2GT.7. Modélisation des transformations physiques

Les élèves doivent savoir
  • Citer des exemples de changements d’état physique de la vie courante et dans l’environnement.
  • Établir l’écriture d’une équation pour un changement d’état.
  • Distinguer fusion et dissolution.
  • Identifier le sens du transfert thermique lors d’un changement d’état et le relier au terme exothermique ou endothermique.
  • Exploiter la relation entre l’énergie transférée lors d’un changement d’état et l’énergie massique de changement d’état de l’espèce.
  • Relier l’énergie échangée à la masse de l’espèce qui change d’état.

Changements d’état physique et énergie

Nous avons vu précédemment quelques notions sur les états physiques de la matière : Une espèce chimique peut se présenter sous trois états physiques : solide, liquide ou gazeux (dans les conditions de pressions et de températures « normales », c’est à dire celles que l’on trouve généralement sur Terre).

  • Solide : les entités sont collées les unes contre les autres et ne peuvent pas bouger.
  • Liquide : les entités peuvent « rouler » les unes par rapport aux autres.
  • Gazeux : les entités peuvent librement se déplacer, elles ne se touchent plus.

Le passage d’un état physique à un autre dépend de la température. Cette température traduit la quantité d’énergie dont dispose un corps et qui agit sur les éléments qui composent le corps (atomes, ions ou molécules). Moins un corps possède d’énergie et moins ses éléments sont mobiles. À basse température les éléments chimiques seront généralement solides, avant de passer à l’état liquide si on leur fournit de l’énergie, puis à l’état gazeux si on continue à leur fournir de l’énergie.

Un changement d’état physique est donc une modification de l’agitation des entités dont les « liaisons » vont se modifier (se casser, se créer ou s’affaiblir) en fonction de l’énergie du système.

Le passage d’un corps pur d’un état physique à un autre se fait à une température qui dépend de ce corps pur (et de la pression atmosphérique).

Quand un corps pur change d’état, comme vu en classe de 5e, la température se stabilise tant que tous les constituants de ce corps pur n’ont pas gagné ou perdu l’énergie nécessaire à ce changement d’état.

Il est donc possible d’utiliser ces températures de changements d’état pour identifier un corps pur. On peut, par exemple, utiliser un banc Kofler pour identifier des corps purs solides grâce à leur température de fusion.

Exemples de températures de changement d’état de quelques corps purs :

Corps pur Température de fusion Température d’ébullition
Eau 0 °C 100 °C
Éthanol -114 °C 79 °C
Fer 1538 °C 2861 °C
Mercure -39 °C 357 °C

 

Écriture des changements d’état

En collège vous avez vu que les réactions chimiques étaient écrites en utilisant une flèche entre les états initiaux et finaux pour symboliser la transformation. Cette même écriture peut être utilisée pour les changements d’états physiques :

symbolise la vaporisation de l’eau

L’état physique du corps sera précisé après sa formule chimique moléculaire. On utilise les abréviations suivantes :

  • (s) : solide
  • (l) : liquide
  • (g) : gazeux
  • (aq) : aqueux (dissout dans le solvant)

Fusion et dissolution

La fusion est un changement d’état : passage de l’état solide à l’état liquide.

Il ne faut pas confondre la fusion avec la dissolution où une entité (par exemple du sel ou du sucre) se disperse dans un solvant. Dans ce cas le soluté n’est pas sous forme liquide, mais dispersé sous forme solide dans le solvant : on dit qu’il est dissout et cela sera indiqué par (aq) à côté de la formule moléculaire dans l’équation de dissolution.

Par exemple, la dissolution du sucre (saccharose) dans l’eau sera notée :

Échange d’énergie lors d’une transformation physique

Une transformation physique se traduit par un transfert d’énergie entre l’entité considérée et le milieu extérieur. Quand on chauffe un corps, on lui apporte de l’énergie qui lui permet de modifier ses propriétés physiques et éventuellement de changer d’état (si on se trouve à un palier de changement d’état. On parle alors de transformation endothermique (fusion, vaporisation ou sublimation).

Inversement, si on « refroidit » un corps, celui-ci transmet son énergie vers le milieu extérieur et il perd de l’énergie : c’est une transformation exothermique (solidification, condensation, liquéfaction).

L’énergie nécessaire à une transformation est la différence entre l’énergie que le système a au début de la transformation et celle qu’il possède à la fin de celle-ci. Cette différence d’énergie est notée ∆E ou encore Q dans le cas d’un transfert thermique. Donc Q=∆E.

Il faudra plus d’énergie pour faire évaporer 1L d’eau que 10cL, donc on en déduit que le transfert thermique dépend de la masse de matière mise en jeu.

On peut quantifier l’énergie transférée lors d’un changement d’état par la relation suivante :

Q = m \times L

Dans laquelle :

  • Q : quantité d’énergie transférée en Joule (J)
  • m : masse du corps en kilogramme (kg)
  • L : chaleur Latente de changement d’état, appelée aussi énergie massique de changement d’état, en joule par kilogramme (J.kg-1)

Dissolution et transfert d’énergie

La dissolution n’est pas un changement d’état, comme nous l’avons vu plus haut. Mais il peut s’accompagner d’un transfert d’énergie :

Pour accélérer le refroidissement, certains sportifs utilisent également des poches de froid instantané. Ces pochettes contiennent du nitrate d’ammonium et une capsule d’eau hermétique. Pour les activer, il faut briser la capsule d’eau, ce qui entraîne la dissolution du nitrate d’ammonium dans l’eau. Cette dissolution est endothermique (elle absorbe la chaleur et donc produit du « froid »). On peut aussi utiliser du chlorure d’ammonium à la place du nitrate d’ammonium.

Chapitres Précédent

Chapitre suivant