Objectifs

• Nommer les six changements d'état et écrire leur équation, par exemple \(\ce{H2O(s) -> H2O(l)}\).
• Décrire un changement d'état à l'échelle des molécules.
• Reconnaître une transformation endothermique ou exothermique.
• Interpréter le palier de température d'un corps pur.
• Calculer l'énergie transférée avec l'énergie massique de changement d'état : \(Q = m \times L\).

1. Les trois états et les six changements d'état

Une transformation physique change l'état d'une espèce chimique sans la transformer en une autre espèce : les molécules restent les mêmes. La matière existe sous trois états :

Les six changements d'état :

flowchart LR
  S[Solide] -->|Fusion| L[Liquide]
  L -->|Solidification| S
  L -->|Vaporisation| G[Gaz]
  G -->|Liquéfaction| L
  S -->|Sublimation| G
  G -->|Condensation| S

On modélise un changement d'état par une équation où l'on indique l'état entre parenthèses : (s) solide, (l) liquide, (g) gaz.

2. Le palier de température d'un corps pur

Pour un corps pur, sous une pression donnée, la température reste constante pendant tout le changement d'état : c'est le palier. Sous la pression atmosphérique normale, l'eau pure fond à 0 °C et bout à 100 °C.

Suis la courbe d'échauffement de la glace, étape par étape :

3. Transformations endothermiques et exothermiques

Un changement d'état s'accompagne toujours d'un transfert d'énergie avec l'extérieur :

• Endothermique : le système reçoit de l'énergie. C'est le cas de la fusion, de la vaporisation et de la sublimation (il faut « casser » les liaisons entre molécules pour les éloigner).
• Exothermique : le système cède de l'énergie. C'est le cas de la solidification, de la liquéfaction et de la condensation (les molécules se rapprochent et libèrent de l'énergie).

4. L'énergie massique de changement d'état

L'énergie \(Q\) transférée lors du changement d'état d'une masse \(m\) d'une espèce est proportionnelle à cette masse :

• \(Q\) : énergie transférée, en joules (\(\text{J}\)) ;
• \(m\) : masse qui change d'état, en kilogrammes (\(\text{kg}\)) ;
• \(L\) : énergie massique de changement d'état, en joules par kilogramme (\(\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\)). C'est l'énergie qu'il faut pour faire changer d'état 1 kg de l'espèce.

Pour l'eau, les tables de données (par exemple le CRC Handbook of Chemistry and Physics) donnent :

• énergie massique de fusion à 0 °C : \(L_{\text{fus}} \approx 3{,}34 \times 10^{5}\ \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\) ;
• énergie massique de vaporisation à 100 °C : \(L_{\text{vap}} \approx 2{,}26 \times 10^{6}\ \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\).

Convention de signe : \(Q > 0\) quand le système reçoit de l'énergie (transformation endothermique), \(Q < 0\) quand il en cède (exothermique). Ainsi \(L_{\text{sol}} = -L_{\text{fus}}\) et \(L_{\text{liq}} = -L_{\text{vap}}\).

Fais varier la masse et l'énergie massique : l'énergie \(Q\) (en kJ) est proportionnelle à la masse \(m\) (en kg).

Exemple résolu 1 : faire fondre la glace de la glacière

Awa met 2,0 kg de glace à 0 °C dans une glacière. Quelle énergie faut-il pour la faire fondre entièrement ? Cherche d'abord.

Exemple résolu 2 : l'eau qui se solidifie au congélateur

Kofi place 0,50 kg d'eau à 0 °C au congélateur. Quelle énergie l'eau échange-t-elle en se solidifiant entièrement ?

Erreurs fréquentes

• Croire qu'un changement d'état crée une nouvelle espèce : non, les molécules restent identiques (transformation physique).
• Confondre liquéfaction (gaz vers liquide) et condensation (gaz vers solide).
• Penser que la température monte pendant l'ébullition d'un corps pur.
• Dire que la fusion « dégage du froid » : en réalité, elle prend de l'énergie au milieu extérieur, qui se refroidit.
• Laisser la masse en grammes dans \(Q = m \times L\).

Récapitulatif

• Six changements d'état : fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation, condensation.
• Équation : \(\ce{H2O(s) -> H2O(l)}\) ; les molécules ne changent pas.
• Corps pur : palier de température pendant le changement d'état.
• Fusion, vaporisation, sublimation : endothermiques (\(Q > 0\)) ; solidification, liquéfaction, condensation : exothermiques (\(Q < 0\)).
• \(Q = m \times L\), avec \(Q\) en J, \(m\) en kg, \(L\) en \(\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\).