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11 • Changements d’état physique de la matière – Diagramme de phases
l’hélium ou le dihydrogène, sous une pression faible, peuvent être considérés comme presque
parfaits, en raison de la faible taille de leurs molécules, ce n’est certainement pas le cas du
méthane ; ses molécules ont une masse et un volume non négligeables, et il existe forcément
entre elles des forces de dispersion (forces de London).
Quelle peut être alors la raison qui s’oppose à sa liquéfaction par compression (sans refroidissement), alors que d’autres gaz se liquéfient dans les mêmes conditions ?
Une seule explication possible : à la température ordinaire le méthane doit être au-dessus de sa
température critique, qui est la température au-dessus de laquelle un gaz ne peut pas être
liquéfié, quelle que soit la pression. Effectivement, sa température critique est 191 K (– 82 °C).
Pour le liquéfier, il est nécessaire de le refroidir d’abord au-dessous de cette température avant
de le comprimer.
La température critique de l’ammoniac est 405 K (132 °C), et il est donc possible de le liquéfier
par compression à la température ordinaire.
■ Voyez-vous une raison qui puisse justifier ce grand écart entre les températures critiques du méthane et de l’ammoniac ?
Cet écart traduit le fait que l’ammoniac est encore beaucoup moins parfait que le méthane. Ce
dernier est un composé non polaire, alors que la molécule d’ammoniac est polaire (en raison de
sa géométrie non plane [Ex. 5.12]), et forme des liaisons hydrogène. Les interactions sont donc
beaucoup plus fortes entre les molécules d’ammoniac qu’entre les molécules de méthane, et
l’ammoniac se condense plus facilement.
Équilibre liquide-vapeur
Exercice 11.5
Une certaine quantité d’un liquide se trouve, en équilibre avec sa vapeur à une
température T, dans une enceinte dont on peut modifier le volume et la température.
1) Que se passe t-il si :
a) On augmente le volume.
b) On diminue le volume.
c) On abaisse la température.
d) On élève la température.
e) On introduit de la vapeur, à la même température.
f) On introduit du liquide, à la même température
g) On introduit du diazote, à la même température.
2) Pourrait-on prévoir les évolutions en utilisant le principe de Le Chatelier ?
Solution
En l’absence de toute donnée numérique, seules des réponses qualitatives sont possibles. Il s’agit
uniquement de bien comprendre la situation.
D’abord, que peut-il se passer ? Quelle(s) modification(s) dans l’état du système peut-on envisager a priori comme susceptibles de se produire ?
D’autre part, l’enceinte contient un liquide et un gaz en équilibre mutuel. C’est la particularité
essentielle à prendre en compte. Les modifications éventuelles de l’état du système ne sont pas
11 • Changements d’état physique de la matière – Diagramme de phases
l’hélium ou le dihydrogène, sous une pression faible, peuvent être considérés comme presque
parfaits, en raison de la faible taille de leurs molécules, ce n’est certainement pas le cas du
méthane ; ses molécules ont une masse et un volume non négligeables, et il existe forcément
entre elles des forces de dispersion (forces de London).
Quelle peut être alors la raison qui s’oppose à sa liquéfaction par compression (sans refroidissement), alors que d’autres gaz se liquéfient dans les mêmes conditions ?
Une seule explication possible : à la température ordinaire le méthane doit être au-dessus de sa
température critique, qui est la température au-dessus de laquelle un gaz ne peut pas être
liquéfié, quelle que soit la pression. Effectivement, sa température critique est 191 K (– 82 °C).
Pour le liquéfier, il est nécessaire de le refroidir d’abord au-dessous de cette température avant
de le comprimer.
La température critique de l’ammoniac est 405 K (132 °C), et il est donc possible de le liquéfier
par compression à la température ordinaire.
■ Voyez-vous une raison qui puisse justifier ce grand écart entre les températures critiques du méthane et de l’ammoniac ?
Cet écart traduit le fait que l’ammoniac est encore beaucoup moins parfait que le méthane. Ce
dernier est un composé non polaire, alors que la molécule d’ammoniac est polaire (en raison de
sa géométrie non plane [Ex. 5.12]), et forme des liaisons hydrogène. Les interactions sont donc
beaucoup plus fortes entre les molécules d’ammoniac qu’entre les molécules de méthane, et
l’ammoniac se condense plus facilement.
Équilibre liquide-vapeur
Exercice 11.5
Une certaine quantité d’un liquide se trouve, en équilibre avec sa vapeur à une
température T, dans une enceinte dont on peut modifier le volume et la température.
1) Que se passe t-il si :
a) On augmente le volume.
b) On diminue le volume.
c) On abaisse la température.
d) On élève la température.
e) On introduit de la vapeur, à la même température.
f) On introduit du liquide, à la même température
g) On introduit du diazote, à la même température.
2) Pourrait-on prévoir les évolutions en utilisant le principe de Le Chatelier ?
Solution
En l’absence de toute donnée numérique, seules des réponses qualitatives sont possibles. Il s’agit
uniquement de bien comprendre la situation.
D’abord, que peut-il se passer ? Quelle(s) modification(s) dans l’état du système peut-on envisager a priori comme susceptibles de se produire ?
D’autre part, l’enceinte contient un liquide et un gaz en équilibre mutuel. C’est la particularité
essentielle à prendre en compte. Les modifications éventuelles de l’état du système ne sont pas