Point de fusion

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Point de fusion
Un panneau routier québécois rappelle le point de fusion de l'eau à °C

Le point de fusion ou la température de fusion d'un corps représente la température à une pression donnée, à laquelle un élément pur ou un composé chimique passe de l'état solide à l'état liquide. Le point de congélation est la transition inverse. Elle est habituellement mesurée sous pression atmosphérique normale (1 atmosphÚre) et il y a coexistence entre état solide et état liquide entre ces deux points. Pour une substance pure, les points de fusion et de congélation sont théoriquement égaux et constants à pression fixe. Le point de fusion/congélation le plus connu est probablement celui de l'eau (°C), celui-ci ayant étant pris comme zéro de l'échelle centigrade, souvent confondue avec l'échelle Celsius[1].

Il est possible de déterminer la nature d'une substance (identification) par la mesure de sa température de fusion. Toutefois, cette information n'est pas suffisante pour permettre une identification formelle, plusieurs molécules pouvant avoir une température de fusion trÚs proche. Elle permet par contre d'éliminer du champ du possible des molécules ayant une température de fusion différente de celle mesurée.

Sommaire

Théorie

Graphique de la dépendance de la pression sur la température de fusion de l'eau (MPa/K)

La plupart des substances se liquĂ©fient et se solidifient approximativement Ă  la mĂȘme tempĂ©rature. Par exemple, pour le mercure, le point de fusion et de congĂ©lation sont 234,32 K (-38,83 Â°C). Cependant, plusieurs substances ont la caractĂ©ristique de pouvoir ĂȘtre en surfusion et peuvent donc geler Ă  une tempĂ©rature infĂ©rieure Ă  leur point de congĂ©lation thĂ©orique. L'eau en est un exemple car la pression de surface des molĂ©cules d'eau pure est difficile Ă  vaincre et on peut retrouver des gouttelettes d'eau jusqu'Ă  -42 Â°C dans les nuages si elles ne contiennent pas un noyau de congĂ©lation[1].

Thermodynamique

Lorsqu'un corps solide pur est chauffĂ©, la tempĂ©rature augmente jusqu'Ă  atteindre le point de fusion. LĂ , la tempĂ©rature reste constante tant que le corps n'est pas passĂ© entiĂšrement sous phase liquide. La diffĂ©rence d'Ă©nergie pour causer la fusion complĂšte n'est donc pas seulement celle qu'on doit ajouter pour atteindre la tempĂ©rature critique mais Ă©galement la chaleur latente (Lf) pour passer Ă  l'Ă©tat liquide. Du point de vue de la thermodynamique, l’enthalpie (H) et l’entropie (S) du matĂ©riau augmentent donc (ΔH,ΔS > 0) Ă  T la tempĂ©rature de fusion de telle façon qu’on peut les exprimer lors du changement d’un corps de masse m ainsi :

ΔH = mLf et \Delta S=\frac{mL_f}{T} ce qui donne \Delta S = \frac {\Delta H} {T}
\ L_f Chaleur latente massique exprimée en J/kg
ΔH Variation d'enthalpie en J
ΔS Variation d'entropie en J/K
m masse en kg
T Température en K

Caractéristiques

Contrairement à la température de vaporisation (point d'ébullition), la température de fusion est assez insensible aux changements de pression, car les volumes molaires de la phase solide et de la phase liquide sont assez proches[2],[3].

GĂ©nĂ©ralement, lorsque l'on reste dans la mĂȘme famille de composĂ©s chimiques, le point de fusion augmente avec la masse molaire. L'Ă©lĂ©ment du tableau pĂ©riodique ayant la plus haute tempĂ©rature de fusion est le tungstĂšne Ă  3 683 K (3 410 Â°C), ce qui en a fait un excellent choix pour les lampes Ă  incandescence. Le Ta4HfC5 est le matĂ©riau rĂ©fractaire qui a le point de fusion le plus Ă©levĂ© Ă  4 488 K (4 215 Â°C)[rĂ©f. nĂ©cessaire]. À l'autre bout du spectre, l’hĂ©lium ne se congĂšle qu'Ă  une tempĂ©rature proche du zĂ©ro absolu et sous une pression de 20 atmosphĂšres.

Le point de fusion est donc un moyen de vĂ©rifier la puretĂ© d'une substance : toute impuretĂ© fera varier le point de fusion de la substance testĂ©e.

Cas particuliers

La transition entre solide et liquide se produit cependant sur une certaine plage de tempĂ©rature pour certaines substances. Par exemple, l’agar-agar fond Ă  85 Â°C mais se solidifie entre 31 Â°C et 40 Â°C par un processus d’hystĂ©rĂ©sis. D'autre part, les substances amorphes, comme le verre ou certains polymĂšres, n'ont en gĂ©nĂ©ral pas de point de fusion, car elles ne subissent pas de fusion proprement dite mais une transition vitreuse.

Il existe Ă©galement d’autres exceptions :

  • deux formes polymorphes ont souvent deux points de fusion diffĂ©rents ;
  • pour les molĂ©cules, on parle de tempĂ©rature de fusion molĂ©culaire[rĂ©f. nĂ©cessaire] ;
  • certaines substances n'ont pas de point de fusion observable. Ceci peut ĂȘtre dĂ» Ă  plusieurs phĂ©nomĂšnes :
    • la sublimation, c'est-Ă -dire le passage direct Ă  l'Ă©tat gazeux (par exemple l'iode ou le carbone),
    • une dĂ©composition Ă  l'Ă©tat solide (exemple des sels de diazonium),
    • les polymĂšres rĂ©ticulĂ©s n'ont pas de point de fusion car la rĂ©ticulation empĂȘche tout glissement des chaĂźnes les unes par rapport aux autres. Formellement, le « bloc de polymĂšres Â» n'est qu'une seule et unique molĂ©cule.

Appareils de mesure

Il existe diffĂ©rents appareils de mesure de point de fusion reposant tous sur la restitution d'un gradient de tempĂ©rature. Ils peuvent ĂȘtre constituĂ©s soit d'une plaque mĂ©tallique chauffante telle le Banc Kofler ou le bloc Maquenne, soit d'un bain d'huile tel le tube de Thiele.

Température de fusion des corps purs sous pression atmosphérique

Le tableau suivant donne les tempĂ©ratures de fusion des Ă©lĂ©ments Ă  l'Ă©tat standard Ă  1 atm en °C [4] :

H
-259
He
-272
Li
181
Be
1 287
B
2 075
C
3 500
N
-210
O
-219
F
-219
Ne
-249
Na
98
Mg
650
Al
660
Si
1 414
P
44
S
115
Cl
-102
Ar
-189
K
64
Ca
842
Sc
1 541
Ti
1 668
V
1 910
Cr
1 907
Mn
1 246
Fe
1 538
Co
1 495
Ni
1 455
Cu
1 085
Zn
420
Ga
30
Ge
938
As
817
Se
221
Br
-7
Kr
-157
Rb
39
Sr
777
Y
1 522
Zr
1 855
Nb
2 477
Mo
2 623
Tc
2 157
Ru
2 333
Rh
1 964
Pd
1 555
Ag
962
Cd
321
In
157
Sn
232
Sb
631
Te
450
I
114
Xe
-112
Cs
29
Ba
727
*
Hf
2 233
Ta
3 017
W
3 422
Re
3 185
Os
3 033
Ir
2 446
Pt
1 768
Au
1 064
Hg
-39
Tl
304
Pb
327
Bi
271
Po
254
At
302
Rn
-71
Fr
27
Ra
696
**
Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
*
La
920
Ce
799
Pr
931
Nd
1 016
Pm
1 042
Sm
1 072
Eu
822
Gd
1 313
Tb
1 359
Dy
1 412
Ho
1 472
Er
1 529
Tm
1 545
Yb
824
Lu
1 663
**
Ac
1 050
Th
1 750
Pa
1 572
U
1 135
Np
644
Pu
640
Am
1 176
Cm
1 345
Bk
986
Cf
900
Es
860
Fm
1 527
Md
827
No
827
Lr
1 627

Température de fusion des polymÚres ou corps plastiques

Entre 125 Â°C et 325 Â°C pour les divers polymĂšres ou corps plastiques, d'aprĂšs S.A. plastiques Obra.

Type Sigles Point de fusion Température d'utilisation Exemples
Acrylonitrile butadiĂšne styrĂšne ABS 130 Â°C 60 Â°C / -35 Â°C
PolyacĂ©tal copolymĂšre ou PolyoxymĂ©thylĂšne POMC ou POM 165 Â°C 100 Â°C / -40 Â°C Ertacetal
Polyamide 6,6 PA6-6 255 Â°C 120 Â°C / -30 Â°C Zytel
Polyamide 6 PA6 220 Â°C 100 Â°C / -40 Â°C Nylon, Akulon, Ertalon
Polycarbonate PC 230 Â°C 135 Â°C / -60 Â°C Makrolon, Lexan, Arla, Resart
Polyester thermoplastique ou PolyĂ©thylĂšne tĂ©rĂ©phtalate PETP ou PET 255 Â°C 100 Â°C / -20 Â°C Arnite, Ertalyte
Polyester thermoplastique transparent PETG 255 Â°C 150 Â°C / -20 Â°C Griphen, Vivak, Vectan
PolyĂ©therĂ©thercĂ©tone PEEK 220 Â°C (250 Â°C)? / -60 Â°C
PolyĂ©thylĂšne basse densitĂ© PEBD ~ 100 Â°C 70 Â°C / ?
PolyĂ©thylĂšne haute densitĂ© 300 PEHD 300 130 Â°C 80 Â°C / -100 Â°C
PolyĂ©thylĂšne trĂšs haute densitĂ© 500 PEHD 500 135 Â°C 80 Â°C / -100 Â°C
PolyĂ©thylĂšne trĂšs haute densitĂ© 1000 PEHD 1000 138 Â°C 80 Â°C / -260 Â°C
PolymĂ©thacrylate de mĂ©thyle coulĂ© PMMA plexi gs 180 Â°C 70 Â°C / -40 Â°C Plexiglas, Polivar, Perspex
PolymĂ©thacrylate de mĂ©thyle extrudĂ© PMMA plexi XT 168 Â°C 70 Â°C / -40 Â°C Perspex, Acrilex
PolypropylĂšne PP 163 Â°C 100 Â°C / -10 Â°C
PolystyrĂšne PS 160 Â°C 60 Â°C / -10 Â°C
PolytĂ©trafluoroĂ©thylĂšne PTFE 325 Â°C 260 Â°C / -200 Â°C TĂ©flon
Polyvinylchlorure surchlorĂ© ou Polychlorure de vinyle surchlorĂ© PVC C ou CPVC 190 Â°C 100 Â°C / -10 Â°C
Polyvinylchlorure ou Polychlorure de vinyle PVC 125 Â°C 60 Â°C / -10 Â°C
Polyvinylchlorure cellulaire ou expansĂ© PVC cellulaire  ?  ? / ? Forex, Kömacel
Polyfluorure de vinylidĂšne PVDF 173 Â°C 140 Â°C / -40 Â°C
Tissu bakelisĂ© HGW  ?  ? / ?

Notes et références

  1. ↑ a et b R. Feistel and W. Wagner, « A New Equation of State for H2O Ice Ih Â», dans J. Phys. Chem. Ref. Data, vol. 35, 2006, p. 1021–1047 [lien DOI]
    La température de congélation/fusion de l'eau est 0,002519 +/- 0.000002 °C
     
  2. ↑ La relation exacte est exprimĂ©e dans la formule de Clapeyron
  3. ↑ (en)J10 Heat: Change of aggregate state of substances through change of heat content: Change of aggregate state of substances and the equation of Clapeyron-Clausius. ConsultĂ© le 2008-02-19
  4. ↑ (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e Ă©d., ReliĂ©, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0) 

Voir aussi


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Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Point de fusion de Wikipédia en français (auteurs)

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