Les Changements d'État de l'Eau : Solide, Liquide, Gaz
Contexte : L'eau sous toutes ses formes.
Sur Terre, l'eau est une substance unique car elle existe naturellement sous trois formes physiques que l'on appelle des ÉtatsForme physique de la matière (solide, liquide, gaz).. L'objectif de cet exercice est d'apprendre à identifier ces états, à lire un graphique de température pour repérer les changements d'état (fusion, ébullition) et à comprendre ce qui se passe au niveau microscopique (les molécules) lorsque l'on chauffe un corps pur.
Remarque Pédagogique : Cet exercice reprend une expérience classique réalisée en classe de 6ème : chauffer de la glace pilée jusqu'à ce qu'elle devienne de la vapeur. Vous apprendrez à analyser la courbe de température obtenue et à en déduire des informations physiques importantes.
Objectifs Pédagogiques
- Citer les 3 états de la matière pour l'eau et leurs propriétés macroscopiques.
- Identifier un changement d'état sur un graphique (repérer un palier).
- Calculer la durée d'un phénomène à partir de relevés de temps graphiques.
- Associer une température à un état physique précis pour l'eau pure.
Données de l'étude
Léa réalise une expérience en laboratoire. Elle sort un bécher contenant de la glace pilée du congélateur. Elle place un thermomètre au centre de la glace et pose le bécher sur un chauffe-ballon. Elle allume le chauffage et note la température toutes les minutes pendant 20 minutes.
Matériel utilisé
Protocole Expérimental
Fiche Technique / Données de référence
| Substance | Propriété Physique | Valeur Standard |
|---|---|---|
| Eau Pure (\(\text{H}_2\text{O}\)) | Température de Fusion (Solide → Liquide) | \(0 \text{°C}\) |
| Eau Pure (\(\text{H}_2\text{O}\)) | Température d'Ébullition (Liquide → Gaz) | \(100 \text{°C}\) |
Relevé de mesures (Extrait)
| Temps (\(\text{min}\)) | 0 | 2 | 5 | 10 | 12 | 15 | 18 | 20 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Température (\(\text{°C}\)) | -10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 40 | 90 | 100 |
Schéma du montage expérimental
| Variable mesurée | Symbole usuel | Valeur Initiale | Unité Internationale |
|---|---|---|---|
| Température | \(T \text{ ou } \theta\) | -10 | Degré Celsius (\(\text{°C}\)) |
| Temps | \(t\) | 0 | Minute (\(\text{min}\)) |
Questions à traiter
- Identifier l'état physique de l'eau au tout début de l'expérience (à \(t=0 \text{ min}\)).
- Déterminer graphiquement la température de fusion de la glace et expliquer le phénomène observé.
- Calculer la durée exacte pendant laquelle l'eau était à la fois solide et liquide (durée du changement d'état).
- Relever la température d'ébullition de l'eau (second changement d'état) en fin d'expérience.
Les bases théoriques indispensables
Pour réussir cet exercice, il faut comprendre ce qu'est la matière à l'échelle microscopique et comment elle réagit à la chaleur.
1. Les 3 États de la matière (Modèle particulaire)
Toute matière est constituée de particules microscopiques (les molécules d'eau). Leur comportement définit l'état :
- Solide (Glace) : Les molécules sont très proches, liées entre elles et ordonnées. Elles ne bougent pas, elles vibrent seulement sur place. C'est pourquoi la glace est dure et a une forme propre.
- Liquide (Eau) : Les molécules sont toujours proches mais désordonnées et peuvent glisser les unes sur les autres. L'eau liquide coule et prend la forme du récipient.
- Gaz (Vapeur) : Les molécules sont très éloignées les unes des autres, dispersées et se déplacent à grande vitesse dans tous les sens. Le gaz occupe tout l'espace disponible.
2. Les Changements d'État
Le passage d'un état à un autre porte un nom précis qu'il faut connaître par cœur :
Fusion et Solidification
Vaporisation et Liquéfaction
3. Les Paliers de Température (Signature du corps pur)
Pour l'eau pure (sans sel ni sucre), lors d'un changement d'état, la température reste parfaitement constante tant que les deux états coexistent.
- Palier de Fusion : Température bloquée à \(0 \text{°C}\) tant qu'il reste de la glace.
- Palier d'Ébullition : Température bloquée à \(100 \text{°C}\) tant qu'il reste de l'eau liquide (à pression normale).
Correction : Les Changements d'État de l'Eau : Solide, Liquide, Gaz
Question 1 : L'état initial
Principe Physique
L'état physique d'une substance dépend directement de sa température (son niveau d'énergie thermique). Pour déterminer l'état de l'eau, il faut comparer la température mesurée par Léa (\(T_{\text{mesurée}}\)) aux températures de changement d'état connues (\(0 \text{°C}\) et \(100 \text{°C}\)).
Mini-Cours : Le zéro absolu de l'eau
Dans l'échelle Celsius, le \(0 \text{°C}\) a été choisi précisément comme étant la température où la glace fond (ou l'eau gèle). C'est une frontière physique. En dessous de cette frontière, l'eau n'a pas assez d'énergie pour être liquide : elle est obligatoirement solide.
Remarque Pédagogique
Attention à la lecture des nombres négatifs. -10 est bien plus petit que 0. Plus le chiffre négatif est "grand" (comme -20), plus il fait froid.
Normes et Références
Ces états sont définis pour une pression atmosphérique standard (au niveau de la mer). En haute altitude, les règles changent légèrement, mais pas pour la glace (l'effet de la pression est minime sur la fusion).
Formule(s) de raisonnement
Condition de l'état solide
Hypothèses
Nous supposons que le thermomètre fonctionne correctement et qu'il mesure bien la température au cœur de la glace, là où elle est la plus froide, et non l'air ambiant.
Donnée(s) extraite(s)
| Moment | Température relevée | Référence |
|---|---|---|
| Début (\(t=0\)) | \(-10 \text{°C}\) | \(0 \text{°C}\) (Fusion) |
Astuces
Astuce mnémotechnique : "Négatif = Solide". Tant que le thermomètre affiche un "moins" devant le chiffre, l'eau pure est forcément de la glace.
[Situation Initiale : t=0]
Raisonnement
Conversion(s)
Les données sont déjà en degrés Celsius (\(\text{°C}\)), l'unité standard du thermomètre. Aucune conversion nécessaire.
Calcul intermédiaire
Comparaison simple de nombres relatifs.
Calcul Principal
Comparaison logique
Nous devons situer la température relevée par rapport au point de congélation. La température mesurée est de -10°C. La température limite entre solide et liquide est de 0°C.
Comparaison mathématique
Interprétation : Le symbole \(<\) signifie "strictement inférieur à". Comme -10 est plus petit que 0, nous sommes en dessous de la température de fusion. L'eau n'a pas atteint le seuil pour devenir liquide.
Schéma (Conclusion sur l'état)
Réflexions
Ce résultat est logique : on vient de sortir la glace d'un congélateur (généralement à -18°C). La glace s'est un peu réchauffée le temps de l'installer, mais elle reste solide.
Points de vigilance
Ne confondez pas "glace fondante" (à 0°C) et "glace froide" (en dessous de 0°C). À -10°C, la glace est parfaitement sèche, elle ne mouille pas les doigts !
Points à Retenir
L'essentiel à mémoriser :
- Pour l'eau pure, toute température inférieure à \(0 \text{°C}\) correspond à l'état solide.
- Un solide a une forme propre (il ne coule pas et garde sa forme géométrique).
Le saviez-vous ?
Contrairement à la plupart des matières (comme la cire ou le fer), la glace prend plus de volume que l'eau liquide. C'est une anomalie unique ! C'est pour cela qu'une bouteille d'eau pleine peut éclater si on l'oublie au congélateur : la glace pousse les parois.
FAQ
Pourquoi voit-on de la "fumée" sur la glace très froide ?
Ce n'est pas de la fumée (qui vient d'un feu), ni de la vapeur d'eau (qui est invisible). C'est en fait l'eau gazeuse présente dans l'air de la pièce qui se refroidit brutalement au contact de la glace et devient liquide (minuscules gouttelettes de brouillard).
A vous de jouer
Si la température relevée était de -25°C, l'état serait-il différent ?
📝 Mémo
Température négative = Glace (Solide) = Molécules attachées.
Question 2 : Température de Fusion
Principe Physique
Sur un graphique d'évolution de température (courbe de chauffe), un changement d'état d'un corps pur se manifeste par un comportement très particulier : la température cesse de varier alors que l'on continue de chauffer. On appelle cette zone horizontale un palier.
Mini-Cours : Pourquoi ça ne chauffe plus ?
C'est un concept fondamental : L'énergie fournie par le chauffage sert à deux choses différentes, mais jamais en même temps :
- Soit à agiter les molécules (ce qui fait monter la température).
- Soit à casser les liens solides entre les molécules (ce qui change l'état).
Remarque Pédagogique
Ce palier est la "signature" chimique de la substance. Si le palier est à \(0 \text{°C}\), c'est de l'eau. S'il était à \(80 \text{°C}\), ce serait peut-être de la naphtaline. C'est un moyen d'identifier une matière inconnue.
Normes
La température de \(0 \text{°C}\) pour la fusion de l'eau est une constante physique universelle à pression standard. C'est un point de repère fiable.
Formule(s)
Identification graphique
Hypothèses
Nous considérons que l'eau est pure. Si elle était salée, la température de fusion serait plus basse (par exemple -5°C) et le palier serait moins plat (légèrement penché).
Donnée(s)
| Observation visuelle sur la courbe | Valeur relevée sur l'axe Y (Température) |
|---|---|
| Zone horizontale stable (Palier) | \(0 \text{°C}\) |
Astuces
Pour lire précisément, posez une règle horizontalement sur la partie plate de la courbe. Prolongez-la vers la gauche jusqu'à l'axe vertical pour lire le chiffre exact.
[Lecture Graphique : Le Palier]
Lecture et Interprétation
Conversion(s)
Lecture directe sur l'axe gradué en degrés Celsius. Aucune conversion requise.
Calcul intermédiaire
Nous repérons visuellement le début du plat (rupture de pente) et la fin du plat (reprise de la montée).
Calcul Principal
Lecture de la valeur
Sur le graphique, on repère la partie horizontale de la courbe. On suit la ligne de la grille vers la gauche pour lire la valeur correspondante sur l'axe vertical des températures.
Valeur identifiée
Interprétation : La lecture indique exactement le chiffre 0. Cela confirme que pour l'eau pure, le changement d'état se produit à 0 degré Celsius.
Schéma (Interprétation Physique)
Réflexions
Tant qu'il reste le moindre petit morceau de glace dans le bécher, l'eau liquide qui s'est déjà formée ne pourra pas se réchauffer au-dessus de 0°C. L'équilibre thermique maintient l'ensemble à cette température précise. C'est pour cela qu'un verre d'eau avec des glaçons est toujours à 0°C environ, jamais plus chaud, tant que les glaçons n'ont pas fondu.
Points de vigilance
Ne confondez pas le "début de la fusion" (un instant \(t\) en minutes) et la "température de fusion" (une valeur \(T\) en degrés). L'un est un moment, l'autre une condition thermique.
Points à Retenir
Fusion de l'eau pure = \(0 \text{°C}\).
C'est une caractéristique propre à l'eau qui permet de l'identifier parmi d'autres liquides incolores.
Le saviez-vous ?
Pourquoi sale-t-on les routes ? Le sel perturbe la structure de la glace. L'eau salée ne gèle plus à 0°C mais beaucoup plus bas (jusqu'à -21°C). Donc à -5°C, la glace salée redevient liquide : le verglas fond !
FAQ
Est-ce qu'il y a de l'eau liquide et solide en même temps ?
Oui, absolument ! Pendant toute la durée du palier (la partie plate), l'eau coexiste sous ses deux formes : les glaçons flottent dans l'eau liquide qui vient de fondre.
A vous de jouer
Si l'expérience utilisait de l'alcool pur au lieu de l'eau, le palier serait-il toujours à 0°C ?
📝 Mémo
Palier horizontal = Changement d'état en cours = Mélange des deux états.
Question 3 : Calcul de la durée du palier
Principe Mathématique
Pour connaître la durée d'un phénomène à partir d'un graphique temporel, il faut mesurer l'écart horizontal entre l'instant où le phénomène commence et l'instant où il se termine. Ici, nous cherchons la longueur temporelle du segment plat (le palier).
Mini-Cours : Calculer une durée
En sciences physiques, une durée (souvent notée \(\Delta t\), lire "delta t") se calcule toujours en faisant la différence entre deux dates :
Durée = Instant de Fin - Instant de Début.
C'est comme calculer la durée d'un film : s'il commence à 14h00 et finit à 16h00, il dure 16 - 14 = 2 heures.
Remarque Pédagogique
Attention aux unités ! Ici l'axe des temps est en minutes. Si l'axe était en secondes, le calcul donnerait un résultat en secondes.
Normes
Le temps est une grandeur fondamentale en physique. Son unité internationale est la seconde (s), mais l'usage de la minute (min) est très courant pour les expériences de chimie au collège car les phénomènes sont lents.
Formule(s)
Formule de durée
Hypothèses
On suppose que la puissance de chauffage est restée constante. Si on avait chauffé plus fort à la fin, le calcul de durée serait toujours juste, mais le palier aurait été plus court.
Donnée(s) extraites du tableau
| Événement sur le graphique | Temps relevé (min) |
|---|---|
| La température atteint 0°C (Début du palier) | 2 min |
| La température décolle de 0°C (Fin du palier) | 12 min |
Astuces
Sur le graphique, repérez les deux "coudes" de la courbe : le coude où ça devient plat, et le coude où ça remonte. Tracez des traits verticaux vers le bas pour lire les temps correspondants.
[Extraction des données temporelles]
Calcul Détaillé
Pour trouver la durée du palier, nous allons soustraire l'heure de début à l'heure de fin.
Étape 1 : On pose la formule littérale (avec les lettres) pour montrer qu'on a compris la méthode.
Étape 2 : On remplace \(t_{\text{fin}}\) par 12 (la fin du plat) et \(t_{\text{début}}\) par 2 (le début du plat).
Étape 3 : On effectue la soustraction simple.
Interprétation : Le résultat 10 signifie qu'il s'est écoulé 10 minutes entre le moment où la première goutte d'eau est apparue et le moment où le dernier morceau de glace a fondu.
Schéma (Interprétation du résultat)
Réflexions
10 minutes, c'est une durée relativement longue par rapport à la montée en température qui suit (pour aller de 0 à 100°C). Cela montre que le changement d'état est un processus très coûteux en énergie : il faut fournir beaucoup de chaleur pour "casser" la structure de la glace (c'est ce qu'on appelle la chaleur latente de fusion) sans même augmenter sa température.
Points de vigilance
Erreur fréquente à éviter absolument : Ne soustrayez pas les températures (0 - 0 = 0) ! La question porte sur une durée, vous devez donc utiliser les valeurs de l'axe horizontal (le temps), pas l'axe vertical.
Points à Retenir
Pour trouver une durée sur un graphique : Temps de Fin - Temps de Début.
Le saviez-vous ?
C'est grâce à cette grande absorption d'énergie lors de la fonte que les glaçons sont si efficaces pour refroidir une boisson. Ils ne refroidissent pas la boisson juste parce qu'ils sont froids, mais surtout parce qu'ils "volent" beaucoup de chaleur au liquide pour réussir à fondre.
FAQ
Si on chauffe plus fort, le palier dure-t-il moins longtemps ?
Oui, tout à fait. Si la source de chaleur est plus puissante, l'énergie nécessaire à la fusion est apportée plus vite. Le palier sera donc plus court (par exemple 5 minutes au lieu de 10), mais il se fera toujours exactement à 0°C.
A vous de jouer
Si le palier avait commencé à la minute 5 et fini à la minute 18, quelle aurait été la durée ?
📝 Mémo
Durée = Longueur horizontale du plat.
Question 4 : Température d'Ébullition
Principe Physique
Une fois que toute la glace a fondu, nous avons de l'eau liquide. Si on continue de chauffer, sa température augmente (de \(0 \text{°C}\) vers \(100 \text{°C}\)). Lorsqu'elle atteint une certaine valeur seuil, un second changement d'état se produit : la vaporisation. L'eau liquide devient gaz. Sur le graphique, cela se traduit par un second palier horizontal, plus haut.
Mini-Cours : Ébullition vs Évaporation
Il ne faut pas confondre :
- L'évaporation : Phénomène lent, qui se passe seulement à la surface (comme une flaque qui sèche), à n'importe quelle température.
- L'ébullition : Phénomène rapide et violent, qui se passe dans tout le liquide (formation de grosses bulles de vapeur au fond), à une température fixe et précise (\(100 \text{°C}\) pour l'eau).
Remarque Pédagogique
Sur le graphique de l'énoncé, on voit que la courbe monte de 0°C à 100°C (c'est l'eau liquide qui chauffe), puis s'arrête de monter à 100°C (c'est l'ébullition qui commence).
Normes
La température d'ébullition standard de l'eau est de \(100 \text{°C}\). Cette valeur est définie pour une pression atmosphérique normale (1013 hPa, au niveau de la mer).
Formule(s)
Lecture graphique
Hypothèses
On suppose que l'expérience est réalisée dans une salle de classe classique, à une altitude proche du niveau de la mer, et que l'eau utilisée est pure (l'eau salée bout au-dessus de 100°C).
Donnée(s)
| Observation | Valeur relevée |
|---|---|
| Second plateau (en haut du graphe) | \(100 \text{°C}\) |
Astuces
C'est facile à retenir : c'est la température de l'eau des pâtes quand il y a de gros bouillons ! 100 est un chiffre "rond" facile à mémoriser.
[Lecture Graphique : Le Second Palier]
Lecture et Interprétation
Conversion(s)
Lecture directe, pas de conversion nécessaire.
Calcul intermédiaire
Repérage du second segment plat sur la courbe à la fin de l'expérience (\(t = 20 \text{ min}\)).
Calcul Principal
Lecture de valeur
On regarde tout en haut du graphique. La courbe devient plate une seconde fois. On regarde en face sur l'axe vertical pour lire la température correspondante.
Valeur relevée
Interprétation : La température ne monte pas plus haut que \(100 \text{°C}\). C'est la température maximale de l'eau liquide à l'air libre.
Schéma (Résultat)
Réflexions
À ce stade, l'eau liquide se transforme massivement en gaz. Ce gaz (la vapeur d'eau) est invisible et occupe environ 1700 fois plus de place que le liquide ! C'est ce qui soulève le couvercle de la casserole.
Points de vigilance
Idée reçue : Le nuage blanc qu'on voit au-dessus de la casserole n'est PAS de la vapeur (le gaz est invisible). Ce nuage est constitué de minuscules gouttelettes d'eau liquide (brouillard) formées par le refroidissement de la vapeur au contact de l'air de la cuisine.
Points à Retenir
Ébullition de l'eau pure = 100°C. C'est la température maximale de l'eau liquide à l'air libre.
Le saviez-vous ?
L'altitude change tout ! La température d'ébullition dépend de la pression de l'air. Au sommet du Mont Blanc (4800m), l'air est rare, la pression est faible. Par conséquent, l'eau bout plus facilement, à seulement 85°C. C'est très difficile de cuire des pâtes là-haut car l'eau n'est jamais assez chaude, même si elle bout !
FAQ
Est-ce que la température peut dépasser 100°C dans la casserole ?
Non, dans une casserole ouverte, tant qu'il reste de l'eau liquide, la température reste bloquée à 100°C. L'énergie sert à vaporiser l'eau, pas à la chauffer davantage. Pour monter plus haut (120°C), il faut fermer hermétiquement (cocotte-minute) pour augmenter la pression.
A vous de jouer
Quelle est la température d'ébullition de l'eau pure (en °C) au niveau de la mer ?
📝 Mémo
100°C = Bulles = Gaz qui s'échappe.
Bilan Complet : La Courbe de Changement d'État
Ce graphique résume toute l'histoire thermique de l'eau, de la glace jusqu'à la vapeur.
📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir
-
🧊
État Solide (Glace) : En dessous de 0°C. Les molécules sont attachées et ordonnées.
-
💧
État Liquide (Eau) : Entre 0°C et 100°C. Les molécules sont proches mais bougent (désordre).
-
📏
Le Palier : C'est la signature d'un changement d'état d'un corps pur. La température ne bouge pas (plateau horizontal) tant que le changement n'est pas fini.
🎛️ Simulateur d'État de l'Eau
Manipulez la température pour voir l'état de l'eau et la position correspondante sur la courbe de chauffe.
Paramètres de l'expérience
📝 Quiz final : Avez-vous tout compris ?
1. À quelle température l'eau pure bout-elle (ébullition) à pression normale ?
2. Comment s'appelle le passage de l'état liquide à l'état gazeux ?
📚 Glossaire
- Fusion
- Passage de l'état solide à l'état liquide. (Inverse : Solidification)
- Solidification
- Passage de l'état liquide à l'état solide.
- Vaporisation
- Passage de l'état liquide à l'état gazeux (vapeur). (Inverse : Liquéfaction)
- Liquéfaction
- Passage de l'état gazeux à l'état liquide (formation de gouttelettes).
- Palier
- Zone horizontale sur un graphique température/temps indiquant un changement d'état d'un corps pur.
Le Saviez-vous ?
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