Bonjour à tous !
J'aimerais savoir si l'on peut calculer les températures de changements d'état d'une espèce chimique théoriquement, sans le constater par l'expérience.
En gros peut-on par exemple savoir que l'eau fond à 0°C et bout à 100°C sans en posséder une goute, uniquement en connaissant sa formule chimique.

Je suis en 2nde et je suppose que si de tels calculs existent, je ne suis pas en mesure d'y comprendre quoi-que ce soit ce pendant je me satisferais d'un "non , ce n'est pas possible" ou d'un " oui, c'est possible " avec, le cas échéant une évaluation du niveau de physique-chimie nécessaire pour comprendre ces calculs (bac + x)

Merci d'avance pour vos réponses.

On le peut mais c'est inaccessible à un élève de seconde.
Cela relève de la thermodynamique et thermochimie. D'ailleurs tu t'apercevrai qu'il existe de l'eau liquide en dessous de 0°C et que l'eau ne bout pas toujours à 100°C.

Je dirais que c'est de l'ordre de BAC+1 ou BAC+2.
Il faut un bon formalisme mathématiques et une maitrise des outils mathématiques de base.

Merci beaucoup de ta réponse rapide.
j'espère pouvoir étudier ce genre de chose dans mes études post-bac

Pour cela, fait un BAC S et dirige toi vers une CPGE.

Si ça t'intéresse, voila une petite expérience que tu peux faire pour mettre en évidence le fait qu'il existe de l'eau ne gèle pas forcément à 0°C : http://www.youtube.com/watch?v=rzmDJTG [...] ature=related

Et comment fait un chimiste pour prédire la température de fusion de, disons, une solution d'acide acétique pur ? Quelles sont les informations sur la molécule qui sont utilisées ?

Tu utilises des tables.
Après il a bien fallu les établir, donc il a fallu des mesures expérimentales.

Et on cherche quelles informations dans "les tables" ?
Des caractéristiques intrinsèques à la molécule (liaisons entre les atomes, disposition 3D...) ? Si oui, comment utilise-t-on alors ces informations pour remonter à la température de fusion/d'ébullition ?

Citation : Hod

Si ça t'intéresse, voila une petite expérience que tu peux faire pour mettre en évidence le fait qu'il existe de l'eau ne gèle pas forcément à 0°C : http://www.youtube.com/watch?v=rzmDJTG [...] ature=related

Phénomène amusant .
J'en avais déjà entendu parler je crois que cela s'explique par le fait qu'en plus de condition particulières de températures et de pressions, une perturbation est nécessaire pour qu'un changement d'état aie lieu

Citation : Elentar

Et on cherche quelles informations dans "les tables" ?
Des caractéristiques intrinsèques à la molécule (liaisons entre les atomes, disposition 3D...) ? Si oui, comment utilise-t-on alors ces informations pour remonter à la température de fusion/d'ébullition ?

C'est un interrogatoire ?
La méthode ne doit pas être unique et dépend des informations que tu as sur ton composé.
Un calcul d'enthalpie notamment devrait pouvoir régler le problème.

Non, ce n'est pas un interrogatoire.
Je ne suis pas chimiste et tes réponses très succinctes me laissent fortement dans le flou par rapport à la question de base. Je n'aurais pas dit que c'était aussi simple que le laissais sous-entendre et je cherchais à voir ce que tu entendais par là, parce que j'ai cru comprendre dans ton premier message de réponse que tu avais le niveau pour expliquer plus en détail la démarche.

Et en fait, je n'ai toujours pas trouvé dans tes réponses le lien entre d'une part la connaissance physique de la molécule, ses liaisons, sa structure et d'autre part la température d'ébullition/fusion.
Tu parles ici d'enthalpie, d'accord mais alors comment calcule-t-on une enthalpie en ayant les informations que je cite là sur la molécule ?

La question de base stipule "uniquement en connaissant sa formule chimique", "sans le constater par l'expérience", c'est pour ça que j'insiste dans cette direction. En soi, relier la température à une autre grandeur thermodynamique mesurée est bien sûr intéressant mais il faut voir au final comment relier cette grandeur thermodynamique aux données dont on dispose (càd ici, la connaissance seulement théorique et parfaite de la structure de la molécule).
Parce que si il s'agit juste d'aller chercher l'enthalpie dans une bouquin, ça répond pas à la question de base.

En cherchant un peu sur Wikipédia j'ai trouvé ça pour le point de fusion, qui se rapproche un peu de ce que je demande (appliqué aux structures cristallines apparemment).

En ayant juste les informations, je pense que c'est impossible.
A vrai dire, maintenant que j'y réfléchis plus, les problèmes académiques que l'on te pose, découle surement d'une expérience, et les données fournis surement de cette expérience.

En thermochimie par exemple, avec l'affinité chimique uniquement tu peux déterminer la variété allotropique la plus stable (c'est l'exemple que j'ai en tête parce que j'en discutais sur un sujet sur la formation du diamant), il ne doit pas être dur d'extraire de cette affinité chimique une température maximale de stabilité avant un changement d'état (relation de Kirchhoff, de Gibbs-Helmotz, etc.).

Après on peut peut-être jouer sur les grandeurs de réaction homologué notamment celles de transition de phase, vaporisation, etc. En fonction du contexte. Mais là j'ai bien peur qu'il faille un minimum de donné qui relève de l'expérimentale (même si aujourd'hui mise dans des tables).

Plus en thermochimie je pensais aux diagrammes binaires avec courbe de démixtion, d'ebullition, de rosé, pallier eutectique, azeotrope, et tout le bordel. Utilisation de la loi de Raoul, de Dalton, de Henri. Mais maintenant je me demande si justement on ne peut pas considérer ces diagrammes comme des résultats d'expériences, auquel cas effectivement on serait bien embêté.

Après je pense qu'on peut utiliser toutes ces informations, établi rigoureusement. On sait très bien que toutes les données de "base" dont nous disposons proviennent de l'expérimentale. Même la définition du kilogramme se base sur un patron que l'on tente de garder intact.

Il existe peut-être une méthode cristallographique mais je n'en ai pas fait assez pour savoir si c'est possible.

En fait, en fonction des informations que tu as sur ton produit je pense que tu peux te débrouiller.
Par exemple si tu me donnes une formule brute de l'acide éthanoïque, je vais pouvoir calculer l'enthalpie standard de formation par les tables, loi de Hess et parce qu'il s'agit d'une réaction homologuée. Ensuite, pour passer d'un état à un autre avec pour seul changement la température, je peux faire un nouveau calcul d'enthalpie. Je pense qu'il manquerait une donnée, mais une simple modélisation par tableur et pourquoi pas une déduction par interpolation est possible pour trouver un résultat acceptable voir plutôt correct.

(Désolé pour l'interrogatoire, mais je m'attendais à une cinglante remarque sur l'aplomb de ma courte réponse. Je n'ai pas voulu développer outre mesure pour un élève de seconde qui n'aurait pas compris un traire mot... ^^')

D'ac.
Je ne cerne pas forcément (parce que je n'ai aucune connaissance en thermochimie) mais merci pour cette "version longue".

Bonjour,

La plupart des courbes et autres tables sont très souvent construites avec des données expérimentales. C'est déjà très bien et très utile.

Il faut quand même savoir que l'on peut remonter à toutes ces informations sans expérience et que les résultats peuvent être vraiment très bon si on a de gros moyens de calcul. On utilise simplement les outils de chimie quantique et l'on remonte à un grand nombre d'informations thermodynamiques.

Cependant, cette méthode n'est "viable" que pour des corps purs et en standard, dans la plupart des logiciels, les molécules sont "considérées" gazeuses : cela signifie que ce genre de méthodes ne sont pas triviales à mettre en œuvre mais restent quand même fort utiles quand il est difficile d'atteindre les conditions de changement de phase expérimentalement.

A mon avis, pour trouver les points critiques d'un système, il faudrait idéalement faire comme ça:
- Déterminer le hamiltonien du système en fonction des coordonnées généralisées.. Déjà, là, c'est tendu.
- Ensuite exprimer la fonction de partition. La calculer pour trouver une forme fermée, avec laquelle on puisse travailler.
- Dériver de la fonction de partition les potentiels thermodynamiques qui vont bien: energie libre de Helmholtz, Gibbs, grand potentiel.
- Trouver les non-analycités de ces potentiels et de leurs dérivées
- Résoudre pour les points non-analytiques => condition critiques

Donc pour une substance complexe, je pense qu'on ne peut même pas exprimer le hamiltonien, parce qu'il y a beaucoup trop de degrés de libertés, et de contraintes complexes. En plus dans le cas général, il n'y a aucune symétrie, donc ça simplifie pas les choses.

La meilleure stratégie, pour moi, c'est de trouver un modèle qui marche bien, et qui présente des similarités avec le problème en question. En ajustant les paramètres, on peut peut-être arriver a faire des prédictions.

Pour une description plus détaillée de comment il est possible de le faire :
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp981195o

Citation : Abaxos

Pour une description plus détaillée de comment il est possible de le faire :
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp981195o

J'ai pas lu tout en détail, mais ça ne répond pas à la question de départ: L'auteur propose de calculer ab initio différentes grandeurs thermodynamiques, chaleur spécifique, enthalpie, entropie, etc. Mais l'état des substances est supposé être un gas parfait à 1atm. Donc aucune informations sur une éventuelle transition de phase.

Ceci dit, c'est tout à fait intéressant, comme démarche!

Oui, c'est vrai que j'ai divergé vers les grandeurs de thermo et je n'ai pas dis en quoi je pouvais annoncer que le calcul de conditions de changement de phase étaient possibles.
En fait, j'avais lu ce papier : http://www.etseq.urv.es/complex/pubs_m [...] 23_044506.pdf

Alors, ce n'est pas vraiment à la portée de n'importe qui mais

Citation

cette méthode n'est "viable" que pour des corps purs et en standard, dans la plupart des logiciels, les molécules sont "considérées" gazeuses : cela signifie que ce genre de méthodes ne sont pas triviales à mettre en œuvre mais restent quand même fort utiles quand il est difficile d'atteindre les conditions de changement de phase expérimentalement.

De fait, la grande difficulté réside dans la modélisation de la phase liquide. L'eau n'est, à ce titre, pas l'exemple le plus simple, mais j'ai lu que c'était possible et employé "en vrai" pour d'autres molécules.

Citation : Abaxos

[...]
De fait, la grande difficulté réside dans la modélisation de la phase liquide. L'eau n'est, à ce titre, pas l'exemple le plus simple, mais j'ai lu que c'était possible et employé "en vrai" pour d'autres molécules.

Ils font, numériquement, exactement ce que j'ai annoncé précédemment: ils intègrent avec des méthodes de monte carlo la fonction de partition. A partir de là, outre les difficultés technique de précision numérique, de l'implémentation de la méthode d'intégration, de performances, et du modèle microscopique considéré (!), les résultats sont aisé à obtenir. Les calculs fournissent directement les informations pour identifier une transition de phase: densité volumiques, distribution des vitesses, etc..

Mais pour répondre à la question initial de l'auteur du thread, je dirais:
C'est possible, mais pas analytiquement, (donc numériquement) et au prix d'hypothèses simplificatrices drastiques. Et plus les espèces chimiques sont complexes, plus les calculs sont complexes.

Je n'ai jamais dit que ta méthode ne marchait pas ou n'était pas employée... Tout ce que j'ai dit, c'est que ça se fait (ce qui a un prix comme je le disais et comme TU le disais aussi ). C'est juste que ta réponse semblait impliquer "trop dur, marchera pas", j'ai voulu dire : "c'est effectivement dur, mais il y a de la recherche dessus qui donne de bons résultats".

Pour le reste, entièrement d'accord : pas de réponse analytique (en même temps, en chimie quantique, les solutions analytiques sont pour le moins rares (mais je sais que tu sais que nous savons déjà ça) ). C'est pour cela que je parlais de gros moyens de calculs...