Les changements d'état de l'eau

M. VERHILLE — Physique-Chimie · 5ème

Objectifs et compétences

À la fin de ce chapitre, tu seras capable de :

• Nommer les six changements d'état et les représenter sur un schéma
• Lire et interpréter une courbe de température lors d'un changement d'état
• Expliquer le palier de température à l'aide du modèle particulaire
• Appliquer la loi de conservation de la masse lors d'un changement d'état

1. Les six changements d'état

Un changement d'état est le passage d'un état physique à un autre sous l'effet d'une variation de température ou de pression.

Lire les transformations

Chaque ligne du tableau indique l'état initial et l'état final. Ne pas confondre une transformation avec sa transformation inverse.

Tableau récapitulatif

💡 Moyen mnémotechnique : Les changements qui montent en énergie (fusion, vaporisation) absorbent de la chaleur → ils refroidissent l'environnement. Exemple : la transpiration refroidit le corps (vaporisation de l'eau).

2. La courbe de changement d'état — fusion de la glace

TP — Courbe de fusion de l'eau (1h30)

Protocole :

1. Placer de la glace pilée dans un bécher
2. Plonger un thermomètre dans la glace
3. Chauffer doucement à l'aide d'un bec Bunsen ou d'une plaque chauffante
4. Relever la température toutes les 30 secondes dans un tableau (papier ou tableur)
5. Saisir les mesures dans un tableur (LibreOffice Calc) : colonne A = temps (min), colonne B = température (°C)
6. Tracer la courbe T = f(t) avec l'assistant graphique (nuage de points reliés)
7. Identifier les paliers sur le graphique

Compétence D2 : utiliser un tableur pour traiter des données expérimentales, tracer un graphique et identifier un palier de température.

Exemple de données didactiques (et non mesures de classe) :

La glace se réchauffe jusqu'à 0 °C ; le palier correspond à la coexistence glace/eau ; après fusion complète, l'eau liquide se réchauffe. Les durées dépendent du montage. Le TP de fusion s'arrête avant l'ébullition : on ne prétend pas mesurer la vapeur au-delà de 100 °C dans le bécher ouvert. Tracer les mesures réelles dans le tableur et les comparer qualitativement à cet exemple.

3. Le palier de température — explication particulaire

Pour un corps pur à pression constante, la température reste constante pendant la coexistence des deux états, même si un apport d'énergie se poursuit. Pourquoi ?

L'énergie fournie ne sert pas à augmenter la température. Elle est utilisée pour modifier les liens entre les particules : les séparer (fusion, vaporisation) ou les rapprocher (solidification, condensation).

Explication de la fusion (palier à 0 °C) :

• Avant le palier : les particules vibrent de plus en plus fort
• Pendant le palier : l'énergie casse les liaisons entre particules (passage solide → liquide)
• Après le palier : les particules libres du liquide s'agitent davantage

4. Les températures de changement d'état de l'eau

Pour l'eau pure à la pression atmosphérique normale (1 atm) :

⚠️ Important : Ces valeurs sont celles de l'eau pure. L'eau de mer, l'eau sucrée ou l'eau salée ont des températures de changement d'état légèrement différentes (l'eau salée gèle en dessous de 0 °C).

🌴 À La Réunion : au sommet du Piton des Neiges (3 070 m d'altitude), la pression atmosphérique est plus faible qu'au niveau de la mer. L'eau y bout à environ 90 °C (ordre de grandeur dépendant de la pression locale) au lieu de 100 °C. Plus on monte, plus la température d'ébullition diminue.

Comparaison avec d'autres corps purs

5. Conservation de la masse lors d'un changement d'état

Loi fondamentale

La masse se conserve lors d'un changement d'état. m(avant) = m(après)

Un changement d'état ne crée ni ne détruit de matière : les mêmes particules sont présentes avant et après.

Exemple de calcul

Problème : On fait fondre 250 g de glace. Quelle masse d'eau liquide obtient-on ?

Solution : m(eau liquide) = m(glace) = 250 g

Problème 2 : On chauffe un bécher contenant 180 g d'eau liquide jusqu'à ébullition complète. Quelle masse de vapeur d'eau obtient-on ?

Solution : m(vapeur) = 180 g. Mais attention : le volume a augmenté considérablement ! La masse est la même, mais la vapeur occupe un volume environ 1 600 fois plus grand que le liquide.

6. Applications dans la vie quotidienne

7. Bilan

Les 3 points essentiels à retenir :

1. Il existe six changements d'état. Pour l'eau pure à pression atmosphérique normale : fusion et solidification vers 0 °C, ébullition vers 100 °C. L'évaporation et la condensation liquide peuvent aussi se produire à température ambiante.

2. Pour un corps pur à pression constante, pendant la coexistence des deux états, la température reste constante (palier) : l'énergie est utilisée pour modifier les liaisons entre particules.

3. La masse se conserve lors d'un changement d'état : les particules sont les mêmes avant et après.

Différenciation

• Remédiation : compléter un schéma des changements d'état avec les flèches et les noms (fusion, solidification, vaporisation, condensation, sublimation) à placer au bon endroit
• Approfondissement : tracer et interpréter un palier de température lors d'un changement d'état — expliquer pourquoi la température reste constante malgré l'apport d'énergie

Mots-clés

Erreurs fréquentes des élèves

⚠️ Erreur 1 : Croire que pendant un palier, on ne chauffe plus. Correction : On continue à chauffer, mais l'énergie est utilisée pour changer l'état, pas pour augmenter la température.

⚠️ Erreur 2 : Confondre évaporation et ébullition. Correction : L'évaporation est lente et se produit uniquement en surface à n'importe quelle température. L'ébullition est rapide, se produit dans tout le liquide et a lieu à une température précise (vers 100 °C pour l'eau pure à pression atmosphérique normale).

⚠️ Erreur 3 : Penser que de la matière disparaît lorsque la masse d'eau restant dans un bécher ouvert diminue. Correction : La masse se conserve, mais la vapeur s'échappe dans l'air. Si on pèse le bécher, la masse du bécher diminue car la vapeur est partie dans l'atmosphère. La loi de conservation s'applique au système total (eau + vapeur).

⚠️ Erreur 4 : Dire que la vapeur d'eau est le « nuage blanc » qu'on voit au-dessus d'une casserole. Correction : La vapeur d'eau est invisible (gaz). Le nuage blanc est de la condensation : des gouttelettes d'eau liquide formées quand la vapeur rencontre l'air froid.

Ressources associées

• 🧪 TP : Courbe de fusion de la glace (fiche expérimentale)
• 🔗 Simulation PhET : States of Matter
• 📄 Ch.1 — États de la matière
• 📄 Ch.3 — Mélanges et corps purs

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