Changements d'État de l'Eau : La Fusion de la Glace
Contexte : TP de Chimie en classe de 5ème.
Imaginez-vous dans le laboratoire de chimie du collège. Votre professeur vous confie une mission : étudier comment la glace se transforme en eau liquide. Vous disposez d'un bécher rempli de glace pilée fabriquée à partir d'eau pure (distillée) sortant directement du congélateur à -18°C. Le bécher est placé à l'air libre dans la salle de classe, où la température ambiante est d'environ 20°C. Un thermomètre est délicatement plongé au cœur de la glace pilée pour suivre l'évolution de la température au cours du temps. C'est ce qu'on appelle étudier la FusionPassage de l'état solide à l'état liquide. de l'eau.
Remarque Pédagogique : L'objectif de cet exercice est double : apprendre à lire et interpréter un tableau de mesures scientifiques, et comprendre les caractéristiques spécifiques du changement d'état d'un corps pur (le palier de température).
Objectifs Pédagogiques
- Identifier les états physiques de l'eau (solide, liquide) à partir de mesures expérimentales.
- Repérer et nommer un changement d'état sur un graphique ou un tableau de données (notion de palier).
- Comprendre la conservation de la masse et la non-conservation du volume lors d'un changement d'état.
Données de l'expérience
Le groupe d'élèves déclenche le chronomètre au moment où la température de la glace atteint -10°C. Ils relèvent ensuite la température toutes les deux minutes tout en agitant doucement le mélange avec un agitateur en verre pour homogénéiser la température. Voici leurs résultats consignés dans le carnet de laboratoire :
Relevé de Températures
| Temps (minutes) | Température (°C) | État observé dans le bécher |
|---|---|---|
| 0 | -10 | Bloc compact de glace (Solide) |
| 2 | 0 | Glace avec un peu d'eau (Solide + Liquide) |
| 4 | 0 | Moitié eau, moitié glace (Solide + Liquide) |
| 6 | 0 | Beaucoup d'eau, quelques glaçons (Solide + Liquide) |
| 8 | 5 | Uniquement de l'eau (Liquide) |
Schéma de l'Expérience (Début)
| Grandeur | Symbole | Valeur Initiale | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse de glace | \(\text{m}_{\text{glace}}\) | 100 | \(\text{g}\) |
| Température initiale | \(\text{T}_{\text{init}}\) | -10 | \(\text{°C}\) |
Questions à traiter
- Quel est l'état physique de l'eau à la 4ème minute ?
- Comment appelle-t-on le moment où la température reste constante ?
- Quelle est la température de fusion de l'eau pure ?
- Si on pèse l'eau liquide à la fin (t=8 min), quelle sera sa masse ?
Les bases théoriques
Pour réussir cet exercice, il est essentiel de bien visualiser ce qui se passe à l'échelle infiniment petite (échelle microscopique) lors des changements d'état.
1. Les 3 états de l'eau : Une histoire de rangement
L'eau est constituée de molécules identiques (H₂O), mais leur comportement change selon la température :
- Solide (Glace) : Les molécules sont ordonnées, compactes et liées les unes aux autres. Elles vibrent sur place mais ne se déplacent pas. C'est ce qui donne à la glace sa forme propre et dure.
- Liquide (Eau) : Les molécules sont toujours compactes (proches les unes des autres) mais désordonnées et mobiles. Elles glissent les unes sur les autres, ce qui permet à l'eau de couler et de prendre la forme du récipient.
- Gaz (Vapeur) : Les molécules sont dispersées, désordonnées et très agitées. Elles occupent tout l'espace disponible.
2. Le Changement d'État et l'Énergie
Le passage de l'état solide à l'état liquide s'appelle la FUSION. Pour réaliser ce changement, il faut apporter de l'énergie (chaleur).
Le Mystère du Palier
3. Conservation de la Masse vs Variation du Volume
C'est un piège classique ! Lorsqu'un glaçon fond, le nombre de molécules d'eau ne change pas.
Principe de Conservation
La masse reste strictement identique. Par contre, l'arrangement des molécules change, donc le volume (la place occupée) change. Pour l'eau, la glace prend plus de place que l'eau liquide.
Correction : Changements d'État de l'Eau : La Fusion de la Glacen
Question 1 : État physique à t = 4 min
Principe
Pour déterminer l'état physique de l'eau à un instant donné, nous devons nous référer au tableau de mesures qui associe chaque instant à une température et une observation visuelle. La température est un indicateur fiable : pour l'eau pure, une température stable à 0°C indique qu'un changement d'état est en cours.
Mini-Cours
La Coexistence des États : Durant une transition de phase comme la fusion (passage du solide au liquide), le matériau n'est ni totalement solide ni totalement liquide. Tant que toute la glace n'a pas fondu, les deux états coexistent. On trouve donc dans le récipient un mélange hétérogène de glace (solide) et d'eau (liquide).
Remarque Pédagogique
Il est crucial d'être précis dans le vocabulaire scientifique. Ne répondez pas simplement "c'est de l'eau", car "l'eau" désigne souvent l'état liquide dans le langage courant, alors que chimiquement la glace est aussi de l'eau. Répondez : "un mélange d'eau solide et d'eau liquide".
Normes
En physique-chimie au niveau collège, les températures sont toujours notées en degrés Celsius (°C), et le temps en minutes (min) ou secondes (s). L'état physique est noté entre parenthèses : (s) pour solide, (l) pour liquide, (g) pour gaz.
Formule(s)
Critère d'identification de la fusion
Hypothèses
Nous supposons que le mélange est parfaitement agité, de sorte que la température est homogène dans tout le bécher (la glace et l'eau liquide sont à la même température de 0°C).
Donnée(s)
| Temps (min) | Température (°C) | État observé |
|---|---|---|
| 4 | 0 | Solide + Liquide |
Astuces
L'indice visuel : Si vous voyez des glaçons flotter, c'est que la fusion n'est pas terminée. Si la température est de 0°C, c'est la confirmation mathématique que les deux états sont présents.
Schéma à t=0 min (Tout Solide)
Calcul(s) & Raisonnement
1. Identification des variables
Nous cherchons la valeur dans la colonne "Température" correspondant à la ligne où le temps \(t = 4 \text{ min}\).
2. Lecture et Comparaison
On repère la ligne du tableau et on lit la valeur :
Cette valeur est cruciale car elle correspond au point de fusion connu de l'eau.
3. Application du Critère
Nous comparons cette valeur à la température de fusion théorique pour déduire l'état :
La condition est vérifiée, ce qui nous permet de conclure sur la nature hétérogène du mélange.
Schéma à t=4 min (Mélange)
Réflexions
Pourquoi la température ne monte-t-elle pas alors qu'on chauffe ? L'énergie thermique apportée par l'air ambiant est entièrement consommée pour rompre les liaisons intermoléculaires solides (la structure cristalline de la glace), au lieu d'augmenter l'agitation des molécules (ce qui correspondrait à une hausse de température).
Points de vigilance
Attention à ne pas dire que l'état est "liquide" simplement parce qu'il y a un peu d'eau fondue. Tant qu'il reste un fragment de glace, c'est un état mixte.
Points à Retenir
L'essentiel à mémoriser pour le contrôle :
- À 4 minutes, nous sommes au milieu du changement d'état.
- L'état physique est un mélange : Solide et Liquide.
- La température de ce mélange est fixe (0°C).
Le saviez-vous ?
Dans l'espace ou en apesanteur, l'eau et la glace ne se sépareraient pas par densité (la glace ne flotterait pas) ; ils formeraient une sorte de "slush" homogène en suspension dans la bulle d'eau !
FAQ
Est-ce que ça fond plus vite si je mélange ?
Oui, car en mélangeant, on favorise les échanges de chaleur (convection) entre l'eau liquide (qui capte la chaleur des parois du verre) et les glaçons au centre.
A vous de jouer
Quel serait l'état physique à t=2 min ? (Regardez le tableau)
📝 Mémo
Coexistence = Température stable.
Question 2 : Nom du phénomène constant
Principe
On observe l'évolution de la température au cours du temps. On cherche à identifier et nommer la phase caractéristique où la courbe ne monte pas et ne descend pas, restant parfaitement horizontale sur l'axe du temps.
Mini-Cours
Le Palier de Température : C'est la portion horizontale d'une courbe de changement d'état. Durant cette période, le temps s'écoule mais la température reste fixe. Ce phénomène est exclusif aux corps purs (comme l'eau distillée) lors d'un changement d'état. Pour les mélanges, la température varierait légèrement.
Remarque Pédagogique
La "platitude" de la courbe est une signature de pureté. Si vous aviez de l'eau salée ou sucrée, la température n'arrêterait pas de changer, elle ralentirait juste sa montée. Le palier strict est la preuve que nous avons affaire à de l'eau pure.
Normes
En physique-chimie, on analyse toujours l'allure globale de la courbe (montée, descente, plat) avant de lire des valeurs précises. Le vocabulaire "palier" est le terme technique attendu.
Formule(s)
Définition mathématique du palier
La pente de la courbe est nulle, ce qui signifie graphiquement une ligne horizontale.
Hypothèses
L'expérience se déroule à pression constante (pression atmosphérique normale), ce qui est une condition nécessaire pour que la température de changement d'état soit fixe et constante.
Donnée(s)
| Temps (min) | Température (°C) |
|---|---|
| 2 | 0 |
| 4 | 0 |
| 6 | 0 |
Astuces
Pensez à un escalier ou à un immeuble : la surface plate entre deux volées de marches s'appelle un "palier". C'est exactement la même image sur le graphique !
Graphique "normal" (Chauffage sans changement d'état)
Calcul(s) & Raisonnement
1. Calcul de la variation (Pente)
Nous allons soustraire la température au début du palier à celle de la fin du palier pour vérifier la constance :
Le résultat est nul, ce qui prouve qu'il n'y a pas eu d'échauffement malgré l'apport continu d'énergie thermique.
2. Vitesse de variation
Nous rapportons cette variation de température à la durée écoulée pour voir à quelle vitesse la température change :
Une vitesse nulle confirme mathématiquement que la courbe est horizontale. En physique, une ligne horizontale sur un graphique Température/Temps se nomme un Palier.
3. Conclusion mathématique
Puisque la température est constante sur un intervalle de temps significatif (4 minutes), on identifie formellement la figure graphique comme un palier.
Graphique avec Palier (Changement d'état)
Réflexions
C'est une "pause" apparente dans la montée en température, mais c'est une phase d'activité intense au niveau microscopique où l'ordre des molécules est détruit. L'énergie cinétique (vitesse des molécules) n'augmente pas, mais l'énergie potentielle (distance entre molécules) change.
Points de vigilance
Ne confondez pas "température constante" avec "arrêt du chauffage". Si on arrêtait de chauffer, la température resterait constante aussi, mais la glace arrêterait de fondre. Ici, la fusion continue !
Points à Retenir
L'essentiel à mémoriser :
- Un moment de température constante pendant un changement d'état s'appelle un Palier.
- Un palier horizontal strict indique un Corps Pur.
Le saviez-vous ?
Les forgerons et les métallurgistes utilisent aussi les paliers de température (du fer, de l'or, etc.) pour calibrer leurs fours, car ces points de fusion sont des constantes physiques absolues.
FAQ
Combien de temps dure le palier exactement ?
Cela dépend uniquement de la quantité de matière (la masse de glace) et de la puissance de chauffe. Plus il y a de glace, plus il faut d'énergie pour tout fondre, donc plus le palier est long.
A vous de jouer
Tracez la forme de la courbe dans l'air avec votre doigt : ça monte, puis... ?
📝 Mémo
Palier = Plat = Pur.
Question 3 : Température de fusion de l'eau pure
Principe
Pour trouver la température de fusion, nous devons lire la valeur précise de la température correspondant au palier horizontal observé sur le graphique ou dans le tableau de données.
Mini-Cours
Température de Fusion : C'est la température précise à laquelle un solide devient liquide. Pour l'eau pure, cette valeur est une constante physique universelle sous pression atmosphérique standard. Elle permet d'identifier la substance : si ça fond à 0°C, c'est très probablement de l'eau.
Remarque Pédagogique
Le 0°C n'a pas été choisi au hasard par le physicien Anders Celsius. Il a défini le zéro de son échelle thermométrique justement comme étant la température de la glace fondante ! C'est un point de repère fondamental.
Normes
On exprime cette température en degrés Celsius (°C). En physique avancée, on utiliserait l'échelle absolue Kelvin (K), où 0°C correspond à 273,15 K.
Formule(s)
Constante physique de l'eau
Hypothèses
Nous supposons que l'expérience se fait à pression normale (1013 hPa). Si nous étions en très haute montagne (pression plus faible) ou dans une cocotte-minute (pression plus forte), cette valeur changerait très légèrement, mais cet effet est négligeable pour la fusion (contrairement à l'ébullition).
Donnée(s)
| Corps | T° Fusion |
|---|---|
| Eau | 0°C |
| Fer | 1538°C |
| Mercure | -39°C |
Astuces
Moyen mnémotechnique : Zéro, c'est l'origine, le point de départ, la frontière neutre entre le monde gelé (négatif) et le monde liquide (positif).
Lecture de l'axe vertical
Calcul(s) & Raisonnement
1. Identification du Palier
Nous avons établi à la Question 2 que le palier correspond à l'intervalle de temps \([2 \text{ min} ; 6 \text{ min}]\).
2. Extraction de la valeur
Sur l'axe des ordonnées (vertical) du graphique, ou dans la colonne température du tableau, nous identifions la valeur qui se répète :
Cette valeur constante est la signature thermique du changement d'état.
3. Conclusion
Nous pouvons donc identifier la grandeur physique recherchée. Par définition, la température du palier de fusion est la température de fusion :
C'est une propriété caractéristique de l'eau pure.
Valeur Identifiée : 0°C
Réflexions
Cette température est réversible : l'eau liquide gèle à 0°C et la glace fond à 0°C. C'est un point d'équilibre thermodynamique.
Points de vigilance
Ne pas confondre avec 100°C ! 0°C est la température de fusion (Glace/Eau), tandis que 100°C est la température d'ébullition (Eau/Vapeur).
Points à Retenir
L'essentiel à mémoriser :
- Température de fusion de l'eau pure = 0°C.
- C'est une propriété caractéristique utilisée pour vérifier la pureté de l'eau.
Le saviez-vous ?
Il existe un phénomène rare appelé la surfusion où l'eau reste liquide en dessous de 0°C (jusqu'à -40°C !) si elle est très pure et sans aucune vibration. Au moindre choc, elle gèle instantanément !
FAQ
Et si on ajoute du sel ?
La température de fusion descend ! Avec du sel, la glace peut fondre à -5°C ou même -20°C. C'est pour cela qu'on sale les routes en hiver pour faire fondre le verglas.
A vous de jouer
Quelle est la température de solidification de l'eau pure (le passage inverse) ?
📝 Mémo
Fusion = 0°C. Solidification = 0°C.
Question 4 : Masse de l'eau liquide
Principe
On se demande si la quantité de matière (la masse) change lorsqu'elle change d'état physique. C'est l'application du principe fondamental de conservation de la masse.
Mini-Cours
Conservation de la masse : Lors d'un changement d'état, le nombre de molécules (les petites particules d'eau) reste strictement identique. Elles sont juste agencées différemment (ordonnées en cristal dans la glace, désordonnées dans le liquide). Puisque le nombre de particules ne change pas, la masse totale ne change pas.
Remarque Pédagogique
C'est souvent contre-intuitif car le volume, lui, change ! 100g de glace prennent plus de place (sont plus volumineux) que 100g d'eau liquide. Mais sur une balance, cela pèserait exactement la même chose.
Normes
La masse se mesure en grammes (g) ou kilogrammes (kg). Le volume se mesure en litres (L) ou mètres cubes (m³). Il ne faut pas mélanger ces deux grandeurs.
Formule(s)
Loi de Lavoisier appliquée
Hypothèses
On suppose que le bécher n'est pas chauffé si fort que l'eau s'évapore massivement. On néglige l'évaporation naturelle durant les 8 minutes de l'expérience (système considéré comme quasi-fermé).
Donnée(s)
| Grandeur | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Masse initiale | \(\text{m}_{\text{glace}}\) | 100 g |
Astuces
Imaginez les molécules comme des briques de Lego. Si vous démontez une maison en Lego (Glace) pour faire un tas de briques en vrac (Eau liquide), le poids total des briques est le même ! Vous n'avez ni perdu ni ajouté de briques.
Avant : 100g de Glace
Calcul(s) & Raisonnement
1. Poser l'équation de conservation
Nous traduisons le principe de conservation de la matière en une équation mathématique simple :
Cela signifie que la quantité de matière présente au début est égale à celle à la fin.
2. Application numérique
Nous identifions la masse initiale de la glace dans les données de l'énoncé :
Puisque \(\text{m}_{\text{initial}} = 100\), alors \(\text{m}_{\text{final}}\) prend la même valeur :
3. Vérification des unités
L'unité est le gramme (g) au début et à la fin. Aucune conversion n'est nécessaire. Le résultat est direct.
Après : 100g d'Eau
Réflexions
L'eau liquide obtenue est plus dense que la glace. Elle occupe donc un peu moins de volume dans le bécher que la glace initiale, même si elle pèse le même poids. C'est pour cela que le niveau semble baisser légèrement une fois la glace fondue (si la glace dépassait).
Points de vigilance
Ne dites jamais "la masse diminue car la glace fond". Fondre n'est pas disparaître ! C'est juste changer de forme.
Points à Retenir
L'essentiel à mémoriser :
- La masse se conserve (ne change pas).
- Le volume varie (change).
Le saviez-vous ?
L'eau est une exception : pour presque toutes les autres matières (comme la cire de bougie), le solide est plus lourd et coule au fond du liquide. L'eau solide (glace) est plus légère (moins dense) et flotte !
FAQ
Pourquoi une bouteille d'eau pleine éclate au congélateur ?
Car l'eau liquide qui se transforme en glace augmente de volume (environ +10%), mais sa masse reste la même ! La glace pousse les parois jusqu'à les casser.
A vous de jouer
Si on avait fait fondre 250 g de glace, quelle masse d'eau aurait-on obtenue ?
📝 Mémo
Même nombre de molécules = Même masse.
Schéma Bilan de la Fusion
Résumé graphique du passage de l'état solide à l'état liquide pour l'eau pure.
📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir
Voici les points essentiels pour le contrôle de chimie :
-
❄️
Fusion : C'est le passage de l'état SOLIDE à l'état LIQUIDE.
-
🌡️
0°C : C'est la température de fusion de l'eau pure. Elle reste constante pendant le changement d'état (on appelle cela un Palier).
-
⚖️
Masse : La masse se conserve (ne change pas) lors d'un changement d'état. 1 kg de glace donne exactement 1 kg d'eau liquide.
🎛️ Simulateur : Courbe de chauffage
Déplacez le curseur de temps pour voir l'évolution de la température et l'état de l'eau.
Paramètres
📝 Quiz final : Testez vos connaissances
1. Quelle est la température de solidification de l'eau pure (Liquide -> Solide) ?
2. Si je fais fondre un glaçon de 20g, quelle sera la masse de l'eau obtenue ?
📚 Glossaire
- Fusion
- Passage de l'état solide à l'état liquide (ex: la glace devient de l'eau).
- Solidification
- Passage de l'état liquide à l'état solide (ex: l'eau devient de la glace).
- Vaporisation
- Passage de l'état liquide à l'état gazeux (ex: l'eau bout).
- Liquefaction
- Passage de l'état gazeux à l'état liquide (ex: buée sur la vitre).
- Palier
- Période durant laquelle la température reste constante pendant un changement d'état.
Le Saviez-vous ?
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