États de la matière et changements d'état

Observe 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.

Les trois états de la matière étudiés ici sont trois organisations macroscopiques 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. La nature du corps reste la même ; son état et ses propriétés observables changent, sans réaction chimique dans ce modèle.

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 le modèle d’un solide cristallin, elles sont proches et ordonnées ; 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. Cette image qualitative n’est pas un modèle quantitatif à apprendre dans cette leçon ; elle aide à distinguer les organisations sans prétendre décrire tous les solides.

Un gaz est de la matière. L’air et la vapeur d’eau des exemples sont invisibles, mais ce n’est pas une propriété de tous les gaz. 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. Cette leçon nomme les quatre passages qui font intervenir l’état liquide ; les deux autres ne sont pas étudiés ici.

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 peut se produire à la surface d’un liquide sans ébullition, dans les conditions où il existe ; sa vitesse dépend des conditions. Elle n’est pas nécessairement lente. C'est ainsi que sèchent le linge, la flaque et le verre d'eau laissé sur la table.
• Pour le corps pur étudié à pression fixée, l’ébullition se produit à une température de coexistence déterminée et forme des bulles au sein du liquide — 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. Masse et volume. Dans un exemple documentaire de fusion d’un glaçon, un système fermé conserve sa matière : la masse avant et après est la même dans le modèle. Des mesures réelles ont une résolution et une incertitude.

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. De nombreux 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 peut se fendre lors du gel, et pourquoi la glace flotte. La masse, elle, n'a pas bougé d'un gramme.

5. Le palier dans le modèle étudié. Considérons un chauffage documentaire d’un corps pur qui fond sans se décomposer, à pression maintenue constante et suffisamment proche de l’équilibre. La température augmente avant la fusion, reste constante durant la coexistence solide-liquide, puis peut augmenter dans le liquide. Un récipient simplement fermé ne garantit pas à lui seul la pression constante.

Ce moment où elle ne bouge plus s'appelle le palier. Dans ce modèle, il correspond au changement d’état. Sur un relevé réel peu fréquent, ses limites ne sont pas nécessairement connues exactement.

À pression constante, pendant la coexistence des deux états d’un corps pur dans le modèle proche de l’équilibre étudié, 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 l’on chauffe plus fort, l'eau qui bout devient-elle plus chaude ? À pression atmosphérique normale et dans ce modèle d’eau pure, l’énergie supplémentaire peut accélérer la vaporisation ; la température de coexistence reste voisine de 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, la température peut être différente. C’est un indice parmi les informations du dossier, pas une preuve universelle d’identité ou de pureté.

On étudie un document fictif : un corps pur solide fond sans se décomposer, à pression maintenue constante. La matière reste dans le système fermé du modèle, dont la masse initiale vaut 120,0 g. Les points du tableau sont reliés par les segments de la figure ; dans cette idéalisation, les limites du palier sont fixées à 3 et 7 minutes. Ce document n’est pas un protocole de chauffage d’un récipient fermé.

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. Dans ce document, le corps choisi passe du solide au liquide sans autre transformation.

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 ?

Dans l’idéalisation explicitement tracée, le palier commence à la minute 3 et se termine à la minute 7. Le tableau seul établirait seulement que les cinq relevés de 3 à 7 minutes ont la même valeur ; début et fin réels pourraient se trouver entre deux relevés. 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. Pour des relevés successifs séparés chacun d’une minute, il y a un intervalle d’une minute 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. Les relevés répétés indiquent un palier compatible avec le modèle ; sa durée exacte demande des limites données ou une idéalisation explicite.

Lis la figure existante (fig.chemistry.states-changes-triangle) dans le modèle à pression constante : 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 périmètre de cette leçon » : 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 se conserve. » 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 ce passage n’est pas nommé dans cette leçon. 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 dans le système fermé étudié, la masse se conserve et que le volume, lui, peut changer.