Temperature de fusion

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Temperature de fusion

Température de fusion

La tempĂ©rature de fusion ou point de fusion d'un corps reprĂ©sente la tempĂ©rature Ă  laquelle un Ă©lĂ©ment pur ou un composĂ© chimique passe de l'Ă©tat solide Ă  l'Ă©tat liquide. Le point de congĂ©lation est la transition inverse. Elle est habituellement mesurĂ©e sous pression atmosphĂ©rique normale (1 atmosphĂšre) et il y coexistence entre Ă©tat solide et Ă©tat liquide entre ces deux points. Pour une substance pure, les points de fusion et de congĂ©lation sont thĂ©oriquement Ă©gaux et constants Ă  pression fixe. Le point de fusion/congĂ©lation le plus connu est probablement celui de l'eau (0 Â°C), celui-ci ayant Ă©tant pris comme zĂ©ro de l'Ă©chelle centigrade, souvent confondue avec l'Ă©chelle Celsius[1].

Il est possible de déterminer la nature d'une substance (identification) par la mesure de la 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©rieur 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©e 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 de la table pĂ©riode 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 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 prĂšs du zĂ©ro absolu et avec 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 une processus d’hystĂ©rĂ©sis. D'autre part, les substances amorphes, comme le verre, 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" 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 tel le banc Köffler, soit d'un bain d'huile tel le tube de Thiele.

Température de fusion des corps purs sous pression atmosphérique

Z Corps pur Formule
chimique
Tf (°C) Tf (K)
PĂ©riode 1
1 dihydrogùne H2 -259,1 ℃ 14,025 K
2 hĂ©lium He —[4] —
Z Corps pur Formule
chimique
Tf (°C) Tf (K)
PĂ©riode 2
3 lithium Li 180,5 ℃ 453,69 K
4 bĂ©ryllium Be 1 278 ℃ 1 551,15 K
5 bore B 2 075,9 ℃ 2 349 K
6 graphite C 3 499,9 ℃ 3 773 K
7 diazote N2 -210 ℃ 63,14 K
8 dioxygùne O2 -222,8 ℃ 50,35 K
9 difluor F2 -219,6 ℃ 53,53 K
10 nĂ©on Ne -248,6 ℃ 24,56 K
Z Corps pur Formule
chimique
Tf (°C) Tf (K)
PĂ©riode 3
11 sodium Na 97,7 ℃ 370,87 K
12 magnĂ©sium Mg 649,9 ℃ 923 K
13 aluminium Al 660,3 ℃ 933,47 K
14 silicium Si 1 413,9 ℃ 1687 K
15 phosphore P 44,2 ℃ 317,3 K
16 soufre S 115,2 ℃ 388,36 K
17 dichlore Cl2 -101,5 ℃ 171,6 K
18 argon Ar -189,3 ℃ 83,8 K
Z Corps pur Formule
chimique
Tf (°C) Tf (K)
PĂ©riode 4
19 potassium K 63,4 ℃ 336,53 K
20 calcium Ca 841,9 ℃ 1115 K
21 scandium Sc 1 540,9 ℃ 1814 K
22 titane Ti 1 667,9 ℃ 1941 K
23 vanadium V 1 901,9 ℃ 2175 K
24 chrome Cr 1 856,9 ℃ 2130 K
25 manganùse Mn 1 243,9 ℃ 1517 K
26 fer Fe 1 534,9 ℃ 1808 K
27 cobalt Co 1 494,9 ℃ 1768 K
28 nickel Ni 1 454,9 ℃ 1728 K
29 cuivre Cu 1 084,4 ℃ 1357,6 K
30 zinc Zn 419,5 ℃ 692,68 K
31 gallium Ga 29,8 ℃ 302,91 K
32 germanium Ge 938,3 ℃ 1211,4 K
33 arsenic As 816,9 ℃ 1 090 K
34 sĂ©lĂ©nium Se 220,9 ℃ 494 K
35 dibrome Br2 -7,3 ℃ 265,8 K
36 krypton Kr -157,4 ℃ 115,79 K

Température de fusion des polymÚres ou corps plastiques

Entre 125 °C et 325 °C pour les divers polymÚres ou corps plastiques, d'aprÚs S.A. plastiques Obra.

Type Sigles Point de fusion Température d'utilisation Exemples
Acrylonitrile butadiÚne styrÚne ABS 130 °C 60 °C / -35 °C
Polyacétal copolymÚre ou PolyoxyméthylÚne POMC ou POM 165 °C 100 °C / -40 °C Ertacetal
Polyamide 6,6 PA6-6 255 °C 120 °C / -30 °C
Polyamide 6 PA6 220 °C 100 °C / -40 °C Nylon, Akulon, Ertalon
Polycarbonate PC 230 °C 135 °C / -60 °C Makrolon, Lexan, Arla, Resart
Polyester thermo plastique ou PolyéthylÚne téréphtalate PETP ou PET 255 °C 100 °C / -20 °C Arnite, Ertalyte
Polyester thermo plastique transparent PETG 255 °C 150 °C / -20 °C Griphen, Vivak, Vectan
Polyétheréthercétone PEEK 220 °C (250 °C)? / -60 °C
PolyĂ©thylĂšne basse densitĂ© PEBD  ??? 70 °C / ???
PolyéthylÚne haute densité 300 PEHD 300 °C 130 °C 80 °C / -100 °C
PolyéthylÚne trÚs haute densité 500 PEHD 500 135 °C 80 °C / -100 °C
PolyéthylÚne trÚs haute densité 1000 PEHD 1000 138 °C 80 °C / -260 °C
Polyméthacrylate de méthyle coulé PMMA plexi gs 180 °C 70 °C / -40 °C Plexiglass, Polivar, Perspex
Polyméthacrylate de méthyle extrudé PMMA plexi XT 168 °C 70 °C / -40 °C Perspex, Acrilex
PolypropylÚne PP 163 °C 100 °C / -10 °C
PolystyrÚne PS 160 °C 60 °C / -10 °C
Polytétrafluore ou PolytétrafluoroéthylÚne PTFE 325 °C 260 °C / -200 °C Téflon
Polyvinylchlorure surchlore ou Polychlorure de vinyle surchloré PVC C ou CPVC 190 °C 100 °C / -10 °C
Polyvinylchlorure ou Polychlorure de vinyle PVC 125 °C 60 °C / -10 °C
Polyvinylchlorure cellulaire ou expansĂ© PVC cellulaire  ???  ??? / ??? Forex, Kömacel
Polyvinylidene fluoride ou Polyfluorure de vinylidÚne PVDF 173 °C 140 °C / -40 °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. ↑ n'existe pas Ă  l'Ă©tat solide sous 1 atm
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