États de la matière et changements d'état

Exercice 1 — Les états de la matière (4 pts)
1. Les trois états physiques de la matière :

• L'état solide
• L'état liquide
• L'état gazeux

2. Tableau volume / forme :

État	Volume propre ?	Forme propre ?
Solide	Oui (volume fixe)	Oui (forme fixe)
Liquide	Oui (volume fixe)	Non (prend la forme du récipient)
Gazeux	Non (occupe tout le volume disponible)	Non (prend la forme du récipient)

Justification : Un solide conserve à la fois sa forme et son volume. Un liquide garde son volume mais épouse la forme du récipient. Un gaz n'a ni forme ni volume propres : il occupe tout l'espace disponible et est compressible.

3. Exemples à température ambiante :

• Solide : la glace, le fer, le bois, le sable… (tout exemple valide)
• Liquide : l'eau, l'huile, le mercure, le jus d'orange… (tout exemple valide)
• Gazeux : l'air, la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone… (tout exemple valide)

Exercice 2 — Changements d'état (5 pts)
1. Noms des changements d'état :

• Solide → Liquide : fusion
• Liquide → Gazeux : vaporisation
• Gazeux → Liquide : liquéfaction (ou condensation)
• Liquide → Solide : solidification
• Solide → Gazeux (direct) : sublimation

2. Températures de changement d'état de l'eau pure :

• Fusion : 0 °C
• Ébullition (vaporisation) : 100 °C (sous pression atmosphérique normale)

3. Propriété caractéristique :
Une propriété caractéristique est une valeur (température de fusion, température d'ébullition, masse volumique…) qui est identique pour tous les échantillons d'un même corps pur, quelle que soit la quantité. Elle permet d'identifier et de distinguer un corps pur d'un mélange.

4. Évolution de la température pendant un changement d'état :
Pendant un changement d'état d'un corps pur, la température reste constante : on observe un palier sur la courbe de température. La température ne monte (ni ne descend) pas tant que le changement d'état n'est pas terminé.

Exercice 3 — Conservation de la masse (4 pts)
1. Loi de conservation de la masse :
Lors d'un changement d'état, la masse totale de la substance est conservée : elle ne varie pas. Seul l'arrangement des molécules change, pas la quantité de matière.
On écrit : m (avant) = m (après).

2. Masse de glace obtenue :
On part de 350 g d'eau liquide. Après congélation complète, la masse de glace obtenue est :
m (glace) = m (eau liquide) = 350 g
Justification : la loi de conservation de la masse s'applique lors de la solidification. La quantité de matière ne change pas.

3. Comparaison de volumes :
Le volume de la glace obtenue est plus grand que le volume de l'eau liquide initiale.
Justification : la glace a une masse volumique plus faible que l'eau liquide (environ 0,92 g/cm³ contre 1,00 g/cm³). Pour une même masse, un corps de masse volumique plus faible occupe un volume plus grand. C'est pourquoi la glace flotte sur l'eau et pourquoi les bouteilles peuvent se déformer ou éclater au congélateur.

Exercice 4 — Analyse d'une courbe d'échauffement (4 pts)
1. Identification des deux changements d'état :

• Premier palier à 0 °C : c'est la fusion — la glace (solide) se transforme en eau liquide. La température reste constante à 0 °C tant que la fusion n'est pas terminée.
• Deuxième palier à 100 °C : c'est la vaporisation (ébullition) — l'eau liquide se transforme en vapeur d'eau (gaz). La température reste constante à 100 °C tant que l'eau bout.

2. Phases où la température augmente régulièrement :
Ces phases correspondent au chauffage d'un seul état (sans changement d'état) : l'énergie fournie fait monter la température de l'état présent.

• Avant 0 °C : chauffage de la glace (état solide seul).
• Entre 0 °C et 100 °C : chauffage de l'eau liquide (état liquide seul).
• Après 100 °C : chauffage de la vapeur d'eau (état gazeux seul).

3. L'eau sucrée bout-elle à 102 °C est-elle de l'eau pure ?
Non, on ne peut pas conclure que c'est de l'eau pure.
Justification : la température d'ébullition de l'eau pure est exactement 100 °C (sous pression atmosphérique normale) — c'est une propriété caractéristique. Une ébullition à 102 °C indique que le liquide contient des substances dissoutes (ici du sucre), ce qui modifie les températures de changement d'état et prouve qu'il s'agit d'un mélange, non d'un corps pur.

Exercice 5 — Situations de la vie quotidienne (3 pts)
1. La buée sur les lunettes :
En entrant dans une pièce chaude depuis l'extérieur froid, les verres des lunettes sont froids. L'air chaud de la pièce contient de la vapeur d'eau (état gazeux). Au contact des verres froids, cette vapeur d'eau se transforme en gouttelettes d'eau liquide : c'est la liquéfaction (ou condensation).
Bilan : vapeur d'eau (gaz) → eau liquide = liquéfaction. La buée est donc de l'eau liquide condensée sur les verres.

2. La neige qui disparaît sans former de ruisseau :
Ce phénomène s'explique par la sublimation : la neige (état solide) passe directement à l'état gazeux (vapeur d'eau) sans passer par l'état liquide. Cela se produit par temps froid et sec (faible pression de vapeur d'eau dans l'air).

3. Le givre sur les toits :
Le givre résulte d'une solidification directe (ou déposition) : la vapeur d'eau présente dans l'air passe directement de l'état gazeux à l'état solide, sans passer par l'état liquide, au contact des surfaces très froides (toits).
L'eau provient de la vapeur d'eau contenue dans l'air (air humide). C'est l'inverse de la sublimation.