Point de fusion

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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 fond c'est-à-dire passe de l'état solide à l'état liquide. Le point de congélation (ou point de solidification selon les matériaux) est la température de la transition inverse. Elle est habituellement mesurée sous pression atmosphérique normale (1 atmosphère) 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. C'est pourquoi la température de fusion est une propriété caractéristique de la matière. Toutefois, cette information n'est pas suffisante pour permettre une identification formelle, plusieurs molécules pouvant avoir une température de fusion très proche. Elle permet par contre d'éliminer du champ du possible des molécules ayant une température de fusion différente de celle mesurée.

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

Théorie[modifier | modifier le code]

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

La plupart des substances se liquéfient et se solidifient approximativement à la même température. Par exemple, pour le mercure, le point de fusion et de congélation sont 234,32 K (-38,82 °C). Cependant, plusieurs substances ont la caractéristique de pouvoir être en surfusion et peuvent donc geler à une température inférieure à leur point de congélation théorique. L'eau en est un exemple car la pression de surface des molécules d'eau pure est difficile à vaincre et on peut retrouver des gouttelettes d'eau jusqu'à -42 °C dans les nuages si elles ne contiennent pas un noyau de congélation[1].

Thermodynamique[modifier | modifier le code]

Lorsqu'un corps solide pur est chauffé, la température augmente jusqu'à atteindre le point de fusion. Là, la température reste constante tant que le corps n'est pas passé entièrement sous phase liquide. La différence d'énergie pour causer la fusion complète n'est donc pas seulement celle qu'on doit ajouter pour atteindre la température critique mais également la chaleur latente (L_f) pour passer à l'état liquide. Du point de vue de la thermodynamique, l’enthalpie (H) et l’entropie (S) du matériau augmentent donc (\Delta H, \Delta S > 0) à T la température de fusion de telle façon qu’on peut les exprimer lors du changement d’un corps de masse m ainsi :

\Delta H=mL_f 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
\Delta H Variation d'enthalpie en J
\Delta S Variation d'entropie en J/K
m masse en kg
T Température en K

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

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].

Généralement, lorsque l'on reste dans la même famille de composés chimiques, le point de fusion augmente avec la masse molaire. L'élément du tableau périodique ayant la plus haute température de fusion est le tungstène à 3 683 K (3 410 °C), ce qui en a fait un excellent choix pour les lampes à incandescence. Toutefois, le carbone (graphite) a une température de fusion de 3825°C. Le Ta4HfC5 est le matériau réfractaire qui a le point de fusion le plus élevé à 4 488 K (4 215 °C)[réf. nécessaire]. À l'autre bout du spectre, l’hélium ne se congèle qu'à une température proche du zéro absolu et sous une pression de 20 atmosphères.

Le point de fusion est donc un moyen de vérifier la pureté d'une substance : toute impureté fera varier le point de fusion de la substance testée.

Cas particuliers[modifier | modifier le code]

La transition entre solide et liquide se produit cependant sur une certaine plage de température pour certaines substances. Par exemple, l’agar-agar fond à 85 °C mais se solidifie entre 31 °C et 40 °C par un processus d’hystérésis. D'autre part, les substances amorphes, comme le verre ou certains polymères, n'ont en général pas de point de fusion, car elles ne subissent pas de fusion proprement dite mais une transition vitreuse.

Il existe également d’autres exceptions :

  • deux formes polymorphes ont souvent deux points de fusion différents ;
  • pour les molécules, on parle de température de fusion moléculaire[réf. nécessaire] ;
  • certaines substances n'ont pas de point de fusion observable. Ceci peut être dû à plusieurs phénomènes :
    • la sublimation, c'est-à-dire le passage direct à l'état gazeux (par exemple l'iode ou le carbone),
    • une décomposition à l'état solide (exemple des sels de diazonium),
    • les polymères réticulés n'ont pas de point de fusion car la réticulation empêche tout glissement des chaînes les unes par rapport aux autres. Formellement, le « bloc de polymères » n'est qu'une seule et unique molécule.

Appareils de mesure[modifier | modifier le code]

Appareil de mesure de point de fusion automatique M5000

Il existe différents appareils de mesure de point de fusion reposant tous sur la restitution d'un gradient de température. Ils peuvent être constitués soit d'une plaque métallique chauffante telle le Banc Kofler ou le bloc Maquenne, soit d'un bain d'huile tel le tube de Thiele.

Dans le travail pratique de laboratoire on utilise des appareils de mesure de point de fusion automatique. Ils sont faciles à manier, fonctionnent plus vite, fournissent des résultats reproductibles et sont plus précis[4].

Température de fusion des corps purs sous pression atmosphérique[modifier | modifier le code]

Le tableau suivant donne les températures de fusion des éléments à l'état standard à 1 atm en °C [5] :

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 Fl Uup Lv 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 polymères ou corps plastiques[modifier | modifier le code]

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

Type Sigles Point de fusion Température d'utilisation Exemples
Acrylonitrile butadiène styrène ABS 130 °C 60 °C / -35 °C
Polyacétal copolymère ou Polyoxyméthylène POMC ou POM 165 °C 100 °C / -40 °C Ertacetal
Polyamide 6,6 PA6-6 255 °C 120 °C / -30 °C Zytel
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 thermoplastique ou Polyéthylène téréphtalate PETP ou PET 255 °C 100 °C / -20 °C Arnite, Ertalyte
Polyester thermoplastique transparent PETG 255 °C 150 °C / -20 °C Griphen, Vivak, Vectan
Polyétheréthercétone PEEK 220 °C (250 °C)? / -60 °C
Polyéthylène basse densité PEBD ~ 100 °C 70 °C / ?
Polyéthylène haute densité 300 PEHD 300 130 °C 80 °C / -100 °C
Polyéthylène très haute densité 500 PEHD 500 135 °C 80 °C / -100 °C
Polyéthylène très haute densité 1000 PEHD 1000 138 °C 80 °C / -260 °C
Polyméthacrylate de méthyle coulé PMMA plexi gs 180 °C 70 °C / -40 °C Plexiglas, Polivar, Perspex
Polyméthacrylate de méthyle extrudé PMMA plexi XT 168 °C 70 °C / -40 °C Perspex, Acrilex
Polypropylène PP 163 °C 100 °C / -10 °C
Polystyrène PS 160 °C 60 °C / -10 °C
Polystyrène expensé PSE  ? 80 °C / ? Sagex Styropor, Neopor
Polytétrafluoroéthylène PTFE 325 °C 260 °C / -200 °C Téflon
Polyvinylchlorure surchloré 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 expansé PVC cellulaire  ?  ? / ? Forex, Kömacel
Polyfluorure de vinylidène PVDF 173 °C 140 °C / -40 °C
Tissu bakelisé HGW  ?  ? / ?

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b R. Feistel and W. Wagner, « A New Equation of State for H2O Ice Ih »,‎ 2006 (DOI 10.1063/1.2183324), p. 1021–1047
  2. La relation exacte est exprimée 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 » (consulté en 19 février 2008)
  4. Appareils de mesure de point de fusion, sur le site kruess.com - consulté le 26 juillet 2012
  5. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc,‎ 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)

Articles connexes[modifier | modifier le code]