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Vidéo de la leçon : Pression de vapeur Chimie

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à expliquer la pression de vapeur, son lien avec le point d’ébullition et les facteurs qui influent sur la pression de vapeur.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à expliquer la pression de vapeur, son lien avec le point d’ébullition et les facteurs qui influent sur la pression de vapeur. Avant d’aller plus loin, il est important de clarifier quelques points importants. Le terme pression de vapeur, comme dans la pression de vapeur d’un liquide comme l’eau, a une signification spécifique en chimie. Ce n’est pas nécessairement la pression d’un gaz au-dessus d’un liquide ou la contribution de la pression d’un gaz particulier au-dessus d’un liquide. Cela peut être ennuyeux et déroutant, mais écoutez et nous verrons ce que la pression de vapeur signifie généralement pour un chimiste.

Voici de l’eau dans un bécher. Si on chauffe de l’eau jusqu’à son point d’ébullition, qui est de 100 degrés Celsius, elle va bouillir et faire des bulles. Si on la chauffe assez longtemps, toute l’eau va bouillir et s’évaporer. Maintenant, revenons en arrière et regardons ça de plus près. Nous voici au point où l’eau est à moins de 100 degrés Celsius. Disons qu’elle est à température ambiante, 25 degrés Celsius. En zoomant, la surface de l’eau est une surface complexe et ondulante avec des molécules d’eau se déplaçant dans tous les sens. Mais pour faire simple, traçons une ligne bleue droite. Au-dessus de l'eau, on a de l'air, qui est environ 1000 fois moins dense que l'eau. Dans l’air, on a divers gaz, azote, oxygène, argon, dioxyde de carbone, etc. Mais même à 25 degrés, l’eau n’est pas que dans l'eau. Il y a aussi de la vapeur d’eau dans l’air.

Les liquides s’évaporent aussi en dessous de leur point d’ébullition. Les flaques d’eau ne bouillent pas après tout, mais elles finissent par disparaître sous la chaleur du soleil. La pression de vapeur est une mesure qui nous aide à comprendre ce qui se passe entre l'eau à température ambiante et l'eau bouillante. Mais pour comprendre cela un peu mieux, nous allons avoir besoin d’un environnement plus contrôlé. Si on a de l’eau à l’air libre, la pression mesurée sera la pression atmosphérique. Au fur et à mesure que l'eau se réchauffe et que de plus en plus d'eau s'évapore, la pression mesurée sera toujours une atmosphère. C’est parce qu’on est dans un système ouvert. La pression atmosphérique ne sera pas affectée par un peu d’eau qui bout dans un laboratoire. Alors, on a besoin d’un système fermé pour pouvoir étudier ce qui se passe.

Mettons le bécher dans une boîte hermétique et résistante à la pression et chauffons l’eau de la même manière. Maintenant, en chauffant l’eau, on voit la pression augmenter. Cependant, quelque chose d’étrange se produit. L’eau ne bout pas, bien qu’elle soit à 100 degrés Celsius. Et à 105 degrés ou 110 degrés, elle ne bout toujours pas. On continue de chauffer, et à 120 degrés Celsius, l’eau finit par bouillir. Nous savons que l’eau bout à 100 degrés Celsius lorsque la pression externe est d’une atmosphère. Mais la pression à l’intérieur de la boîte indique maintenant deux atmosphères. En faisant bouillir l’eau, on a considérablement augmenté la pression à l’intérieur de la boîte.

On a maintenant un environnement contrôlé où on peut mesurer la pression, mais le comportement est très différent. Alors, comment faire pour que l’eau à l’intérieur de la boîte bouille à 100 degrés Celsius ? C’est tout cet air de départ qui fournit la pression supplémentaire. Alors enlevons-le dès le départ avec une pompe à vide. Notre boîte ne contient maintenant que de l’eau. Il y a de l’eau liquide dans le bécher, et de l’eau gazeuse remplit le reste de la boîte.

Maintenant, chauffons de nouveau. À 25 degrés, on voit une pression presque nulle, 0,02 atmosphère. À 50 degrés Celsius, le système se stabilise à environ un dixième d’atmosphère. À 80 degrés, la pression à l'intérieur de la boîte est d'environ une demi-atmosphère. Et à 100 degrés Celsius, la pression est d’une atmosphère et l’eau bout. Si on continue de chauffer à plus de 100 degrés, l’eau finira par s’évaporer. Mais cela dépend de la taille du conteneur. Mais ce qui nous intéressait, c’était le point d’ébullition, à 100 degrés Celsius.

Maintenant, nous avons un moyen de mesurer la pression de la vapeur d’une substance à une température donnée. Nous pouvons examiner la pression de vapeur. La pression de vapeur est la pression exercée par le gaz en équilibre dynamique avec son état liquide dans un système fermé en l’absence d’autres substances comme l’air. Nous pouvons voir la signification du terme équilibre dynamique si nous regardons de plus près. Des molécules d’eau s’évaporent de la surface du liquide vers la phase gazeuse ; elles s’évaporent. Mais en même temps, des molécules d’eau en phase gazeuse touchent la surface du liquide et se condensent. Pour être en équilibre dynamique, la vitesse d'évaporation doit être égale à la vitesse de condensation. C'est une autre façon de dire qu’on mesure la pression de vapeur lorsque le système est stabilisé. Et la pression de vapeur d'une substance, c’est aussi une quantité mesurée à une température donnée.

Regardons maintenant la relation entre la pression de vapeur d’une substance et son point d’ébullition. Quand on parle du point d'ébullition d'une substance, on suppose généralement que la pression est d'une atmosphère, car c'est la condition à laquelle on est habitué. On peut donc définir le point d'ébullition simplement comme la température à laquelle la pression de vapeur d'une substance est d'une atmosphère. Mais il existe une définition générale du point d’ébullition qui dépend de la pression externe, que ce soit une atmosphère ou une autre pression. On peut utiliser la relation entre le point d’ébullition et la pression de vapeur pour prédire le comportement des liquides à d’autres températures. Nous savons que le point d’ébullition de l’eau est de 100 degrés Celsius, donc la pression de vapeur d’eau à 100 degrés Celsius doit être d’une atmosphère.

À des températures inférieures à 100 degrés Celsius, la pression de vapeur de l’eau est inférieure à une atmosphère. Mais à quoi ressemble la courbe pour une substance possédant un point d’ébullition plus faible, comme l’éthanol par exemple, qui a un point d’ébullition de 78,4 degrés ? Où qu’on regarde, la pression de vapeur de l’éthanol liquide est plus élevée que celle de l’eau liquide. L’éthanol, ayant un point d’ébullition plus faible, est plus volatil. Si on fait des comparaisons, on doit s’assurer que ce soit à la même température. Ce principe est valable quand on regarde deux liquides différents. Si on cherche à comparer un solide avec un liquide, c’est un peu plus compliqué. Jusqu’à présent, nous n’avons considéré que la pression de vapeur de substances pures comme l’eau. Et si on a affaire à une solution ?

Une solution, elle aussi, a une pression de vapeur. Nous pouvons placer une solution dans notre boîte, retirer l’air et mesurer la pression du gaz une fois le système stabilisé. Si on ajoute du sel à l'eau, la pression de vapeur va-t-elle augmenter ou diminuer ? Quand on ajoute du chlorure de sodium, des ions sodium et des ions chlorure se forment, mais l’eau peut toujours s’évaporer. Cependant, la vitesse de condensation sera supérieure à la vitesse d’évaporation. On peut donc voir une pression de vapeur réduite et un point d'ébullition augmenté par rapport à l'eau pure. Et le graphique de la pression de vapeur en fonction de la température ressemblera à ceci. On peut raisonner que les ions sodium et chlorure réduisent la surface disponible pour l'évaporation de l'eau, ralentissant ainsi la vitesse d'évaporation.

Cette réduction de la pression de vapeur d’une solution par rapport au solvant pur est un exemple de ce qu’on appelle une propriété colligative. La réduction de la pression de vapeur dépend principalement du nombre de particules dissoutes et non de la nature des particules. Il est également intéressant de noter que l'ajout de sel dans l’eau réduit le point de fusion et augmente le point d'ébullition.

Ensuite, nous allons nous éloigner de la boîte et regarder comment la pression de vapeur est vraiment mesurée. Il existe plusieurs méthodes pour mesurer la pression de vapeur d’une substance, la méthode la plus simple étant celle du manomètre. Un manomètre est très utile lorsque la pression de vapeur d’une substance est relativement élevée. Il y a deux principaux types de manomètres, mais nous n’allons regarder qu’un seul type, le manomètre ouvert. La partie clé d’un manomètre est le tube en forme de U qui est généralement en verre. À l’intérieur du verre, il y a un liquide. Il vaut mieux que le liquide soit très dense et qu’il ait une très faible pression de vapeur. C’est pourquoi le mercure est couramment utilisé. Une extrémité du manomètre est ouverte à l’air libre, donc la pression à cette extrémité est toujours une atmosphère.

L’autre extrémité peut être connectée à un ballon. Dans le ballon, on met la substance pure à tester et on fait en sorte qu’il n’y ait pas d’air. Quand le système se stabilise, la pression de vapeur de la substance dans le ballon entre en compétition avec la pression atmosphérique, poussant le mercure vers le haut ou vers le bas. Si, à une température donnée, la pression de vapeur de notre substance est supérieure à une atmosphère, la pression à gauche sera supérieure à la pression à droite. Donc, le mercure va monter à droite et descendre à gauche. Mais si la pression de vapeur est inférieure à une atmosphère, alors le mercure sera plus haut à gauche qu’à droite, puisque la pression atmosphérique sera plus élevée que la pression de vapeur.

La différence de hauteur du mercure entre les deux colonnes, combinée à la densité du mercure, nous donne une mesure de la pression. Mais nous n’allons pas entrer dans les détails de ce calcul dans cette vidéo. Ce qui est important de comprendre, c’est que plus la pression de vapeur est élevée, plus le niveau est bas à gauche et plus le niveau est haut à droite. Maintenant, il est temps de pratiquer un peu.

L’image ci-dessous montre trois manomètres, contenant chacun un échantillon d’acide éthanoïque. Pour quel manomètre la température de l’acide éthanoïque est-elle la plus élevée ?

On peut utiliser des manomètres pour mesurer la pression de vapeur de substances pures. Ici, dans tous les manomètres, on a exactement la même quantité d’acide éthanoïque. Au-dessus du liquide et dans les tubes, on a de l’acide éthanoïque gazeux. L’autre partie du manomètre est le tube en forme de U qui contient un liquide dense. Ici, je suppose que c’est du mercure. Si on chauffe l’acide éthanoïque dans le ballon, on augmente la quantité de vapeur d’acide éthanoïque dans le tube. Cela va augmenter la pression de ce côté du manomètre. Cette pression de vapeur va concurrencer la pression externe appliquée de l'autre côté du tube en U. Nous pouvons supposer que c’est une atmosphère. Le plus important, c’est que cette pression soit la même pour A, B et C.

La question demande, pour quel manomètre la température de l'acide éthanoïque est-elle la plus élevée ? Nous pouvons nommer les températures 𝑇 A, 𝑇 B et 𝑇 C. Plus le niveau de mercure du côté du ballon est bas, plus la pression de vapeur dans le ballon est élevée. Nous pouvons placer les manomètres dans l'ordre de la hauteur du mercure du côté du ballon. La hauteur est la plus élevée pour A et la plus basse pour C. Cela signifie que la pression à l’intérieur de C doit être la plus élevée des trois, et que la température de l’acide éthanoïque dans C est supérieure à la température de l’acide éthanoïque dans B ou A. Par conséquent, le manomètre dans lequel la température de l’acide éthanoïque est la plus élevée est C.

Terminons avec les points clés. La pression de vapeur d’une substance est la pression d’un gaz lorsque celui-ci est en équilibre dynamique avec sa phase liquide dans un système fermé, en l’absence d’autres substances, à une température donnée. Le point d'ébullition d'une substance est la température à laquelle sa pression de vapeur est égale à la pression externe. Les substances plus volatiles, qui sont des substances ayant des pressions de vapeur plus élevées à une température donnée, ont des points d’ébullition plus faibles. Et l’ajout d’un soluté à un solvant, tel que l’eau, abaisse la pression de vapeur, augmente le point d’ébullition, et abaisse le point de fusion.

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