États de la matière et changements d'état

Regarde un verre d'eau glacée. Il contient un glaçon, dur et anguleux. Il contient de l'eau liquide, qui prend la forme du verre. Et juste au-dessus, invisible, il y a de la vapeur d'eau, un gaz mélangé à l'air.

Trois choses très différentes à voir. Et pourtant, c'est la même eau.

Un état de la matière, c'est l'une des trois formes sous lesquelles un corps peut se présenter : l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux. On les reconnaît à ce qu'on peut observer.

Le point qui compte plus que le tableau. Passer d'un état à l'autre ne fait ni apparaître ni disparaître de matière. Le glaçon qui fond ne se « perd » pas : il devient de l'eau liquide, et il y en a exactement autant qu'avant.

Un changement d'état est le passage d'un même corps d'un état à un autre. Le corps reste le même corps ; c'est seulement sa forme qui change.

Une image pour se le représenter. On peut imaginer que la matière est faite d'une multitude de grains minuscules, bien trop petits pour être vus, qu'on appelle des particules. Dans un solide, elles sont serrées et rangées ; dans un liquide, serrées mais libres de glisser les unes sur les autres ; dans un gaz, très éloignées et en mouvement dans tout l'espace. Lors d'un changement d'état, ce sont les mêmes particules : elles se rangent seulement autrement. Attention : cette image n'est pas au programme de la 6e, elle est étudiée en détail au collège les années suivantes. Retiens-la comme une aide, pas comme une leçon à réciter.

Un gaz est de la matière. C'est le point le plus difficile à admettre, parce qu'on ne voit rien. Un gaz occupe de la place et il a une masse. De l'air enfermé dans un ballon pèse : la balance le montre. « Invisible » ne veut pas dire « rien ».

1. Les quatre passages, et leurs quatre noms. Trois états pris deux à deux donneraient six passages. Au programme de la 6e, il y en a quatre, ceux qui font intervenir l'état liquide.

Deux pièges de vocabulaire tiennent dans ce tableau. « Fusion » ne veut pas dire « chauffer » : c'est passer de solide à liquide, et rien d'autre. Et chaque nom désigne un seul sens : la solidification est l'exact contraire de la fusion, ce n'est pas un autre mot pour la même chose.

2. Deux façons de se vaporiser. Une flaque disparaît au soleil, à 20 °C. De l'eau bout dans une casserole, à 100 °C. Dans les deux cas, de l'eau liquide devient de la vapeur d'eau : ce sont donc deux vaporisations. Mais elles ne se ressemblent pas.

• L'évaporation se produit à n'importe quelle température, lentement, et uniquement à la surface du liquide. C'est ainsi que sèchent le linge, la flaque et le verre d'eau laissé sur la table.
• L'ébullition se produit à une température précise, dans tout le liquide à la fois — d'où les bulles qui montent du fond. Pour l'eau, sous la pression atmosphérique normale, cette température vaut 100 °C.

Retiens la phrase : l'évaporation et l'ébullition sont deux vaporisations, mais toute vaporisation n'est pas une ébullition.

3. La masse ne change pas ; le volume, si. Pèse un récipient fermé contenant un glaçon. Attends que le glaçon fonde. Repèse : la balance affiche exactement la même valeur.

Lors d'un changement d'état, la masse du corps se conserve. Son volume, lui, peut changer.

Le récipient doit être fermé, et ce n'est pas un détail. À l'air libre, la vapeur d'eau s'en va dans la pièce, et la balance perd sa masse — non pas parce que la matière a disparu, mais parce qu'elle a quitté la balance.

4. L'eau, un cas à part. Presque tous les corps occupent moins de place à l'état solide qu'à l'état liquide. L'eau fait l'inverse : la glace occupe plus de place que l'eau liquide dont elle vient. C'est pourquoi une bouteille pleine d'eau et fermée peut se fendre au congélateur, et pourquoi la glace flotte. La masse, elle, n'a pas bougé d'un gramme.

5. Le palier de température. Chauffe régulièrement un corps pur — c'est-à-dire un corps fait d'une seule matière, sans mélange — et relève sa température de minute en minute. Tu observes trois temps : la température monte, puis elle ne bouge plus du tout pendant un moment, puis elle remonte.

Ce moment où elle ne bouge plus s'appelle le palier. Il correspond exactement au changement d'état.

Pendant tout le changement d'état d'un corps pur, la température reste constante.

Pourquoi ? Parce que l'énergie que le feu apporte ne sert plus à réchauffer le corps : elle sert à le faire changer d'état. Voilà la réponse à la question que tout le monde se pose : si je chauffe plus fort, l'eau qui bout devient-elle plus chaude ? Non. Elle bout plus vite, elle reste à 100 °C.

Pour l'eau, sous la pression atmosphérique normale, ces températures sont connues et valent la peine d'être retenues : 0 °C pour la fusion et la solidification, 100 °C pour l'ébullition. Pour un autre corps pur, ce sont d'autres valeurs, et c'est justement ce qui permet de l'identifier.

On chauffe régulièrement un corps pur solide — un corps que l'on n'identifie pas — et on relève sa température toutes les minutes. Le corps est enfermé dans un récipient fermé posé sur une balance, qui affiche 120,0 g avant le début de l'expérience.

Question 1 — quel changement d'état se produit ici ?

On part d'un corps solide et on le chauffe. La température monte, s'arrête, puis remonte : le corps a changé d'état pendant l'arrêt. En chauffant un solide, on obtient un liquide.

Le passage de l'état solide à l'état liquide porte un nom : c'est la fusion.

Question 2 — quelle est la température du palier ?

On parcourt la colonne des températures et on cherche la valeur qui se répète à la suite. De la minute 3 à la minute 7, la température vaut toujours la même chose : 55 °C.

C'est la température de fusion de ce corps pur. Attention : elle ne vaut pas 0 °C, car ce corps n'est pas de l'eau. On ne peut pas l'identifier à partir de ce seul relevé.

Question 3 — pendant combien de temps la température reste-t-elle constante ?

Le palier commence à la minute 3 et se termine à la minute 7. La durée écoulée entre ces deux instants est

La température est restée constante pendant 4 minutes.

Attention au comptage. Le palier occupe 5 lignes du tableau (les minutes 3, 4, 5, 6 et 7), mais la durée vaut 4 minutes. Il y a toujours un intervalle de moins que de relevés : entre deux poteaux, il n'y a qu'un espace.

Question 4 — que va indiquer la balance à la minute 10 ?

Rien n'est entré dans le récipient, rien n'en est sorti : il est fermé. Un changement d'état ne fait ni apparaître ni disparaître de matière. La balance indique donc 120,0 g, exactement comme au départ.

Ce qui a changé, c'est l'état du corps — il est maintenant liquide — et peut-être son volume. Sa masse, non.

Réflexe d'auto-contrôle : devant un relevé de températures, cherche d'abord la valeur répétée. C'est elle qui porte toute l'information : elle donne la température du changement d'état, et ses deux extrémités donnent la durée.

Figure (fig.chemistry.states-changes-triangle, SVG programmatique à produire) : trois panneaux côte à côte, qui se lisent de gauche à droite.

• Panneau de gauche — les trois états. Trois récipients identiques posés sur une même ligne de sol. Dans le premier, un bloc anguleux qui ne touche pas les parois, légendé « solide : forme propre ». Dans le deuxième, un liquide dont la surface libre est tracée horizontale et qui épouse le fond, légendé « liquide : prend la forme du récipient ». Dans le troisième, le récipient est rempli d'un semis de points régulièrement répartis jusqu'aux bords, légendé « gazeux : occupe tout l'espace ». Sous chaque récipient, la même mention : « même corps ».
• Panneau du milieu — les quatre passages. Les trois mots « SOLIDE », « LIQUIDE », « GAZEUX » placés aux trois sommets d'un triangle posé sur sa base. Quatre flèches, deux par côté, dessinées à l'extérieur du triangle pour ne pas se croiser : de SOLIDE vers LIQUIDE, étiquetée « fusion » ; de LIQUIDE vers SOLIDE, étiquetée « solidification » ; de LIQUIDE vers GAZEUX, étiquetée « vaporisation » ; de GAZEUX vers LIQUIDE, étiquetée « liquéfaction ». Le troisième côté du triangle, entre SOLIDE et GAZEUX, est tracé en pointillés fins sans flèche ni étiquette, avec la mention « hors programme de la 6e » : il ne faut pas laisser croire que ce passage n'existe pas, mais il ne porte pas de nom ici.
• Panneau de droite — le palier. Un graphique dont l'axe horizontal porte « temps (min) », gradué de 0 à 10, et l'axe vertical « température (°C) », gradué de 0 à 80. La courbe du relevé de l'exemple guidé : une montée régulière de (0 ; 40) à (3 ; 55), un segment strictement horizontal de (3 ; 55) à (7 ; 55), puis une montée régulière de (7 ; 55) à (10 ; 70). Le segment horizontal est épaissi et porte l'étiquette « palier : le corps change d'état, la température ne bouge plus ». Deux traits de rappel en pointillés descendent de ses extrémités vers l'axe des temps, en 3 et en 7, et une double flèche entre eux porte « 4 min ». Un trait de rappel horizontal part du palier vers l'axe des températures et porte « 55 °C ».
• Bandeau du bas, sur toute la largeur. Deux phrases en vis-à-vis : « La masse ne change jamais. » et « Le volume, lui, peut changer. »
• Distinction sans couleur. Le bloc solide est à bord plein, le liquide est hachuré, le gaz est en semis de points : les trois états se distinguent à la forme comme à la teinte. Le segment de palier est à la fois plus épais et étiqueté en toutes lettres. Chaque graduation utile porte sa valeur écrite.

Ce qu'il faut lire. Le panneau de gauche montre ce qu'on voit, le panneau du milieu donne les noms, le panneau de droite montre ce qu'on mesure. Les trois disent la même chose : un corps passe d'un état à l'autre sans cesser d'être lui-même.

La figure en détail : trois panneaux. À gauche, trois récipients identiques contenant le même corps : un bloc solide qui garde sa forme, un liquide à surface plate qui épouse le fond, et un gaz réparti dans tout le volume. Au milieu, un triangle dont les sommets portent les mots solide, liquide et gazeux ; quatre flèches nommées relient ces sommets deux à deux : fusion du solide vers le liquide, solidification du liquide vers le solide, vaporisation du liquide vers le gaz, liquéfaction du gaz vers le liquide ; le côté reliant directement le solide au gaz est en pointillés et n'est pas nommé, car il est hors programme de la sixième. À droite, une courbe de température au cours du temps : elle monte de quarante à cinquante-cinq degrés en trois minutes, reste exactement à cinquante-cinq degrés pendant quatre minutes, puis remonte jusqu'à soixante-dix degrés ; la partie horizontale est le palier, pendant lequel le corps change d'état. Un bandeau rappelle que la masse ne change jamais et que le volume, lui, peut changer.

En 6e, cette leçon ne demande aucun calcul compliqué : elle demande des règles sûres et une lecture de tableau soignée.

Domaine de validité, à ne pas sauter.

1. Le palier n'existe que pour un corps pur, c'est-à-dire un corps fait d'une seule matière. Un mélange, comme l'eau salée, ne donne pas de palier net : il gèle et bout à des températures qui varient pendant l'opération. Les mélanges s'étudient en 5e.
2. Les valeurs 0 °C et 100 °C sont celles de l'eau sous la pression atmosphérique normale. En haute montagne, où l'air est moins pesant, l'eau bout à une température plus basse. Cette dépendance ne s'étudie pas en 6e : retiens seulement que la phrase complète comporte « sous la pression atmosphérique normale ».
3. La conservation de la masse suppose que rien n'entre et rien ne sort : un récipient fermé. À l'air libre, la balance peut très bien afficher moins, sans qu'aucune matière ait disparu.

Comment répondre à chaque type de question.

1. On te décrit une situation et on demande le nom du changement ? Cherche l'état de départ, puis l'état d'arrivée, et lis le tableau des quatre noms.
2. On te donne un relevé de températures et on demande le palier ? Cherche la valeur qui se répète plusieurs fois de suite.
3. On demande la durée du palier ? Retranche la première minute du palier de la dernière. Compte les intervalles, jamais les lignes.
4. On demande ce que devient la masse dans un récipient fermé ? Elle ne change pas. Toujours.

1. Croire que la masse change pendant un changement d'état. C'est l'erreur la plus fréquente du chapitre, et elle est franchement fausse : dans un récipient fermé, la balance affiche la même valeur avant et après. Ce qui change, c'est le volume. Test mental : la matière est-elle sortie du récipient ? Si non, elle est toujours sur la balance.
2. Croire que la température de l'eau monte pendant qu'elle bout. Elle reste à 100 °C tant qu'il reste de l'eau liquide. Chauffer plus fort fait bouillir plus vite, pas plus chaud. L'énergie apportée sert au changement d'état, pas à la montée en température.
3. Confondre évaporation et ébullition. Le linge sèche à 20 °C : c'est une évaporation, donc une vaporisation, sans la moindre bulle. L'ébullition, elle, se produit à une température précise et dans tout le liquide. Les deux sont des vaporisations ; l'une n'est pas l'autre.
4. Prendre le panache blanc au-dessus d'une casserole pour de la vapeur d'eau. La vapeur d'eau est un gaz, et un gaz est invisible. Ce qu'on voit, ce sont de fines gouttelettes d'eau liquide, formées quand la vapeur rencontre l'air plus froid : c'est déjà une liquéfaction.
5. Dire qu'un sucre « fond » dans l'eau. Il ne fond pas : il se dissout. La fusion demande de chauffer un corps jusqu'à sa température de fusion ; la dissolution fait disparaître un solide dans un liquide sans le chauffer. La dissolution s'étudie en 5e ; retiens surtout de ne pas employer le mot « fondre » pour elle.
6. Inverser fusion et solidification. Un moyen simple : on parle de la « fusion des neiges » au printemps, quand la neige devient de l'eau. Fusion = vers le liquide.
7. Croire qu'un corps occupe toujours moins de place à l'état solide. L'eau fait exactement l'inverse : la glace occupe plus de place que l'eau liquide dont elle vient. C'est pour cela qu'une bouteille pleine et fermée se fend au congélateur.
8. Penser qu'un gaz ne pèse rien. Un gaz est de la matière : il occupe de la place et il a une masse. On ne le voit pas, c'est tout.
9. Compter les lignes du tableau au lieu des intervalles. Un palier étalé sur 5 relevés dure 4 minutes. C'est le même comptage que pour les poteaux d'une clôture : entre 5 poteaux, il n'y a que 4 espaces.

Exercice type. Les trois questions ci-dessous sont exactement celles que l'exercice te posera : nommer le changement d'état d'une situation du quotidien, dire de quel état vers quel état le corps passe, et dire ce que devient sa masse. Un exercice voisin te fera lire, lui, un relevé de températures comme celui de l'exemple guidé.

1. Un matin d'hiver, de la buée se dépose sur la vitre froide d'une fenêtre. Quel changement d'état se produit ici ?
2. Après la pluie, une flaque d'eau disparaît peu à peu au soleil. De quel état vers quel état l'eau passe-t-elle ?
3. Un glaçon oublié sur la table devient une petite flaque. On reproduit la même transformation au laboratoire, dans un récipient fermé posé sur une balance. Que devient la masse du corps ?

Correction.

1. On repère d'abord le corps qui change d'état : ici, l'eau. Au départ, elle se trouve dans l'air, sous forme de vapeur d'eau, donc à l'état gazeux. À l'arrivée, elle forme de fines gouttelettes sur la vitre, donc à l'état liquide.

Le passage de l'état gazeux à l'état liquide porte un nom : c'est la liquéfaction.

Pourquoi sur la vitre, et pas ailleurs ? Parce que la vitre est froide. C'est le refroidissement de la vapeur d'eau au contact du verre qui provoque la liquéfaction.

2. L'eau de la flaque est au départ à l'état liquide. Elle disparaît en passant dans l'air sous forme de vapeur d'eau, donc à l'état gazeux.

L'eau passe donc de l'état liquide vers l'état gazeux. Ce changement s'appelle la vaporisation ; comme il se produit à la température ordinaire et seulement à la surface de la flaque, il s'agit plus précisément d'une évaporation.

Attention au sens : le même couple d'états, pris à l'envers, décrirait la liquéfaction — c'est-à-dire la question précédente.

3. Le récipient est fermé : rien n'entre, rien ne sort. Un changement d'état ne fait ni apparaître ni disparaître de matière — les mêmes particules sont présentes avant et après, rangées autrement.

La masse ne change pas : la balance affiche la même valeur avant et après la fusion du glaçon.

Ce qui peut changer, c'est le volume. Ici, il diminue même un peu, puisque la glace occupe plus de place que l'eau liquide dont elle vient. Occuper moins de place et peser moins lourd ne sont pas la même chose.

Auto-contrôle : à chaque question, pose-toi les deux mêmes questions dans le même ordre. D'abord : dans quel état est le corps au départ, et dans quel état est-il à l'arrivée ? Ensuite seulement : comment s'appelle ce passage ?