Une espèce chimique est un ensemble d'entités identiques entre elles. Les corps composés d'une seule espèce chimique sont appelés corps purs et ceux composés de plusieurs espèces chimiques sont appelés mélanges. À une pression donnée, les températures de changements d'état des corps purs sont fixes et demeurent constantes tant que dure le changement d'état. Plus la température d'un corps est importante, plus les particules qui le composent sont agitées, c'est l'agitation thermique. Les changements d'état correspondent donc à un réarrangement des particules qui composent un corps. Ainsi la masse du corps est conservée mais pas son volume.
Les corps purs et les mélanges
On appelle espèce chimique un ensemble d'entités identiques. Les corps purs contiennent une seule espèce chimique alors que les mélanges en contiennent plusieurs.
La notion d'espèce chimique
Une espèce chimique est représentée par une unique formule chimique et correspond à un ensemble d'entités chimiques identiques.
Espèce chimique
Une espèce chimique correspond à un ensemble d'entités chimiques représentées par la même formule. Il peut s'agir d'un atome ou d'une molécule.
L'eau est une espèce chimique, elle est composée de molécules identiques, de formule \ce{H2O} .
Les corps purs
Les corps purs sont les corps composés d'une seule espèce chimique.
Corps pur
En chimie, un corps pur est une substance (solide, liquide ou gazeuse) ne comportant qu'une seule espèce chimique : soit une seule sorte d'atome, soit une seule sorte de molécule.
Les mélanges
Les mélanges sont des corps composés de plusieurs espèces chimiques.
Les changements d'état de la matière
Le changement d'état d'un corps est le passage d'un état physique à un autre. Entre les trois états physiques de la matière, il existe six changements d'état.
Les changements d'état solide-liquide
La fusion et la solidification sont les deux changements d'état possibles entre les états solide et liquide.
Fusion
La fusion est le passage de l'état solide à l'état liquide.
Lorsqu'un glaçon fond, l'eau passe de l'état solide à l'état liquide.
Solidification
La solidification est le passage de l'état liquide à l'état solide.
L'eau liquide placée au congélateur devient de la glace, c'est-à-dire de l'eau solide. Il s'agit donc d'une solidification.
La fusion et la solidification d'un corps ont lieu à la même température.
La fusion et la solidification de l'eau pure ont lieu à 0 °C, à pression ambiante.
Les changements d'état liquide-gaz
La vaporisation et la liquéfaction sont les deux changements d'état possibles entre les états gazeux et liquide.
Vaporisation
La vaporisation est le passage de l'état liquide à l'état gazeux.
Lorsqu'on chauffe suffisamment de l'eau liquide, elle se vaporise et se transforme en vapeur d'eau.
Liquéfaction
La liquéfaction (ou condensation liquide) est le passage de l'état gazeux à l'état liquide.
La vapeur d'eau qui rencontre des surfaces froides se condense et forme de la buée, composée de gouttelettes d'eau liquide.
La vaporisation et la liquéfaction d'un corps ont lieu à la même température.
La vaporisation et la liquéfaction de l'eau pure ont lieu à 100 °C, à pression ambiante.
Les changements d'état solide-gaz
La sublimation et la condensation solide sont les deux changements d'état possibles entre les états solide et liquide.
Sublimation
La sublimation est le passage de l'état solide à l'état gazeux.
La neige carbonique (contenue dans certains extincteurs) est constituée de dioxyde de carbone à l'état solide. Lorsqu'il se retrouve dans l'air, il se transforme spontanément en gaz.
Condensation solide
La condensation solide est le passage de l'état gazeux à l'état solide.
Lorsque la vapeur d'eau rencontre un objet très froid, elle subit une condensation solide et forme du givre (cristaux de glace).
La sublimation et la condensation solide d'un corps ont lieu à la même température.
La sublimation et la condensation solide du dioxyde de carbone ont lieu à -78,5 °C, à pression ambiante.
Lors d'une sublimation et d'une condensation solide, le corps passe de l'état solide à l'état gazeux, ou inversement, sans passer par l'état liquide.
Les températures de changements d'état des corps purs
À une pression donnée, les changements d'état des corps purs se font à une température donnée et celle-ci reste constante tout au long du changement d'état.
Les températures fixes de changements d'état des corps purs
À une pression donnée, les corps purs changent d'état à des températures fixes. Dans le cas de l'eau pure, ces températures sont 0 °C et 100 °C.
À pression donnée, les changements d'état des corps purs se font à des températures fixes.
À pression normale :
- La solidification et la fusion de l'eau pure ont lieu à 0 °C.
- La vaporisation et la liquéfaction de l'eau pure ont lieu à 100 °C.
À la température de 20 °C et à la pression normale, l'eau est à l'état liquide : la température est supérieure à sa température de fusion mais inférieure à sa température de vaporisation.
Les températures de changement d'état des mélanges dépendent des proportions de leurs composants.
En fonction de sa concentration, la température de solidification de l'eau salée varie entre 0 °C et -21 °C.
Les paliers de changements d'état des corps purs
Généralement, la température d'un corps pur doit augmenter ou diminuer pour qu'un changement d'état ait lieu. Dès que le changement d'état a débuté, la température n'évolue plus : on parle de palier de température.
Lorsqu'un corps pur change d'état, la température demeure constante. La courbe décrivant l'évolution de la température au cours d'un changement d'état fait alors apparaître un palier.
Dans un congélateur, la température est d'environ -18 °C.
- Lorsqu'on sort un glaçon du congélateur, sa température augmente jusqu'à atteindre 0 °C. Il va alors commencer à fondre et la température du mélange (eau solide-eau liquide) va demeurer à 0 °C : c'est le palier de température.
- Une fois le glaçon totalement fondu, la température de l'eau liquide augmente de nouveau.
- Si on réchauffe l'eau, sa température continue d'augmenter. Lorsqu'elle atteint 100 °C, le palier du changement d'état liquide-gaz débute. La température ne peut plus augmenter tant que l'eau liquide n'a pas été complètement vaporisée.
L'interprétation microscopique des changements d'état
La température d'un corps est liée à l'agitation des particules qui le composent : plus elle est élevée, plus les particules sont agitées. On parle d'agitation thermique. Les changements d'état provoqués par des variations de température correspondent à des réarrangements des particules. En conséquence, la masse du corps ne varie pas, alors que le volume varie.
L'agitation thermique
Plus la température d'un corps est importante, plus les particules qui le composent sont agitées, c'est l'agitation thermique. Les changements d'état correspondent à un réarrangement des particules qui composent un corps.
Plus la température d'un corps est élevée, plus les particules qui le composent sont agitées : on parle d'agitation thermique. À pression constante, au fur et à mesure que la température augmente, les changements d'état se font donc dans le sens d'une augmentation du désordre des particules.
Un changement d'état correspond à un réarrangement des particules les unes par rapport aux autres.
La conservation de la masse lors d'un changement d'état
Lors d'un changement d'état, la masse est conservée.
Lors d'un changement d'état, les molécules changent d'organisation, mais leur nombre ne change pas. La masse ne change pas, car le nombre de particules ne change pas.
La variation du volume lors d'un changement d'état
Lors d'un changement d'état, le volume varie, surtout si l'un des deux états est à l'état gazeux.
Lors d'un changement d'état, les molécules changent d'organisation et occupent un volume différent. Ainsi :
- À l'état liquide, les molécules occupent généralement un volume légèrement supérieur à celui de l'état solide.
- À l'état gazeux, les molécules occupent un volume beaucoup plus grand qu'à l'état solide ou liquide.
Un litre d'eau liquide occupe sous forme gazeuse un volume de 1 240 L.
L'eau est l'un des rares corps à occuper un volume plus important à l'état solide qu'à l'état liquide.
Une bouteille remplie à ras bord d'eau liquide et placée au congélateur explose si elle y reste suffisamment longtemps. En effet, l'eau solide prend plus de place que celle disponible à l'intérieur de la bouteille.