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Comprendre la physico-chimie par la plongée sous-marine.
Comprendre la plongée sous-marine par la physico-chimie
DES SYSTÈMES EN SURSATURATION, EN SURCHAUFFE, EN SURFUSION…
Quels sont donc ces états peu usuels dans la vie quotidienne ?
Nous savons tous que l’eau bout à 100 °C et qu’elle gèle à 0 °C à la pression atmosphérique.
Pourtant, il est possible d’observer de l’eau liquide, à la pression atmosphérique, au-dessus
de 100 °C et en dessous de 0 °C ! On sait effectivement obtenir de l’eau liquide jusqu’à environ
170 °C et à -40 °C. Dans le premier cas, l’eau est dans un état de surchauffe, dans le deuxième
cas, elle est en surfusion. Ce sont des états qui peuvent évoluer très rapidement sous l’effet
d’un choc, de la présence d’une poussière, etc. Dans l’industrie, le phénomène de surchauffe
a été responsable de nombreux accidents.
Prenons également l’exemple de la purifi cation par recristallisation, technique usuellement
utilisée par les chimistes : un produit à purifi er est dissous à chaud dans un solvant dit de
recristallisation. Après agitation et chauffage, ce produit se dissout peu à peu totalement. On
arrête le chauffage, on laisse le mélange reprendre la température ambiante et on attend
que se forment des cristaux (si les impuretés ont bien été solubilisées à chaud, le produit
attendu devrait pouvoir cristalliser pur). Or, il arrive que les cristaux n’apparaissent pas ! On
a affaire à un liquide sursaturé. Que fait-on alors ? On gratte énergiquement le récipient à
l’aide d’une spatule… et, si l’on n’est pas malchanceux et surtout bon manipulateur, on voit
enfi n apparaître des cristaux qui grossissent. Quel est donc ce « tour de passe-passe » ?
Avons-nous donné l’énergie suffi sante pour passer la barrière énergétique (représentée sur
la Figure 23) ? Pas du tout. Nous avons simplement fait intervenir la paroi du récipient : au
départ, les agrégats formés par le produit à purifi er au sein de la solution ont un rayon inférieur au rayon critique r c : ils ne peuvent donc pas évoluer sous forme de cristaux. Mais si
l’agrégat se place sur la paroi du récipient, pour une même masse, son rayon de courbure
augmente et peut alors dépasser r c et faire basculer le système vers le côté droit de la courbe.
Celui-ci évolue alors spontanément vers la formation de cristaux de plus en plus gros et
importants (Figure 24). Cette évolution est facilitée lorsque l’on crée des anfractuosités sur la
paroi (c’est-à-dire des défauts à la verrerie, des rayures, etc.) en la frottant avec une spatule.
Le rayon de courbure d’un agrégat placé dans une anfractuosité devient encore plus grand.
C’est le même phénomène qui se déroule dans nos fl ûtes de champagne, où l’on observe des
bulles de gaz carbonique prendre naissance et croître en certains points de la paroi du verre
(voir la Figure 20).
Figure 24
Le contact d’un agrégat (d’azote dissous ou de produit à cristalliser) avec
une anfractuosité du récipient augmente son rayon de courbure, pouvant
atteindre le rayon critique.
augmentaƟon des rayons
anfractuosité
Comprendre la physico-chimie par la plongée sous-marine.
Comprendre la plongée sous-marine par la physico-chimie
DES SYSTÈMES EN SURSATURATION, EN SURCHAUFFE, EN SURFUSION…
Quels sont donc ces états peu usuels dans la vie quotidienne ?
Nous savons tous que l’eau bout à 100 °C et qu’elle gèle à 0 °C à la pression atmosphérique.
Pourtant, il est possible d’observer de l’eau liquide, à la pression atmosphérique, au-dessus
de 100 °C et en dessous de 0 °C ! On sait effectivement obtenir de l’eau liquide jusqu’à environ
170 °C et à -40 °C. Dans le premier cas, l’eau est dans un état de surchauffe, dans le deuxième
cas, elle est en surfusion. Ce sont des états qui peuvent évoluer très rapidement sous l’effet
d’un choc, de la présence d’une poussière, etc. Dans l’industrie, le phénomène de surchauffe
a été responsable de nombreux accidents.
Prenons également l’exemple de la purifi cation par recristallisation, technique usuellement
utilisée par les chimistes : un produit à purifi er est dissous à chaud dans un solvant dit de
recristallisation. Après agitation et chauffage, ce produit se dissout peu à peu totalement. On
arrête le chauffage, on laisse le mélange reprendre la température ambiante et on attend
que se forment des cristaux (si les impuretés ont bien été solubilisées à chaud, le produit
attendu devrait pouvoir cristalliser pur). Or, il arrive que les cristaux n’apparaissent pas ! On
a affaire à un liquide sursaturé. Que fait-on alors ? On gratte énergiquement le récipient à
l’aide d’une spatule… et, si l’on n’est pas malchanceux et surtout bon manipulateur, on voit
enfi n apparaître des cristaux qui grossissent. Quel est donc ce « tour de passe-passe » ?
Avons-nous donné l’énergie suffi sante pour passer la barrière énergétique (représentée sur
la Figure 23) ? Pas du tout. Nous avons simplement fait intervenir la paroi du récipient : au
départ, les agrégats formés par le produit à purifi er au sein de la solution ont un rayon inférieur au rayon critique r c : ils ne peuvent donc pas évoluer sous forme de cristaux. Mais si
l’agrégat se place sur la paroi du récipient, pour une même masse, son rayon de courbure
augmente et peut alors dépasser r c et faire basculer le système vers le côté droit de la courbe.
Celui-ci évolue alors spontanément vers la formation de cristaux de plus en plus gros et
importants (Figure 24). Cette évolution est facilitée lorsque l’on crée des anfractuosités sur la
paroi (c’est-à-dire des défauts à la verrerie, des rayures, etc.) en la frottant avec une spatule.
Le rayon de courbure d’un agrégat placé dans une anfractuosité devient encore plus grand.
C’est le même phénomène qui se déroule dans nos fl ûtes de champagne, où l’on observe des
bulles de gaz carbonique prendre naissance et croître en certains points de la paroi du verre
(voir la Figure 20).
Figure 24
Le contact d’un agrégat (d’azote dissous ou de produit à cristalliser) avec
une anfractuosité du récipient augmente son rayon de courbure, pouvant
atteindre le rayon critique.
augmentaƟon des rayons
anfractuosité