Les changements d'état de l'eau

L'eau change de « costume » selon la température : glace (solide), eau liquide ou vapeur (gaz). Quand elle passe d'un costume à l'autre, c'est un changement d'état : sa quantité ne change pas, seule son apparence change.

Objectifs

Reconnaître les trois états de l'eau : solide, liquide et gazeux.
Nommer les changements d'état : fusion, solidification, vaporisation (ébullition et évaporation), condensation.
Connaître les températures de fusion et d'ébullition de l'eau pure.
Savoir que la masse se conserve lors d'un changement d'état.

1. Les trois états de l'eau

État solide (la glace) : il a une forme propre. Un glaçon garde sa forme, qu'on le mette dans un verre ou dans un bol.
État liquide (l'eau du robinet, la pluie) : il n'a pas de forme propre, il prend la forme du récipient. Sa surface libre au repos est plane et horizontale.
État gazeux (la vapeur d'eau) : il n'a pas de forme propre et occupe tout l'espace disponible. La vapeur d'eau est invisible.

Quel état de l'eau prend la forme du récipient qui le contient, tout en ayant une surface plane et horizontale au repos ?

L'état solide
L'état liquide
L'état gazeux

Le liquide prend la forme du récipient et sa surface libre est horizontale. Le solide garde sa forme ; le gaz occupe tout l'espace, sans surface libre.

2. Les noms des changements d'état

Fusion : solide → liquide (le glaçon fond).
Solidification : liquide → solide (l'eau gèle au congélateur).
Vaporisation : liquide → gaz. Elle peut être lente, à toute température : c'est l'évaporation (le linge sèche, une flaque disparaît). Elle peut être rapide, avec des grosses bulles dans tout le liquide : c'est l'ébullition (l'eau bout dans la marmite).
Condensation (on dit aussi liquéfaction) : gaz → liquide (la buée sur un miroir, les gouttes sous le couvercle de la marmite).

flowchart LR
S[Glace solide] -- fusion --> L[Eau liquide]
L -- solidification --> S
L -- vaporisation --> G[Vapeur gaz]
G -- condensation --> L

Le piège de la « fumée » blanche

Au-dessus d'une marmite qui bout, on voit un nuage blanc. Ce n'est pas de la vapeur d'eau : la vapeur est invisible. Juste au-dessus de l'eau, il y a une zone transparente de vapeur ; plus haut, la vapeur se refroidit dans l'air et se condense en minuscules gouttelettes d'eau liquide : c'est la buée qu'on voit. Légende le schéma :

Le matin, à Abidjan, Koffi sort une bouteille du réfrigérateur : des gouttes apparaissent sur la bouteille. Quel changement d'état se produit ?

La fusion
L'évaporation
La condensation

La vapeur d'eau invisible contenue dans l'air touche la bouteille froide, se refroidit et devient liquide : c'est la condensation. La bouteille ne « transpire » pas, l'eau vient de l'air.

Quelle est la différence entre l'évaporation et l'ébullition ?

L'évaporation est lente et se fait à toute température ; l'ébullition est rapide, avec des bulles dans tout le liquide
L'évaporation transforme un gaz en liquide
Il n'y a aucune différence

Les deux sont des vaporisations (liquide vers gaz). L'évaporation se fait doucement à la surface (la flaque qui sèche), l'ébullition est rapide et forme des bulles de vapeur (l'eau qui bout).

3. Les températures de changement d'état

Sous la pression atmosphérique normale, l'eau pure :

fond (et se solidifie) à \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\) ;
bout à \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\).

Pendant toute la durée d'un changement d'état de l'eau pure, la température reste constante : on observe un palier sur la courbe de température. Suis la courbe obtenue en chauffant de la glace sortie d'un congélateur à \(-20\,^{\circ}\mathrm{C}\) :

Étape 1 : la glace se réchauffe de −20 °C jusqu'à 0 °C ; elle reste solide.

Étape 2 : à 0 °C la glace fond. Tant qu'il reste de la glace, la température ne bouge pas : c'est le palier de fusion.

Étape 3 : toute la glace a fondu ; l'eau liquide se réchauffe de 0 °C à 100 °C.

Étape 4 : à 100 °C l'eau bout. La température reste à 100 °C tant qu'il reste de l'eau liquide : c'est le palier d'ébullition.

De l'eau pure bout depuis 5 minutes dans une casserole. Mariam augmente le feu. Que devient la température de l'eau ?

Elle monte au-dessus de 100 °C
Elle reste à 100 °C
Elle redescend

Pendant l'ébullition, la température de l'eau pure reste constante à 100 °C. Plus de feu fait seulement bouillir l'eau plus vite (elle s'évapore plus vite).

4. La masse se conserve, le volume change

Lors d'un changement d'état, la masse se conserve : la quantité de matière ne change pas. En revanche, le volume change : l'eau qui gèle prend un peu plus de place, c'est pourquoi la glace flotte sur l'eau.

Exemple résolu

Étape 1 : on identifie le changement d'état. La glace devient de l'eau liquide : c'est une fusion.

Étape 2 : on applique la règle. Lors d'un changement d'état, la masse se conserve ; le récipient est fermé, donc aucune eau ne s'échappe.

Étape 3 : on conclut. \[m_{\text{eau liquide}} = m_{\text{glace}} = 250\ \mathrm{g}\] La balance indique toujours \(250\ \mathrm{g}\) (sans compter la masse du récipient).

À toi de jouer

Ibrahim met \(1{,}5\ \mathrm{kg}\) d'eau liquide dans un bac à glaçons fermé, au congélateur. Quelle est la masse de la glace obtenue ? Le volume a-t-il augmenté ou diminué ?

Voir la solution

C'est une solidification : la masse se conserve, donc la glace a une masse de \(1{,}5\ \mathrm{kg}\). Le volume, lui, a augmenté : la glace prend plus de place que l'eau liquide.

On fait fondre \(300\ \mathrm{g}\) de glace dans un bocal fermé. Quelle masse d'eau liquide obtient-on ?

300 g
Moins de 300 g
Plus de 300 g

Lors d'un changement d'état, la masse se conserve : 300 g de glace donnent 300 g d'eau liquide.

Erreurs fréquentes

Confondre fusion (solide → liquide) et dissolution (le sucre qui disparaît dans le thé n'est pas une fusion : il se dissout).
Croire que la vapeur d'eau est visible : le nuage blanc, ce sont des gouttelettes.
Croire que l'évaporation n'a lieu qu'à 100 °C : une flaque sèche à température ordinaire.
Penser que la masse change pendant un changement d'état : seul le volume change.

Récapitulatif

Trois états : solide (forme propre), liquide (forme du récipient, surface horizontale), gaz (occupe tout l'espace, invisible pour l'eau).
Fusion, solidification, vaporisation (évaporation lente ou ébullition rapide), condensation.
Eau pure : \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\) pour la fusion, \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\) pour l'ébullition ; palier de température pendant le changement d'état.
La masse se conserve, le volume change.

Fusion

Passage de l'état solide à l'état liquide (le glaçon fond), à \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\) pour l'eau pure.

Solidification

Passage de l'état liquide à l'état solide (l'eau gèle).

Ébullition

Vaporisation rapide avec des bulles dans tout le liquide, à \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\) pour l'eau pure.

Évaporation

Vaporisation lente, à la surface du liquide, à toute température (le linge qui sèche).

Condensation

Passage de l'état gazeux à l'état liquide (la buée sur un miroir).

Conservation de la masse

Pendant un changement d'état, la masse ne change pas ; le volume, lui, change.