Fusion et solidification

Un bécher de glace réchauffé par l’air ambiant est resté exactement à 0 °C pendant plus d’une demi-heure, le temps que la glace fonde.

Place un bécher de glace à −12 °C sur la paillasse. OpenStax décrit ce qui se passe. Après dix minutes, la glace atteint 0 °C et commence à fondre. Trente minutes plus tard, davantage de glace a fondu, mais le thermomètre indique toujours 0 °C. La température ne recommence à monter qu’une fois toute la glace fondue, pour atteindre 22.2 °C. La glace a absorbé de la chaleur de la pièce pendant tout ce temps. Durant la fusion, cette chaleur n’a pas fait augmenter la température.

Où va la chaleur ?

Dans un cristal, chaque molécule est maintenue en place par ses voisines. Chauffer un solide fait vibrer ses molécules plus fortement et augmente sa température. Au point de fusion, les vibrations suffisent à libérer les molécules de leurs positions fixes. L’énergie ajoutée sert alors à rompre ces liaisons entre molécules, et non à accélérer leur mouvement : la température reste donc constante jusqu’à ce que tout le solide soit liquide. L’énergie nécessaire pour faire fondre une mole de solide est son enthalpie de fusion. Pour la glace, elle vaut 6.01 kJ/mol : faire fondre 18.02 g de glace demande donc 6.01 kJ.

Que représentent 6.01 kJ/mol ? Comparons avec un réchauffement. Il faut 4.18 J pour augmenter de 1 °C la température de 1 g d’eau liquide ; pour 18.02 g, il faut environ 75.3 J par degré. Les 6.01 kJ qui font fondre cette mole de glace pourraient donc réchauffer l’eau obtenue de 6010 ÷ 75.3 ≈ 80 °C. Voilà pourquoi une boisson avec des glaçons reste froide si longtemps : chaque glaçon absorbe beaucoup de chaleur avant de disparaître, et la boisson reste proche de 0 °C jusque-là.

La solidification est le processus inverse. En se transformant en glace à 0 °C, l’eau liquide libère 6.01 kJ par mole. La fusion absorbe de la chaleur : elle est endothermique. La solidification en libère : elle est exothermique. Ces deux changements ont lieu à la même température ; le point de fusion de la glace et le point de congélation de l’eau sont donc identiques. Dans un récipient parfaitement isolé, un mélange d’eau et de glace reste à cette température, la fusion et la solidification se produisant à la même vitesse.

Chaque substance a sa température de fusion

La température à laquelle un solide fond dépend de la force d’attraction entre ses particules. Les valeurs ci-dessous sont données à 1 atm et proviennent du NIST Chemistry WebBook. Le mercure est le seul métal de cette liste liquide à température ambiante ; il gèle à −38.84 °C, si bien qu’un thermomètre à mercure cesse de fonctionner en dessous. Le diazote et le dioxygène, dont les molécules ne sont liées que par de faibles forces, fondent à plus de 200 degrés sous zéro.

Chaque corps pur fond à une température précise : les chimistes utilisent donc le point de fusion pour vérifier rapidement son identité. Un échantillon qui commence à fondre sous la valeur attendue n’est probablement pas pur, car les impuretés dissoutes abaissent la température de solidification. Le sel répandu sur une route verglacée agit de la même façon : une solution salée gèle sous 0 °C, température de congélation de l’eau pure. La glace fond donc même lorsque l’air est sous 0 °C (OpenStax 11.4).