Identification d'un composé inconnu grâce à la loi de la cryométrie

L’abaissement du point de congélation est le phénomène observé lorsque le point de congélation d’une solution est inférieur à celui du solvant pur.

Ce phénomène résulte d’interactions entre les molécules de soluté et de solvant. La différence de température de congélation est directement proportionnelle au nombre de particules de soluté dissoutes dans le solvant.

La masse molaire d’un soluté non volatil peut être calculée à partir de la différence de températures de congélation si les masses du solvant et du soluté dans la solution sont connues.

Cette vidéo présentera la relation entre l’abaissement du point de congélation et la masse molaire du soluté, une procédure pour déterminer la masse molaire d’un soluté inconnu et certaines applications réelles de l’induction et de l’observation des changements de température de congélation.

L’abaissement du point de congélation est une propriété colligative, ce qui signifie qu’il n’est affecté que par le rapport entre les particules de soluté et de solvant, et non par leur identité.

Au point de congélation d’une substance pure, les taux de fusion et de congélation sont égaux.

Lorsqu’une solution est refroidie au point de congélation de son solvant, les molécules de solvant commencent à former un solide. Il est moins favorable énergétiquement de former un réseau mixte de particules de solvant et de soluté. Les particules de soluté restent en phase de solution. Seules les interactions solvant-solvant contribuent à la formation du réseau, de sorte que les interactions solvant-soluté réduisent le taux de congélation par rapport à celui du solvant pur.

La température à laquelle commence la congélation est le point de congélation de la solution. La solution continue de refroidir pendant qu’elle gèle, mais cette baisse continue de la température reflète la concentration croissante de soluté dans la phase solution.

Finalement, la température de la solution est si basse et il reste si peu de solvant dans la phase liquide qu’il devient favorable pour les particules de soluté de former un réseau. Une fois ce point atteint, la température reste à peu près constante jusqu’à ce que le mélange soit solidement gelé.

La masse molaire du soluté, et donc l’identification du soluté, peut être déterminée à partir de la relation entre le point de congélation du solvant pur, le point de congélation de la solution et la molalité de la solution. La molalité, ou m, est une mesure de la concentration en moles du soluté par kilogramme de solvant. Cette relation dépend de la constante de dépression du point de congélation du solvant et du nombre de particules de soluté produites par unité de formule qui se dissolve.

La molalité peut être exprimée en termes de masse molaire, de sorte que l’équation peut être réarrangée pour déterminer la masse molaire du soluté. L’intégration de cela dans l’équation du point de congélation permet d’élucider la masse molaire, une fois que la différence de température est connue. Maintenant que vous comprenez le phénomène de l’abaissement du point de congélation, passons en revue une procédure permettant de déterminer la masse molaire d’un soluté inconnu à partir des températures du point de congélation. Le soluté est une molécule organique non ionique et non volatile qui produit une particule par unité de formule dissoute, et le solvant est le cyclohexane.

Pour commencer cette expérience, connectez la sonde de température à l’ordinateur pour la collecte de données. Insérez la sonde de température et un agitateur dans le récipient d’échantillon.

Définissez la durée de la collecte des données et le taux d’échantillonnage. Prévoyez suffisamment de temps pour que l’échantillon gèle.

Fixez les limites supérieure et inférieure de la plage de température à échantillonner.

Ajoutez 12 ml de cyclohexane dans un tube à essai propre et sec. Essuyez la sonde de température avec un Kimwipe. Insérez l’ensemble de butée dans le tube à essai de manière à ce que l’extrémité de la sonde de température soit centrée dans le liquide et ne touche pas les côtés ou le fond.

Dans un bécher, préparez un bain d’eau glacée. Ensuite, lancez la collecte des données de température.

Placez le tube à essai dans le bain d’eau glacée, en vous assurant que le niveau de liquide dans le tube à essai est sous la surface. Remuez continuellement le liquide à un rythme constant.

Une fois que la congélation commence, laissez la collecte de données se poursuivre jusqu’à ce que la parcelle se soit stabilisée à une température constante. C’est le point de congélation du cyclohexane pur. Retirez le tube à essai du bain d’eau glacée et laissez-le se réchauffer à température ambiante.

Une fois que le cyclohexane a fondu, pesez avec précision le matériau solide inconnu sur du papier de pesée. Retirez le bouchon du tube à essai et ajoutez le solide. Évitez de laisser le composé adhérer au tube à essai.

Remettez le bouchon et remuez la solution jusqu’à ce que le solide soit complètement dissous. Il est important qu’il ne reste pas de cristaux solides.

Définissez les paramètres de collecte de données et préparez un bain d’eau glacée douce. Commencez le prélèvement, placez l’éprouvette dans le bain et remuez continuellement à un rythme constant. Une fois la congélation commencée, le point de congélation continue de diminuer en raison de l’augmentation de la concentration de soluté. Continuez à recueillir des données jusqu’à ce que la pente de cette diminution soit évidente. Une fois l’expérience terminée, laissez la solution du composé inconnu se réchauffer à température ambiante, puis éliminez-la conformément aux procédures pour les déchets organiques.

Dans cette expérience, on sait que la substance inconnue est l’un des cinq composés possibles : biphényle, bromochlorobenzène, naphtalène, anthracène et dibromobenzène. L’identité de l’inconnu peut être déterminée en comparant sa masse molaire à ces substances connues.

Le soluté inconnu produit une particule par unité de formule dissoute. Pour calculer la masse molaire du composé inconnu, la constante de dépression du point de congélation du cyclohexane, la masse du soluté et du solvant utilisés et la différence de températures de congélation sont tous nécessaires.

0,147 g du soluté inconnu ont été utilisés dans cet exemple. La constante de dépression du point de congélation du cyclohexane est de 20,2 ? C-kg par mol de soluté. La masse volumique et le volume du cyclohexane sont utilisés pour calculer la masse du solvant.

Les valeurs du point de congélation du solvant pur et du point de congélation de la solution sont déterminées à partir des tracés.

Si l’on sait que le composé est l’un des rares composés possibles, comme dans cette expérience, la masse molaire peut simplement être comparée à ces composés. Des cinq options proposées pour cette expérience, le naphtalène est la plus proche.

Le phénomène de l’abaissement du point de congélation a de nombreuses applications à l’intérieur et à l’extérieur du laboratoire.

Le chlorure de calcium est préféré au chlorure de sodium pour traiter les routes glacées en raison des effets de l’abaissement du point de congélation. Comme le chlorure de calcium libère une particule de plus que le chlorure de sodium, il abaisse davantage le point de congélation de l’eau et fait ainsi fondre la glace à des températures plus basses.

Dans cette étude, une expérience de fusion a été menée avec deux mélanges différents de fer et de soufre. L’échantillon avec la fraction massique de soufre la plus élevée était complètement liquide à la température de l’expérience, tandis que l’échantillon avec moins de soufre était encore partiellement solide. Cela démontre qu’avec une augmentation des impuretés, dans ce cas du soufre, le point de fusion observé est inférieur à celui du solide pur. Ici, les différences de point de fusion entre les deux échantillons donnent un aperçu de la formation du noyau terrestre.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à l’utilisation de la dépression du point de congélation pour déterminer l’identité d’un composé inconnu. Vous devriez maintenant comprendre le phénomène de l’abaissement du point de congélation, la relation entre l’abaissement du point de congélation et la masse molaire du soluté, et pourquoi le phénomène est utile à une variété d’industries.

Merci d’avoir regardé !