins incrément H indice f exposant 0 crochet ouvert numérateur de la fraction T indice f moins T au-dessus du dénominateur T T indice f fin de la fraction crochet fermé

ΔT =ouvrir la parenthèse T indice f moins T fermer la parenthèse, abaissement du point de congélation du solvant pur, lorsqu’on ajoute du soluté,

 ln x indice 1 égal à moins numérateur de la fraction incrément H indice f exposant 0 au-dessus du dénominateur R T indice f exposant 2 fin de la fraction incrément T

Si beaucoup plus petit que 1  nous avons encore ΔT=numérateur de la fraction R T indice f exposant 2 au-dessus du dénominateur incrément H indice f exposant 0 fin de la fraction x indice 2  si nous passons aux molalités, incrément T égal à numérateur de la fraction R T indice f exposant 2 au-dessus du dénominateur 1000 incrément H indice f exposant 0 fin de la fraction m indice 2

 

ΔT=K indice f m indice 2  avec K indice f égal à numérateur de la fraction R T indice f exposant 2 au-dessus du dénominateur 1000 incrément H indice f exposant 0 fin de la fraction M indice 1

Exemple : On ajoute 30g de sucre dans 100g d’eau. La solution bout à 100,45°C sous 1atm. Quelle est la masse molaire de ce sucre ?

ΔT = 100,45 – 100 = 0,45                                                                                                      

La masse molaire de sucre pour 1000g d’eau est 30x10=300g, M indice 1 égal à 300 croix de multiplication numérateur de la fraction 1 au-dessus du dénominateur 0 virgule 878 fin de la fraction = 342g,    

3- Pression Osmotique

Ce phénomène fait intervenir une membrane semi-perméable qui laisse passer les petites molécules et arrête les grosses.

Lorsqu’une solution est séparée du solvant pur par une membrane semi-perméable (voir figure), on observe que le solvant traverse la membrane et va dans la solution, ceci jusqu’à ce que le liquide ait atteint un certain niveau dit d’équilibre.

                              

                                                                                    

La hauteur h correspond à la pression osmotique Π.
La membrane semi-perméable laisse passer le solvant mais ne laisse pas passer le soluté.

 

 La pression hydrostatique de la solution est supérieure à celle du solvant pur le produit, π = ρgh  donne la pression excédentaire de la solution qui est la pression « Osmotique » 

ρ = masse volumique de la solution. Lorsqu’il ya équilibre le potentiel chimique du solvant est le même des deux côtés de la membrane.  

Du côté du solvant  mu indice i égal à mu indice i exposant 0  du côté de la solution si la pression ne changeait pas,

mu égal à mu indice i exposant 0 plus +RTlnx indice i

La pression change (apparition de la pression osmotique)

ouvrir la parenthèse numérateur de la fraction dérivée partielle G au-dessus du dénominateur dérivée partielle P fin de la fraction fermer la parenthèse indice T égal à V

On sait que

Nous sommes à T constante  dG = VdP

L’accroissement d’enthalpie libre est due à la pression osmotique

empilement incrément G avec macron au-dessus égal à empilement incrément V indice 0 avec macron au-dessus intégrale indice 0 exposant pi avec macron au-dessus fin d'exposant d P =pi avec macron au-dessus empilement V indice 0 avec macron au-dessus  

 empilement V indice 0 avec macron au-dessus = volume molaire du solvant que nous supposons indépendant de pi avec macron au-dessus Nous avons donc dans la solution mu indice i égal à mu indice i exposant 0  +RTlnx indice i plus trait sur entourant pi empilement V indice 0 avec macron au-dessus

L’égalité des potentiels chimiques entraine

trait sur englobant trait sur entourant pi fin trait sur englobant V indice 0 fin = - RTlnx indice blanc indice 1 fin d'indice or x indice 1 égal à 1 moins x indice 2

trait sur entourant pi trait sur englobant V indice 0 fin égal à moins R T ln ouvrir la parenthèse 1 moins x indice 2 fermer la parenthèse  comme la solution est diluée x indice 2 beaucoup plus petit que 1

 trait sur englobant pi trait sur englobant V indice 0 fin fin égal à R T ln x indice 2 nous avons par ailleurs, x indice 2 égal à numérateur de la fraction n indice 2 au-dessus du dénominateur n indice 1 plus n indice 2 fin de la fraction presque égal à n indice 2 sur n indice 1 et trait sur englobant V indice 0 fin égal à V sur n indice 1

 n indice 1= nombre de moles de solvant dans la solution

n indice 2  = nombre de moles de soluté dans la solution.

  trait sur entourant piV sur n indice 1 égal à R T n indice 2 sur n indice 1               

  trait sur entourant piégal à numérateur de la fraction R T au-dessus du dénominateur V fin de la fraction n indice 2  , analogie avec l’équation des GP

Elle nous permet de calculer la masse molaire d’un soluté. On l’utilise surtout pour déterminer la masse molaire des hauts polymères car il ne passe pas à travers la membrane.

Exemple

Un haut polymère synthétique pesant 5,2 g est dissout dans un litre de benzène. La pression osmétique mesurée dans un osmomètre est 4.10-3 à 25°C. Quelle est la masse molaire du polymère ?

π =numérateur de la fraction R T au-dessus du dénominateur V fin de la fraction n indice 2      n indice 2 égal à numérateur de la fraction pi V au-dessus du dénominateur R T fin de la fractionégal à numérateur de la fraction 4.10 puissance moins 2 fin de l'exposant au-dessus du dénominateur 298 x 8 virgule 2 fin de la fraction x 10 puissance moins 3 fin de l'exposant égal à 1 virgule 61.10 puissance moins 4 fin de l'exposant

Mégal à m sur n indice 2 égal à numérateur de la fraction 5 virgule 2 au-dessus du dénominateur 1 virgule 61 fin de la fraction 10 puissance 4                              M = 32300 g