5ᵉ · Physique-Chimie · Constitution & transformations de la matière
Une même substance peut exister sous trois états : solide, liquide et gaz. L'eau en est l'exemple parfait : glaçon (solide), eau du robinet (liquide), vapeur d'eau (gaz).
• Un solide a une forme propre et un volume propre : il ne change pas de forme tout seul.
• Un liquide n'a pas de forme propre (il prend la forme du récipient) mais il a un volume propre et une surface plane horizontale.
• Un gaz n'a ni forme propre ni volume propre : il occupe tout l'espace disponible. Il est compressible (on peut réduire son volume), alors que les solides et les liquides ne le sont presque pas.
Quand on chauffe ou qu'on refroidit une substance, elle peut changer d'état :
• Fusion : solide → liquide (la glace fond).
• Solidification : liquide → solide (l'eau gèle).
• Vaporisation : liquide → gaz (l'eau bout ou s'évapore).
• Liquéfaction : gaz → liquide (la vapeur se transforme en gouttelettes, c'est la buée).
• Sublimation : solide → gaz directement (la neige carbonique, le givre qui disparaît).
Chaque changement d'état d'un corps pur se fait à une température fixe, tant que les deux états coexistent. Pour l'eau (sous la pression normale) : la fusion et la solidification à 0 °C, l'ébullition (vaporisation) à 100 °C. Pendant le changement d'état, la température ne bouge pas : on parle d'un palier de température.
Lors d'un changement d'état, la masse se conserve : elle reste exactement la même. Par contre le volume change. Cas particulier de l'eau : en gelant, elle augmente de volume (la glace flotte, une bouteille pleine peut éclater au congélateur).
La matière est faite de molécules, minuscules et invisibles. Ce sont les mêmes molécules dans les trois états, seule leur organisation change :
• Dans un solide : les molécules sont rangées, serrées et immobiles (elles vibrent sur place).
• Dans un liquide : les molécules sont serrées mais en désordre, elles peuvent glisser les unes sur les autres.
• Dans un gaz : les molécules sont très éloignées, en désordre et se déplacent vite dans tout l'espace.
La masse se conserve car ce sont les mêmes molécules ; le volume change car elles sont plus ou moins espacées.
Avant la théorie, voyons à quoi sert ce chapitre. Les états de la matière, tu les rencontres tous les jours. Le matin, tu sors un glaçon du congélateur : c'est de l'eau solide.
Tu bois de l'eau du robinet : c'est de l'eau liquide. Quand la casserole bout, un nuage s'échappe : c'est de la vapeur d'eau, de l'eau à l'état gazeux. La météo, c'est la même histoire à grande échelle : l'eau s'évapore des océans, forme les nuages, puis retombe en pluie, en neige ou en grêle.
En cuisine, tu fais fondre du chocolat, tu congèles des glaces, tu fais bouillir de l'eau pour les pâtes : à chaque fois, tu provoques un changement d'état. Comprendre ces transformations, c'est comprendre une bonne partie du monde qui t'entoure.
Une même substance peut exister sous trois états : solide, liquide et gaz. Chacun a ses règles. Un solide garde sa forme et son volume : un glaçon reste un glaçon, il ne s'étale pas tout seul.
Un liquide, lui, n'a pas de forme propre : il prend la forme de son récipient, mais il garde son volume, et sa surface reste toujours plane et horizontale. Un gaz n'a ni forme ni volume propre : il occupe tout l'espace qu'on lui donne, et on peut même le comprimer, c'est-à-dire réduire son volume en appuyant dessus, comme dans une pompe à vélo. Retiens ce mot : le gaz est compressible, pas le solide ni le liquide.
Quand on chauffe ou qu'on refroidit une substance, elle peut passer d'un état à un autre. Chaque passage porte un nom précis. Quand un solide devient liquide, c'est la fusion : la glace fond.
Le chemin inverse, quand un liquide devient solide, c'est la solidification : l'eau gèle. Quand un liquide devient gaz, c'est la vaporisation : l'eau bout ou s'évapore. Quand un gaz redevient liquide, c'est la liquéfaction : la vapeur se transforme en petites gouttes, c'est la buée sur une vitre froide.
Et il existe un raccourci : quand un solide passe directement à l'état gazeux, sans passer par le liquide, c'est la sublimation, comme la neige carbonique qui fume. Apprends bien ces cinq noms, on te les demandera souvent.
Voici une chose surprenante. Quand tu chauffes un glaçon, sa température monte jusqu'à zéro degré, puis elle s'arrête de monter tant que la glace fond, même si tu continues à chauffer. On dit que la température fait un palier.
Pour l'eau, ce palier de fusion, et aussi de solidification, se trouve toujours à zéro degré. De la même façon, quand l'eau bout, sa température reste bloquée à cent degrés tant qu'il reste de l'eau liquide : c'est le palier d'ébullition. Ces températures sont comme une carte d'identité de la substance.
Pour reconnaître de l'eau pure, on vérifie qu'elle fond à zéro degré et bout à cent degrés.
Deux choses importantes à ne jamais confondre. Lors d'un changement d'état, la masse se conserve : si tu pèses un glaçon de cinquante grammes et que tu le laisses fondre, tu obtiens cinquante grammes d'eau liquide, exactement la même masse. Rien ne se perd.
Par contre, le volume, lui, peut changer. Le cas de l'eau est même bizarre : quand elle gèle, elle prend plus de place, elle gonfle. C'est pour ça qu'une bouteille d'eau pleine peut éclater au congélateur, et que les glaçons flottent au lieu de couler.
Retiens la règle : la masse ne change jamais, le volume peut changer.
Pour comprendre ce qui se passe vraiment, il faut zoomer très fort. La matière est faite de molécules, minuscules et invisibles à l'œil. Ce qui est fascinant, c'est que ce sont exactement les mêmes molécules dans les trois états : seule leur organisation change.
Dans un solide, les molécules sont rangées, serrées les unes contre les autres, et immobiles : elles vibrent seulement sur place. Dans un liquide, les molécules sont toujours serrées, mais en désordre, et elles peuvent glisser les unes sur les autres, comme des billes dans un sac. Dans un gaz, les molécules sont très éloignées, en grand désordre, et filent à toute vitesse dans tout l'espace.
Ce modèle explique tout : la masse se conserve parce que ce sont les mêmes molécules ; le volume change parce qu'elles sont plus ou moins espacées.
12 des 33 questions de ce chapitre. Les réponses, et les explications de chacune, sont dans l'application.