Les diagrammes de changement d'état
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Reconnaitre un changement d’état grâce à la courbe de la température en fonction du temps.
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 :
- on relève à intervalles de temps réguliers la température du corps que l’on réchauffe ou que l'on refroidit ;
- puis on trace la courbe qui donne la température en fonction du temps.
- L’eau distillée ;
- L’éthanol.
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 :
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Ces résultats permettent de tracer la courbe montrant l'évolution de la température au cours du temps :
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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.
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.
Réciproquement, si le diagramme d’un corps présente un palier alors il s’agit d’un corps pur.
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).
- 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.
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.
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.
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.
En effet, le changement d’état se fait alors que la température continue de varier.
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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