La modélisation microscopique et l'équation d'un changement d'état
À l'échelle microscopique, un changement d'état se définit comme un réarrangement des particules de matière. Ce réarrangement en différents états est décrit par une équation symbolique du changement d'état.
La modélisation microscopique d'un changement d'état
À l'échelle microscopique, on différencie les états solide, liquide et gazeux par la mobilité des particules et la distance entre elles.
Changement d'état
Un changement d'état est une transformation physique au cours de laquelle un échantillon de matière passe d'un état à un autre. Ce changement d'état dépend de la température et de la pression.
Lorsque l'on chauffe un glaçon d'eau, l'eau passe de l'état solide à l'état liquide. Ce changement d'état s'appelle la fusion.
Les trois états principaux de la matière sont :
- l'état solide ;
- l'état liquide ;
- l'état gazeux.
Sur Terre, l'eau existe sous trois états : solide, liquide et gazeux.
Un changement d'état correspond à un réarrangement des particules les unes par rapport aux autres et à une évolution de leur liberté de mouvement.
Dans la vie courante, on utilise souvent de manière incorrecte le verbe « fondre » au lieu de « dissoudre ». « Dissoudre » correspond à la dispersion des particules dans un solvant, tandis que « fondre » correspond à un changement d'état : la fusion.
Lors d'un changement d'état, la masse est conservée.
L'équation symbolique d'un changement d'état
L'équation symbolique d'un changement d'état renseigne sur l'entité chimique changeant d'état, son état initial et son état final.
L'état d'une espèce chimique est indiqué, en indice, par une lettre entre parenthèses à la suite de la formule brute :
- (s) pour l'état solide ;
- (l) pour l'état liquide ;
- (g) pour l'état gaz.
L'eau liquide est notée {\text{H}_2\text{O}}_{\left(l\right)} et la glace, qui est solide, est notée {\text{H}_2\text{O}}_{\left(s\right)}.
Pour écrire l'équation modélisant le changement d'état d'une espèce chimique, il faut préciser sa formule brute ainsi que son état physique initial et final.
L'équation modélisant la fusion de la glace est :
\ce{H2O} _{\left(s\right)} \rightarrow\ce{H2O}_{\left(l\right)}
L'échange d'énergie par transfert thermique lors d'un changement d'état
Lors d'un changement d'état, le transfert thermique est endothermique ou exothermique. Cela revient à dire qu'un changement d'état absorbe ou libère de l'énergie. L'énergie massique et la masse d'un échantillon permettent de calculer l'énergie transférée lors du changement d'état.
Les sens d'un transfert thermique lors d'un changement d'état
L'échantillon de matière absorbe ou restitue de l'énergie thermique également appelée chaleur selon le changement d'état. La transformation physique est qualifiée d'endothermique lorsqu'elle absorbe de la chaleur. La transformation physique est qualifiée d'exothermique lorsqu'elle restitue de la chaleur.
Plus la température d'un corps est élevée, plus les particules qui le composent sont agitées. On parle d'agitation thermique.
Lorsque la température d'un corps augmente, à pression constante, il y a augmentation du désordre entre les particules qui composent ce corps.
Il existe des transferts d'énergie entre le système dans lequel se déroule une transformation physique et le milieu extérieur :
La fusion d'un solide absorbe de la chaleur, c'est donc une transformation endothermique. La condensation d'un gaz libère de la chaleur, c'est donc une transformation exothermique.
La nature endothermique ou exothermique est également valable pour d'autres types de transformations.
En mélangeant de la soude et de l'acide chlorhydrique à forte concentration, il se dégage une chaleur vive. Cette transformation acidobasique est exothermique.
Lors d'un changement d'état, la température est constante, on parle de palier de changement d'état.
Lorsqu'on élève la température de la glace, celle-ci commence à fondre quand sa température atteint 0 °C. Tant que dure la fusion et que la glace ne s'est pas entièrement transformée, la température du mélange eau-glace ne varie pas et vaut 0 °C.
L'énergie massique d'un changement d'état
L'énergie massique correspond à la quantité d'énergie qu'un kilogramme de matière échange avec le milieu extérieur lors d'un changement d'état.
Énergie massique d'un changement d'état
Pour un corps donné, l'énergie massique d'un changement d'état est l'énergie transférée lorsqu'un kilogramme de ce corps subit ce changement d'état. Elle s'exprime en joules par kilogramme \text{(J.kg}^{-1}) et se note : E_{m \text{ changement d'état}}(\text{formule brute}).
L'énergie massique de vaporisation de l'eau liquide est :
E_{m\text{ vap}}\left( \ce{H2O} \right) = 2265.10^3 \text{J.kg}^{-1}
L'énergie massique d'un changement d'état E_{m \text{ changement d'état}} peut être dénommée de plusieurs façons :
- enthalpie de changement d'état, notée \Delta H_{\text{changement d'état}} ;
- chaleur latente, notée L_{\text{changement d'état}}.
L'énergie massique de fusion est identique à l'enthalpie de fusion ou à la chaleur latente de fusion de la glace. Quelle que soit la dénomination, la valeur de celle de l'eau est :
- E_{m\text{ fusion}}\left( \ce{H2O} \right) = 3{,}33. 10^5 \text{ J} \cdot \text{kg}^{-1} ;
- \Delta H_{\text{fusion}}\left( \ce{H2O} \right) = 3{,}33 . 10^5 \text{ J} \cdot \text{kg}^{-1} ;
- L_{\text{fusion}}\left( \ce{H2O} \right) = 3{,}33. 10^5 \text{ J} \cdot \text{kg}^{-1}.
En toute rigueur, les énergies massiques de changement d'état sont :
- positives, pour les transformations physiques endothermiques ;
- négatives, pour les transformations physiques exothermiques.
Lors de la fusion, la glace absorbe de l'énergie pour se transformer à l'état liquide. La transformation physique est endothermique donc E_{m\text{ fusion}} \gt 0 \text{ J.kg}^{-1}.
Lors de la solidification, l'eau liquide libère de l'énergie pour se transformer en glace. La transformation physique est exothermique donc E_{m\text{ solidification}} \lt 0 \text{ J.kg}^{-1}.
Les énergies massiques de changement d'état de sens différents sont de signes opposés.
E_{m\text{ solidification}} = - E_{m\text{ fusion }} \left(= - 3{,}33. 10^5 \text{ J} \cdot \text{kg}^{-1}\right)
L'énergie transférée lors d'un changement d'état
L'énergie transférée lors d'un changement d'état représente l'énergie totale nécessaire pour effectuer le changement d'état d'un échantillon de masse donnée.
Lorsqu'un corps change d'état, l'énergie échangée avec l'extérieur se détermine à partir de sa masse m et de l'énergie massique du changement d'état E_{m\text{ changement d'état}} :
\bf E_{\text{transférée}(J)}= m_{(kg)} \times E_{m\text{ changement d'état}(J.kg^{-1})}
L'énergie qu'il faut apporter pour faire fondre 0,50 kg de glace est :
E_{\text{transférée}} = m \times E_{m\text{ fusion}}
E_{\text{transférée}} = 0{,}50 \times 3{,}33 .10^5
E_{\text{transférée}} = 1{,}7 .10^5 \text{ J}
En utilisant des énergies massiques de changements d'état algébriques, on retrouve la correspondance entre le sens du transfert thermique et le signe de l'énergie transférée :
- pour les transformations physiques endothermiques E_{\text{transférée}} \gt 0 \text{ J} ;
- pour les transformations physiques exothermiques E_{\text{transférée}} \lt 0 \text{ J}.
La transformation de l'eau en glace est exothermique, donc E_{m\text{ solidification}} est négative.
On a :
E_{m\text{ solidification}}=-3{,}33.10^5 \text{ J.kg}^{-1}
L'énergie transférée est :
E_{\text{transférée}}= m \times E_{m\text{ solidification}}
E_{\text{transférée}}= 0{,}50 \times \left(-3{,}33 . 10^5\right)
E_{\text{transférée}}= - 1{,}7. 10^5 \text{ J} \lt 0 \text{ J}
L'énergie transférée, qu'elle soit absorbée ou dégagée par un changement d'état, peut servir à refroidir ou à chauffer un corps.
Dans les « bouillotes autochauffantes », c'est la dissolution de l'acétate de sodium contenue dans une capsule qui produit de la chaleur, cette réaction est exothermique.