Point de fusion et d'ébullition

Qu'est-ce que le point d'ébullition en chimie ?

Points de fusion et d'ébullition des solides, des liquides et des gaz

À ces points, le changement d'état commence tout juste à s'amorcer. Pourquoi cela ? Tout d'abord, parlons des différents états de la matière : solide, liquide et gazeux (voir ci-dessous).

Fig.1 Les différents états de la matière

Dans un solide, les particules sont maintenues très proches les unes des autres et n'ont assez d'énergie que pour vibrer sur place. Dans un liquide, les particules sont légèrement plus éloignées les unes des autres et peuvent changer de position les unes par rapport aux autres. Enfin, nous avons un gaz, dont les particules peuvent se déplacer librement dans leur contenant.

Les raisons pour lesquelles chaque état présente ces caractéristiques sont : la température, l'attraction et les interactions entre les particules.

• Les particules/molécules ont différentes forces qui les attirent les unes vers les autres ; elles sont les plus fortes dans les solides, les plus faibles dans les liquides et presque inexistantes dans les gaz.
• Latempérature est une mesure de l'énergie, donc plus la température est élevée, plus une espèce a d'énergie.

Qu'est-ce que cela signifie pour les points de fusion et d'ébullition ? Eh bien, ces températures sont celles auxquelles l'énergie nécessaire pour surmonter les interactions entre les particules est atteinte, de sorte qu'elles peuvent s'éloigner les unes des autres (et se trouver dans l'état suivant).

En général, les points d'ébullition sont nettement plus élevés que les points de fusion, car dans les gaz, les forces entre les particules doivent être presque totalement supprimées, alors que dans les liquides, ces forces sont encore assez fortes.

Processus de fusion et d'ébullition

Il est important de se rappeler que ces points marquent le début du processus de fusion ou d'ébullition. Il faut de l'énergie pour éloigner les particules les unes des autres, et le point de fusion ou d'ébullition marque le moment où notre système a juste assez d'énergie pour commencer la tâche. Au fur et à mesure que l'on ajoute de l'énergie au système, le processus se poursuit jusqu'à ce que le système ait complètement changé d'état. Une fois que cela se produit, le système peut recommencer à chauffer.

Par exemple, disons que tu as placé un glaçon dans un verre sur le comptoir de ta cuisine. Le glaçon va chauffer jusqu'à ce qu'il commence à fondre à 0°C. Si tu places un thermomètre dans l'eau (alors qu'il reste encore de la glace), l'eau sera toujours à 0°C. En effet, l'énergie ajoutée au système (glace/eau) est utilisée pour transformer la glace en eau, et n'augmente donc pas la température de l'eau.

Voici ce que cela donne sous forme de graphique :

Fig. 2. Tableau des points de fusion et d'ébullition de l'eau.

Tu verras que la température reste stable pendant un certain temps, puis qu'elle augmente comme prévu. Les valeurs énergétiques indiquées correspondent à la quantité d'énergie thermique nécessaire à chaque processus pour s'achever.

Points de fusion et d'ébullition des métaux

Comme nous l'avons déjà mentionné, les interactions entre les particules jouent un rôle important dans la quantité d'énergie nécessaire pour changer d'état. C'est pourquoi les métaux ont des points de fusion et d'ébullition très élevés.

Lesmétaux sont de grandes structures cristallines en treillis. Cela signifie que les particules sont ordonnées, à la manière d'une grille. Il faut beaucoup d'énergie pour maintenir des structures organisées de la sorte, et il faut donc aussi beaucoup d'énergie pour les briser.

Il existe toutefois quelques exceptions, comme le mercure, dont le point de fusion est de -39 °C. À titre de référence, le point de fusion du cuivre est de 1 085 °C.

En raison de la force des interactions dans les métaux, nous ne parlons souvent que de leur point de fusion au lieu d'inclure également leur point d'ébullition. En effet, il est beaucoup moins pratique de faire bouillir la plupart des métaux. Par exemple, le platine a un point d'ébullition de 3827ºC, alors qu'un chalumeau peut atteindre environ 1700ºC.

Expérience sur l'élévation du point d'ébullition

Faisons une expérience,

Tu prends deux béchers contenant chacun 1 L d'eau. Dans le deuxième pot, tu ajoutes 116 grammes de sel (NaCl) à l'eau. Tu les places chacun sur une plaque chauffante et tu mets un thermomètre dans l'eau. Après avoir allumé la plaque chauffante à 120ºC, tu surveilles chaque bécher. Lorsque tu remarques que la solution bout (de grosses bulles montent du bas vers le haut), tu marques la température sur le thermomètre. Après trois essais, tu obtiens les résultats suivants :

Il est clair que l'ajout de sel fait une différence, mais pourquoi ?

Les liquides s'évaporent, ce qui signifie qu'ils peuvent devenir des gaz sans bouillir. Cependant, s'il n'y a pas assez de volume, le gaz se condense à nouveau en liquide à la même vitesse qu'il s'évapore. À ce moment-là, la pression du gaz est appelée pression de vapeur .

Lorsqu'un liquide bout, la pression de vapeur est égale à la pression de l'air ambiant (appelée pression atmosphérique). Lorsqu'on ajoute un soluté (solide), la pression de vapeur diminue car le soluté a une pression de vapeur nulle (c'est-à-dire qu'il est solide et ne peut donc pas s'évaporer). Cela signifie qu'il faut plus d'énergie pour augmenter la pression de vapeur afin que l'ébullition puisse se produire.

Essentiellement, le soluté "dilue" la pression de vapeur. Cela signifie que l'élévation du point d'ébullition est une propriété colligative, c'est-à-dire qu'elle est basée sur le nombre de particules plutôt que sur leur identité (par exemple, le sel par rapport au sucre).

Pour en avoir une meilleure idée, examinons la formule de l'élévation du point d'ébullition :

$$\Delta T=i*K_b*m$$

Où \(\Delta T\) est la différence de point d'ébullition (\(\Delta T=T_{sol}-T_{pure}\)), i est le facteur de Van't Hoff,_Kb est une constante, et m est la molalité (mol de soluté par kilogramme de solvant).

Le facteur de Van't Hoff nous indique combien d'ions sont formés lorsque le soluté se dissout. Par exemple, le facteur de Van't Hoff du NaCl est de 1,9 (généralement simplifié à 2), car il se dissocie presque entièrement en ^Na+ et ^Cl- dans la solution.

_Kb est appelée la constante ébullioscopique. Sa valeur dépend de l'identité du solvant (pour l'eau, elle est de 0,512 K*kg/mol). Il s'agit essentiellement d'une constante de proportionnalité qui "pèse" l'importance de la molalité dans l'élévation du point d'ébullition

Exemples de points de fusion et d'ébullition

Lorsque nous examinons les points de fusion et d'ébullition des éléments, certaines tendances générales se dégagent.

• Les points de fusion et d'ébullition augmentent au fur et à mesure que l'on descend dans un groupe
• Augmentation de la taille des atomes - augmentation des forces entre les particules - plus difficile à fondre ou à bouillir

Voyons un autre exemple :

Toutes ces tendances sont liées au caractère métallique de ces éléments. Généralement, plus la taille d'un élément augmente (en descendant d'un groupe), plus le caractère métallique augmente, ce qui rend ces interactions plus fortes et plus difficiles à briser (c'est-à-dire plus difficiles à fondre).

Cependant, au fur et à mesure que tu traverses les groupes, nous nous concentrons sur le nombre d'électrons. La force des interactions augmente avec le nombre d'électrons non appariés. Du groupe 3 au groupe 6, tous les électrons ajoutés sont non appariés, les interactions sont donc fortes. Cependant, à partir du groupe 7, les électrons ajoutés sont appariés et les interactions s'affaiblissent. C'est également la raison pour laquelle le groupe 12 est différent, puisqu'il possède des électrons entièrement appariés.