Sublimation et condensation

Un article du site scienceamusante.net.

La matière peut exister sous trois états différents : solide, liquide, gaz. Le passage direct de l'état solide à l'état gazeux s'appelle la sublimation. Le chemin inverse s'appelle la condensation. Nous illustrons ici ces deux passages et nous obtenons de beaux cristaux semblables à du givre.

Sommaire

1 Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

  • Porter des lunettes et un masque de protection et se placer dans une pièce aérée.
  • Ne jamais enlever le couvercle lorsque le bécher est chaud car les vapeurs d'acide benzoïque SGH08SGH05 sont très irritantes. Laisser refroidir avant d'ouvrir.
  • Ne pas fermer hermétiquement le récipient pendant le chauffage pour éviter que la pression du gaz fasse exploser le récipient.
  • Bien se laver les mains au savon et à l'eau en cas de contact.

2 Matériel

  • Un grand bécher en Pyrex® (1 ou 2 L)
  • Une plaque de verre, à défaut un couvercle pour le bécher
  • Une plaque chauffante
  • Acide benzoïque C6H5-COOH SGH08SGH05, environ 20 g
  • Éthanol (alcool de pharmacie) SGH02
  • Des petites branches de sapin ou d'arbuste

3 Protocole expérimental

Petits cristaux d'acide benzoïque déposés sur une branche de sapin.
  • Dans le bécher, mettre 20 g d'acide benzoïque SGH08SGH05 en poudre et placer la petite branche de sapin ou d'arbuste.
  • Poser la plaque de verre ou le couvercle sur le bécher (ne pas fermer hermétiquement !).
  • Poser le bécher sur la plaque chauffante et régler la température à environ 100 °C (pas plus).
  • Observer la sublimation de l'acide benzoïque, qui forme une fumée dans le bécher, ainsi que la condensation des vapeurs d'acide sur la branche, en forme de cristaux ou d'aiguilles (ne pas soulever le couvercle).
  • Éteindre la plaque chauffante et laisser le système refroidir pendant 10 minutes.
  • Observer les cristaux d'acide benzoïque qui tourbillonnent dans le récipient comme une tempête de neige miniature.
  • Une fois l'expérience terminée, lorsque c'est froid, verser de l'alcool dans le bécher pour dissoudre l'acide et laver à l'eau du robinet et au liquide vaisselle.

4 Explications

  • L'acide benzoïque se sublime facilement vers 100 °C, il passe de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par l'état liquide. Les vapeurs se condensent dans l'air du bécher et forment un brouillard puis des cristaux en forme d'aiguilles (voir aussi les expériences cristaux-coraux et cristallisation rapide sur vitre).
  • Les cristaux d'acide benzoïque se développent aussi là où ils peuvent s'accrocher, c'est à dire sur la branche de sapin, mais aussi sur les parois internes du récipient si celui-ci a des rayures.
  • La forme en aiguille blanche des cristaux ressemble beaucoup à un givre matinal d'hiver. En effet, l'eau peut aussi se sublimer et se recondenser pour former de beaux cristaux de givre ou bien de la neige (cristaux de forme hexagonale). La preuve que l'eau peut passer de l'état solide à l'état de vapeur sans passer par l'état liquide : un linge humide peut sécher en extérieur par des températures négatives ! Il suffit juste qu'il y ait du vent : l'eau se sublime, le linge sèche.
  • Même si la température d'évaporation d'un produit est bien plus élevée que la température ambiante, des vapeurs du produit peuvent se créer. Cela dépend de la tension de vapeur du produit, c'est à dire sa facilité à être volatil. Votre odorat est un excellent moyen de s'en rendre compte : l'acide benzoïque solide possède une petite odeur piquante : cela signifie bien que quelques molécules gazeuses d'acide sont arrivées jusqu'à votre nez !...
  • La tension de vapeur ("volatilité"), de même que les températures de fusion et d'ébullition, dépendent :
    • de la température : un produit est plus volatil lorsqu'on le chauffe,
    • de la pression : un produit est plus volatil lorsqu'on abaisse la pression de l'air qui l'entoure,
    • du produit lui-même et surtout des forces intermoléculaires (qui s'exercent entre les molécules : forces de van der Waals et liaisons hydrogène, par exemple).
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