Les états de l'eau
Les états de l'eau : solide, liquide et gazeux
L'eau existe sous trois états (solide comme la glace, liquide comme l'eau du robinet, gazeux comme la vapeur invisible) et elle passe de l'un à l'autre quand on la chauffe ou qu'on la refroidit, sans que sa masse change.
Objectifs
- Nommer les trois états de l'eau et donner un exemple de chacun.
- Décrire les propriétés de chaque état : forme, volume, surface libre.
- Nommer les changements d'état : fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction.
- Savoir que la glace fond à \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\) et que l'eau pure bout à \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\) au niveau de la mer.
- Comprendre que la masse se conserve lors d'un changement d'état.
1. Les trois états de l'eau
1.1 L'état solide : la glace
Un glaçon a une forme propre : il garde sa forme, que tu le poses dans un verre ou dans une assiette. Il a aussi un volume propre. On peut le saisir avec les doigts.
1.2 L'état liquide : l'eau liquide
L'eau liquide n'a pas de forme propre : elle prend la forme du récipient (seau, bouteille, canari). Mais elle a un volume propre : \(1\,\mathrm{L}\) d'eau versé d'une bouteille dans une cuvette reste \(1\,\mathrm{L}\). Elle peut couler : on dit qu'elle est fluide.
Au repos, la surface d'un liquide est plane et horizontale : c'est la surface libre. Même si tu penches le verre, la surface de l'eau reste horizontale.
1.3 L'état gazeux : la vapeur d'eau
La vapeur d'eau est un gaz invisible. Elle n'a ni forme propre ni volume propre : elle occupe tout l'espace qu'on lui offre. Un gaz peut aussi être compressé (on peut réduire son volume en appuyant, comme l'air d'une pompe à vélo bouchée).
Légende toi-même le schéma : touche chaque point et choisis l'état de l'eau.
Quel état de l'eau n'a ni forme propre ni volume propre ?
Le nuage blanc qui sort de la bouilloire est fait de :
2. Les changements d'état
Quand on chauffe ou qu'on refroidit l'eau, elle peut changer d'état :
- Fusion : solide → liquide (le glaçon fond).
- Solidification : liquide → solide (l'eau gèle au congélateur).
- Vaporisation : liquide → gaz. Elle peut être lente, à la surface, à toute température : c'est l'évaporation (le linge qui sèche, une flaque qui disparaît). Elle peut être rapide, avec de grosses bulles dans tout le liquide : c'est l'ébullition (l'eau qui bout).
- Liquéfaction : gaz → liquide (la buée sur une bouteille fraîche, la rosée, la vapeur sur le couvercle de la marmite).
flowchart LR S[Solide glace] -->|fusion| L[Liquide eau] L -->|solidification| S L -->|vaporisation| G[Gaz vapeur] G -->|liquefaction| L
Le matin à Ouagadougou, Salif voit des gouttes d'eau sur l'extérieur de sa bouteille sortie du frigo. Quel changement d'état a eu lieu ?
3. Températures de changement d'état et conservation de la masse
Pour l'eau pure, au niveau de la mer :
- la glace fond (et l'eau liquide gèle) à \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\) ;
- l'eau bout à \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\).
Pendant un changement d'état de l'eau pure, la température reste constante : on parle de palier. Observe le graphique se construire.
La glace, sortie du congélateur à une température sous \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\), se réchauffe : sa température monte.
À \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\), la glace fond : tant qu'il reste de la glace, la température reste à \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\) (premier palier).
Toute la glace a fondu : l'eau liquide se réchauffe et sa température monte jusqu'à \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\).
À \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\), l'eau bout : la température reste constante pendant toute l'ébullition (second palier).
La masse se conserve
Lors d'un changement d'état, la masse ne change pas : on a la même quantité d'eau, simplement sous un autre état.
\[ m_{\text{glace}} = m_{\text{eau liquide obtenue}} \]En revanche, le volume change. Quand l'eau gèle, son volume augmente : c'est pourquoi une bouteille en verre pleine d'eau peut éclater au congélateur, et pourquoi la glace flotte sur l'eau.
Pendant que l'eau bout dans la marmite, on augmente le feu. La température de l'eau :
4. Exemples résolus
Exemple 1 : la masse d'un sachet de glace
Fatou met au congélateur un sachet contenant \(500\,\mathrm{g}\) d'eau. Le lendemain, il est devenu de la glace. Quelle est la masse de la glace ? Laisse-la fondre au soleil : quelle masse d'eau liquide obtient-on ?
Exemple 2 : lire les températures
Kwame chauffe de la glace et note la température chaque minute : \(-6\), \(-3\), \(0\), \(0\), \(0\), \(15\), \(30\,^{\circ}\mathrm{C}\). Pendant quelles minutes la glace fond-elle ? Cherche d'abord.
Voir la solution
La température reste à \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\) pendant trois relevés (3e, 4e et 5e) : c'est le palier de fusion. Ensuite elle remonte (\(15\) puis \(30\,^{\circ}\mathrm{C}\)) car toute la glace a fondu et l'eau liquide se réchauffe.
Exemple 3 : la bouteille qui a éclaté
Awa a oublié une bouteille en verre bien pleine et fermée au congélateur. Le matin, elle est fendue. Explique.
Voir la solution
L'eau s'est solidifiée. Sa masse n'a pas changé, mais son volume a augmenté. La bouteille pleine et fermée n'avait plus assez de place : la glace a poussé sur le verre et l'a fendu. Conseil : ne remplis jamais complètement une bouteille que tu mets au congélateur.
5. Erreurs fréquentes
- Croire que la vapeur d'eau est visible : le nuage blanc est de l'eau liquide en gouttelettes.
- Confondre évaporation (lente, en surface) et ébullition (rapide, bulles dans tout le liquide, à \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\) pour l'eau pure).
- Penser que la masse change quand l'eau gèle ou fond.
- Croire que la température continue de monter pendant l'ébullition.
- Confondre fondre (fusion d'un solide) et se dissoudre (le sucre qui disparaît dans le thé n'est pas une fusion).
Le sucre « disparaît » dans le thé chaud. De quoi s'agit-il ?
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