i
i
“MPSI-fin” — 2013/7/22 — 9:45 — page 13 — #21
i
i
i
i
i
i
LES TRANSFORMATIONS DE LA MATIÈRE
2 Les transformations de la matière
2.1 Transformation physique. Diagramme d’état (p, T )
Nature d’une transformation physique, exemples
On appelle transformation physique une transformation de l’état physique sans modification de la structure moléculaire ou nucléaire.
Définition
Tout changement de phase courant et très facilement observable du type ébullition, fusion ou
sublimation est un exemple de transformation physique. Nous fournissons ci-après quelques
exemples de transformations physiques moins couramment observables.
Transition vitreuse
Par refroidissement d’un liquide au-dessous de sa température de fusion, la cristallisation
peut dans certains cas être évitée si on refroidit le liquide suffisamment rapidement. Le système reste liquide à une température inférieure à la température de fusion. On parle de liquide
surfondu.
Si on diminue encore la température du système, sa viscosité augmente très fortement et il
devient solide (le système se fige). Le système est dans un état appelé état vitreux. La transformation du liquide en solide vitreux est la transition vitreuse, elle est observée dans des
systèmes extrêmement variés : liquides organiques ou inorganiques, protéines, polymères. . .
Transition entre deux allotropes métalliques : recalescence du fer
Le fer peut exister à l’état solide sous plusieurs formes cristallines : au-dessous de 906 °C il
est sous la variété α tandis qu’au-dessus de cette température la variété stable correspond à la
variété γ, plus dense que la variété α. On peut montrer expérimentalement la transition entre
variété allotropique par une expérience simple. Un fil de fer est tendu entre deux potences ;
on lui suspend en son milieu une masselotte d’une dizaine de grammes. Les extrémités sont
reliées par des connexions à une alimentation électrique, ce qui permet de faire passer un
courant de forte intensité dans le fil (de l’ordre de 20 A).
Au fur et à mesure que la température augmente par effet JOULE, le fil se dilate. Comme sa
section restant constante, la longueur du fil augmente et la masse descend. Le chauffage est
poursuivi jusqu’à ce que le fil devienne rouge, afin d’atteindre une température supérieure
à 906 °C. En arrêtant le passage du courant dans le fil, le fil commence à refroidir et se
contracte. On voit la masse remonter jusqu’à la température de 906 °C, pour laquelle le fer
change de forme allotropique pour passer de la variété γ à la variété α moins dense. Le fil se
dilate et la masse redescend alors brusquement. En poursuivant la diminution de température,
on constate enfin que le fil recommence à se contracter régulièrement et la masse remonte.
Transition entre deux allotropes métalliques : peste de l’étain
La forme stable de l’étain dans les conditions habituelles de température est l’étain blanc
Sn(β ). Il s’agit d’un métal blanc largement utilisé. Au-dessous de 12 °C, la forme cristalline
Sn(β ) devient instable. La forme stable est alors l’étain gris Sn(α). En présence d’un germe,
l’étain blanc se transforme alors en étain gris. Cette transformation s’accompagne d’une diminution importante de la densité, et donc d’une augmentation du volume : l’objet subissant
13
i
“MPSI-fin” — 2013/7/22 — 9:45 — page 13 — #21
i
i
i
i
i
i
LES TRANSFORMATIONS DE LA MATIÈRE
2 Les transformations de la matière
2.1 Transformation physique. Diagramme d’état (p, T )
Nature d’une transformation physique, exemples
On appelle transformation physique une transformation de l’état physique sans modification de la structure moléculaire ou nucléaire.
Définition
Tout changement de phase courant et très facilement observable du type ébullition, fusion ou
sublimation est un exemple de transformation physique. Nous fournissons ci-après quelques
exemples de transformations physiques moins couramment observables.
Transition vitreuse
Par refroidissement d’un liquide au-dessous de sa température de fusion, la cristallisation
peut dans certains cas être évitée si on refroidit le liquide suffisamment rapidement. Le système reste liquide à une température inférieure à la température de fusion. On parle de liquide
surfondu.
Si on diminue encore la température du système, sa viscosité augmente très fortement et il
devient solide (le système se fige). Le système est dans un état appelé état vitreux. La transformation du liquide en solide vitreux est la transition vitreuse, elle est observée dans des
systèmes extrêmement variés : liquides organiques ou inorganiques, protéines, polymères. . .
Transition entre deux allotropes métalliques : recalescence du fer
Le fer peut exister à l’état solide sous plusieurs formes cristallines : au-dessous de 906 °C il
est sous la variété α tandis qu’au-dessus de cette température la variété stable correspond à la
variété γ, plus dense que la variété α. On peut montrer expérimentalement la transition entre
variété allotropique par une expérience simple. Un fil de fer est tendu entre deux potences ;
on lui suspend en son milieu une masselotte d’une dizaine de grammes. Les extrémités sont
reliées par des connexions à une alimentation électrique, ce qui permet de faire passer un
courant de forte intensité dans le fil (de l’ordre de 20 A).
Au fur et à mesure que la température augmente par effet JOULE, le fil se dilate. Comme sa
section restant constante, la longueur du fil augmente et la masse descend. Le chauffage est
poursuivi jusqu’à ce que le fil devienne rouge, afin d’atteindre une température supérieure
à 906 °C. En arrêtant le passage du courant dans le fil, le fil commence à refroidir et se
contracte. On voit la masse remonter jusqu’à la température de 906 °C, pour laquelle le fer
change de forme allotropique pour passer de la variété γ à la variété α moins dense. Le fil se
dilate et la masse redescend alors brusquement. En poursuivant la diminution de température,
on constate enfin que le fil recommence à se contracter régulièrement et la masse remonte.
Transition entre deux allotropes métalliques : peste de l’étain
La forme stable de l’étain dans les conditions habituelles de température est l’étain blanc
Sn(β ). Il s’agit d’un métal blanc largement utilisé. Au-dessous de 12 °C, la forme cristalline
Sn(β ) devient instable. La forme stable est alors l’étain gris Sn(α). En présence d’un germe,
l’étain blanc se transforme alors en étain gris. Cette transformation s’accompagne d’une diminution importante de la densité, et donc d’une augmentation du volume : l’objet subissant
13