Le sel, la congélation et l'ébullition

 Pourquoi le sel abaisse-t-il la température de congélation  de l'eau ? Pourquoi l'eau salée bout-elle à plus de 100 °C ? 

Dans les deux cas, il y a  des phénomènes à considérer, en sachant que : 

- le sel se présente sous la forme de cristaux, à savoir des empilements réguliers d'atomes de chlore et de sodium (sous la forme d' "ions"), électriquement chargés, qui s'attirent mutuellement avec des forces fortes ;

- dans l'eau liquide, à température ambiante, le sel se dissout dans l'eau (jusqu'à une certaine limite) : cela correspond à une diminution de l'"énergie libre", qui tient compte de la tendance à l'augmentation du désordre ; et la dissolution du sel, qui "capte" de l'énergie de l'eau, refroidit l'eau salée ;

- le chauffage de l'eau, salée ou non, augmente l'énergie d'agitation des molécules d'eau (leur vitesse), jusqu'à ce qu'elles puissent échapper  à l'attraction par les autres molécules... et par les ions sodium et chlorure ;

- dans de l'eau à des températures entre 0 et 100 °C, il y a des molécules d'eau rapides, d'autres lentes ; les plus rapides peuvent vaincre les forces d'attraction qui veulent les retenir dans le liquide, et elles partent en phase vapeur, au-dessus de l'eau : l'eau s'évapore à toute température.

Tout cela étant dit, il faut considérer que, quand on chauffe de l'eau sans sel, l'énergie donnée permet donc d'augmenter l'énergie d'agitation des molécules, de sorte que de plus en plus d'elles s'évaporent. Cela refroidit le reste de l'eau liquide, et il faut donner une énergie considérable pour évaporer davantage, quand vient la température d'ébullition : c'est l'énergie latente d'évaporation de l'eau, qui est considérable, raison pour laquelle on ne parvient pas à dépasser 100 °C (dans des conditions habituelles). 

Quand on met du sel dans de l'eau, les molécules d'eau viennent séparer les ions du sel, en les "hydratant" : les ions sont alors entourés d'un cortège (dynamique) de molécules d'eau. Et l'eau alors salée refroidit : l'énergie des molécules d'eau a servi à dissoudre le sel, de sorte que l'énergie d'agitation est moindre, ce qui correspond à une température inférieure (de quelques degrés). 

Quand on refroidit de l'eau salée, on réduit la vitesse d'agitation de tout cela, mais la congélation nécessite que les molécules d'eau s'empilent, ce qui signifie  que, de même, du sel solide se forme, exclu du réseau cristallin de la glace. 

Inversement, quand on chauffe, il faut "détacher" les molécules d'eau des ions pour les faire s'évaporer (en même temps que le sel cristallise), ce qui nécessite plus d'énergie, d'où l'augmentation de la température d'ébullition (de quelques degrés seulement pour 200 grammes de sel dans un verre d'eau)