Les diagrammes de changement d'état - Maxicours

Les diagrammes de changement d'état

Objectifs
Distinguer corps pur et mélange grâce à la courbe de la température en fonction du temps.
Reconnaitre un changement d’état grâce à la courbe de la température en fonction du temps.
La matière se présente principalement sous trois états : solide, liquide ou gaz.

Comment varie la température d’un composé chimique lorsqu’il subit un changement d’état ?

Pour répondre à cette question, on peut refroidir ou réchauffer un corps et observer l’évolution de sa température au cours du temps.

Pour cela :
  1. on relève à intervalles de temps réguliers la température du corps que l’on réchauffe ou que l'on refroidit ;
  2. puis on trace la courbe qui donne la température en fonction du temps.
1. Cas des corps purs
Un corps pur est, en chimie, une substance formée d'un seul et même constituant.
Exemples :
  • L’eau distillée ;
  • L’éthanol.
a. Expérience : La solidification de l'eau pure
On étudie les variations de la température au cours d’une solidification.

Expérience
L’eau est placée dans un tube à essai, lui-même plongé dans un mélange réfrigérant constitué de glace pilée et de sel (la température dans le tube est alors inférieure à 0 °C).
La température est mesurée à l'aide d'un thermomètre électronique et notée à intervalles de temps réguliers à l’aide d’un chronomètre.
L'eau utilisée est pure : il s'agit d'eau distillée.

Montage
On réalise le montage suivant : 
Montage pour mesurer l'évolution de la température lors de la solidification de l'eau.

Mesures
On mesure la température de l'eau toutes les minutes. Ces valeurs sont présentées dans le tableau ci-dessous :


Mesures.


Ces résultats permettent de tracer la courbe montrant l'évolution de la température au cours du temps :


Évolution de la température au cours du temps.
 



Observations 
On observe qu'au contact du mélange réfrigérant, la température de l’eau diminue. L'eau se refroidit.
Lorsque la température atteint 0 °C, elle cesse temporairement de diminuer. La glace commence à apparaitre dans le tube, durant cette période.
Tant que l'eau liquide ne s'est pas entièrement transformée en glace, la température reste égale à 0 °C.
Sur le graphique ci-dessous, ce phénomène correspond à la portion de droite horizontale que l'on appelle le palier de température.
La température ne recommence à diminuer que lorsque toute l'eau est à l'état solide.
Palier de température.
Conclusion
Lorsque l'eau pure liquide se solidifie, sa température est de 0 °C. Cette température reste constante jusqu'à ce que toute l'eau liquide se soit transformée en glace.
On dit que la température de solidification de l'eau est de 0 °C.
La température reste constante lors de la solidification de l'eau pure, elle suit un palier.
b. Identifier un corps pur grâce à un diagramme de température
Pour un corps pur, un changement d’état se fait lors d'un palier de température (zone horizontale du graphique).

Réciproquement, si le diagramme d’un corps présente un palier alors il s’agit d’un corps pur.

Remarque :
Pour un même corps pur :
  • La température de vaporisation (passage de l'état liquide à gazeux) est égale à la température de liquéfaction (passage de l'état gazeux à liquide).
  • La température de fusion (passage de l'état solide à liquide) est égale à la température de solidification (passage de l'état liquide à solide).
2. Cas des mélanges
Comme son nom l’indique, un mélange n’est pas formé d’un seul constituant.
Exemples :
  • L’eau salée n’est pas un corps pur, c’est un mélange de deux corps purs : l’eau et le sel.
  • Le bronze est un mélange (alliage) de cuivre et d’étain.
a. Expérience : La solidification de l'eau salée
On étudie les variations de la température au cours du refroidissement de l’eau salée.

Expérience
Après avoir réalisé la même expérience que pour l'eau pure (on a juste remplacé l'eau pure par de l'eau salée), on obtient la courbe suivante, qui montre l'évolution de la température au cours du temps :
Courbe de refroidissement de l'eau salée.
Observations
La solidification se déroule entre 2,5 minutes et 5 minutes, période au cours de laquelle la température n’est pas constante.

On remarque que cette solidification se fait à des températures négatives, alors que pour l’eau pure cela se déroule à 0 °C.

Remarque :
C’est pour cela qu’on répand du sel sur les routes l’hiver. Le mélange (eau + sel) ne devient de la glace que bien en dessous de 0 °C.

Cependant, on peut aussi constater que pour des températures très froides (– 10 °C), même l’eau salée se solidifie. Épandre du sel sur les routes par – 10 °C n’a aucun intérêt.
b. Identifier un corps pur grâce à un diagramme de température
Les courbes d’échauffement ou de refroidissement des mélanges ne présentent pas de palier lors des changements d’état.
En effet, le changement d’état se fait alors que la température continue de varier.
L'essentiel
► La courbe de changement d'état
La matière se présente principalement sous trois états : solide, liquide ou gaz.

Une grande majorité des espèces chimiques peut passer d’un état à l’autre en faisant varier la température ou la pression.

Lorsqu’on fait varier la température d’un corps et qu’on trace la courbe qui donne cette température en fonction du temps, on obtient soit :
  • une courbe qui monte si on chauffe le corps ;
  • une courbe qui descend si on refroidit le corps.

► Changement d'état d'un corps pur

Si la courbe présente une partie horizontale (un palier) alors qu’on continue de chauffer ou de refroidir, c’est que le corps est pur : il ne comporte qu’une seule espèce chimique.

Les changements d’états des corps purs (solidification, fusion, ébullition) se font à température constante.

Cette température est une caractéristique propre à chaque corps pur.

Pour un même corps pur, la température de fusion est aussi égale à la température de solidification, etc.

► Changement d'état d'un mélange
Les mélanges ne possèdent pas des températures constantes de changements d’état, les courbes correspondantes n’ont donc pas de palier.

Un mélange ne possède pas de température de fusion, de solidification ou d'ébullition.

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