État standard

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. 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.

Articles connexes

• Enthalpie de formation
• Conditions normales de température et de pression (CNTP)