Ressources · 5ᵉ · Chimie
Changements d’état : température, masse et volume
Les trois états et l’état d’un corps pur selon sa température ; les six changements d’état ; écrire un protocole pour étudier un changement d’état ; palier d’un corps pur, absence de palier d’un mélange ; la masse se conserve, le volume varie (l’eau gonfle en gelant)
À propos de cette page
Les trois états de la matière (rappels de 6e)
En 6e, tu as appris à reconnaître les trois états de la matière. En 5e, on les reprend et on apprend à prévoir l’état d’un corps pur à une température donnée.
• Liquide : il n’a pas de forme propre (il prend la forme du récipient), mais il a un volume propre. Au repos, sa surface libre est plane et horizontale. On ne peut presque pas le comprimer.
• Gaz : il n’a ni forme propre ni volume propre : il occupe tout l’espace qui lui est offert. On peut le comprimer. Même invisible, comme la vapeur d’eau, un gaz est de la matière et il a une masse.
• Chaque corps pur a sa température de fusion et sa température d’ébullition (sous la pression atmosphérique normale). Il est solide en dessous de sa température de fusion, liquide entre sa température de fusion et sa température d’ébullition, gazeux au-dessus de sa température d’ébullition.
| Corps pur | Température de fusion | Température d’ébullition |
|---|---|---|
| eau | 0 °C | 100 °C |
| éthanol (l’alcool) | −114 °C | 78 °C |
| cyclohexane | 6,5 °C | 81 °C |
| mercure | −39 °C | 357 °C |
| diazote (gaz de l’air) | −210 °C | −196 °C |
Reconnaître un état. Un caillou garde sa forme et son volume, posé sur une table ou dans un seau : solide. Du sirop de grenadine versé dans un verre prend la forme du verre mais garde son volume, et sa surface est horizontale : liquide. L’air d’une bouée gonflable remplit toute la bouée et se laisse un peu serrer quand on l’écrase : gaz.
Prévoir un état. Le cyclohexane fond à 6,5 °C et bout à 81 °C. Dans la classe, à 25 °C : 25 °C est entre 6,5 °C et 81 °C, il est liquide. Dans une réserve à 4 °C : 4 °C est en dessous de 6,5 °C, il est solide. Le diazote bout à −196 °C : à la température de la classe, bien au-dessus, il est gazeux.
Réflexe — pour reconnaître un état : forme propre ? volume propre ? Pour prévoir l’état d’un corps pur : je place la température par rapport à sa température de fusion, puis à sa température d’ébullition.
Attention — l’aspect ne dit rien de l’état : l’eau et l’air sont tous deux transparents. Et à la température de fusion exactement, le corps peut être solide, liquide ou les deux à la fois : c’est le moment du changement d’état (partie 4).
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Les six changements d’état (rappels de 6e)
En 6e, tu as nommé les six changements d’état. Ces noms restent la base de tout le chapitre : on les reprend ici avec d’autres exemples.
• solide → liquide : fusion ; liquide → solide : solidification ;
• liquide → gaz : vaporisation ; gaz → liquide : liquéfaction (ou condensation liquide) ;
• solide → gaz, sans passer par l’état liquide : sublimation ; gaz → solide, sans passer par l’état liquide : condensation solide.
Chaque changement d’état a son inverse. Pour fondre, se vaporiser ou se sublimer, un corps doit en général être chauffé ; pour les trois changements inverses, refroidi.
La vaporisation prend deux formes : l’évaporation, lente, à la surface du liquide et à n’importe quelle température ; l’ébullition, rapide, avec des bulles de vapeur dans tout le liquide, à une température fixe pour un corps pur.
Un changement d’état ne fabrique aucune nouvelle substance : la glace, l’eau liquide et la vapeur sont la même eau. Ce n’est donc pas une transformation chimique.
La graisse figée au fond d’une poêle redevient liquide quand on la réchauffe : solide → liquide, fusion. Des gouttes de pluie qui gèlent en touchant un sol glacé (le verglas) : liquide → solide, solidification.
Les verres posés sur l’égouttoir après la vaisselle sèchent tout seuls : vaporisation, ici une évaporation. L’eau de cuisson des œufs se met à bouillir, la vapeur forme des bulles dans toute l’eau : vaporisation, ici une ébullition.
Au petit matin, des gouttes coulent sur les parois intérieures d’une serre : la vapeur d’eau de l’air (gaz) devient liquide, liquéfaction.
Pour fabriquer du café lyophilisé, on congèle le café, puis la glace qu’il contient part directement en vapeur : sublimation. Un matin d’hiver, le givre blanchit le toit des maisons : la vapeur d’eau devient directement de la glace, condensation solide.
Réflexe — j’écris « état de départ → état d’arrivée », puis je donne le nom du changement d’état.
Attention — ce qui « fume » au-dessus d’un bain chaud n’est pas de la vapeur, qui est invisible : ce sont de fines gouttes d’eau liquide. Le givre n’est pas de la buée gelée : la vapeur devient directement solide. Et un solide qui « fond » dans l’eau (sel, sucre) ne subit pas une fusion : il se dissout.
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Étudier un changement d’état : le protocole
Nouveau en 5e : on n’observe plus seulement un changement d’état, on construit l’expérience qui permet de l’étudier. C’est le rôle du protocole.
Un protocole dit ce que l’on fait, avec quel matériel, dans quel ordre et ce que l’on mesure, pour que n’importe qui puisse refaire l’expérience. Pour un changement d’état :
• le réservoir du thermomètre plonge dans le corps étudié, sans toucher le fond ni la paroi ;
• on relève la température à intervalles réguliers (chronomètre) et on note l’aspect du corps (premiers cristaux, tout est solide…) ; on continue après la fin du changement d’état ;
• on chauffe ou on refroidit doucement et on remue, pour que la température soit la même partout ;
• pour savoir si un facteur (la masse, le chauffage, le sel…) a un effet, on ne change que ce facteur d’une expérience à l’autre ;
• sécurité : blouse, lunettes, cheveux attachés ; on ne touche pas la verrerie chaude.
Exemple de protocole : la solidification de l’eau distillée
Question : à quelle température l’eau distillée se solidifie-t-elle ? Hypothèse : à 0 °C, avec un palier.
Protocole. 1. Je verse 5 mL d’eau distillée dans un tube à essais et j’y place le thermomètre. 2. Je plonge le tube dans un bécher rempli de glace pilée et de gros sel : ce mélange réfrigérant descend bien en dessous de 0 °C. 3. Je déclenche le chronomètre et je relève la température toutes les 30 secondes, en notant l’aspect de l’eau. 4. Je continue jusqu’à ce que l’eau soit gelée depuis une minute.
| Temps (min) | 0 | 0,5 | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 3,5 | 4 | 4,5 | 5 | 5,5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Température (°C) | 16 | 11 | 7 | 4 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | −3 | −6 |
Conclusion : les premiers cristaux apparaissent à 2,5 min ; la température reste à 0 °C jusqu’à 5 min, quand toute l’eau est gelée. Palier de solidification à 0 °C : l’hypothèse est validée.
Autre protocole, pour un corps qui fond au-dessus de la température de la pièce : on fait fondre de l’acide stéarique (un solide blanc) dans un tube placé au bain-marie (un bécher d’eau chaude sur une plaque chauffante), on y place le thermomètre, puis on sort le tube et on relève la température chaque minute pendant qu’il refroidit (courbe de la partie 4).
Réflexe — pour juger un protocole, je vérifie : le thermomètre est-il dans le corps ? les relevés sont-ils réguliers et assez longs ? un seul facteur change-t-il ?
Attention — si l’on change deux choses à la fois (la masse et le chauffage), on ne peut pas savoir laquelle a eu un effet. Et une expérience ne se conclut pas « au jugé » : on compare des mesures.
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Palier : corps pur ou mélange
En 6e, tu as lu des paliers de l’eau. En 5e, on s’en sert pour distinguer un corps pur d’un mélange et pour caractériser un corps pur par sa température de changement d’état.
Pour un corps pur, la température de fusion est égale à la température de solidification : l’eau pure fond et gèle à 0 °C ; l’acide stéarique fond et se solidifie vers 69 °C. L’eau pure bout à 100 °C (pression normale).
La température du palier ne dépend ni de la quantité ni du chauffage : ils ne changent que sa durée. Chaque corps pur a ses propres températures : on peut s’en servir pour le reconnaître.
Un mélange n’a pas de palier net : sa température continue de varier pendant le changement d’état. La paraffine des bougies, un mélange, se solidifie entre environ 60 °C et 50 °C ; l’eau salée gèle en dessous de 0 °C.
Lire une courbe : corps pur ou mélange ?
On laisse refroidir, de la même façon, de l’acide stéarique et de la paraffine fondus, en relevant leur température chaque minute.
Acide stéarique (en bleu) : la température reste à 69 °C de 3 min à 8 min : c’est le palier de solidification. Il dure 8 − 3 = 5 min. Avant 3 min, le corps est entièrement liquide ; pendant le palier, liquide et solide sont présents à la fois ; après 8 min, il est entièrement solide.
Paraffine (en rouge) : la courbe ralentit entre 60 °C et 50 °C, pendant que la paraffine se solidifie, mais elle n’est jamais horizontale : pas de palier, c’est un mélange.
Même corps, autre quantité : avec deux fois plus d’acide stéarique, le palier serait encore à 69 °C, mais il durerait plus longtemps.
Réflexe — je cherche la partie horizontale : sa température dit à quelle température le corps change d’état, « fin − début » donne la durée ; pas de partie horizontale : c’est un mélange.
Attention — pour la durée, je soustrais l’instant du début à l’instant de la fin : compter les points donne un résultat faux. Et les valeurs 0 °C et 100 °C ne valent que pour l’eau pure, sous la pression normale.
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Masse et volume lors d’un changement d’état
En 6e, tu as vu que la masse se conserve et que la glace prend plus de place que l’eau liquide. En 5e, on le mesure et on le chiffre.
Le volume, lui, change. L’eau est une exception : en gelant, elle prend environ 9 % de place en plus (1 L d’eau liquide donne environ 1,09 L de glace) ; en fondant, la glace reprend moins de place. Pour une même masse, la glace occupe donc plus de volume que l’eau liquide : elle flotte, et environ les neuf dixièmes d’un iceberg restent sous l’eau.
La plupart des autres corps occupent au contraire moins de place à l’état solide qu’à l’état liquide : dans une fonderie, le métal coulé dans un moule se rétracte en se solidifiant (de 1 % à 10 % selon les alliages). Lors d’une vaporisation, le volume augmente énormément.
Mesurer la masse et le volume avant et après le gel
Je prévois : la masse ne changera pas, le volume augmentera. Je teste : je verse 25,0 mL d’eau dans un tube gradué, je le bouche et je le pèse : 48,6 g. Je le laisse une nuit au congélateur.
J’observe : la glace monte jusqu’à environ 27,3 mL ; la balance affiche toujours 48,6 g. Je conclus : la masse s’est conservée, le volume a augmenté d’environ 2,3 mL, soit environ 9 % de 25 mL.
Calculer : 2 L d’eau donnent environ 2 × 1,09 = 2,18 L de glace, pour la même masse.
Conséquences : une canalisation pleine d’eau peut éclater si elle gèle (on vide les tuyaux d’une maison non chauffée en hiver) ; l’eau qui gèle dans les fissures d’une roche les élargit et finit par la fendre.
Réflexe — masse : je regarde si le récipient est fermé (elle se conserve) ou ouvert (la vapeur part). Volume : l’eau gonfle en gelant, la plupart des autres corps se rétractent.
Attention — la masse et le volume sont deux grandeurs différentes : la glace prend plus de place que l’eau liquide, mais elle ne pèse pas plus lourd.
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Pour aller plus loin
Revoir la 6e. Les trois états et l’eau dans la nature : États de la matière ; les premiers paliers de l’eau : Changements d’état : températures et paliers.
Les particules. Pourquoi la masse se conserve et pourquoi le volume change : les molécules restent les mêmes et aussi nombreuses, elles s’organisent autrement. Voir Atomes et molécules : la matière à l’échelle microscopique.
Corps pur ou mélange. Reconnaître un mélange homogène ou hétérogène, la solubilité : Corps purs et mélanges. Identifier une espèce chimique grâce à sa température de changement d’état ou à un test : Espèce chimique : identifier par des tests et des mesures.
L’énergie. Ce qui se passe quand un corps chaud et un corps froid se touchent : Chaleur et température.
Se verra en 4e — la pression et la masse volumique. Les 100 °C de l’ébullition de l’eau valent sous la pression atmosphérique normale : au sommet du mont Blanc, où la pression est plus faible, l’eau bout vers 85 °C. La masse d’un litre (masse volumique) explique pourquoi la glace flotte.
- Solide : forme et volume propres. Liquide : volume propre, surface libre horizontale. Gaz : ni forme ni volume propres, il se comprime. Un corps pur est solide sous sa température de fusion, liquide entre ses deux températures, gazeux au-dessus de sa température d’ébullition.
- Six changements d’état : fusion, solidification, vaporisation (évaporation ou ébullition), liquéfaction, sublimation, condensation solide. Aucune nouvelle substance n’apparaît.
- Protocole : thermomètre dans le corps, relevés réguliers au chronomètre, aspect noté, un seul facteur changé à la fois ; puis tableau, courbe et conclusion.
- Corps pur : palier, température constante pendant le changement d’état ; même température pour la fusion et la solidification ; la quantité ne change que la durée. Mélange : pas de palier net.
- La masse se conserve ; le volume change : l’eau prend environ 9 % de place en plus en gelant, la plupart des autres corps se rétractent en se solidifiant.
Questions fréquentes
Comment savoir dans quel état est un corps pur à une température donnée ?
On compare la température à ses deux températures de changement d’état : en dessous de sa température de fusion, il est solide ; entre sa température de fusion et sa température d’ébullition, liquide ; au-dessus de sa température d’ébullition, gazeux. Le cyclohexane (fusion 6,5 °C, ébullition 81 °C) est ainsi liquide à 25 °C.
Quels sont les six changements d’état ?
Fusion (solide → liquide), solidification (liquide → solide), vaporisation (liquide → gaz, par évaporation ou ébullition), liquéfaction (gaz → liquide), sublimation (solide → gaz) et condensation solide (gaz → solide). Aucun ne fabrique de nouvelle substance.
Comment écrire un protocole pour étudier un changement d’état ?
On donne le matériel et des étapes numérotées : le thermomètre plonge dans le corps sans toucher la paroi, on relève la température à intervalles réguliers au chronomètre en notant l’aspect du corps, jusqu’après la fin du changement d’état. Pour tester un facteur, on ne change que lui.
Comment reconnaître un corps pur sur une courbe de changement d’état ?
Un corps pur a un palier : la température reste constante pendant tout le changement d’état, à une valeur qui lui est propre (0 °C pour la glace d’eau pure). Un mélange, comme la paraffine, n’a pas de palier net.
La masse et le volume changent-ils lors d’un changement d’état ?
La masse se conserve toujours. Le volume change : l’eau prend environ 9 % de place en plus en gelant (1 L d’eau donne environ 1,09 L de glace), alors que la plupart des autres corps occupent moins de place à l’état solide.
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