◎Objectifs et prérequis
À la fin du chapitre, je sais…
- décrire les trois états physiques avec le modèle particulaire ;
- nommer les changements d'état et les écrire de façon symbolique ;
- exploiter un palier de température pour identifier un corps pur ;
- distinguer transformation endothermique et exothermique ;
- calculer l'énergie échangée \(Q = m \times L\) avec l'énergie massique de changement d'état.
Ce que je dois déjà savoir
- (collège) les états solide, liquide, gazeux ; la masse se conserve lors d'un changement d'état ;
- (chapitre 1) corps pur et mélange ; masse volumique ;
- (chapitre 8) un échantillon contient un très grand nombre d'entités ;
- (maths) puissances de dix, conversions g ↔ kg et kJ ↔ J.
?Point de départ : la casserole qui ne chauffe plus
On chauffe de l'eau sur une plaque, un thermomètre plongé dedans. La température monte… jusqu'à 100 °C. Puis elle ne monte plus, tant qu'il reste de l'eau liquide, alors que la plaque chauffe toujours autant.
Où passe l'énergie fournie par la plaque si elle ne fait plus monter la température ? Elle sert à changer l'état de l'eau : à transformer le liquide en vapeur.
1Les états de la matière et le modèle particulaire
À l'échelle microscopique, une espèce chimique est formée d'entités (molécules, atomes ou ions) en mouvement permanent. Leur disposition dépend de l'état physique.
| État | Solide | Liquide | Gaz |
|---|---|---|---|
| Disposition des entités | compactes et ordonnées (pour un solide cristallin) | compactes et désordonnées | dispersées et désordonnées |
| Mouvement | vibrent autour d'une position fixe | glissent les unes sur les autres | se déplacent librement, très vite |
| Forme et volume | forme propre, volume propre | prend la forme du récipient, volume propre | occupe tout le volume disponible |
Simulation — Le modèle particulaire
Choisis un état et observe les entités : leur disposition et leur agitation.
Modèle simplifié à deux dimensions ; les vitesses sont fortement ralenties pour être visibles.
2Les changements d'état, des transformations physiques
Lors d'une transformation physique, les entités restent les mêmes : seule leur disposition change. Les molécules d'eau de la glace sont les mêmes que celles de l'eau liquide ou de la vapeur. La masse se conserve ; le volume, lui, change en général.
| Changement d'état | De … vers … | Exemple |
|---|---|---|
| Fusion | solide → liquide | glaçon qui fond |
| Solidification | liquide → solide | eau qui gèle |
| Vaporisation | liquide → gaz | flaque qui sèche, eau qui bout |
| Liquéfaction | gaz → liquide | buée sur un miroir |
| Sublimation | solide → gaz | neige carbonique |
| Condensation | gaz → solide | givre sur une vitre |
On écrit la formule de l'espèce, son état initial à gauche de la flèche, son état final à droite. États : (s) solide, (ℓ) liquide, (g) gaz.
Fusion de la glace. Autres exemples : \(\text{CO}_2(\text{s}) \rightarrow \text{CO}_2(\text{g})\) (sublimation de la neige carbonique) ; \(\text{C}_2\text{H}_6\text{O}(\ell) \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6\text{O}(\text{g})\) (vaporisation de l'éthanol).
Ce sont deux formes de la vaporisation. L'évaporation est lente et se produit à la surface du liquide, à toute température (le linge sèche à 20 °C). L'ébullition se produit dans tout le volume du liquide, avec formation de bulles, à une température fixée (100 °C pour l'eau sous la pression atmosphérique normale).
3Température de changement d'état et palier
- Pour un corps pur, sous une pression donnée, un changement d'état se fait à température constante. Sur la courbe \(T = f(t)\), on observe un palier.
- La température du palier (température de fusion, d'ébullition…) est caractéristique de l'espèce : elle permet de l'identifier.
- Pour un mélange, la température varie pendant le changement d'état : pas de palier net.
| Espèce | Eau | Éthanol | Cyclohexane | Acide stéarique | Fer |
|---|---|---|---|---|---|
| Température de fusion (°C) | 0 | −114 | 6,5 | 69 | 1 538 |
| Température d'ébullition (°C) | 100 | 78 | 81 | 361 (se décompose) | 2 862 |
Valeurs sous la pression atmosphérique normale (1 013 hPa). La température d'ébullition diminue quand la pression baisse : en haut du mont Blanc, l'eau bout vers 85 °C.
Simulation — Chauffer de la glace jusqu'à la vapeur
100 g de glace à −20 °C reçoivent une puissance constante de 500 W (perte de chaleur négligée). Lance le chauffage et observe la courbe \(T = f(t)\) : où sont les paliers, et que devient l'énergie reçue ?
Données : capacités thermiques massiques de la glace, de l'eau liquide et de la vapeur ; \(L_{\text{fus}} = 3{,}34\times10^{5}\ \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\), \(L_{\text{vap}} = 2{,}26\times10^{6}\ \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\). Le temps est accéléré.
4Énergie et changement d'état
Une transformation endothermique reçoit de l'énergie de l'extérieur : fusion, vaporisation, sublimation. Il faut « défaire » une partie des interactions entre entités.
Une transformation exothermique cède de l'énergie à l'extérieur : solidification, liquéfaction, condensation. Les interactions se reforment et libèrent de l'énergie.
- \(Q\)
- énergie échangée avec l'extérieur, en joules (J)
- \(m\)
- masse de l'espèce qui change d'état, en kilogrammes (kg)
- \(L\)
- énergie massique de changement d'état, en \(\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\) : énergie nécessaire pour que 1 kg change d'état
Pour l'eau : \(L_{\text{fusion}} = 3{,}34\times10^{5}\ \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\) et \(L_{\text{vaporisation}} = 2{,}26\times10^{6}\ \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\) (à 100 °C). L'énergie de solidification est égale à celle de fusion, mais cédée au lieu d'être reçue.
En fondant, le glaçon prélève de l'énergie à la boisson (fusion endothermique) : la boisson se refroidit. La glace ne « donne pas du froid » : elle prend de la chaleur.
La sueur qui s'évapore prélève de l'énergie à la peau (vaporisation endothermique) : le corps se refroidit. C'est pourquoi on a froid en sortant de l'eau, surtout s'il y a du vent.
✎Méthode : calculer une énergie de changement d'état
Énoncé. On ajoute 4 glaçons de 25 g chacun, à 0 °C, dans une carafe de jus de fruits. Quelle énergie les glaçons prélèvent-ils au jus en fondant complètement ? Comparer à l'énergie que la même masse d'eau liquide prélèverait en se réchauffant de 0 °C à 10 °C (il faut 4,18 kJ pour chauffer 1 kg d'eau de 1 °C).
!Erreurs fréquentes
En physique-chimie, gaz → liquide s'appelle liquéfaction. La condensation désigne gaz → solide (le givre). Dans la vie courante, on dit « condensation » pour la buée : attention au vocabulaire scientifique.
Pour un corps pur, elle reste constante pendant tout le palier, même si on continue à chauffer.
1 kg de glace donne 1 kg d'eau liquide. C'est le volume qui change (la glace est moins dense que l'eau liquide : elle flotte).
\(L\) est en \(\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\) : avec une masse en grammes, \(Q\) serait 1 000 fois trop grand.
Dans un changement d'état, les molécules ne changent pas. Quand du sucre brûle, de nouvelles espèces apparaissent : c'est une transformation chimique (chapitre 12).
★L'essentiel
Modèle particulaire
Solide : compact, ordonné. Liquide : compact, désordonné. Gaz : dispersé, désordonné.
Changements d'état
Fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation, condensation. Masse conservée.
Corps pur
Changement d'état à température constante : palier, caractéristique de l'espèce. Mélange : pas de palier net.
Énergie
Endothermique : fusion, vaporisation, sublimation. Exothermique : les transformations inverses.
✓Quiz : vérifie que tu as compris
1. La formation de buée sur un miroir de salle de bains est une :
2. L'écriture \(\text{H}_2\text{O}(\ell) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\text{s})\) représente :
3. Pendant l'ébullition de l'eau pure, la température :
4. La fusion est une transformation :
5. Faire fondre 2,0 kg de glace demande (\(L_{\text{fus}} = 3{,}34\times10^{5}\ \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\)) :
6. Un échantillon fond entre 52 °C et 58 °C, sans palier. On peut dire que :
→S'entraîner et expérimenter
Parties 1 et 2 du cours → exercices 1 à 4 → parties 3 et 4 → exercices 5 à 8 → TP → exercices 9 et 10 → quiz.