Les différents changements d'état de la matière - Maxicours

Les différents changements d'état de la matière

Objectif : Lorsqu'un corps pur moléculaire change d'état physique, cela se manifeste par des modifications de son aspect, dans des conditions expérimentales bien déterminées. Il s'agit ici de préciser ce qui se produit sur les plans macroscopique et microscopique.
1. Aspect macroscopique
a. Définitions
Lorsqu'un corps pur change d'état, il modifie sa cohésion pour passer d'un état physique donné (solide, liquide, gaz) à un état physique différent.

Les différents changements d'état portent des noms distincts, précisés dans le tableau ci-dessous :

b. Caractéristiques du changement d'état
A l'aide d'une plaque chauffante, portons à ébullition l'eau contenue dans une casserole et relevons la température de celle-ci avec une sonde thermométrique. On constate trois phases :
  • Montée en température de l'eau liquide, de la température initiale (20°C) à 100°C.
  • Stabilisation de la température à 100°C, de l'apparition de la première bulle de vapeur à la disparition de la dernière goutte de liquide (tout au long du changement d'état).
  • Montée en température de la vapeur d'eau jusqu'à la fin de l'expérience (120°C).

Cette expérience peut se résumer par la courbe suivante :

On conclut qu'un changement d'état d'un corps pur s'effectue à température et pression constantes et que, lors de cette transformation, les deux états physiques coexistent pendant le palier de température correspondant.
2. Aspect microscopique
Les états physiques de la matière sont gouvernés par les interactions attractives entre molécules qui la constituent : plus les liaisons intermoléculaires sont élevées, plus la matière est ordonnée.

Lors du changement d'état, l'organisation spatiale des molécules est modifiée :

  • par rupture de ces liaisons intermoléculaires : passage d'un état ordonné à un état moins ordonné lors des sublimation, fusion, vaporisation.
  • ou par formation de ces liaisons, en augmentant la cohésion de la matière : passage d'un état désordonné à un état plus ordonné lors des liquéfaction, solidification, condensation.
3. Application à la caractérisation de produits
  • Si on fixe la pression, la température du changement d'état est caractéristique du corps pur considéré.

    Exemple : Sous pression atmosphérique (1013 hPa), l'eau se vaporise à 100°C et se solidifie à 0°C. Le magnésium fond à 649°C et se vaporise à 1090°C.

  • La mesure du point de fusion d'un solide ou du point d'ébullition d'un liquide est donc un critère de choix dans l'analyse d'un composé inconnu.

    Exemple : Un liquide incolore inconnu peut être de l'eau, de l'éthanol ou de l'éther. La mesure de sa température d'ébullition sous pression atmosphérique est 78°C. On connaît les températures d'ébullition respectives de l'eau, de l'éthanol et de l'éther : 100°C, 78°C et 34°C. On déduit que le liquide inconnu est de l'éthanol.

  • La température de changement d'état dépendant de la pression, il est possible de modifier cette dernière afin d'abaisser ou d'augmenter la température.

    Exemple : Dans un autocuiseur (P = 3 bar), l'ébullition de l'eau s'effectue à 125°C. Dans l'industrie, on réalise des évaporations de solvants sous pression réduite pour abaisser la température de vaporisation et ainsi réaliser des économies d'énergie.

L'essentiel

Lorsqu'un corps pur change d'état physique, sa pression et sa température restent constantes pendant toute la durée du changement d'état.

Au cours d'un changement d'état, il se passe une modification des liaisons intermoléculaires et donc une modification de la cohésion de ce corps pur.

A pression donnée, la température de changement d'état d'un corps pur est une caractéristique du corps pur. La mesure de cette température permet donc de l'identifier.

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