Un glaçon qui fond, la buée sur une vitre, la neige carbonique qui « fume »… Une même espèce chimique peut exister sous trois états : solide, liquide ou gazeux. Ce chapitre décrit les passages d'un état à l'autre, ce qui se passe à l'échelle des molécules, et l'énergie qu'ils mettent en jeu.
Une espèce chimique peut se trouver à l'état solide, liquide ou gazeux. Le passage d'un état à un autre est un changement d'état : c'est une transformation physique, car l'espèce chimique reste la même. Chaque changement d'état porte un nom.
Animation
Les changements d'état
Les six changements d'état
Attention au mot « condensation »
Le passage de l'état gazeux à l'état solide, la condensation, porte plusieurs noms : condensation, condensation solide, sublimation inverse, déposition, désublimation.
Dans le langage courant, le mot condensation ne désigne pas la même chose qu'en physique : on parle communément de condensation pour le passage de l'état gazeux à l'état liquide, comme la rosée du matin ou la buée sur une vitre. En physique, c'est une liquéfaction.
Évaporation ou ébullition ?
La vaporisation peut prendre la forme d'une évaporation, qui se produit à la surface du liquide, ou d'une ébullition, qui se produit dans tout le liquide, avec formation de bulles de vapeur.
Seule l'ébullition se fait à température fixe (pour un corps pur) : on parle alors de température d'ébullition. L'évaporation, elle, se produit à toute température : une flaque d'eau sèche même en hiver.
Remarque
La sublimation et la condensation sont plus rares à notre échelle. Le diiode, par exemple, se sublime quand on le chauffe doucement, en dégageant des vapeurs violettes, qui se condensent en cristaux sur une paroi froide :
On peut citer aussi la neige carbonique (dioxyde de carbone solide) qui se sublime en formant un nuage... d'eau. La température du $\ce{CO_2 (g)}$ libéré est très basse : -79°C. À son contact, la vapeur d'eau de l'air se liquéfie, voire se solidifie, formant une brume.
On modélise un changement d'état par une équation, où l'on précise l'état de l'espèce chimique entre parenthèses : (s) pour solide, ($\ell$) pour liquide, (g) pour gazeux.
espèce chimique (état 1) $\longrightarrow$ espèce chimique (état 2)
L'espèce chimique est la même des deux côtés de la flèche : seul son état change.
Exemples
Écrire l'équation de la sublimation du dioxyde de carbone $\ce{CO2}$, puis celle de la liquéfaction du méthane $\ce{CH4}$.
Sublimation (solide → gaz) : $\ce{CO2 (s) -> CO2 (g)}$. C'est ce qui se passe avec la « neige carbonique », qui ne fond pas mais disparaît en « fumant ».
Liquéfaction (gaz → liquide) : $\ce{CH4 (g) -> CH4 (\ell)}$. Le méthane est ainsi transporté par bateau sous forme liquide, à $-162$ °C.
Entraînement
Nommer et écrire un changement d'état
À l'échelle microscopique, les trois états se distinguent par la disposition et le mouvement des entités (atomes, molécules ou ions), et par l'intensité des liaisons qui les retiennent les unes aux autres.
Animation
Les trois états, vus de très près
Observez la disposition des molécules et leur mouvement dans chaque état.
| solide | liquide | gaz | |
|---|---|---|---|
| disposition | compact et ordonné | compact et désordonné | dispersé et désordonné |
| mouvement | les entités vibrent autour de positions fixes | les entités glissent les unes sur les autres | les entités se déplacent librement, très vite |
| liaisons entre entités | énergie de liaison grande | énergie de liaison grande, mais moins que dans le solide | énergie de liaison faible |
Question
Est-ce que le sucre fond dans le café ?
Indice : la température de fusion du saccharose (le sucre de table) est d'environ 186 °C, d'après la base de données PubChem.
Un café est à moins de 100 °C, bien en dessous de la température de fusion du sucre : le sucre ne peut pas fondre. Il se dissout : ses molécules se dispersent parmi les molécules d'eau. Ce n'est pas un changement d'état.
Animation
Ne pas confondre fusion et dissolution
À ne pas confondre
Lors d'une fusion, une seule espèce chimique passe de l'état solide à l'état liquide : $\ce{C12H22O11 (s) -> C12H22O11 (\ell)}$. Lors d'une dissolution, une espèce chimique se disperse dans un liquide, le solvant ; on note (aq) une espèce dissoute dans l'eau : $\ce{C12H22O11 (s) -> C12H22O11 (aq)}$.
Expérience
On chauffe 1,0 kg d'eau glacée, sortie d'un congélateur à $-18$ °C, dans un four à micro-ondes qui fournit à l'eau une puissance $P = \pu{800 W}$. On mesure la température $T$ de l'eau au cours du temps $t$.
À quoi va ressembler la courbe $T = f(t)$ ?
Animation
Chauffer un kilogramme de glace
À retenir
Pendant un changement d'état d'un corps pur, la température reste constante, même si l'on continue à fournir de l'énergie : cette énergie sert à changer d'état. Il faut fournir de l'énergie pour faire passer une espèce chimique vers un état moins condensé (fusion, vaporisation, sublimation).
Question
Pourquoi a-t-on généralement froid en sortant de la mer ou de la douche ?
L'eau qui couvre la peau s'évapore. Or le passage de l'eau de l'état liquide à l'état gazeux nécessite de l'énergie, que l'eau prend à son environnement, et en particulier à la peau : celle-ci se refroidit. On dit que ce changement d'état est endothermique.
Le même phénomène permet de rafraîchir une boisson en l'entourant d'un linge mouillé, laissé au soleil ou au vent : en s'évaporant, l'eau du linge prend de l'énergie à la boisson.
Définitions
Un changement d'état est endothermique s'il nécessite de l'énergie : il en prend à son environnement, qui se refroidit. C'est le cas de la fusion, de la vaporisation et de la sublimation.
Un changement d'état est exothermique s'il libère de l'énergie : il en cède à son environnement, qui se réchauffe. C'est le cas de la solidification, de la liquéfaction et de la condensation.
Question
Qu'ont en commun les trois changements d'état endothermiques ? Voyez-vous une explication microscopique ?
Ils correspondent tous au passage vers un état moins lié, où les énergies de liaison entre entités sont plus faibles. Or il faut fournir de l'énergie pour rompre, au moins en partie, les liaisons qui retiennent les entités les unes aux autres.
À l'inverse, lors d'une liquéfaction, d'une solidification ou d'une condensation, des liaisons se forment entre les entités : de l'énergie est libérée. Ces changements d'état sont exothermiques.
Reprenez l'animation du début du chapitre, en cochant « Colorer selon l'énergie » : les flèches qui montent vers un état moins lié sont endothermiques, celles qui descendent sont exothermiques.
Dans une chaudière classique, les fumées chaudes contiennent de la vapeur d'eau, qui s'échappe par la cheminée. Une chaudière à condensation refroidit ces fumées au contact de l'eau froide du circuit de chauffage : la vapeur d'eau s'y liquéfie, et l'énergie libérée par cette liquéfaction, exothermique, préchauffe l'eau du circuit. Le rendement de la chaudière est ainsi amélioré.
Ici encore, « condensation » est employé au sens courant : en physique, le passage de la vapeur d'eau à l'eau liquide est une liquéfaction.
Dans une chaudière classique, les fumées chaudes contiennent de la vapeur d'eau, qui s'échappe par la cheminée. Une chaudière à condensation refroidit ces fumées au contact de l'eau froide du circuit de chauffage : la vapeur d'eau s'y liquéfie, et l'énergie libérée par cette liquéfaction, exothermique, préchauffe l'eau du circuit. Le rendement de la chaudière est ainsi amélioré.
Ces bouillottes contiennent de l'acétate de sodium liquide, à température ambiante, alors que sa température de solidification est de 58 °C : il est dans un état instable, dit surfondu. En pliant la petite pastille métallique, on déclenche sa solidification, qui se propage dans toute la bouillotte. Cette solidification est exothermique : la bouillotte chauffe, jusqu'à environ 50 °C. Pour la « recharger », on la plonge dans l'eau bouillante, ce qui fait fondre l'acétate de sodium.
Définition
L'énergie massique de changement d'état $L$ d'une espèce chimique est l'énergie absorbée (si elle est positive) ou cédée (si elle est négative) lorsque 1 kg de cette espèce change d'état. Elle s'exprime en $\pu{J*kg-1}$.
Un changement d'état et son inverse mettent en jeu la même énergie, au signe près :
$L_{\text{état 1}\to\text{état 2}}$ $=$ $-$$L_{\text{état 2}\to\text{état 1}}$
Explicitement
Question
Pour l'eau, $L_\text{fus} = \pu{334 kJ*kg-1}$ et $L_\text{vap} = \pu{2265 kJ*kg-1}$. Que vaut l'énergie massique de solidification de l'eau ?
La solidification est l'inverse de la fusion : $L_\text{sol} = -L_\text{fus} = \pu{-334 kJ*kg-1}$. Le signe négatif traduit que la solidification libère de l'énergie : elle est exothermique.
Si un échantillon de masse $m$ change d'état, l'énergie thermique échangée est proportionnelle à sa masse :
Formule
$Q = m \times L$
Exemple
Que vaut l'énergie thermique $Q$ échangée lorsque 500 g de fer fondu se solidifient à 1 538 °C ?
Donnée : énergie massique de fusion du fer, $L_\text{fus} = \pu{247 kJ*kg-1}$.
$Q = m \times L_\text{sol} = m \times (-L_\text{fus}) = \pu{0,500 kg} \times (\pu{-247 kJ*kg-1}) \approx \pu{-124 kJ}$.
Le signe négatif indique que le fer cède cette énergie à son environnement : la solidification est exothermique.
Entraînement
Calculer l'énergie échangée lors d'un changement d'état
Quiz
Testez-vous sur les changements d'état