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Solidification
La solidification transforme un liquide en solide. Pour l’eau, on parle couramment de congélation : l’eau liquide devient de la glace.
Du liquide au solide
Lors de la solidification, les constituants d’un liquide s’organisent de manière suffisamment stable pour former un solide. Le phénomène est l’inverse de la fusion. La substance peut rester chimiquement la même : l’eau liquide et la glace sont toutes deux constituées de molécules H₂O.
Vers la droite : fusion. Vers la gauche : solidification.
Pour l’eau, retenez 0 °C
À pression atmosphérique normale, l’eau pure se solidifie autour de 0 °C. Dans les conditions idéales d’équilibre, température de fusion et température de solidification correspondent. Dans la vie réelle, la présence de solutés, d’impuretés ou des conditions particulières de refroidissement peuvent modifier ce que l’on observe.
Que devient l’énergie ?
La solidification s’accompagne d’un transfert d’énergie vers l’environnement. Le liquide doit perdre l’énergie associée au changement d’état. Pendant la transformation d’un corps pur à pression constante, la température peut rester proche du point de solidification alors même que de l’énergie continue d’être retirée.
Si de l’eau à 5 °C est placée dans un environnement froid, sa température diminue d’abord. Près de 0 °C, la formation de glace peut commencer. Une fois toute l’eau solidifiée, la glace peut ensuite se refroidir en dessous de 0 °C.
Pourquoi le sel empêche-t-il la glace de se former aussi facilement ?
Du sel dissous abaisse la température de congélation de l’eau. C’est l’une des raisons pour lesquelles du sel est utilisé sur les routes en hiver. Il ne « chauffe » pas la route : il modifie les conditions auxquelles l’eau liquide et la glace peuvent coexister.
Solidification et cristallisation
Beaucoup de solides se forment sous forme cristalline : leurs constituants adoptent une organisation ordonnée. Mais les mots ne sont pas parfaitement interchangeables dans tous les contextes. La cristallisation désigne la formation d’un solide cristallin et peut se produire à partir d’une solution, d’un liquide fondu ou d’autres phases.
La surfusion : de l’eau liquide sous 0 °C ?
Dans certaines conditions très propres et calmes, un liquide peut rester liquide en dessous de sa température habituelle de solidification. On parle de surfusion. Une perturbation ou l’apparition d’un germe de cristallisation peut alors déclencher une solidification rapide.
Faire fondre un glaçon puis recongeler l’eau ne crée pas une nouvelle substance. Tant qu’aucune réaction chimique n’intervient, la formule reste H₂O. Ce sont l’organisation et l’état physique qui changent.
L’eau présente une particularité remarquable : la glace ordinaire est moins dense que l’eau liquide, ce qui lui permet de flotter. Lors de la congélation, les molécules d’eau s’organisent dans une structure cristalline relativement ouverte. Cette propriété a des conséquences importantes dans la nature : une couche de glace peut se former à la surface d’un lac tandis que de l’eau reste liquide en dessous.
Pourquoi la glace flotte-t-elle ?
La formation d’un solide cristallin ne demande pas seulement que la température soit suffisamment basse. Il faut aussi que les premiers constituants puissent s’organiser en un petit germe stable. Les parois d’un récipient, de minuscules particules ou un cristal déjà présent peuvent faciliter cette étape. C’est l’une des raisons pour lesquelles les conditions expérimentales influencent la manière dont un liquide se solidifie.
Comment un cristal commence-t-il à se former ?
L’essentiel
La solidification est le passage d’un liquide au solide et s’accompagne d’un transfert d’énergie vers l’extérieur. Pour l’eau pure, le repère est 0 °C à pression atmosphérique normale. Les solutés peuvent déplacer cette température, et la formation du solide peut nécessiter l’apparition de premiers cristaux.