Définition de l’enthalpie molaire de fusion

L’enthalpie molaire de fusion , parfois aussi appelée chaleur molaire de fusion, est le changement d’enthalpie de changement de phase du solide au liquide d’une mole de substance à son point de fusion . Étant donné que le changement d’enthalpie équivaut à la chaleur d’un processus effectué à pression constante, nous pouvons également définir l’enthalpie molaire de fusion comme la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer une mole de substance de l’état solide à l’état liquide lors de sa fusion. pression ponctuelle et constante.

Cette enthalpie est une propriété intensive de la matière, elle dépend donc uniquement de sa composition, et non de la quantité d’échantillon avec laquelle on travaille, ni de l’extension ou de la taille du système. En d’autres termes, c’est une propriété caractéristique de chaque matériau et se réfère généralement à des substances pures.

Par exemple, l’enthalpie de fusion de l’eau à une pression de 1 atm est de 6,02 kJ/mol, ce qui signifie qu’il faut 6,02 kJ pour fondre ou faire fondre 18 g d’eau solide ou de glace (masse correspondant à une mole d’eau) qui sont à 0°C et ainsi les transformer en 18 g d’eau liquide, également à 0°C.

Symbole de l’enthalpie molaire de fusion

Différentes façons de représenter les enthalpies molaires ont existé au fil du temps, y compris l’enthalpie molaire de fusion. Le symbole universellement accepté pour l’enthalpie est H. C’est une fonction d’état définie par la différence entre l’énergie interne d’un système et le produit PV ; en d’autres termes, H = U – PV. Cependant, lorsque nous parlons de l’enthalpie d’un processus tel que la fusion, et non d’une substance, nous faisons en réalité référence à un changement d’enthalpie du système en conséquence dudit processus. Pour cette raison, dans ces cas, le symbole de l’enthalpie est en fait ΔH.

Puisqu’il s’agit de l’enthalpie du processus de fusion, fo « fus » est ajouté en indice, c’est-à-dire ΔH _fus (bien que f soit rarement utilisé car il peut être confondu avec l’enthalpie de formation, qui est un concept différent). Enfin, il existe deux manières d’indiquer généralement qu’une enthalpie est molaire. Autrefois, il était d’usage de placer une barre au-dessus du symbole. Cependant, pour diverses raisons, cette manière de représenter les grandeurs thermodynamiques molaires est inadéquate, ainsi la lettre m (pour molaire) a été remplacée par l’ajout en indice, séparé de l’indice du processus par une virgule. Cela signifie que le symbole actuellement accepté pour l’enthalpie molaire de fusion est :

L’enthalpie molaire standard de fusion

Lorsque la pression à laquelle l’enthalpie molaire est mesurée est la pression standard de 1 atm (ou 1 bar, selon la convention utilisée) et que le processus de changement de phase se produit au point de fusion normal (qui correspond au point de fusion à pression standard) , alors on l’appelle l’enthalpie molaire standard de fusion, qui est indiquée en ajoutant un 0 comme exposant au symbole d’enthalpie.

Unités d’enthalpie molaire de fusion

Les unités de l’enthalpie molaire de fusion sont [énergie]/[mol] ou, ce qui revient au même, [énergie].[mol] ^-1 . Ces unités dépendent du système d’unités dans lequel vous travaillez. Voici quelques exemples d’unités couramment utilisées dans différents domaines :

• Les unités SI sont J/mol ou J.mol ^-1 .
• kJ/mol ou kJ.mol ^-1 (ces unités sont très courantes compte tenu de l’ordre de grandeur de la plupart des enthalpies molaires de fusion).
• cal/mol ou cal.mol ^-1 .
• kcal/mol ou kcal.mol ^-1 ou, ce qui revient au même Cal/mol ou Cal.mol ^-1 (ces unités sont très courantes compte tenu de l’ordre de grandeur de la plupart des enthalpies molaires de fusion).
• BTU/mol ou BTU.mol ^-1 (souvent utilisé en ingénierie).

L’enthalpie molaire de fusion par rapport à la chaleur latente de fusion

C’est une erreur relativement courante de confondre l’enthalpie molaire de fusion avec la chaleur latente de fusion. La raison est simple: les deux se réfèrent à la quantité de chaleur nécessaire pour fondre ou faire fondre une substance solide, dans les deux cas, le changement de phase se produit à pression et température constantes, dans les deux cas, il se produit au point de fusion du solide, et les deux sont propriétés intensives de la matière. Cependant, ce ne sont pas les mêmes.

Pour commencer, la chaleur latente de fusion est représentée par le symbole L _fus ou L _f . Cependant, il existe une différence conceptuelle plus importante liée à la quantité de substance à laquelle chaque terme fait référence. Alors que la chaleur molaire de fusion fait référence à 1 mole d’une substance , la chaleur latente de fusion représente la quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre une unité de masse de la substance, et non une mole. C’est-à-dire que la chaleur latente est en réalité une chaleur spécifique de fusion, dont les unités dans le SI sont le J/kg.

Détermination de l’enthalpie molaire de fusion

détermination expérimentale

Il existe différentes manières de déterminer l’enthalpie molaire de fusion d’une substance. Elle est mesurée expérimentalement à l’aide d’un calorimètre . Par exemple, si on veut mesurer la chaleur molaire de fusion de l’eau, on peut introduire une masse connue d’eau solide (glace) dans un calorimètre de capacité calorifique connue puis laisser fondre la glace tout en contrôlant la température. Ensuite, la quantité de chaleur absorbée par la glace pour fondre peut être déterminée à partir du changement de température du calorimètre, qui nous donne la quantité de chaleur dégagée par celui-ci. Si on utilise un calorimètre isobare, c’est-à-dire à pression constante, cette chaleur représente directement l’enthalpie de fusion de l’échantillon (note : c’est l’enthalpie de fusion ΔH _fus, pas l’enthalpie molaire ΔH _m,fus ).

Enfin, à partir de la masse d’eau et de sa masse molaire (18,02 g/mol), le nombre de moles présentes dans l’échantillon est déterminé et la masse molaire de fusion est calculée à l’aide de l’équation suivante :

Détermination à partir de la chaleur latente de fusion

Comme mentionné précédemment, la chaleur latente de fusion est la chaleur par unité de masse, plutôt que par mole. Pour cette raison, la chaleur latente de fusion peut être transformée en chaleur molaire de fusion simplement en la multipliant par la masse molaire de la substance :

Avant de procéder au calcul, il convient de vérifier la cohérence des unités et d’effectuer les transformations nécessaires.

détermination théorique

L’enthalpie molaire de fusion peut également être calculée théoriquement à partir d’autres grandeurs thermodynamiques. Par exemple, si l’on connaît les valeurs des enthalpies standard de formation du solide et du liquide, ainsi que leurs capacités calorifiques respectives à pression constante (C p,m, s et C P, m, _l , _{respectivement} ) .

Dans ces cas, la loi de Hess est utilisée pour établir deux manières différentes de calculer la variation d’enthalpie de fusion dans des conditions standard de température et de pression, l’une directement et l’autre en portant le solide à son point de fusion normal, en effectuant la fusion à ladite température. température puis amener le liquide à la température standard à laquelle les enthalpies standard de formation sont rapportées.

C’est-à-dire que l’enthalpie des processus suivants est calculée:

Ce qui précède représente le processus en une étape dans lequel une certaine quantité de A passe de l’état solide à la température et à la pression standard de T ₀ et P ₀ , respectivement, à l’état liquide à la même température et à la même pression. L’enthalpie de ce processus peut être calculée directement à partir des enthalpies standard de formation de A dans les deux états.

C’est le même processus, mais réalisé d’une manière différente, en amenant le solide à la température de fusion (T _fus ), en le faisant fondre à cette température, puis en amenant le liquide à la température standard T ₀ .

Puisque les deux processus commencent et se terminent dans les mêmes états, la loi de Hess indique que les changements d’enthalpie totaux doivent être égaux, donc :

À partir de là, nous résolvons l’équation pour trouver l’enthalpie molaire de fusion, ce qui nous donne :

Les références

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LearnChemE. (2020, 13 octobre). Calculer la chaleur de réaction à une température élevée [Vidéo]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=dxBD0j2gzjo&t=252s

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