Points de fusion

Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle cette substance commence à passer de la phase solide à la phase liquide. À cette température, les phases liquide et solide sont en équilibre. Avec une chaleur supplémentaire, la substance fondra complètement. Mais qu’est-ce qui détermine le point de fusion d’une substance ? Pensons aux solides et aux liquides. Les molécules d’un solide se maintiennent les unes les autres dans une structure rigide et ordonnée appelée réseau, tandis que les molécules d’un liquide ont des interactions plus faibles et se déplacent.

Le chauffage d’un solide transfère de l’énergie aux molécules. Avec suffisamment d’énergie, les molécules surmontent les forces qui les maintiennent dans le réseau et commencent à se déplacer. En d’autres termes, si nous chauffons suffisamment un solide, il fond en un liquide. Ainsi, le point de fusion dépend de l’énergie nécessaire pour surmonter les forces entre les molécules, ou les forces intermoléculaires, qui les maintiennent dans le réseau. Plus les forces intermoléculaires sont fortes, plus l’énergie nécessaire est importante, donc plus le point de fusion est élevé.

De nombreuses forces intermoléculaires dépendent de la force avec laquelle les atomes de la molécule attirent les électrons – ou de leur électronégativité. L’azote, l’oxygène, le fluor et le chlore sont fortement électronégatifs, tandis que le carbone, l’hydrogène et le soufre ne sont que modérément électronégatifs. Les liaisons entre atomes ayant des électronégativités significativement différentes sont polaires. Par exemple, une liaison carbone-oxygène typique est polaire, mais une liaison carbone-hydrogène typique ne l’est pas.

Les électrons d’une molécule passent plus de temps autour de ses atomes les plus électronégatifs, ce qui lui donne une légère charge négative de ce côté et une légère charge positive de l’autre côté. C’est ce qu’on appelle un dipôle. Si le dipôle n’est pas annulé par un dipôle égal et opposé dans la même molécule, la molécule a un dipôle permanent et est polaire.

Parlons maintenant de trois forces intermoléculaires importantes : la liaison hydrogène, les interactions dipôle-dipôle et les forces de dispersion de Londres. La liaison hydrogène se produit entre un atome qui retire des électrons avec un doublet non liant d’électrons et un hydrogène lié à un atome plus électronégatif. Les liaisons hydrogène sont parmi les forces intermoléculaires les plus puissantes.

Des interactions dipôle-dipôle se produisent entre les molécules polaires. Dans une interaction dipôle-dipôle attractive, le côté négatif d’un dipôle s’aligne avec le côté positif d’un autre dipôle. Les interactions dipôle-dipôle sont généralement plus faibles que les liaisons hydrogène.

Les forces de dispersion de London proviennent de changements brefs et aléatoires dans la distribution des électrons d’une molécule, qui provoquent des changements correspondants dans les molécules voisines. Ces décalages aléatoires se produisent dans chaque molécule, c’est donc l’une des rares interactions disponibles pour les molécules non polaires. Les forces de dispersion de Londres sont parmi les forces intermoléculaires les plus faibles.

Plus tôt, nous avons prédit que des forces intermoléculaires plus fortes correspondaient à des points de fusion plus élevés. Nous pouvons le voir en action avec l’hexadécane, le 2-hexadécanone et l’acide hexadécanoïque. À mesure que la force des interactions intermoléculaires disponibles pour chaque molécule augmente, le point de fusion augmente également.

Les forces intermoléculaires ne sont pas le seul facteur qui détermine le point de fusion d’une substance. Sa pureté affecte de manière significative ses points de fusion et de congélation dans un effet appelé « dépression du point de congélation ». Cet effet signifie qu’une solution a un point de congélation plus bas que le solvant pur. C’est pourquoi les rues sont saupoudrées de sel lorsqu’il fait très froid. Si de l’eau s’accumule dans la rue, le sel se dissout rapidement pour former une solution dont le point de congélation est beaucoup plus bas que l’eau pure.

Dans un solide, les impuretés sont incorporées dans la structure du treillis. Ces zones ont souvent des interactions intermoléculaires plus faibles, ce qui rend certaines parties de la structure plus faciles à perturber. Ainsi, par rapport à un solide pur, la fusion commence à une température plus basse et se produit sur une plage de température plus large.

Dans cet atelier, vous mesurerez les points de fusion de deux composés organiques connus, puis analyserez un mélange pour explorer comment les impuretés affectent la plage du point de fusion.