Pourquoi le sel rend la glace
plus froide que 0°C ?
La glace est à 0°C. Elle ne peut pas être plus froide. Pourtant, il suffit d'y verser du sel pour faire chuter la température jusqu'à près de -20°C. Sans congélateur, sans électricité. Et c'est exactement le même phénomène que le sel qu'on répand sur les routes en hiver. Comment un sel qui sert à faire fondre peut-il aussi servir à refroidir ?
Mettez de la glace dans un verre et plantez-y un thermomètre. Au bout d'un moment, la température se fixe à 0°C. Même par une journée chaude, tant qu'il reste de la glace, elle reste à 0°C.
Ajoutez maintenant une poignée de sel et mélangez. Le chiffre du thermomètre se met à descendre. -5°C, -10°C. Avec un peu de patience, on peut atteindre près de -20°C.
Le sel n'est pas froid. Il était à température ambiante, dans le placard de la cuisine. Sans rien ajouter de froid, l'ensemble est pourtant devenu plus froid.
Où est passée la chaleur ? La réponse : elle a servi à faire fondre la glace.
L'eau salée ne gèle pas à 0°C. La glace salée commence donc à fondre même en dessous de 0°C. Là où elle resterait normalement figée, elle continue de fondre.
Passer de l'état solide à l'état liquide demande beaucoup de chaleur. Cette chaleur est prélevée sur l'environnement. Tant que la fusion continue, le prélèvement continue aussi.
Ces deux effets se combinent. En abaissant la température de fusion, le sel installe un état de « fusion continue », et cette fusion absorbe sans cesse de la chaleur. Voilà pourquoi la température continue de baisser. Détaillons.
Pourquoi la glace s'arrête-t-elle à 0°C ?
Passer de l'état solide à l'état liquide demande énormément de chaleur. Faire fondre 1 gramme de glace demande autant de chaleur que pour chauffer la même quantité d'eau de 0°C à près de 80°C.
Cette chaleur est prélevée sur l'environnement. C'est pourquoi une boisson avec des glaçons devient froide. Ce n'est pas parce que la glace « est froide » qu'elle refroidit, c'est parce qu'elle « fond ».
Mais la glace ne peut fondre que jusqu'à 0°C. Une fois à 0°C, elle ne fond plus. Si elle ne fond plus, elle n'absorbe plus de chaleur. C'est pour cela que la température se bloque à 0°C. Ce mur des 0°C, c'est le mur du « je ne peux plus fondre ».
Le sel déplace ce mur
L'eau salée ne gèle pas à 0°C. C'est la même raison pour laquelle l'eau de mer a du mal à geler même en plein hiver. Dès que quelque chose est dissous dans l'eau, sa température de gel baisse.
Quand on verse du sel sur de la glace, il se dissout dans le mince film d'eau à sa surface, créant une saumure concentrée. Cette eau salée peut rester liquide bien en dessous de 0°C, jusqu'à -10°C.
Du point de vue de la glace, l'état « je peux encore fondre » se prolonge. Elle fond à -5°C. Elle fond encore à -10°C. Tant que la fusion continue, l'absorption de chaleur continue aussi.
Ainsi, la température continue de baisser. Elle ne descend pas indéfiniment : elle s'arrête quand la saumure elle-même finit par geler. Pour le sel de table, cette limite est estimée à environ -21°C.
On lit souvent que « le sel refroidit parce qu'il absorbe de la chaleur en se dissolvant dans l'eau ». Ce n'est pas la raison principale.
Quand le sel de table se dissout dans l'eau, l'échange de chaleur est infime — bien trop faible pour faire baisser la température de 20°C. C'est bien la fusion de la glace qui absorbe réellement la chaleur. Le rôle du sel n'est pas d'absorber la chaleur, mais de créer les conditions pour que la glace continue de fondre.
La preuve : mettre du sel seul dans de l'eau ne la refroidit presque pas. Sans glace, ce phénomène ne se produit pas.
Il ordonne simplement à la glace de « continuer à fondre ».
Ce même sel « fait fondre » la glace sur les routes
Une question se pose alors. Le sel de déneigement répandu sur les routes en hiver, c'est aussi du sel. Là-bas, on l'utilise pour faire fondre la glace, ici pour refroidir. Cela semble contradictoire.
Pourtant, ce qui se passe est rigoureusement identique. Le sel « abaisse la température de gel », un point c'est tout. La seule différence, c'est l'objectif.
À -5°C, la glace ne fond normalement pas. Mais avec du sel, elle se met à fondre même à cette température. La glace disparaît de la chaussée : l'objectif est atteint.
Le même phénomène se produit, mais on s'intéresse cette fois à la chaleur absorbée. En fondant, le voisinage se refroidit, et on exploite ce froid.
Autrement dit, « faire fondre » et « refroidir » sont deux facettes du même phénomène. Quand la glace fond, son environnement se refroidit forcément. Sur la route aussi, l'endroit où l'on a répandu du sel se refroidit un instant. Simplement, personne n'y prête attention.
- Il ne fonctionne pas s'il fait trop froid. Pour le sel de table, la limite se situe autour de -20°C. Dans les régions plus froides, on utilise du chlorure de calcium, efficace à plus basse température.
- Le chlorure de calcium dégage de la chaleur en se dissolvant. Contrairement au sel de table, cela facilite aussi le déneigement.
- L'eau fondue peut regeler. Une saumure diluée qui regèle à l'ombre ou la nuit forme un film de glace transparent et difficile à voir. Avoir répandu du sel ne garantit donc pas une route sûre.
- Il a un impact sur les métaux et les végétaux. On connaît la corrosion des dessous de véhicules, la dégradation du béton, ainsi que les effets sur les sols et les arbres en bordure de route. Des efforts sont menés pour réduire les quantités utilisées au strict nécessaire.
Une expérience à faire chez soi
- Dans un petit sac congélation, verser environ 100 mL de lait et 1 cuillère à soupe de sucre, chasser l'air et bien fermer
- Dans un grand sac congélation, verser beaucoup de glace et 3 à 4 cuillères à soupe de sel
- Placer le petit sac dans le grand, puis fermer le grand sac
- Envelopper dans une serviette (pour éviter les gelures aux mains) et secouer 10 à 15 minutes
- Une fois le contenu figé, c'est prêt. En comparant la température du sac extérieur avant et après avoir secoué, on constate qu'elle est descendue sous zéro
On obtient une glace sans congélateur. Sans sel, la même expérience ne descend pas sous 0°C, donc rien ne prend jamais. Faire les deux essais en parallèle rend la différence évidente. Ne tenez pas le sac à mains nues trop longtemps (la température frôlant les -20°C, il y a un risque de gelure). Ne buvez pas l'eau salée, jetez-la simplement dans l'évier.
En résumé
Si la glace salée devient froide, ce n'est ni parce que le sel est froid, ni parce qu'il absorbe de la chaleur en se dissolvant. C'est parce que le sel abaisse la « température de gel », prolongeant une fusion qui devrait normalement s'arrêter, et que cette fusion continue d'absorber la chaleur ambiante.
Faire fondre la glace sur la route, et refroidir une glace à manger.
C'est le même phénomène, vu sous deux angles opposés.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège aux sujets encore en recherche, chaque niveau est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « chimie/physique générale » du lycée
- Lycée+Programme de chimie de spécialité, ou encadré/approfondissement des manuels
- UniversitéNon vu au lycée : matière spécialisée universitaire (chimie physique)
- RecherchePas encore établi comme « acquis » même à l'université : sujet activement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots du froid
- Chaleur latente de fusion : chaleur nécessaire pour faire passer un solide à l'état liquide. Pour la glace, environ 334 joules par gramme, soit l'équivalent de la chaleur nécessaire pour chauffer la même quantité d'eau d'environ 80°C.
- Abaissement du point de congélation (cryoscopie) : phénomène par lequel une substance dissoute abaisse la température de gel. C'est le « mur déplacé » décrit dans l'article.
- Mélange réfrigérant : combinaison, comme glace et sel, qui produit du froid par simple mélange. Utilisée depuis l'époque où le congélateur n'existait pas.
- Point eutectique : température limite en dessous de laquelle l'eau salée ne peut plus être refroidie. Pour l'eau salée, environ -21°C, avec une proportion de sel d'environ 23 % en masse.
- Sel de déneigement / antigel routier : produits répandus sur les routes. On utilise le chlorure de sodium (sel de table), le chlorure de calcium ou le chlorure de magnésium.
LycéeVérification par le calcul : pourquoi le sel plutôt que le sucre ?
Tout le monde connaît « glace + sel », mais on se demande rarement pourquoi pas du sucre. Le calcul permet de trancher.
ΔT = K × m × i
| ΔT Baisse de la température de gel | en °C |
| K Constante propre à l'eau | 1,86 (pour 1 kg d'eau) |
| m Quantité dissoute | en mol (pour 1 kg d'eau) |
| i Nombre de fragments dans l'eau | 2 pour le sel, 1 pour le sucre |
Il faut remarquer que la formule ne contient pas le « poids », mais le « nombre de particules ». Ce qui compte, ce n'est pas combien de grammes on a versés, mais combien de particules se dispersent dans l'eau. Peu importe leur nature.
Et c'est là que i devient déterminant. Le sel se sépare en sodium et en chlore dans l'eau : une particule en devient deux. Le sucre ne se sépare pas, il reste une seule particule.
| Masse d'une mole de sel | environ 58,5 g |
| 100 g correspond à combien de mol | 100 ÷ 58,5 ≒ 1,71 mol |
| Nombre de fragments | i = 2 |
| Dans la formule | ΔT = 1,86 × 1,71 × 2 |
| Résultat | ΔT ≒ 6,4°C de baisse |
| Masse d'une mole de sucre | environ 342 g |
| 100 g correspond à combien de mol | 100 ÷ 342 ≒ 0,29 mol |
| Nombre de fragments | i = 1 |
| Dans la formule | ΔT = 1,86 × 0,29 × 1 |
| Résultat | ΔT ≒ seulement 0,54°C de baisse |
L'écart est de 6,4 ÷ 0,54 ≒ 12 fois. Pour les mêmes 100 g, la différence est considérable.
La raison tient en deux points de la formule. D'une part, les molécules de sucre étant plus lourdes, 100 g en contiennent 6 fois moins. D'autre part, le sucre ne se séparant pas dans l'eau, on divise encore par deux. Ces deux facteurs combinés donnent un écart d'environ 12 fois.
Ce n'est pas que « le sel est meilleur ». C'est qu'il faut quelque chose de « léger, et qui se sépare dans l'eau ». Sans passer par la formule, on n'arrive pas à cette reformulation.
Soyons honnêtes ici. Un mélange réfrigérant réel descend jusqu'à environ -21°C. Cela ne correspond absolument pas aux -6,4°C obtenus au point ②.
La formule n'est pas fausse, mais on sort de son domaine de validité. Cette formule n'est qu'une approximation valable pour les solutions diluées : quand le sel devient plus concentré, les particules interagissent entre elles et l'écart se creuse. Le fait que la baisse s'arrête autour de -21°C même en ajoutant toujours plus de sel n'est pas non plus expliqué par cette formule (c'est l'objet du point eutectique, section suivante).
| Valeur calculée pour 100 g de sel / 1 kg d'eau | environ -6,4°C |
| Valeur mesurée à saturation en sel | estimée à environ -21°C |
Toute formule a un « domaine de validité ». Face à un écart, savoir s'il faut remettre en cause la formule ou son domaine d'application, c'est ce qui transforme le calcul en véritable outil.
| Chaleur de fusion de 100 g de glace | 334 × 100 = 33 400 J |
| Chaleur pour baisser 100 g d'eau de 1°C | 4,2 × 100 = 420 J |
| Équivalent en degrés | 33 400 ÷ 420 ≒ 80°C |
※ Valeurs indicatives courantes. On retrouve ici la différence essentielle : le froid vient principalement de la « fusion », pas de la « dissolution du sel ».
LycéeLycée+Pourquoi une substance dissoute gêne-t-elle le gel ?
Geler, c'est faire s'aligner les molécules d'eau en un cristal ordonné. Si d'autres particules s'y mêlent, elles gênent cet alignement. Il faut donc refroidir davantage pour que le cristal se forme.
Ce qui est intéressant, c'est que l'ampleur de cet effet dépend uniquement du nombre de particules dissoutes, pas de leur nature. Sucre ou sel, à nombre égal de particules, la baisse est identique. On appelle ces propriétés des propriétés colligatives.
C'est là que le sel prend l'avantage. Le NaCl se sépare dans l'eau en deux ions, Na⁺ et Cl⁻ : pour la même quantité, le nombre de particules double. Le sucre, lui, reste une seule particule. Si le sel est utilisé pour le déneigement, c'est autant pour son prix que pour cette efficacité.
Lycée+En formule : ΔTf = Kf × m × i. Kf vaut environ 1,86 K·kg/mol pour l'eau, m est la molalité, i le nombre de particules produites par dissociation (idéalement 2 pour le sel de table).
UniversitéPourquoi y a-t-il une limite ― le point eutectique
Ajouter du sel indéfiniment ne fait pas baisser la température indéfiniment. En refroidissant de l'eau salée, la glace se sépare d'abord et le liquide restant se concentre. Plus il se concentre, plus son point de congélation baisse encore, mais à une certaine concentration et une certaine température, les cristaux de glace et de sel se forment simultanément. C'est le point eutectique : pour l'eau salée, environ -21,1°C, avec une proportion de sel d'environ 23 % en masse. Au-delà, tout le mélange se solidifie et il n'y a plus d'effet refroidissant à en tirer.
Par ailleurs, la formule ΔTf = Kf·m·i vue plus haut n'est précise que pour des solutions diluées. Dans une eau salée concentrée, les ions interagissent entre eux et le i effectif devient inférieur à 2. Un traitement rigoureux nécessite la notion d'activité et s'appuie sur des diagrammes de phases.
RechercheCe qui n'est pas encore tranché
- À la surface de la glace existe une fine couche liquide, même en dessous de 0°C. On parle de fusion de surface (ou prémorfusion), une idée proposée par Faraday au XIXe siècle. Son existence est établie, mais l'évolution de son épaisseur avec la température, et jusqu'où on peut parler de « liquide », restent des questions dont les résultats varient selon les méthodes expérimentales, et la recherche continue.
- « Pourquoi la glace est-elle glissante ? » reste une question non résolue depuis longtemps. On expliquait autrefois cela par la « fusion sous pression », mais les calculs montrent que la pression exercée par une lame de patin abaisse à peine le point de fusion : cette explication est jugée insuffisante. On pense que la fusion par frottement et la couche liquide de surface mentionnée ci-dessus jouent toutes deux un rôle, mais leur contribution varie selon les conditions, et il n'existe pas encore d'explication unifiée. Alors qu'on glisse sur la glace chaque hiver, la raison exacte n'est toujours pas établie. Pour en savoir plus, voir l'article sur la glissance des routes gelées.
- Le vivant dispose d'une « autre méthode » pour éviter le gel. Les poissons antarctiques et certains insectes possèdent des protéines antigel. Au lieu d'abaisser le point de congélation par concentration, elles adhèrent à la surface des cristaux de glace pour en gêner la croissance — un mécanisme totalement différent. Les détails de leur action et les moyens de les reproduire artificiellement sont encore à l'étude, avec des applications espérées pour la congélation alimentaire et la conservation d'organes.
- L'évaluation de l'impact environnemental du sel de déneigement se poursuit également. On rapporte, dans diverses régions, une hausse de la salinité des sols, une infiltration dans les nappes phréatiques et les cours d'eau, ainsi que des effets sur les arbres d'alignement. Des techniques de réduction des quantités épandues et des produits alternatifs sont développés, mais concilier coût et efficacité reste difficile.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Changements d'état et chaleur / Dissolution | Nécessité de chaleur pour fondre, pourquoi la glace se bloque à 0°C |
| Lycée | Chimie générale・Quantité de matière / Physique générale・Chaleur et capacité calorifique | Calcul de la chaleur de fusion, comparaison avec 80°C |
| Lycée | Chimie・Propriétés des solutions (abaissement du point de congélation) | Propriétés colligatives, doublement du nombre de particules pour un électrolyte |
| Lycée+ | Chimie・Propriétés colligatives des solutions diluées | Formule ΔTf = Kf・m・i |
| Université | Chimie physique・Équilibres de phases | Point eutectique, diagramme de phases, activité, limites de validité de la formule |
| Recherche | Science des surfaces・Cryobiologie (non résolu) | Couche liquide de surface de la glace, glissance de la glace, protéines antigel |
- Atkins, P. & de Paula, J., Physical Chemistry (abaissement du point de congélation, propriétés colligatives, diagrammes de phases et point eutectique).
- Dash, J. G., Rempel, A. W. & Wettlaufer, J. S., The physics of premelted ice and its geophysical consequences, Reviews of Modern Physics 78, 695–741, 2006 (fusion de surface de la glace).
- Rosenberg, R., Why is ice slippery?, Physics Today 58(12), 50–55, 2005 (explication de l'insuffisance de la théorie de la fusion sous pression).
- Documents du ministère japonais du Territoire, des Infrastructures, des Transports et du Tourisme (国土交通省) et des gestionnaires de routes, sur l'épandage de sel de déneigement et son impact environnemental.
- Davies, P. L., Ice-binding proteins: a remarkable diversity of structures for stopping and starting ice growth, Trends in Biochemical Sciences 39(11), 548–555, 2014 (protéines antigel).
※ Les valeurs de chaleur de fusion, de point eutectique, etc. varient selon les conditions et les méthodes de mesure. Cet article présente des ordres de grandeur couramment utilisés.
※Cet article est une vulgarisation scientifique à but général. Lors de l'observation, le mélange de glace et de sel descend en dessous de zéro : ne le touchez pas à mains nues pendant une durée prolongée. Pour l'épandage de sel de déneigement, suivez les consignes des gestionnaires de routes et des collectivités locales. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du phénomène.