Les états et les changements d'état de l'eau
Cinquième · Physique-Chimie · Organisation et transformations de la matière
Les trois états de l'eau et le modèle particulaire
L'eau est partout autour de toi, et pas toujours sous la même forme : la glace du congélateur, l'eau du robinet, la vapeur invisible dans l'air… Ce sont trois états physiques d'une même substance : l'eau.
Solide, liquide, gaz : trois comportements différents
| État | Exemple | Forme propre ? | Propriétés |
|---|---|---|---|
| Solide | glace, neige, givre | Oui | garde sa forme, incompressible |
| Liquide | eau du robinet, pluie | Non | prend la forme du récipient, surface libre plane et horizontale au repos, incompressible |
| Gaz | vapeur d'eau | Non | occupe tout le volume disponible, compressible, invisible |
Ces trois états n'ont donc pas du tout le même comportement : un solide garde sa forme si tu le déplaces ou le poses ailleurs, un liquide épouse celle du récipient qui le contient, et un gaz, lui, occupe absolument tout l'espace qu'on lui laisse, même un grand local vide. Cette différence de comportement n'a rien de magique : elle s'explique par la façon dont les particules qui composent la matière sont organisées entre elles, ce que tu vas découvrir dans la partie suivante.
Le modèle particulaire
Pour expliquer ces différences, les scientifiques utilisent un modèle : la matière est constituée de particules microscopiques, beaucoup trop petites pour être vues. Ce qui change d'un état à l'autre, ce n'est pas la particule elle-même, c'est son organisation.
Ce modèle n'est pas une photographie de la réalité : personne n'a jamais vu une particule d'eau à l'œil nu, ni même au microscope optique ordinaire. C'est une représentation simplifiée qui permet d'expliquer, de façon cohérente et vérifiable, tout ce qu'on observe à notre échelle : la forme d'un solide, l'écoulement d'un liquide, la capacité d'un gaz à se répandre partout dans l'espace qu'on lui offre.
- Solide : particules serrées, ordonnées et quasi immobiles — d'où la forme propre.
- Liquide : particules en contact mais désordonnées, qui glissent les unes sur les autres — le liquide coule.
- Gaz : particules dispersées, très espacées et très agitées — le gaz occupe tout le volume offert.
Ce modèle permet ainsi de comprendre, avec des particules identiques, des comportements très différents selon leur organisation. Dans un solide, les particules sont si serrées et si peu mobiles qu'elles ne peuvent presque pas changer de place : c'est pour cela que le solide garde toujours la même forme. Dans un gaz au contraire, les particules sont si éloignées les unes des autres et se déplacent si librement et si vite qu'elles finissent par occuper tout l'espace disponible, aussi grand soit-il, jusque dans les moindres recoins. Le liquide se situe entre les deux états : les particules y restent proches, mais peuvent glisser librement les unes sur les autres, ce qui explique qu'un liquide coule et prend la forme de son récipient.
Les changements d'état de l'eau
Un glaçon qui fond, du linge qui sèche, de la buée sur une vitre froide… L'eau passe sans arrêt d'un état à un autre. Chaque passage porte un nom précis qu'il faut connaître par cœur.
| Changement d'état | Passage | Exemple du quotidien |
|---|---|---|
| Fusion | solide → liquide | un glaçon fond dans un verre |
| Solidification | liquide → solide | l'eau devient glace au congélateur |
| Vaporisation | liquide → gaz | l'eau bout, le linge sèche (évaporation) |
| Liquéfaction | gaz → liquide | la buée se forme sur une vitre froide |
Des températures bien précises pour l'eau pure
Sous la pression atmosphérique normale, l'eau pure fond et se solidifie à 0 °C, et elle bout à 100 °C. Pendant tout le changement d'état, la température ne bouge plus : on observe un palier de température sur la courbe.
Masse et volume pendant un changement d'état
Quand l'eau change d'état, aucune particule ne disparaît ni n'apparaît : la masse se conserve. En revanche, le volume change : la glace occupe plus de volume que l'eau liquide dont elle provient. C'est pour cela qu'une bouteille pleine et fermée éclate au congélateur.
Exercices corrigés
Sous la pression atmosphérique normale, l'eau pure bout à :
- A.0 °C
- B.50 °C
- C.100 °CBonne réponse
- D.200 °C
Réponse : C — 100 °C
L'eau pure bout à 100 °C sous pression atmosphérique normale. 0 °C est sa température de fusion/solidification. Ces deux valeurs sont à connaître par cœur.
Le linge mouillé qui sèche à l'air libre illustre :
- A.Une vaporisation (ici, une évaporation)Bonne réponse
- B.Une liquéfaction, passage du gaz au liquide
- C.Une fusion, passage du solide au liquide
- D.Une disparition totale et définitive de l'eau
Réponse : A — Une vaporisation (ici, une évaporation)
L'eau liquide du linge passe à l'état de vapeur d'eau : c'est une vaporisation, qui se fait ici lentement et à température ambiante (évaporation). L'eau ne disparaît pas : elle part dans l'air sous forme de gaz invisible.
On congèle 200 g d'eau liquide. Après solidification complète, on obtient :
- A.200 g de glace occupant un volume plus grandBonne réponse
- B.200 g de glace occupant exactement le même volume
- C.Moins de 200 g, car l'eau se contracte
- D.Plus de 200 g, car la glace est plus dure
Réponse : A — 200 g de glace occupant un volume plus grand
La masse se conserve : 200 g d'eau donnent 200 g de glace. Mais le volume augmente : la glace prend plus de place que l'eau liquide. La dureté n'a rien à voir avec la masse !
Le nuage blanc visible au-dessus d'une casserole d'eau bouillante est :
- A.De la vapeur d'eau visible, comme celle qui sort d'une bouilloire
- B.Un gaz, comme l'air qui nous entoure au quotidien
- C.De fines gouttelettes d'eau liquide en suspensionBonne réponse
- D.De la fumée produite par la combustion de l'eau
Réponse : C — De fines gouttelettes d'eau liquide en suspension
La vapeur d'eau est un gaz invisible. Ce que tu vois, c'est de la vapeur qui s'est déjà liquéfiée au contact de l'air plus froid : de minuscules gouttelettes liquides. Et l'eau ne brûle pas, donc aucune fumée !
Comment appelle-t-on le passage de l'état solide à l'état liquide ?
- A.La solidification
- B.La fusionBonne réponse
- C.La liquéfaction
- D.La vaporisation
Réponse : B — La fusion
Solide → liquide, c'est la fusion (le glaçon qui fond). La solidification est le passage inverse, la liquéfaction part du gaz et la vaporisation part du liquide vers le gaz.
Quelle propriété est vraie pour l'eau à l'état liquide ?
- A.Elle a une forme propre
- B.Elle prend la forme du récipient qui la contientBonne réponse
- C.Elle occupe tout le volume disponible
- D.Elle est compressible
Réponse : B — Elle prend la forme du récipient qui la contient
Un liquide n'a pas de forme propre : il épouse la forme du récipient, avec une surface libre plane et horizontale au repos. Avoir une forme propre, c'est le solide ; occuper tout le volume et être compressible, c'est le gaz.
Lors d'un changement d'état, la masse de l'eau :
- A.Augmente toujours
- B.Diminue toujours
- C.Dépend de l'état final
- D.Se conserveBonne réponse
Réponse : D — Se conserve
Aucune particule d'eau n'apparaît ni ne disparaît pendant un changement d'état : la masse se conserve exactement. Attention, c'est le volume qui peut changer, pas la masse.
La buée qui apparaît sur une vitre froide est due à :
- A.La fusion
- B.La vaporisation
- C.La solidification
- D.La liquéfactionBonne réponse
Réponse : D — La liquéfaction
La vapeur d'eau (gaz) contenue dans l'air se transforme en fines gouttelettes liquides au contact de la vitre froide : c'est un passage gaz → liquide, donc une liquéfaction.
Pendant toute la fusion d'un glaçon d'eau pure, la température du mélange eau-glace :
- A.Augmente régulièrement
- B.Reste constante à 0 °CBonne réponse
- C.Diminue
- D.Reste constante à 100 °C
Réponse : B — Reste constante à 0 °C
Pendant le changement d'état d'un corps pur, la température reste bloquée : c'est le palier de température. Pour la fusion de l'eau, ce palier est à 0 °C (100 °C, c'est l'ébullition).
Dans le modèle particulaire, à l'état gazeux, les particules d'eau sont :
- A.Serrées et ordonnées
- B.En contact mais désordonnées
- C.Dispersées, très espacées et très agitéesBonne réponse
- D.Plus grosses qu'à l'état solide
Réponse : C — Dispersées, très espacées et très agitées
À l'état gazeux, les particules sont dispersées et très agitées : c'est pour ça qu'un gaz occupe tout le volume offert. Serrées et ordonnées = solide ; en contact et désordonnées = liquide. Et la taille des particules ne change jamais !
En refroidissant un liquide inconnu, on observe un palier de température à 0 °C. Que peut-on en déduire ?
- A.C'est un corps pur qui se solidifie à 0 °C : très probablement de l'eau pureBonne réponse
- B.C'est forcément un mélange
- C.Le liquide est en train de bouillir
- D.Le thermomètre est défectueux
Réponse : A — C'est un corps pur qui se solidifie à 0 °C : très probablement de l'eau pure
Un palier net de température pendant la solidification est la signature d'un corps pur (un mélange se solidifie sans palier net). Et un corps pur qui se solidifie à 0 °C, c'est la carte d'identité de l'eau. À 0 °C en refroidissant, il s'agit d'une solidification, pas d'une ébullition.
Une bouteille en plastique fermée contient exactement 500 g d'eau liquide et est remplie à ras bord. On la place au congélateur. Après congélation complète :
- A.La masse est toujours de 500 g, mais la bouteille s'est déformée car la glace occupe un volume plus grandBonne réponse
- B.La masse a diminué car une partie de l'eau s'est évaporée
- C.La masse est de 500 g et la bouteille est intacte car le volume ne change pas
- D.La masse a augmenté car la glace est plus lourde que l'eau
Réponse : A — La masse est toujours de 500 g, mais la bouteille s'est déformée car la glace occupe un volume plus grand
Raisonne en deux étapes. 1) Conservation de la masse : la bouteille est fermée, aucune particule ne sort, donc toujours 500 g. 2) Non-conservation du volume : la glace occupe plus de place que l'eau liquide ; comme la bouteille était pleine à ras bord, la glace la déforme (voire la fait éclater). C'est le piège classique : masse conservée, volume non conservé.
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