Les changements d'état de la matière

Les états de la matière et les transformations physiques

La matière qui nous entoure peut exister sous différents états physiques : solide, liquide et gazeux. Une transformation physique est un passage d'un état à un autre, ou un changement de forme, sans que la nature de la substance ne soit modifiée. Cela signifie que les molécules qui composent la matière restent les mêmes, seule leur organisation et leur agitation changent. La masse de la substance est toujours conservée lors d'une transformation physique.

Méthode
Identifier l'état initial (solide, liquide ou gazeux) de la matière.
Identifier l'état final de la matière après la transformation.
Conclure sur le type de transformation physique et sur la conservation de la masse.

Exemple
Un glaçon est placé dans un verre et fond. Est-ce une transformation physique ou chimique ? Que se passe-t-il pour les molécules d'eau ?

Corrigé pas à pas
La fusion du glaçon est une transformation physique. L'eau passe de l'état solide (glace) à l'état liquide. Les molécules d'eau (H$_2$O) ne sont pas modifiées chimiquement. Elles étaient très ordonnées et peu agitées dans la glace, et elles deviennent désordonnées et plus agitées dans l'eau liquide, pouvant glisser les unes sur les autres.

Erreurs fréquentes
Confondre une transformation physique avec une transformation chimique. Lors d'une transformation physique, la substance ne change pas de nature (par exemple, l'eau reste de l'eau, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse).
Penser que la masse de la substance change lors d'un changement d'état. La masse est toujours conservée.

Les noms des changements d'état

Chaque passage d'un état à un autre a un nom spécifique. Ces transformations nécessitent un échange d'énergie avec le milieu extérieur : certaines absorbent de l'énergie (par exemple, la chaleur), d'autres en libèrent.
• Fusion : passage de l'état solide à l'état liquide (ex: la glace qui fond). C'est une transformation qui absorbe de l'énergie.
• Solidification : passage de l'état liquide à l'état solide (ex: l'eau qui gèle). C'est une transformation qui libère de l'énergie.
• Vaporisation : passage de l'état liquide à l'état gazeux. Elle peut se produire de deux manières :
• Par évaporation : lentement, uniquement en surface du liquide, à toute température (ex: une flaque d'eau qui disparaît au soleil).
• Par ébullition : rapidement, dans toute la masse du liquide, à une température spécifique pour un corps pur (ex: l'eau qui bout à 100 °C). C'est une transformation qui absorbe de l'énergie.
• Liquéfaction (ou condensation liquide) : passage de l'état gazeux à l'état liquide (ex: la buée sur une vitre froide, la formation des nuages). C'est une transformation qui libère de l'énergie.
• Sublimation : passage direct de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par l'état liquide (ex: la glace carbonique qui dégage de la « fumée »). C'est une transformation qui absorbe de l'énergie.
• Condensation solide (ou déposition) : passage direct de l'état gazeux à l'état solide, sans passer par l'état liquide (ex: la formation du givre ou de la neige). C'est une transformation qui libère de l'énergie.

Méthode
Identifier les états initial et final de la substance.
Déterminer le sens de la transformation (par exemple, de solide vers liquide).
Associer le nom correct du changement d'état (fusion, solidification, etc.).
Préciser si la transformation nécessite un apport ou une libération d'énergie.

Exemple
Nomme le changement d'état qui se produit lorsque : 1) La vapeur d'eau contenue dans l'air se transforme en givre sur une surface très froide. 2) Une bougie allumée fond.

Corrigé pas à pas
1) Lorsque la vapeur d'eau (gaz) se transforme directement en givre (solide), il s'agit d'une condensation solide (ou déposition). Cette transformation libère de l'énergie.
2) Lorsque la cire solide d'une bougie fond pour devenir liquide, il s'agit d'une fusion. Cette transformation absorbe de l'énergie (chaleur de la flamme).

Erreurs fréquentes
Confondre l'évaporation et l'ébullition. L'évaporation est un phénomène lent, en surface et à toute température, tandis que l'ébullition est rapide, dans toute la masse du liquide et à une température fixe pour un corps pur.
Ne pas savoir si une transformation absorbe ou libère de l'énergie. Les transformations qui passent à un état plus désordonné (fusion, vaporisation, sublimation) absorbent de l'énergie. Celles qui passent à un état plus ordonné (solidification, liquéfaction, condensation solide) libèrent de l'énergie.

Températures de changement d'état : corps purs et mélanges

Les températures auxquelles se produisent les changements d'état sont des caractéristiques importantes des substances.
• Pour un corps pur (une substance unique, comme l'eau pure ou le fer pur), le changement d'état se produit à une température fixe et constante sous une pression donnée. Par exemple, l'eau pure gèle à 0 °C et bout à 100 °C (sous pression atmosphérique normale). Pendant toute la durée du changement d'état, la température ne varie pas : on observe un palier de température sur la courbe de chauffage ou de refroidissement.
• Pour un mélange (composé de plusieurs substances, comme l'eau salée ou l'air), les changements d'état se produisent généralement sur une plage de températures. La température varie progressivement pendant le changement d'état, et il n'y a pas de palier de température fixe. Cela permet de distinguer un corps pur d'un mélange.

Méthode
Tracer ou analyser une courbe de température en fonction du temps lors d'un chauffage ou d'un refroidissement.
Observer la partie de la courbe correspondant au changement d'état (par exemple, quand la substance passe de solide à liquide).
Si la température reste constante pendant cette phase (segment horizontal), la substance est un corps pur.
Si la température varie pendant cette phase (segment incliné), la substance est un mélange.

Exemple
On mesure la température d'une substance pendant qu'elle bout. On observe que la température passe de 98 °C à 105 °C pendant l'ébullition. Est-ce un corps pur ou un mélange ? Justifie.

Corrigé pas à pas
Puisque la température varie (de 98 °C à 105 °C) pendant l'ébullition, la substance est un mélange. Si c'était un corps pur, la température serait restée constante pendant toute la durée de l'ébullition (palier de température).

Erreurs fréquentes
Confondre la température d'ébullition d'un corps pur avec la température d'évaporation. L'ébullition se fait à une température fixe, l'évaporation à toute température.
Penser qu'un mélange n'a aucune température de changement d'état. Il en a une, mais elle s'étale sur une plage de températures.

Identifier un changement d'état

1. Observer la substance : Déterminez son état initial (solide, liquide, gazeux) et son état final après la transformation.
2. Analyser le passage : Le passage se fait-il de solide à liquide ? De liquide à gaz ? De gaz à solide ? etc.
3. Nommer le changement d'état : Utilisez le vocabulaire précis (fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation, condensation solide).
4. Identifier l'échange d'énergie : Déterminez si la substance absorbe de l'énergie (chaleur) ou en libère lors de cette transformation.

Exemple
Décris le changement d'état qui se produit quand de la vapeur d'eau chaude s'échappe d'une bouilloire et forme de la buée au contact de l'air froid.

Corrigé pas à pas
1. Observation : La substance est de la vapeur d'eau (état gazeux) qui devient de la buée (petites gouttelettes d'eau liquide).
2. Analyse du passage : Le passage se fait de l'état gazeux à l'état liquide.
3. Nom du changement d'état : Il s'agit d'une liquéfaction (ou condensation liquide).
4. Échange d'énergie : Cette transformation libère de l'énergie (la vapeur cède sa chaleur à l'air froid pour se liquéfier).

Distinguer un corps pur d'un mélange lors d'un changement d'état

1. Réaliser une expérience de chauffage ou de refroidissement : Mesurez la température de la substance régulièrement (par exemple, toutes les minutes) pendant qu'elle change d'état.
2. Tracer ou analyser la courbe de température : Représentez la température en fonction du temps sur un graphique, ou examinez les données de température.
3. Rechercher un palier de température : Observez si la température reste constante pendant une période donnée alors que la substance est en train de changer d'état (par exemple, un mélange de solide et de liquide, ou de liquide et de gaz).
4. Conclure :
   • Si un palier de température est observé pendant le changement d'état, la substance est un corps pur.
   • Si la température varie progressivement pendant le changement d'état (pas de palier), la substance est un mélange.

Exemple
Un élève chauffe une substance inconnue et note les températures suivantes pendant sa fusion : 10 °C, 12 °C, 15 °C, 18 °C, 20 °C (solide + liquide), 23 °C (solide + liquide), 27 °C (solide + liquide), 30 °C (liquide). La substance est-elle un corps pur ou un mélange ?

Corrigé pas à pas
1. Analyse des données : Pendant la phase où la substance est à la fois solide et liquide (sa fusion), la température passe de 20 °C à 27 °C.
2. Recherche de palier : Il n'y a pas de palier de température, car la température augmente progressivement pendant la fusion.
3. Conclusion : La substance est un mélange, car sa fusion se produit sur une plage de températures et non à une température fixe.

Les 3 états de la matière

• Solide : forme propre, volume propre, particules ordonnées et peu agitées.
• Liquide : pas de forme propre (prend la forme du récipient), volume propre, particules désordonnées et mobiles.
• Gazeux : pas de forme propre, pas de volume propre (occupe tout l'espace disponible), particules très désordonnées et très agitées.

Les changements d'état et l'énergie

• Fusion (solide \(\rightarrow\) liquide) : absorbe énergie.
• Vaporisation (liquide \(\rightarrow\) gazeux) : absorbe énergie (évaporation ou ébullition).
• Sublimation (solide \(\rightarrow\) gazeux) : absorbe énergie.
• Solidification (liquide \(\rightarrow\) solide) : libère énergie.
• Liquéfaction (gazeux \(\rightarrow\) liquide) : libère énergie.
• Condensation solide (gazeux \(\rightarrow\) solide) : libère énergie.

Corps purs vs. Mélanges

• Corps pur : changement d'état à température constante (palier de température).
• Mélange : changement d'état sur une plage de températures (pas de palier).

Règles générales

• La masse de la substance est toujours conservée lors d'un changement d'état.
• Les molécules ne sont pas modifiées lors d'un changement d'état.