010 – Point de fusion et densité

Comment distinguer une substance d'une autre lorsque toutes deux sont des solides blancs et inodores ? Pas par l'apparence, mais par la mesure. Chaque substance pure possède un ensemble de propriétés physiques qui ne dépendent pas de la quantité dont on dispose : sa masse volumique, son point de fusion, son point d'ébullition. On les appelle des propriétés intrinsèques, et elles fonctionnent comme une empreinte digitale. Les laboratoires de contrôle qualité vérifient ainsi les matières premières, les experts médico-légaux identifient ainsi des échantillons inconnus, et les géologues classent ainsi les minéraux.

La masse volumique est le rapport de la masse d'un échantillon à son volume — c'est la quantité de matière contenue dans chaque millilitre. Le point de fusion est la température à laquelle la structure ordonnée du solide s'effondre en liquide, et elle reste constante pendant la fusion : la chaleur entrante est consommée pour briser la structure et non pour élever la température, ce qui explique pourquoi une substance en fusion présente un palier sur un graphique température-temps.

Dans ce laboratoire, vous mesurerez ces deux propriétés pour la cire de paraffin. D'abord, vous peserez un échantillon et déterminerez son volume par déplacement d'eau, ce qui donnera sa masse volumique ; ensuite, vous ferez fondre un échantillon pesé dans un bain-marie, en suivant la température sur le graphique de la tablette pour saisir le palier de fusion. Ensemble, ces deux chiffres caractérisent le matériau.

Objectifs Éducatifs

Familiarisation avec l'environnement du laboratoire

• Identifiez l'agencement et l'équipement du laboratoire, y compris la balance électronique, les éprouvettes graduées, la plaque chauffante, le support de laboratoire et ses pinces, le thermomètre, le chronomètre et les pinces brucelles.

Utilisation correcte de la balance électronique

• Utilisez la barquette de pesée et la fonction de tare pour que la balance n'affiche que la masse de l'échantillon.
• Pesez un échantillon morceau par morceau jusqu'à atteindre une masse cible, en enregistrant au fur et à mesure.

Mesurer le volume d'un solide irrégulier

• Déterminer le volume par déplacement d'eau : lire le cylindre avant et après l'ajout du solide, et soustraire.
• Observez le ménisque à hauteur des yeux.

Détermination d'une masse volumique

• Calculer la masse volumique en divisant la masse par le volume, avec les unités correctes (g/mL), et comparer le résultat à une valeur de référence.

Mesure du point de fusion

• Montez le dispositif de bain-marie avec le tube à essai et le thermomètre fixés à distance du fond, et expliquez pourquoi le thermomètre ne doit pas toucher le verre.
• Suivez le graphique température-temps, identifiez le palier de fusion et lisez-y le point de fusion.
• Expliquez pourquoi un bain-marie, plutôt qu'un contact direct avec la plaque chauffante, est utilisé pour fondre l'échantillon.

Comprendre les propriétés intensives

• La masse volumique et le point de fusion ne dépendent pas de la taille de l'échantillon car ce sont des propriétés intensives. Cela signifie qu'elles dépendent de la nature intime de la matière et non de la quantité présente. Lorsque la quantité d'une substance augmente, sa masse et son volume augmentent proportionnellement, ce qui maintient le rapport de la masse volumique constant. De même, la quantité de chaleur nécessaire pour changer d'état reste la même par unité de substance, indépendamment de la taille de l'échantillon. Cela les rend très utiles pour identifier des substances car ces valeurs sont constantes pour un matériau pur donné à des conditions de température et de pression spécifiques. En mesurant la masse volumique ou le point de fusion d'une substance inconnue, on peut comparer cette valeur à des tables de référence de matériaux connus pour déterminer son identité, peu importe si l'on dispose d'un petit échantillon ou d'un grand bloc.

Protocole

Partie 1 : Densité

1. Placez la coupelle de pesée sur le plateau de la balance.
2. Appuyez sur tare pour mettre la balance à zéro.
3. Pesez 5 morceaux de paraffine.
4. Mesurez le volume de l'échantillon de paraffine par déplacement d'eau.
5. a) Mesurer 20 mL d'eau distillée avec l'éprouvette graduée.
6. b) Prenez la nacelle contenant les morceaux de paraffine et versez les morceaux dans l'éprouvette graduée en les faisant glisser. Observez l'augmentation de volume.
7. c) Le volume final, moins le volume initial (20 mL), est égal au volume des morceaux de paraffine.
8. Vérifier que la masse et le volume de la paraffine sont correctement saisis dans le tableau des résultats sur la tablette.
9. La masse de paraffine divisée par son volume est égale à la densité de la paraffine (en g/mL).

Partie 2 : Le point de fusion

7. Remplir un bécher de 500 mL d'eau froide du robinet (environ 6 °C).
8. Placez le bécher d'eau froide sur la plaque chauffante.
9. En connaissant la densité de la paraffine, à l'aide d'une pince à épiler, déposer des morceaux de paraffine sur la balance en utilisant le bateau de pesée jusqu'à obtenir une masse correspondant à un volume de 18 mL (21,25g).
10. Verser la paraffine pesée dans un tube à essai vide.
11. Attacher une pince universelle au support (position inférieure) au-dessus du centre du bécher.
12. Attachez le tube à essai à la pince universelle au-dessus du centre du bécher.
13. Fixez une seconde pince universelle au support (position supérieure) au-dessus de l'éprouvette.
14. Insérez le thermomètre dans le tube à essai en le fixant à la pince universelle. Le thermomètre ne doit pas toucher le fond du tube à essai.
15. Démarrez le chronomètre (bouton rouge).
16. Régler la température de la plaque chauffante sur 85 °C, attendre que la température monte à 57 °C. La paraffine commencera à fondre environ 1 minute après que la température de 57 °C aura été atteinte (un délai est donc à prévoir).

La température dans le tube à essai va augmenter, se stabiliser sur un plateau pendant que la paraffine fond, puis continuer à augmenter. Attendez que la paraffine soit complètement fondue. Suivez la progression de l'expérience sur le graphique dans la section des résultats de la tablette.

17. Baissez la température de la plaque chauffante à 15°C.

Résultats attendus

Résultats attendus.

Pourquoi le déplacement permet de calculer le volume. Un solide irrégulier n'a pas de formule pour son volume, mais il occupe quand même de l'espace : immergé dans l'eau, il déplace exactement son propre volume de liquide, et la lecture de l'éprouvette graduée augmente de cette valeur. Avec la lecture initiale à 20 mL, la lecture finale donne directement le volume de paraffine par soustraction. La masse volumique s'en déduit ensuite : ρ = m/V = 21,25 g ÷ 25 mL = 0,85 g/mL. Notez ce que ce chiffre révèle immédiatement : la paraffine est moins dense que l'eau (1,00 g/mL), ce qui explique pourquoi la cire de bougie flotte.

Pourquoi la température reste à un plateau. Un solide fond lorsque ses particules acquièrent suffisamment d'énergie pour briser leur arrangement ordonné. Pendant ce processus, chaque joule fourni par le bain-marie est consacré au démantèlement de la structure — la chaleur latente de fusion — et aucun n'est disponible pour élever la température. Le graphique monte donc, s'aplatit à environ 57 °C pendant que la paraffine fond, et ne reprend sa montée qu'une fois le dernier solide disparu. C'est le plateau, et non une quelconque lecture du thermomètre, qui constitue la mesure.

Pourquoi l'installation est conçue de cette façon. Le bain-marie entoure le tube à essai d’un milieu qui se réchauffe uniformément et ne peut dépasser 100 °C, protégeant ainsi l’échantillon de la brûlure que provoquerait un contact direct avec la plaque. Le thermomètre est maintenu à distance du verre car la paroi du tube, chauffée de l’extérieur, atteint une température supérieure à celle de l’échantillon lui-même ; le toucher fausserait la mesure à la hausse. Et le délai mentionné dans le protocole relève d’un phénomène physique réel : la chaleur met du temps à traverser l’eau et la cire pour atteindre le bulbe du thermomètre.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

• Focalisation la densité et le point de fusion, en tant que propriétés permettant d'identifier une substance, ainsi qu'une technique de mesure rigoureuse.
• Activités : pesez les morceaux de paraffine en utilisant la fonction de tare ; mesurez leur volume par déplacement et calculez la masse volumique ; réalisez l'expérience de fusion et lisez le point de fusion sur le graphique ; comparez les deux résultats aux valeurs attendues et suggérez des raisons pour toute différence.

11e année

• Focalisation chaleur latente, et l'interprétation d'une courbe température-temps.
• Activités : Explication du palier de fusion en termes de chaleur latente de fusion : Le palier de fusion est la période pendant laquelle la température reste constante alors que l'on continue de chauffer. Toute l'énergie thermique fournie est absorbée sous forme de chaleur latente de fusion, qui correspond à l'énergie nécessaire pour rompre les forces intermoléculaires et faire passer la substance de l'état solide à l'état liquide, sans élever la température. Pourquoi le thermomètre ne doit pas toucher le tube : Le thermomètre doit mesurer la température de la substance et non celle de la paroi du tube à essai, qui est plus chaude car elle est en contact direct avec la source de chaleur. Pourquoi un bain-marie est utilisé : Un bain-marie permet un chauffage uniforme et graduel de la substance, évitant ainsi les surchauffes locales et assurant une température homogène. Calcul de la masse volumique : (La valeur numérique ou les données manquantes empêchent le calcul direct, mais la formule est : Densité = Masse / Volume). Prédiction de la forme de la courbe avec une masse double de paraffine : Le palier de fusion durera deux fois plus longtemps (nécessitera deux fois plus de chaleur latente pour fondre), mais la température de fusion restera exactement la même.

12e année / Niveau universitaire

• Focalisation propriétés intensives par rapport aux propriétés extensives et conception de la mesure.
• Activités : classer chaque grandeur mesurée comme intensive ou extensive et justifier ce classement ; expliquer pourquoi un solide flottant ne se prête pas à la méthode naïve du déplacement et comment la mesure devrait être mise en œuvre dans un véritable laboratoire ; expliquer l'amplitude de l'intervalle de fusion de la paraffine en fonction de sa composition en hydrocarbures mélangés ; indiquer la densité en utilisant le nombre de chiffres significatifs approprié.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Bêchers (50 mL, 100 mL, 500 mL et 1000 mL)
• Balance électronique
• Éprouvettes graduées (70 mL et 100 mL)
• Plaque chauffante
• Support de laboratoire et pinces
• Agitateur magnétique
• Spatules
• Éprouvettes
• Thermomètres
• Minuteur
• Pince à épiler

Produits

• Paraffine (morceaux)