Interpréter un Diagramme de Phases Simple
Contexte : Le diagramme de phasesUn graphique représentant les phases (solide, liquide, gaz) d'une substance en fonction de la température et de la pression. du dioxyde de carbone.
Les diagrammes de phases sont des outils fondamentaux en chimie et en physique pour comprendre le comportement d'une substance sous différentes conditions. Celui du dioxyde de carbone (\(CO_2\)) est particulièrement intéressant en raison de ses applications, allant de la "glace sèche" aux fluides supercritiques utilisés comme solvants verts. Cet exercice vous guidera dans la lecture et l'interprétation de ce diagramme.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à lire un graphique scientifique pour en extraire des informations qualitatives (quelle phase est présente ?) et quantitatives (à quelles conditions ?), une compétence essentielle dans toutes les disciplines scientifiques.
Objectifs Pédagogiques
- Identifier les domaines des phases solide, liquide et gazeuse sur un diagramme Pression-Température.
- Localiser et interpréter le point tripleLe point unique de température et de pression où les phases solide, liquide et gazeuse d'une substance coexistent en équilibre. et le point critiqueLe point au-delà duquel les phases liquide et gazeuse deviennent indiscernables, formant un fluide supercritique..
- Décrire les changements de phase résultant d'une variation de température ou de pression.
- Comprendre le concept de sublimationLe passage direct d'une substance de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par une phase liquide. et de fluide supercritique.
Données de l'étude
Points Clés du \(CO_2\)
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Point Triple (\(T_t\), \(P_t\)) | \(-56,6 \text{ °C}\) et \(5,11 \text{ atm}\) |
| Point Critique (\(T_c\), \(P_c\)) | \(31,1 \text{ °C}\) et \(72,8 \text{ atm}\) |
| Sublimation à \(1 \text{ atm}\) | \(-78,5 \text{ °C}\) |
Diagramme de Phases du Dioxyde de Carbone (CO₂)
Questions à traiter
- Identifier la phase (solide, liquide ou gaz) du \(CO_2\) à une température de \(-80 \text{ °C}\) et une pression de \(10 \text{ atm}\).
- Quelles sont les coordonnées du point triple (T) et du point critique (C) ? Que représentent physiquement ces deux points ?
- Décrivez le changement d'état subi par le \(CO_2\) lorsqu'on le chauffe de \(-80 \text{ °C}\) à \(0 \text{ °C}\) à une pression constante de \(10 \text{ atm}\).
- Expliquez pourquoi la glace sèche (forme solide du \(CO_2\)) se sublime à \(-78,5 \text{ °C}\) dans les conditions atmosphériques normales (pression de \(1 \text{ atm}\)).
- Que se passe-t-il si l'on prend du \(CO_2\) à \(25 \text{ °C}\) et \(60 \text{ atm}\) et qu'on le chauffe à \(40 \text{ °C}\) tout en augmentant la pression à \(80 \text{ atm}\) ?
Les bases sur les Diagrammes de Phases
Un diagramme de phases est une "carte" qui montre dans quel état physique (ou phase) se trouve une substance en fonction de sa température et de sa pression.
1. Les Courbes d'Équilibre
Les lignes sur le diagramme représentent les conditions où deux phases coexistent en équilibre.
- Courbe de fusion (solide-liquide) : Sépare la phase solide de la phase liquide.
- Courbe de vaporisation (liquide-gaz) : Sépare la phase liquide de la phase gazeuse.
- Courbe de sublimation (solide-gaz) : Sépare la phase solide de la phase gazeuse.
2. Les Points Remarquables
Le point triple est l'unique couple (T, P) où les trois phases coexistent en équilibre. Le point critique est le point au-delà duquel il n'y a plus de distinction entre les phases liquide et gazeuse ; la substance est alors un fluide supercritique.
Correction : Interpréter un Diagramme de Phases Simple
Question 1 : Identifier la phase à \(-80 \text{ °C}\) et \(10 \text{ atm}\).
Principe
Pour déterminer la phase, on localise le point correspondant aux coordonnées de température et de pression sur le diagramme et on identifie la région de phase dans laquelle il se situe.
Mini-cours
Chaque zone du diagramme de phases représente un état unique de la matière. La zone en haut à gauche correspond généralement au solide, car il est favorisé par les basses températures et les hautes pressions. La zone en bas à droite est celle du gaz, favorisé par les hautes températures et les basses pressions.
Schéma d'analyse
Le point \((-80 \text{ °C}, 10 \text{ atm}\)) se trouve clairement dans la zone de la phase solide.
Réflexions
Ce résultat est logique : à une température très basse de \(-80 \text{ °C}\), bien en dessous de la température ambiante et même de son point triple, les molécules de \(CO_2\) ont peu d'énergie cinétique. La pression de \(10 \text{ atm}\) est suffisamment élevée pour les forcer à s'organiser en une structure cristalline rigide, caractéristique de l'état solide.
Points de vigilance
Attention aux échelles : Assurez-vous de bien lire les axes, surtout lorsque l'un d'eux est logarithmique, comme c'est souvent le cas pour la pression. Une petite distance sur l'axe peut représenter une grande variation de valeur. Ici, 10 atm est bien au-dessus de 5.11 atm.
Résultat Final
Question 2 : Coordonnées et signification du point triple (T) et du point critique (C).
Principe
Le point triple est le point de jonction des trois courbes d'équilibre. Le point critique est le point terminal de la courbe d'équilibre liquide-gaz.
Mini-cours
Le point triple est un point invariant fondamental pour une substance pure. Il est si reproductible que le point triple de l'eau est utilisé pour définir le Kelvin, l'unité de température du Système International. Le point critique marque l'entrée dans un domaine où la substance n'est ni vraiment un liquide ni vraiment un gaz, mais possède des propriétés des deux.
Donnée(s)
| Point | Température | Pression |
|---|---|---|
| Point Triple (T) | \(-56,6 \text{ °C}\) | \(5,11 \text{ atm}\) |
| Point Critique (C) | \(31,1 \text{ °C}\) | \(72,8 \text{ atm}\) |
Schéma d'analyse
Les points T et C sont des points uniques sur le diagramme avec des coordonnées spécifiques.
Réflexions
La position du point triple du \(CO_2\) à une pression de \(5.11 \text{ atm}\), bien au-dessus de la pression atmosphérique normale de \(1 \text{ atm}\), est la raison fondamentale pour laquelle le \(CO_2\) solide (glace sèche) ne fond pas dans nos conditions habituelles. Il n'a pas d'autre choix que de passer directement à l'état gazeux (sublimation).
Points de vigilance
Ne pas confondre les points : Le point triple (T) est une jonction de trois lignes, représentant un équilibre entre trois phases. Le point critique (C) est une fin de ligne, marquant la disparition d'une transition de phase (liquide-gaz).
Résultat Final
Question 3 : Chauffage de \(-80 \text{ °C}\) à \(0 \text{ °C}\) à \(10 \text{ atm}\) constant.
Principe
Suivre un chemin horizontal de gauche à droite sur le diagramme simule un chauffage à pression constante. Les changements de phase se produisent lorsque le chemin traverse une courbe d'équilibre.
Mini-cours
Une transformation à pression constante est dite isobare. Lors d'un chauffage isobare, l'énergie fournie (chaleur) augmente l'agitation thermique des molécules. Lorsque l'on atteint une courbe d'équilibre, cette énergie sert à rompre les liaisons intermoléculaires (chaleur latente) pour changer de phase, plutôt qu'à augmenter la température.
Schéma d'analyse
Le trajet part de la phase solide, traverse la courbe de fusion pour devenir liquide, puis traverse la courbe de vaporisation pour devenir gazeux.
Réflexions
Cette séquence de transformations (solide \(\rightarrow\) liquide \(\rightarrow\) gaz) est ce que nous observons pour l'eau à pression atmosphérique. Pour le \(CO_2\), cela ne se produit qu'à des pressions supérieures à \(5,11 \text{ atm}\). C'est pourquoi le \(CO_2\) liquide est toujours stocké dans des récipients sous pression, comme les extincteurs.
Points de vigilance
Identifier toutes les transitions : Lorsque vous suivez un chemin, faites attention à chaque fois que vous traversez une ligne de phase. Il est facile d'oublier une des transitions si le chemin en croise plusieurs.
Résultat Final
Question 4 : Expliquer la sublimation de la glace sèche à \(1 \text{ atm}\).
Principe
Il faut localiser la pression de \(1 \text{ atm}\) sur l'axe vertical du diagramme et observer quelles phases sont accessibles à cette pression.
Mini-cours
La pression du point triple d'une substance est une valeur seuil critique. Si la pression ambiante est inférieure à cette valeur, la phase liquide ne peut pas exister de manière stable. Toute tentative de chauffer le solide le fera passer directement à l'état gazeux.
Donnée(s)
La pression atmosphérique normale est \(P_{\text{atm}} = 1 \text{ atm}\). La pression du point triple du \(CO_2\) est \(P_t = 5,11 \text{ atm}\). On a donc \(P_{\text{atm}} < P_t\).
Schéma d'analyse
La ligne de pression à \(1 \text{ atm}\) se situe sous le point triple, ne coupant que les domaines solide et gazeux.
Réflexions
Cet exemple illustre parfaitement comment les conditions ambiantes de notre planète dictent les états de la matière que nous observons couramment. Si nous vivions sur une planète avec une atmosphère de plus de 5 atm, nous verrions des flaques de \(CO_2\) liquide se former lorsque la glace sèche fond, tout comme nous voyons l'eau.
Points de vigilance
Ne pas généraliser à partir de l'eau : Notre intuition est fortement basée sur le comportement de l'eau. Il est crucial de se rappeler que chaque substance a un diagramme de phases unique. Pour le \(CO_2\), la phase liquide n'est pas "normale" à la pression atmosphérique, contrairement à l'eau.
Résultat Final
Question 5 : Chauffage et compression vers l'état supercritique.
Principe
Un point se trouve dans la région du fluide supercritique si sa température ET sa pression sont supérieures à celles du point critique (\(T > T_c\) et \(P > P_c\)).
Mini-cours
Les fluides supercritiques sont des "super-solvants". Ils ont la densité d'un liquide, ce qui leur permet de dissoudre des substances, et la viscosité d'un gaz, ce qui leur permet de pénétrer facilement dans des matériaux poreux. Le \(CO_2\) supercritique est utilisé industriellement pour extraire la caféine des grains de café, car il est efficace et non toxique.
Donnée(s)
Point final : \(T = 40 \text{ °C}\), \(P = 80 \text{ atm}\). Point critique : \(T_c = 31,1 \text{ °C}\), \(P_c = 72,8 \text{ atm}\).
Schéma d'analyse
Le trajet part de la phase liquide et se termine dans la région supercritique, au-delà du point critique C.
Réflexions
L'état supercritique n'est pas une quatrième phase de la matière, mais plutôt une région où les propriétés du liquide et du gaz se confondent. Il n'y a pas de ménisque visible et pas de chaleur latente de vaporisation. On peut passer de l'état liquide à gazeux (ou l'inverse) sans transition de phase visible en contournant le point critique, une curiosité thermodynamique aux applications industrielles importantes.
Points de vigilance
Les deux conditions sont nécessaires : Pour être dans l'état supercritique, il ne suffit pas de dépasser la température critique OU la pression critique. Il faut impérativement que \(T > T_c\) ET \(P > P_c\) simultanément.
Résultat Final
Outil Interactif : Explorez le Diagramme du CO₂
Utilisez les curseurs pour faire varier la température et la pression. Observez le changement de phase du dioxyde de carbone en temps réel sur le graphique et dans le tableau de résultats.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Dans quel état se trouve le \(CO_2\) dans une pièce standard (\(25 \text{ °C}\), \(1 \text{ atm}\)) ?
2. Comment s'appelle le passage direct de l'état solide à l'état gazeux ?
3. Quelle est la particularité du point triple ?
4. Pour obtenir du \(CO_2\) liquide, la pression doit être...
5. Une substance au-delà de son point critique est appelée...
Glossaire
- Diagramme de Phases
- Un graphique qui montre les états physiques (phases) d'une substance dans des conditions spécifiques de température et de pression.
- Point Triple
- Le point unique de température et de pression où les phases solide, liquide et gazeuse d'une substance coexistent en équilibre thermodynamique.
- Point Critique
- Le point final de la courbe d'équilibre de phase liquide-gaz. Au-delà de ce point, il n'y a pas de transition de phase distincte entre le liquide et le gaz.
- Fluide Supercritique
- Un état de la matière qui existe au-dessus de la température et de la pression critiques. Il possède des propriétés intermédiaires entre celles d'un gaz et d'un liquide.
- Sublimation
- La transition d'une substance directement de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par une phase liquide.
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