On appelle point de fusion (ou température de fusion) la température à laquelle une substance passe d'un état solide à un état liquide. La fusion est une propriété dans laquelle un élément passe de la phase liquide à la phase solide.
Le point de fusion est généralement spécifié à la pression atmosphérique standard (1 atmosphère ou 100 000 pascals) et pour une substance pure.
Le point de fusion d’un élément pur est toujours plus élevé que celui d’une substance impure. Pour cette raison, les points de fusion sont souvent utilisés pour caractériser les composés organiques et inorganiques et pour déterminer leur pureté. Si la présence d’autres composants augmente, le point de fusion est réduit et la plage de points de fusion sera plus large.
Pour mieux comprendre ce qui vient d’être dit, considérons un bloc de fer et supposons que nous le chauffions. Au début, sa température commence à augmenter jusqu'à atteindre une température à laquelle le bloc de fer commence à fondre (état liquide). La température à laquelle ce processus a lieu est appelée point de fusion.
Le processus de fusion d’un élément se produit à une température constante, comme cela se produit lors de tout changement de phase. La chaleur dégagée pendant la période de fusion est appelée chaleur latente de fusion.
Facteurs qui influencent le point de fusion d'une substance
Le point de fusion d’une substance dépend de plusieurs facteurs fondamentaux qui influencent la quantité d’énergie thermique nécessaire pour rompre les interactions qui maintiennent sa structure à l’état solide.
1. Forces intermoléculaires
La force des forces qui maintiennent les molécules ou les atomes ensemble dans un solide détermine la quantité d’énergie nécessaire pour les séparer et transformer la substance en liquide. Certaines des forces les plus importantes sont :
- Liaisons ioniques : Présentes dans des composés tels que le sel de table (NaCl), ce sont des interactions extrêmement fortes entre des ions de charges opposées. Cela fait que les solides ioniques ont des points de fusion très élevés.
- Forces de Van der Waals : Ce sont des interactions faibles entre molécules non polaires. Les solides formés par ces forces (comme les gaz nobles à l’état solide) ont des points de fusion bas car les forces d’attraction sont facilement surmontées avec peu de chaleur.
- Liaisons hydrogène : Ce sont des forces intermoléculaires plus fortes que les forces de Van der Waals, présentes dans des composés tels que l'eau (H₂O) ou l'acide acétique. Ils augmentent le point de fusion par rapport à des substances similaires sans ce type de liaison.
- Interactions dipôle-dipôle : Elles se produisent dans les molécules polaires et affectent le point de fusion en fonction de l'intensité du dipôle. Plus l’attraction entre les dipôles est forte, plus la température nécessaire pour faire fondre la substance est élevée.
2. Structure cristalline
La manière dont les atomes ou les molécules sont organisés dans un solide influence directement son point de fusion :
- Solides avec des réseaux cristallins solides : Les matériaux tels que les métaux, les cristaux ioniques et les solides covalents (tels que le diamant et le quartz) ont des structures hautement organisées et solides, qui nécessitent beaucoup d'énergie pour les briser. Cela leur confère des points de fusion très élevés.
- Substances amorphes : Les matériaux tels que le verre et certains polymères n’ont pas de structure cristalline bien définie, ils n’ont donc pas de point de fusion exact. Au lieu de fondre brusquement, ils se ramollissent progressivement à mesure que la température augmente.
3. Pression
La pression joue également un rôle important dans le point de fusion d’une substance :
- Dans la plupart des solides, une augmentation de la pression entraîne une augmentation du point de fusion, car les particules sont plus comprimées et nécessitent plus d’énergie pour se déplacer librement.
- Il existe cependant des exceptions. Dans le cas de la glace (H₂O solide), l’augmentation de la pression abaisse son point de fusion. Cela se produit parce que la glace a une structure moins dense que l’eau liquide, donc l’application d’une pression favorise la transition vers l’état liquide.
Différence entre le point de fusion et le point de congélation
La principale différence entre le point de fusion et le point de congélation réside dans le processus de changement d’état qu’ils décrivent :
- Point de fusion : C'est la température à laquelle une substance passe d'un état solide à un état liquide lorsqu'on lui applique de la chaleur. À ce stade, les particules acquièrent suffisamment d’énergie pour surmonter les forces intermoléculaires qui les maintenaient dans une structure rigide.
- Point de congélation : C'est la température à laquelle une substance passe de l'état liquide à l'état solide lorsqu'elle perd de la chaleur. Ici, les particules réduisent leur énergie cinétique et s’organisent en une structure plus stable, formant un solide.
Dans de nombreuses substances pures, le point de fusion et le point de congélation se produisent à la même température, mais dans des directions opposées. Par exemple, l’eau pure fond et gèle à 0 °C sous pression atmosphérique normale. Cependant, des facteurs tels que la pression ou la présence d’impuretés peuvent modifier le point de congélation sans affecter le point de fusion (par exemple, le sel abaisse le point de congélation de l’eau, mais pas son point de fusion).
Comment le point de fusion est-il déterminé ?
La mesure du point de fusion est réalisée à l'aide d'un équipement appelé Thiele ou dans un bloc de fusion. Le processus se déroule comme suit :
- L'élément est introduit dans un tube capillaire pour le placer dans le Thiele
- Le tube capillaire est chauffé lentement jusqu’à ce qu’il change de phase.
- La température enregistrée lors du changement de phase correspond à la température de fusion.
Point eutectique
Le point eutectique est la température minimale à laquelle un mélange de deux ou plusieurs composants solides peut fondre complètement, se transformant en liquide, sans laisser de phase solide. Ce phénomène se produit lorsque le mélange a une composition spécifique et fixe des substances impliquées.
Au point eutectique, les composants du mélange fondent à une température unique, inférieure aux points de fusion des substances pures prises séparément.
Lorsque les conditions eutectiques sont atteintes, les deux composants du mélange sont en équilibre entre les phases solide et liquide, ce qui signifie que les substances fondent et cristallisent à la même température. Ce point de fusion est important dans l'industrie et dans la fabrication d'alliages métalliques, car les alliages eutectiques sont utilisés pour obtenir des caractéristiques spécifiques, telles que la dureté ou la conductivité thermique, qui ne peuvent pas être obtenues en faisant fondre des métaux purs individuellement.
Dans certains cas, le point eutectique n’implique pas seulement deux composants, mais peut être un mélange de trois substances ou plus, chacune ayant son propre point de fusion.
Un exemple classique d'alliage eutectique est la combinaison de plomb et d'étain, qui a un point eutectique à une température inférieure à celle de chaque métal pris individuellement. Cela rend les alliages eutectiques utiles pour des applications telles que le soudage, où un point de fusion bas est nécessaire pour éviter d'endommager d'autres composants.
Exemples de température de fusion de certains matériaux
Nous rapportons les valeurs des températures de fusion et des points d'ébullition de certaines substances déterminées à une pression de 1 atm.
|
substance chimique |
Point de fusion en degrés Celsius |
Point d'ébullition en degrés Celsius |
|
Eau |
0 |
100 |
|
Hydrogène |
-259,19 |
-252,92 |
|
Carbone |
3526,8 |
4026,8 |
|
Aluminium |
660,27 |
2518,8 |
|
Mercure |
-38,77 |
356,68 |