La température de fusion

Température de fusion
  1. Définition de la température de fusion
  2. Toutes les substances ont-elle une température de fusion ?
  3. Provoquer une fusion
  4. Température de fusion et interactions entre particules
  5. Influence de la pression
  6. Identifier un corps pur grâce à sa température de fusion
  7. Vérifier la pureté d’une espèce chimique grâce à sa température de fusion
  8. Mesurer une température de fusion avec un banc Kofler
  9. Température de fusion et température de solidification
  10. Quelques températures fusion

Définition de la température de fusion

Il s’agit de la température à laquelle un corps pur passe de l’état solide à l’état liquide

Cette température:

  • se note en général Tfus ou θfus (le symbole θ correspond à la lettre grecque thêta) avec éventuellement le nom du corps pur indiqué entre parenthèses. La température de fusion de l’eau peut par exemple se noter Tfus(eau) ou θfus(eau)
  • s’exprime, comme n’importe quelle autre température, en degré Celsius (°C) ou éventuellement en degré Kelvin (°K)
  • est propre à chaque corps pur (chaque corps pur possède une température de fusion qui le caractérise)
  • dépend de la pression
  • est la température ou les états solide et liquide d’un même corps pur peuvent coexister.

Toutes les substances ont-elle une température de fusion ?

La première condition pour qu’un corps pur possède une température de fusion est qu’il puisse passer de l’état solide à l’état liquide, ce qui n’est pas toujours le cas. Lorsqu’ils sont chauffés, certains corps purs solides peuvent, avant de changer d’état:

  • se mettre à brûler spontanément s’ils sont au contact du dioxygène de l’air.
  • se décomposer (former des espèces chimiques plus simples, par exemple en subissant une calcination)

Par ailleurs, seul un corps pur (une substance composée d’une seule espèce chimique) possède une température de fusion clairement définie, les mélanges ont une température qui croît continuellement au cours de leur fusion, il n’est pas conséquent pas possible de les associer à une valeur précise de température de fusion.

La température de fusion d’un solide dépend de la pression, en dessous d’une certaine valeur un solide chauffé ne fond plus, il passe directement à l’état gazeux (il se sublime) et par conséquent la température de fusion n’est alors pas définie. Par exemple, sur la planète Mars dont la pression atmosphérique est seulement d’environ 600 Pa (près de 200 fois plus faible que sur Terre) l’eau ne peut exister en surface qu’à l’état solide ou liquide, le cycle de l’eau ne s’y résume qu’à une transition saisonnière entre ces deux états.

Provoquer une fusion

La fusion d’un corps pur solide n’est possible que si ce dernier reçoit de la chaleur (de l’énergie thermique) car il s’agit d’un phénomène endothermique. Le processus qui aboutit à la fusion passe alors par plusieurs étapes:

  • La chaleur reçue commence par provoquer une élévation de température.
  • Lorsque la température de fusion est atteinte une partie du solide commence à passer à l’état liquide.
  • Tant qu’il subsiste du solide la température reste constante et égale à la température de fusion, l’énergie thermique reçue provoque alors progressivement la fusion de la partie solide restante.
  • Lorsqu’il ne reste que l’état liquide alors les apports de chaleur provoquent à nouveau une augmentation de la température.

Température de fusion et interactions entre particules

Les différentes valeurs de température de fusion peuvent être interprétées au niveau microscopique: un solide est constitué d’une ensemble de particules (molécules, atomes ou ions) qui sont maintenues fixes (la position moyenne est fixe bien qu’il y ait oscillation autour de cette position moyenne) par des interactions (étudiées en premières S) interparticulaires. Si les particules reçoivent de l’énergie (thermique par exemple) alors leur énergie de mouvement augmente et lorsque cette énergie devient supérieure à celle engagée dans les interactions interparticulaire alors les particules sont libérées de la contrainte d’une position fixe: il y a fusion.

Influence de la pression

La température de fusion est une caractéristique physique qui dépend de la pression, par exemple, pour l’eau:

  • Lorsque la pression augmente la température de fusion de l’eau diminue
  • Lorsque la pression diminue alors la température de fusion de l’eau augmente

Pour la plupart des autres corps purs les variations se font en sens inverse:

  • Lorsque la pression augmente la température de fusion augmente aussi.
  • Lorsque la pression diminue alors la température de fusion diminue aussi.

Il existe ce pendant une limite de pression au-dessous de laquelle il n’y a plus de fusion mais une sublimation, un corps purs solide chauffé passe alors directement à l’état gazeux sans passer par un état liquide intermédiaire.

Remarques

  • Si aucune précision n’accompagne une valeur de température de fusion alors celle-ci est donnée pour une pression d’une atmosphère (101 325 Pa).
  • Les variations de température de fusions en fonction de la pressions restent très modérées et sont très inférieures aux variations de températures d’ébullitions que l’on peut observer lorsque la pression change.

Identifier un corps pur grâce à sa température de fusion

Chaque corps pur est caractérisé par sa propre température de fusion, cette caractéristique peut donc être utilisée pour:

  • identifier un corps pur inconnu (il faut alors chercher dans des « tables » les corps purs ayant une température de fusion proche puis éventuellement procéder à des tests complémentaires)
  • confirmer ou infirmer la nature d’un corps pur (obtenu par exemple lors d’une synthèse chimique)

Vérifier la pureté d’une substance chimique grâce à sa température de fusion

La température de fusion d’une espèce chimique n’est respectée que si cette dernière se présente sous forme d’un corps pur mais la présence d’impuretés (d’autres espèces chimiques) la modifie et a tendance à la faire baisser:
Plus la proportion d’impureté est importante et plus elle s’abaisse

Le salage des routes exploite ce phénomène, le mélange d’impureté (ici le sel) provoque une baisse de la température de fusion de l’eau. Cette dernière est de 0°C pour de l’eau pure mais baisse de quelques degrés avec le sel ce qui permet de faire fondre la neige et empêcher la formation de verglas à des température négatives.

Ce phénomène peut aussi être utilisé pour estimer la pureté d’une substance:

  • Plus la température de fusion est proche de celle de l’espèce chimique dont la substance est censée être constituée et plus la pureté de l’échantillon est élevée.
  • Inversement plus la température de fusion s’écarte de sa valeur théorique et plus la proportion d’impuretés est élevée.

Mesurer une température de fusion avec un banc Kofler

Un banc Kofler est un appareil qui permet de mesurer la température de fusion d’une substance solide lorsque celle-ci est comprise entre quelques dizaines de degrés Celsius et environ 300°C.  Il est constitué d’une bande métallique chauffante dont la température est croissante de la droite vers la gauche.

Pour l’utiliser on procède en suivant les étapes suivantes:

  • Le banc Kofler et mis en marche, les résistances chauffent et permettent d’obtenir des températures stables.
  • L’étalonnage est réalisée avec deux corps purs
  • Le corps pur, sous forme de poudre, est étalé en petite quantité sur la partie la plus froide du banc, à gauche.
  • La poudre est poussée progressivement vers les parties plus chaude du banc à l’aide d’une spatule
  • Lorsque le solide se met à fondre, le point de fusion est atteint et la température correspondante peut être lue grâce au système de graduations.

Température de fusion et température de solidification

La température de fusion d’un corps pur correspond aussi à sa température de solidification: si corps pur solide passe à l’état liquide à la température de fusion Tfus alors il passe aussi de l’état liquide à la solide à la même température Tfus qui est aussi sa température de solidification.

Par exemple la température où la glace fond est Tfus= 0°C et il s’agit aussi de la température à laquelle la l’eau liquide passe à l’état liquide.

Remarque
La mesure des températures de solidification est exploitée par une technique appelée cryoscopie qui permet de déterminer la concentration en soluté d’une solution en mesurant sa température de solidification (celle-ci est d’autant plus différent de celle du solvant pur que la concentration en soluté est élevée).

Quelques températures de fusion

Les valeur listées ici sont donnée pour une pression d’une atmosphère (101325 Pa), pour des substances anhydres et classées par ordre croissant.

Corps pur Température de fusion
(en °C)
Hélium -272,2
Dihydrogène -259,1
Néon -248,6
Dioxygène -218,8
Diazote -210
Argon -189,4
Krypton -157,4
Xenon -111,8
Dicholorméthane -94,7
Dioxyde de carbone Ne subit pas de fusion mais se sublime à -78,5 °
Mercure -38,8
Eau 0
Eau salée De 0 pour une eau pure à -21,6 pour une eau saturée en sel
Acide benzoïque 122,4
Acide acetylsalicylique (aspirine) 135
Paracétamol 169
Plomb 327,5
Zinc 419,5
Magnésium 650
Aluminium 660
Chlorure de sodium (sel) 800,4
Or 1064
Cuivre 1085
Uranium 1132
Acier De 1340 à 1490
(suivant la composition et la teneur)
Fer 1538
Titane 1668
Rubis (oxyde d’aluminium et de chrome) 2050
Tungstène 3422

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