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État physique des éléments
À température et pression ordinaires, la plupart des éléments sont solides. Quelques-uns sont gazeux et seuls deux éléments sont liquides dans des conditions proches de 20–25 °C : le mercure et le brome.
À température ambiante, les solides dominent très largement
La plupart des éléments sont solides dans des conditions proches de 20–25 °C et de la pression atmosphérique. Seuls quelques éléments sont gazeux, et deux exemples bien connus — brome et mercure — sont liquides dans cette plage. Mais cette carte change dès que la température ou la pression change.
H, N, O, F, Cl et les gaz nobles.
Br et Hg autour de la température ambiante.
Tous les autres éléments dont l’état macroscopique est établi dans ces conditions.
Pour certains, les propriétés macroscopiques sont surtout prédites car on ne dispose que de très peu d’atomes.
Pourquoi les points de fusion varient autant
La phase dépend de la compétition entre agitation thermique et cohésion de la structure. Liaison métallique, forces intermoléculaires, structure cristalline et effets électroniques produisent des points de fusion très différents. Il n’existe donc pas une simple flèche périodique permettant de prévoir précisément toutes les températures de fusion.
Atome isolé : pas de « phase » macroscopique. Corps simple : ensemble d’atomes ou molécules de l’élément. Échantillon : sa phase dépend de T, p et parfois de la forme allotropique.
Transitions physiques, identité chimique inchangée
Faire fondre un métal ou vaporiser un liquide ne change pas son numéro atomique. Une transition de phase réorganise la matière sans transformer les noyaux en un autre élément.
- Définissez T et p.
- Consultez les points de transition pertinents.
- Précisez l’allotrope si nécessaire.
- Distinguez observation expérimentale et prédiction pour les éléments superlourds.
Une bonne légende de tableau périodique dit « état à telle température et telle pression », et non simplement « état de l’élément ».
En résumé
La carte solide/liquide/gaz est une photographie thermodynamique à des conditions données, pas une classification immuable.
Solides
La grande majorité des éléments : fer, cuivre, carbone, soufre, silicium…
Liquides
Le mercure (Hg) et le brome (Br) sont liquides à température ambiante usuelle.
Gaz
Hydrogène, azote, oxygène, fluor, chlore et gaz nobles sont gazeux dans les conditions ordinaires.
Cas proches d’une transition
Le gallium ou le césium fondent à des températures assez proches de la température ambiante et peuvent changer d’état facilement.
L’état physique n’est pas une propriété indépendante de la température
Dire qu’un élément est « solide » n’a de sens qu’en précisant les conditions. En chauffant ou en refroidissant, un même corps peut fondre, se solidifier, s’évaporer ou se condenser. La pression joue également un rôle dans les équilibres de phase.
Les interactions entre particules ne sont pas les mêmes
La structure électronique, le type de liaison et l’organisation du solide influencent fortement les températures de fusion et d’ébullition. Un gaz noble comme l’hélium et un métal comme le tungstène n’ont donc pas des comportements thermiques comparables.