État standard

En chimie, l'état standard d'une substance est défini comme un état particulier de la substance servant de référence pour les bases de données physico-chimiques. Il correspond généralement au corps pur sous un état particulier, parfois virtuel, à une température particulière et sous la pression standard : $p$ ° = 1 bar = 10⁵ Pa. Pour l'état gazeux, il s'agit de l'état de gaz parfait, état légèrement différent de l'état réel. Les tables élémentaires de thermodynamique chimique se limitent souvent à la température de référence 298,15 K (25 °C) mais les tables plus complètes donnent les grandeurs thermodynamiques standard à diverses températures.

Remarque : dans les anciennes tables, les données se réfèrent à la pression normale de 1 atm = 1,013 25 × 10⁵ Pa^[1]. Concernant les données des tables, ce changement n'a aucune conséquence pour les états liquide et solide et des conséquences généralement négligeables pour l'état gazeux.

Corps pur

L'état standard d'un gaz pur est le gaz parfait hypothétique à la pression standard de 1 bar. Aucun gaz réel n'est parfait sauf à une pression infiniment faible, mais cette définition permet de tenir compte de la non-idéalité.
L'état standard d'une phase condensée (solide ou liquide) est la même phase pure, encore à la pression standard de 1 bar.
Pour une solution en phase condensée, l'état standard du solvant est le dit solvant en état pur, toujours à la pression standard de 1 bar.

État standard de référence pour les corps purs

Un état standard particulier utilisé pour les tables est l'état standard de référence défini pour chaque élément chimique. C'est généralement l'état de l'élément pur le plus stable à la température considérée et sous 1 bar.
Pour un solide cristallisé, c'est la variété allotropique stable à la température choisie. Exemple : le carbone graphite est l'état standard dans les conditions normales de température, contrairement au carbone diamant qui est métastable.

Exemples d'état standard de quelques corps purs

L'état standard correspond à leur forme stable à la température choisie ; par exemple ici, $T$ = 298 K.

Élément chimique	Symbole	Numéro atomique	Espèce chimique de l'état standard	État	Formule chimique
Hydrogène	H	1	Dihydrogène	Gazeux	H₂(g)
Hélium	He	2	Hélium	Gazeux	He(g)
Carbone	C	6	Graphite	Solide	C(graphite)
Azote	N	7	Diazote	Gazeux	N₂(g)
Oxygène	O	8	Dioxygène	Gazeux	O₂(g)
Fluor	F	9	Difluor	Gazeux	F₂(g)
Phosphore	P	15	Phosphore blanc	Solide	P₄(s)
Fer	Fe	26	Ferrite $\alpha$	Solide	Fe( $\alpha$ )
Cuivre	Cu	29	Cuivre $\alpha$	Solide	Cu( $\alpha$ )

Solutions : états standard du solvant et d'un soluté

Dans une solution liquide, les états standard des constituants sont toujours définis sous la pression $p$ ° = 1 bar. Mais l'état standard est différent selon qu'un constituant est considéré comme le solvant ou comme un soluté. Pour un constituant donné, les deux définitions possibles sont les suivantes :

dans son état standard « solvant », il est à l'état de liquide pur ;
dans son état standard « soluté » il est supposé être dans une solution qui conserverait les propriétés d'une solution assez diluée pour demeurer idéale jusqu'à la concentration standard fixée par convention à $c$ ° = 1 mol/l. Il s'agit d'un état extrapolé, qui est souvent assez éloigné de l'état réel sauf dans les solutions qui restent idéales dans tout le domaine de concentration. Cette définition est analogue à celle de l'état standard d'un gaz qui est supposé demeurer parfait jusqu'à la pression $p$ °. On peut aussi définir des échelles de soluté en molalité où l'état standard correspond à la molalité de 1 mol/kg ou en fraction molaire où l'état standard correspond à un soluté pur. Ce sont toujours des états virtuels puisque le soluté doit garder son comportement infiniment dilué.

Dans un mélange de deux liquides, par exemple eau-alcool, chacun des deux constituants peut être considéré indifféremment comme le solvant ou le soluté, d'où en tout quatre états standard. Par contre lorsque l'on dissout un solide (exemple : chlorure de sodium) dans un liquide (exemple : eau), le solide est nécessairement le soluté.

Lien avec le potentiel chimique

D'une façon générale, l'état standard est l'état où pour chaque constituant $i$ le potentiel chimique $\mu _{i}$ est égal au potentiel chimique standard $\mu _{i}^{\circ }$ . Comme le potentiel chimique s'écrit :

\mu _{i}=\mu _{i}^{\circ }+RT\ln a_{i}

,

cela revient à définir l'état standard comme l'état où l'activité de chaque constituant $a_{i}$ est égale à 1. L'état standard dépend ainsi de l'échelle d'activité considérée.

Notes et références

↑ Avant 1985, la pression standard était égale à la pression normale 1 atm = 101 325 Pa.

Articles connexes

Portail de la chimie

[1] Avant 1985, la pression standard était égale à la pression normale 1 atm = 101 325 Pa.

[1]