Point de fusion

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

Le point de fusion (ou la température de fusion) d'un corps pur ou d'un eutectique est, à une pression donnée, la température à laquelle les états liquide et solide de cette substance peuvent coexister à l'équilibre. Si l'on chauffe la substance (initialement solide), elle fond à cette température et la température ne peut pas augmenter tant que tout le solide n'a pas disparu. Réciproquement, si l'on refroidit la substance (initialement liquide), elle se solidifie à cette même température, qu'on peut donc aussi appeler point de solidification (ou température de solidification). Pour certaines substances dont l'eau, la solidification est souvent dénommée congélation : le point de congélation de l'eau à 1 atm est 0,002 519 ± 0,000 002 °C.

Les substances autres que les corps purs et les eutectiques n'ont pas de point de fusion car leur fusion (ou leur solidification) se produit sur une plage de températures. Il y a donc une température de début de fusion (appelée température du solidus ou simplement solidus) et une température de fin de fusion (température du liquidus ou simplement liquidus).

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. 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 éliminer et on peut retrouver des gouttelettes d'eau jusqu'à −42 °C dans les nuages si elles ne contiennent pas un noyau de congélation.

Thermodynamique

Lorsqu'un corps pur solide est chauffé, la température augmente jusqu'à atteindre le point de fusion. A ce point, la température reste constante tant que le corps n'est pas entièrement passé sous phase liquide. La différence d'énergie pour entrainer la fusion complète de ce corps pur n'est donc pas seulement due a celle qu'on doit ajouter pour atteindre la température critique, mais il faut également y ajouter la chaleur latente ($L_{f}$) pour passer de l'état solide 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 $\Delta S={\frac {\Delta H}{T}}$

avec :

• $L_{f}$ 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

Contrairement à la température de vaporisation (point d'ébullition), la température de fusion est assez indépendante des changements de pression, car les volumes molaires de la phase solide et de la phase liquide sont assez proches.

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, 3 410 °C, ce qui en a fait un excellent choix pour les lampes à incandescence par exemple. Toutefois, le carbone (graphite) reste solide jusqu'à 3 825 °C (point de sublimation). Le carbure de tantale-hafnium Ta₄HfC₅ est un des matériaux réfractaires qui ont le point de fusion le plus élevé : 4 215 °C.

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

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 ;
• 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).

Le cas des polymères semi-cristallins réticulés est intermédiaire :

• comme la réticulation empêche le glissement à grande échelle des chaînes les unes par rapport aux autres, il nʼy a pas de « vraie » fusion dans le sens de la formation dʼun liquide ; formellement, le « bloc de polymères » n'est qu'une seule et unique molécule, et la stabilité thermique est donc limitée par la décomposition ;
• par contre, les autres manifestations de la fusion des cristallites restent observables dans les polymères semi-cristallins réticulés (chaleur latente, changement de masse volumique et de microstructure) : un tel polymère possède donc malgré tout un « point de fusion » analogue à sa variante non réticulée, même si cette température et le taux de cristallinité peuvent être influencés par la réticulation ;
• au-delà de ce « point de fusion » (fusion des cristallites), au lieu du liquide, on a un gel (dû aux ponts) conservant la forme macroscopique, ce qui est avantageux en termes de stabilité pour les applications utilisant cette « fusion », comme les fusibles réarmables PTC.

Appareils de mesure

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.

Point de fusion des corps simples sous pression atmosphérique

Le tableau ci-dessous donne la température de fusion, en degrés Celsius (°C), des éléments chimiques (corps simples) dans leur état standard.

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

*

Lu 1 663

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

**

Lr 1 627

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

↓

*

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

**

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

On remarque notamment que, à pression ambiante :

• onze éléments (peut-être douze), gazeux à la température ambiante, ont un point de fusion nettement inférieur, de −71 °C (Rn) à −272 °C (He) : les gaz nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe et Rn, plus peut-être Og) ; les halogènes F et Cl ; le chalcogène O ; le pnictogène N ; l'hydrogène (H) ;
• sept éléments, liquides ou solides à température ambiante, ont un point de fusion proche de cette température ambiante : l'halogène Br (−7 °C) ; les métaux Hg (−39 °C), Fr (27 °C), Cs (29 °C), Ga (30 °C) et Rb (39 °C) ; le pnictogène P (44 °C) ;
• tous les autres éléments, solides à température ambiante, ont un point de fusion nettement supérieur : de 64 °C (K) à 3 500 °C (C).

Voir aussi

Articles connexes

• Fusion (physique)
• Propriété colligative
• Température de fusion d'un polymère
• Température homologue
• Thermostabilité
• DSC
• Point de ramollissement bille et anneau
• Liste des éléments chimiques par température de fusion
• Équation de Simon