Point de fusion

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 passe de l'état solide à l'état liquide.


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Propriété chimique - Chimie générale

Un panneau routier québécois rappelle le point de fusion de l'eau à 0°C

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 passe de l'état solide à l'état liquide. Le point de congélation est la transition inverse. Elle est généralement mesurée sous pression atmosphérique normale (1 atmosphère) et il y a cœxistence 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 certainement celui de l'eau (°C), ce dernier ayant étant pris comme zéro de l'échelle centigrade, fréquemment confondue avec l'échelle Celsius[1].

Il est envisageable de déterminer la nature d'une substance (identification) par la mesure de la température de fusion. Cependant, cette information n'est pas suffisante pour permettre une identification formelle, plusieurs molécules pouvant avoir une température de fusion particulièrement proche. Elle permet par contre d'éliminer du champ du possible des molécules ayant une température de fusion différente de celle mesurée.

Théorie

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. A titre d'exemple, pour le mercure le point de fusion et de congélation sont 234, 32 K (-38, 83 °C). Cependant, plusieurs substances ont la caractéristique de pouvoir être en surfusion et peuvent par conséquent 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 complexe 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

Quand 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 par conséquent pas uniquement celle qu'on doit ajouter pour atteindre la température critique mais également la chaleur latente (Lf) pour passer à l'état liquide. Du point de vue de la thermodynamique, l'enthalpie (H) et l'entropie (S) du matériau augmentent par conséquent (ΔH, ΔS > 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 :

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

Au contraire de 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, quand on reste dans la même famille de composés chimiques, le point de fusion augmente avec la masse molaire. L'élément de la table période 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. Le Ta4HfC5 est le 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 près du zéro absolu et avec une pression de 20 atmosphères.

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

Cas spécifiques

La transition entre solide et liquide se produit cependant sur une certaine plage de température pour certaines substances. A titre d'exemple, l'agar-agar fond à 85 °C mais se solidifie entre 31 °C et 40 °C par une processus d'hystérésis. D'autre part, les substances amorphes, comme le verre, n'ont généralement pas de point de fusion, car elles ne subissent pas de fusion elle-même mais une transition vitreuse.

Il existe aussi d'autres exceptions :

Appareils de mesure

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

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 Uuq Uup Uuh 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

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

Type Sigles Point de fusion Température d'utilisation Exemples
Acrylonitril'objectifadiène styrène ABS 130 °C 60 °C / -35 °C
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 thermo plastique ou Polyéthylène téréphtalate PETP ou PET 255 °C 100 °C / -20 °C Arnite, Ertalyte
Polyester thermo plastique transparent 255 °C 150 °C / -20 °C Griphen, Vivak, Vectan
Polyétheréthercétone PEEK 220 °C (250 °C) ? / -60 °C
Polyéthylène basse densité PEBD  ? 70 °C / ?
Polyéthylène haute densité 300 PEHD 300 130 °C 80 °C / -100 °C
PEHD 500 135 °C 80 °C / -100 °C
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
Polypropylène PP 163 °C 100 °C / -10 °C
Polystyrène PS 160 °C 60 °C / -10 °C
PTFE 325 °C 260 °C / -200 °C Téflon
190 °C 100 °C / -10 °C
PVC 125 °C 60 °C / -10 °C
 ???  ??? / ??? Forex, Kömacel
PVDF 173 °C 140 °C / -40 °C
 ???  ??? / ???

Notes et références

  1. R. Feistel and W. Wagner, «A New Equation of State for H2O Ice Ih», 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 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 le 2008-02-19
  4. n'existe pas à l'état solide sous 1 atm
  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)  

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