Température d'ébullition des liquides

Le phénomène d'ébullition

Toute substance liquide, émet des vapeurs en quantité telle que la pression partielle de ce corps dans la phase gazeuse atteigne une valeur qui dépend de la température du liquide.
Cette pression partielle est la tension de vapeur du liquide.

La tension de vapeur d'un liquide augmente avec la température.

Lorsque la tension de vapeur d'un liquide atteint une valeur égale à la pression totale qui règne au dessus de sa surface, il y a ébullition.

Température  d'ébullition dite "normale"

La température d'ébullition dite "normale", est la température d'ébullition lorsque la pression totale est égale à la pression atmosphérique dite "normale" de 1 atmosphère. Celle-ci est fixée par convention à une valeur de 760 mmHg (mm de mercure) ou 1013 mbars.
Les substances pures ont une température normale d'ébullition constante. La valeur est disponible dans la plupart des banques de propriétés physiques des substances chimiques.

On peut parfois aussi rencontrer le terme "température d'ébullition standard" qui est la température d'ébullition à une pression de 1 bar absolu. La valeur est naturellement très légèrement différente.

Ebullition d'un liquide pur

La température d'ébullition d'une substance pure est influencée par divers facteurs:

Effet de la Pression

La température d'ébullition augmente avec la pression environnante.
La pression atmosphérique est elle-même sujette à des variations dues à:

• la météo; cette variation est généralement limitée entre 950 et 1050 mbars.

• Exemples de température normale d'ébullition de l'eau dans des lieux en altitude (pour 1013 mbars au niveau de la mer)

  Lieu	Altitude [m]	Pression [mbars]	Teb eau [°C]
  Madrid	660	936	97,6
  Andore	1020	897	96,6
  Katmandou	1400	856	95,3
  Mexico	2200	775	92,6
  La Paz	3600	649	88

  l'altitude; la pression atmosphérique décroît lorsqu'on s'élève en altitude; cette variation a un effet sensible sur la température d'ébullition des liquides.
  

  La pression atmosphérique est modèlisée par:

  P_(z) = 1013,25 × (1 - 0,0065 × z ⁄ 288,15)^5,255

  avec:
  P_(z): pression atmosphérique [mbar]
  z : altitude [m]

Effet de la Nature des substances

La température normale d'ébullition des substances pures est fonction des caractéristiques de leur molécule:

• Température normale d'ébullition de substances semblables mais de masses molaire différentes

  Substance	Masse molaire [g]	Temp. Norm. Eb. [°C]
  Ethane	30	-88,6
  Propane	44	-42,1
  n-Butane	58	-0,5
  n-Hexane	86	68,7

  pour des molécules chimiquement semblables, la température normale d'ébullition augmente avec la masse molaire;
  

• Température normale d'ébullition pour des substances de masses molaire proches mais de polarité différentes

  Substance	Masse molaire [g]	Temp. Norm. Eb. [°C]
  Butane	58	-0,4
  n-Butanol	60	118
  Ethanethiol	62	35
  Chlorure d'éthyle	64	12

  pour des substances de masse molaire comparable, la température d'ébullition augmente avec la polarité des molécules
  

• Température normale d'ébullition de substances similaires mais à molécule ramifiée ou pas

  Substance	Masse molaire [g]	Temp. Norm. Eb. [°C]
  n-Butanol	60	118
  tert-Butanol	60	85
  n-Hexane	86	69
  diméthyl Butane	86	50

  la température d'ébullition diminue lorsqu'augmente la ramification de la molécule
  
• les isomères trans ont une température d'ébullition souvent supérieure à celle des isomères cis
• les molécules cycliques ont souvent une température d'ébullition supérieure à celle de leur homologues non cycliques.

Ebullition d'un mélange

Un mélange de composés liquides produit un mélange de vapeurs de ces mêmes composés. La composition du mélange de vapeurs émises dépend de la nature et du comportement de la phase liquide.

Mélange de Liquides miscibles

La pression partielle d'un composant dans la phase gazeuse est affectée par son degré de dilution dans la phase liquide. Le mélange est dit "idéal" si il suit une loi énoncée par François-Marie Raoult, à la fin du 19ème siècle:

pA = X_A ∙ Π_A

avec:
pA : pression partielle du composé A dans la vapeur
X_A : fraction molaire du composé A dans le liquide
Π_A : tension de vapeur du composé A à la température

Le liquide entre en ébullition à la température pour laquelle la somme des pressions partielles des constituants du liquide égale la pression totale environnante.

Mélange de Liquides non miscibles

Chaque phase liquide du mélange se comporte comme si elle était seule. La pression partielle dans la vapeur, de chaque substance non miscible, est égale à sa tension de vapeur, quelle que soit sa proportion dans le mélange.
Comme pour les mélanges miscibles, le mélange entre en ébullition à la température pour laquelle la somme des pressions partielles des constituants du liquide égale la pression totale environnante.

Solutions de sels ou de polymères

Dans tous les cas on observe un abaissement de la tension de vapeur du solvant par la présence du soluté. En conséquence de quoi, pour entrer en ébullition, la température de la solution devra être supérieure à ce qu'elle est pour le solvant pur. C'est ce qu'exprime François-Marie Raoult au XIXème siècle dans sa loi sur l'ébulliométrie:

Loi de l'ébulliométrie:

L'élévation de la température d'ébullition est proportionnelle à la fraction molaire du soluté.

Le facteur de proportionnalité de cette relation est une constante ébullioscopique du solvant K_eb

ΔT_eb = K_eb ∙ X_σ

La concentration en soluté peut aussi être représentée par la molalité (nombre de mole de soluté par kg de solvant); la relation devient:

ΔT_eb = K'_eb ∙ b_σ

avec:

ΔT_eb : élévation de la température d'ébullition du solvant
K_eb : constante ébullioscopique du solvant
K'_eb : constante ébullioscopique molale du solvant
X_σ : fraction molaire
b_σ : molalité

La loi de Raoult (celle relative aux mélanges idéaux) peut s'appliquer de la même manière que pour les mélanges de composants volatils. La fraction molaire du solvant étant le complément à 1 de la fraction molaire du soluté.

Pour les sels dissociables, chaque ion est compté indépendamment pour le calcul de la fraction molaire; ainsi le chlorure de sodium dissous dans l'eau se dissocie en deux ions Na⁺ et Cl^-; 1 mole de NaCl est comptée pour deux moles ( 1 mole de Na⁺ et 1 mole de Cl^-) dans le mélange.