A PROPOS D'UN MÉLANGE RÉFRIGÉRANT
1/ Quelle explication donnep ci un 6ldve de U.me qui. au cours d'un 'J'.P. oÛ nous avic:>ns fa1:i un m,Uan(fR r.frig.rant pa ur ~ongeler de l'eau. a pood la ques-tion suivante :
- Quand on met du sel dans la glace "ça produit du froid" (sic). Pourquoi jette-t-on du sel sur les routes pour faire fondre la neige ?
2/ Quelle explication pouvez-vous me dOtlner. j'avoue mal connattre ce ph.nomène ?
Un collègue qui souhaite conserver l'anonymat nous a posé les questions précédentes. Questions un peu embarrassantes auxquelles je vais m'efforcer de répon-dre sans prétenrépon-dre y parvenir convenablement. Mais la discussion reste ouverte.
1. PREMIERE PARTIE (Elève)
Etant donné la complexité du phénomène concerné i l est bien évidemment impossible d'apporter à un élève de 6ème "l'explication" demandée.
Comme nous ne pouvons pas laisser lù question sans réponse, essayons à défaut d'explication, de lever avec lui la contradiction qu'il perçoit et qui doit être ce qui le préoccupe. Pour cela faisons appel
à l'observation, à la réflexion et, au besoin, à de nouvelles expériences.
1.1 - Le sel que nous avons mélangé à la glace n'a-t-il pas, tout en abaissant la température, fait fondre la glace, comme il fait fondre la neige? On fera imaginer, puis réaliser s ' i l le faut l'expé-rience nécessaire pour donner une réponse claire. Met-tre par exemple de la glace dans deux verres semblables, ajouter du sel dans l'un, observer, comparer et cons-tater que le sel "fait fondre la glace plus vite" com-me il fait fondre plus vite la neige sur la route. C'est le but recherché par les Ponts et Chaussées sans que le refroidissement qui en résulte soit gênant.
Ce qui suit va se placer sans nul doute à un niveau plus difficile mais mérite d'être tenté.
1.2 - Est-il surprenant que la fusion s'accompagne dans ce cas d'un abaissement de température ?
La réflexion sur ce point fait appel à la notion de chaleur (il faudra donc être prudent et reporter à plus tard cette dis-cussion si le mot chaleur est apparu pour la
première fois en classe au cours de cette leçon) - Qu'est-ce qui fait fondre la glace dans le verre 1 0ù nous l'avons placée seule? C'est la chaleur qu'elle reçoit du verre et de l'air qui
l'entourent. Si à cette question notre ble d'apporter une réponse convenable, lui poser la question suivante.
élève est capa-nous pourrons
- Dans l'autre verre où la présence du sel a fait fondre une plus grande quantité de glace, i l est natu-rel de penser qu'il a fallu encore plus de chaleur. D'où peut donc provenir cette chaleur, le sel ne ré-chauffe pas une eau dans laquelle on le di~sout ? Il n'est certes pas évident pour un élève de sixième que le contenu du verre, en se refroidissant, ait pu fournir cette chaleur. Mais l'idée peut venir dans une discu-sion et l'on peut, au besoin, faire quelques expérien-ces: n'ajouter à la glace que du sel très froid
faire le mélange dans une boite isolante ...
- Bien entendu cela n'expliquera pas pourquoi la tempé-rature reste fixe dans un cas et s'abaisse dans l'autre
1.3 - Ne peut-on pas, à l'inverse, rechercher enfin l'effet du sel sur de l'eau qu'on congèle, c'est-à-dire congeler une solution de seL dans l'eau (pour gagner du temps, on a pu aussi confier à une ou deux équipes la congélation d'une eau salée pendant que le reste du groupe étudiait la congélation de l'eau douce)
L'expérience montre sans difficulté un abaisse-ment du point de congélation d'autant plus grand que la solution est plus concentrée.
On pourra donc attirer l'attention des élèves sur ces deux observations concordantes
- L'eau douce se congèle à O°C ; glace fond à 0° C - L'eau salée se congèle au dessous de OoC. La glace
en présence de sel fond au dessous de O°C.
1.4 - Pour conclure, je voudrais bien preclser les objectifs recherchés par ces quelques propositions. En aucune manière vouloir démontrer, ou prouver ou im-poser quoi que ce soit. Tout au plus essayer de montrer que la contradiction n'existe que dans le langage et profiter de l'occasion pour susciter des observations, des réflexions, des expériences. Mais pourra-t-on y consacrer le temps nécessaire ?
2. SECONDE PARTIE (Professeur)
2.1 - Refroidissement d'une solution diluée
8
NON 50LUTION.5 , "sATUREESO
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o,">b
20
80
40
60
-\0oc.
-100 La présence de soluté abaisse le point de congéla~ tion : c'est l'effet cryoscopi-que ou cryométricryoscopi-que bien connu. Refroidissons avec de la glace carbo-nique par exemple(C0
2 solide) une solution dans l'eau de chlorure de po-tassium, K Cl à
la pression atmos-phérique. Si le titre de la solu-tion est inférieur
à 0,2 (200 g par kg de solution)
les premiers cris-taux qui se for~
ment sont consti-tués par de la glace pure et ceux-ci n'apparaissent qu'au dessous de 0° C.
E
La branche AE du diagramme de la figure 2
donne la température d'apparition des cristaux de glace dite température de congélation commençante en fonction du titre. On voit que l'effet cryoscopique croît avec la concentration du soluté.
2.2 - Refroidissement d'une solution concentrée Refroidissons maintenant, à la pression atmosphé-rique, u~e solution aqueuse de K Cl de titre supérieur à 0,2. Le sel, moins soluble à froid qu'à chaud, se dépose par refroidissement à la température pour laquel-le son titre correspond à la saturation. En partant suc-cessivement de solutions de titres différents on trace la branche E B du diagramme de la figure 2, courbe de solubilité du sel aux différentes températures. Cette courbe est limitée en B de coordonnée t = 108,5 0 C,
température d'ébull ition d'une solution saturée, et s ~ 0,35, titre à la saturation.
2.3 - Eutectique
Quand on poursuit le refroidissement des solu-tions précédentes au-delà de l'apparition des premiers cristaux, on constate que la température au lieu de res-ter constante continue dans chaque cas de s'abaisser. L'examen du diagramme explique ce phénomène.
- La formation de glace qui a pour effet de concentrer la solution diluée, augmente l'effet cryoscopique, faisant décrire la branche A.
- La précipitation du sel qui a pour effet de diluer la solution concentrée fait décrire la courbe B E.
Si l'on est parti d'une solution pas trop dilu~
ée, ou au contraire pas trop concentrée, la température atteindra - 110
C oü le titre de la solution restante est égal à 0,2 - Dès cet instant la température se
fixe à cette valeur, le liquide conserve une composition constante et i l se déposera de fins cristaux enchevê-trés de glace et de K Cl dans une proportion égale à cel-le de la solution. Le mélange obtenu est appelé mélange eutectique ou simplement eutectique et la température atteinte, le point d'eutexie.
Le mot eutectique signifie "fondant bien". Le mélange eutectique fond en effet à une température plus basse que chaque constituant et que tout mélange des deux en proportion quelconque.
lin "u/.(',,/./qUf! e[;/, un rn(~ZaYl(Je ayant Za
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2.4 - Remarque
L'application de la règle des phases de Gibbs peut aider à mieux comprendre
Ce
qui précède. Rappelons cette règle qui donne la variance V d'un système com-portant ~ phases en équilibre de C constituants indé-pendants. V est le nombre de facteurs de l'équilibre pouvant varier indépendamment.V = C + 2 - ( P
al
Début de la congélation (formation de glace seule par exemple) .~= 2 (solution + glace), C=
2(eau + sel).
V
=
2 + 2 - 2=
22 facteurs peuvent varier indépendamment : la pression (elle est fixée) et la température. Un 3ème facteur, la composition de la solution, en dépend.
bl
Au point d'eutexie (formation des 2 sortes de criS:aux )~ 3 (solution + glace + K Cl), C
=
2 V 2 + 2 - 3=
1Le système est univariant : un facteur, la pression étant déjà fixé, température et composition de la solution ont une valeur fixe, imposée par la pres-sion.
cl
Comparons à la fusion d'un corps pur.Cp
=
2 (liquide + solide), C=
l V = 2 + l - 2=
l
L'équilibre est aussi univariant : si la pression est fixée la température l'est aussi. La composition n'est plus ici facteur d'équilibre.
2.5 - Sursaturation
Il arrive souvent au cours du refroidissement d'une solution que la cristallisation ne se produise pas quand la température atteint la valeur représentée
par le point de rencontre S avec la courbe de solu-bilité. Le point figuratif traver-se alors la courbe. La solution est dite sursaturée à droite de E, sous refroidie à
gauche. Ce sont des états métasta-bles, comparables
à la surfusion, qui cessent brus-quement en présence d'un cristal, d'un choc ... La tempé-rature remonte alors brusquement jusqu'en S ' e t la cristallisation se poursuit.
t
o
foo::::---if----\---t+--...- ...E
La courbe du diagramme divisedonc le plan en 2 régions : au dessus de la courbe le point figuratif correspond à une situation avec liqui-de seul, la solution non saturée. Au liqui-dessous liqui-de la cour-be, si l'on exclut les états métastables précédents, le point figuratif correspond à une situation où l'un oui
et l'autre des solides est présent.
2.6 - Cas des solutions de chlorure de sodium Le refroidissement de solution aqueuse de Na Cl
à la pression atmosphérique présente beaucoup d'analo-gie avec celui des solutions précédentes avec cependant une petite complication qui justifie le fait d'avoir étudié dans un premier temps le cas plus simple des solutions de chlorure de potassium.
Le diagramme est tra~é sur la figure 4
P.J. CHIROUZE
Une évolution se produit donc entrainant une fusion de la glace, la dissolution du sel et l'abaisse-ment de température.
Si la gla~e et le sel son~ finement divisés et mis dans les proportions du mélangé eutectique, c'est-à-dire 23 g de sel pour 77 g de glace, la température pourLa. s'abaisser jusqu'au point d'eutexie - 22° C. Encore faut-il opérer dans un vase thermiquement isolant pour que la chaleur nécessaire à la fusion soit entiè-rement fournie par le mélange lui-même, asurant ainsi un refroidissement efficace.
Si la glace et le sel ne sont pas dans les pro-portions précédentes, le point d'eutexie ne peut être atteint mais un abaissement très notable est souvent ob-servé (- 15° C par exemple) .
bl
Si l'on effectue le mélange à une température comprise entre°
et - 22° C (sans phase liquide par conséquence) l'expérience montre que l'équilibre est encore impossible. La glace subit au contact du sel un début de fusion faisant apparaître la phase liquide et à partir de là l'évolution se poursuit comme indiqué ci-dessus.cl
Par contre si l'on effectue le mélange au-dessous de - 22° C, rien ne se produit, les deux soli-des coexistent.2.8 - Déneigement des chaussées
Les services de la voierie dans les villes, et des Ponts et Chaussées en montagne, utilisent le chlo-rure de sodium pour accélérer la fusion de la neige dans les rues ou sur les routes. Dans les pays nordiques, le chlorure de calcium est souvent préféré pour cet usa-ge et les Ponts et Chaussées utilisent aussi ce sel, dans les Alpes, mélangé à du chlorure de sodium.
Le point d'eutexie du mélange (chlorure de cal-cium + glace) est inférieur à-40° C ce qui le rend particulièrement efficace même par basse température. La proportion approximative en masse du melange eutec-tique est de 60% de chlorure pour 40 % de glace. Il faut prendre le chlorure de calcium cristallisé (CaCI
2, 6 H
20).
Le chlorure de calcium desséché (Ca C1 2, 2 H20) ou le chlorure de Calcium anhydre Ca C1 2 , sont utilisés pour dessécher les gaz. Le dernier, puissant déshydratant, se dissout dans l'eau avec élévation de température.
