Changements de phases du soufre, analogie avec le métamorphisme

Le soufre, une fois solidifié, forme une surface lisse, de couleur homogène et jaune assez foncé à brun. C'est du soufre β. Une fois le refroidissement effectué (en quelques dizaines de minutes), rien ne se passe. La transition β → α qui aurait dû se faire a du retard. Puis, au bout de quelques heures, on voit apparaître sur la surface jaune foncée des taches plus ou moins circulaires jaunes clair : du soufre α apparaît.

Source - © 2001 ENS de Lyon Figure 2. Creuset avec soufre cristallisé, t=0 Soufre β brun sur toute la surface.	Source - © 2001 ENS de Lyon Figure 3. Creuset avec soufre cristallisé, t~1 h Quelques taches de soufre α jaune clair apparaissent.	Source - © 2001 ENS de Lyon Figure 4. Creuset avec soufre cristallisé, t~2 h Les taches de soufre α se développent.
Source - © 2001 ENS de Lyon Figure 5. Creuset avec soufre cristallisé, t~3 h Les taches de soufre α se développent.	Source - © 2001 ENS de Lyon Figure 6. Creuset avec soufre β brun cristallisé, t~4 h Les taches de soufre α se développent, la progression est lente.	Source - © 2001 ENS de Lyon Figure 7. Creuset avec soufre β brun cristallisé, t~5 h Le soufre α recouvre une grande partie de la surface... mais du soufre β est encore présent au bout de 6 h.

Au cours du temps, ces taches de soufre α grandissent, et en 1 à 2 jours, quasi-totalité de la surface est devenue jaune clair. Le changement de phase et la recristallisation en phase α commencent au niveau de germes de cristallisation, qui peuvent être soit des impuretés, soit une zone choquée.

Si par exemple on choque avec un agitateur un point particulier de la surface, c'est souvent à ce niveau que débutera le changement α → β et l'apparition de la tache jaune clair. Les réactions de recristallisation étant accélérées par la température, cette transformation va d'autant plus vite que cette température est élevée, tout en restant évidement inférieure à 95° (température de changement de phase). Si, donc, on laisse le creuset sur une plaque chauffante réglée "tiède" (60°C par exemple), la transformation α → β se fait beaucoup plus rapidement et est parfaitement visible dans le laps de temps d'une séance de TP.

On fait cristalliser une goutte de soufre en lame et lamelle. Quand on observe au microscope ce soufre récemment cristallisé, on observe de superbes aiguilles de soufre β. Si on attend quelques heures à quelques jours, on voit que chaque aiguille se transforme en une mosaïque de petites plaquettes de soufre α.

Source - © 2001 ENS de Lyon Figure 8. Lame de soufre β (Grossissement x 5)	Source - © 2001 ENS de Lyon Figure 9. Lame de soufre α (Grossissement x 5)
Source - © 2001 ENS de Lyon Figure 10. Lames montrant la transformation incomplète de soufre β en soufre α Il ne reste que une ou deux aiguilles de soufre β à gauche de l'image. (Grossissement x 10)	Figure 11. Lames montrant la transformation incomplète de soufre β en soufre α Une heure plus tard, l'aiguille de soufre β à gauche est entièrement transformée en agrégat de plaquettes de soufre α. On devine la trace fantôme de l'ancienne aiguille β. (Grossissement x 10)

On peut, pour noter le changement, soit comparer ce néo-soufre α avec du soufre β récemment fait, soit photographier une zone précise de la lame et regarder cette même zone quelques jours plus tard.

C'est un phénomène physique fréquent : un liquide ne gèle pas en se refroidissant, même s'il devient plus froid que sa température théorique de cristallisation.

Ce phénomène arrive très souvent dans la nature, par exemple dans les nuages, et est a l'origine de la grêle. Quand un nuage a une température inféreiure à 0°C, les fines gouttelettes d'eau du nuages gèlent et il neige. Mais parfois, bien que le nuage se refroidissent sous 0°C, les gouttelettes restent liquides, bien qu'à une température inférieure à 0°C. Quand finalement une première gouttelette gèle, elle va, en tombant, rencontrer d'autres gouttelettes surfondues. Au contact du cristal de glace issu de la première gouttelette gelée, toutes les nouvelles gouttelettes surfondues rencontrées vont geler à leur tour, grossir le premier cristal qui s'entourera d'une couche de glace… Au cours de sa traversée en descente du nuage, ce premier cristal va devenir un grêlon de glace (et non pas un flocon de neige) qui peut atteindre des dimensions considérables (plusieurs centaines de grammes), parce qu'il grossit très vite en croisant et capturant ces gouttes surfondues.

Souvent, en particulier entre lame et lamelle, le soufre reste surfondu, et il ne cristallise qu'à une température basse, inférieure à 115°C, et même inférieure à la température de changement de phase (95°C). Mais malgré cette cristallisation à basse température, il cristallise des aiguilles, forme β de haute température.

La réaction β → α est une réaction lente. Si on chauffe (en restant en dessous de 95°C), on accélère la réaction. Entre lame et lamelle, il faut souvent plusieurs jours pour que la réaction β → α se fasse. Mais si on place lame et lamelle dans une étuve vers 60 à 80°C, la réaction se fait en quelques heures.

Cette association surfusion/cinétique peut être à l'origine de "canulars". À cause de la surfusion, le soufre liquide peut cristalliser à relativement basse température (on peut tenir la lame à la main), et on pourrait croire que l'on obtient la forme a de basse température, alors que l'on obtient malgré tout la forme haute température.

En chauffant dans une étuve, on observe un changement de phase (que l'on observait pas sans chauffer, faute d'attendre assez longtemps). On pourrait alors penser ce changement de phase observé, puisqu'on chauffe, est une transition basse température → haute température, alors que c'est le contraire ! En effet, ce qu'on observe, c'est le changement haute température → basse température, que l'on a accéléré en chauffant.

Faire cette manipulation en utilisant une étuve pour accélérer la réaction peut être pédagogiquement dangereux, car il faut expliquer à des élèves qui ne dominent pas les notions de cinétique chimique que l'on obtient la phase basse température en… chauffant !