Les changements d'état

Les six changements d'état

Tu connais trois états : solide, liquide, gazeux. Entre ces trois états, il existe exactement six passages possibles, car de chaque état on peut aller vers les deux autres. Chacun de ces passages porte un nom précis qu'il faut connaître par cœur.

Voici les six changements d'état, regroupés par paires opposées.

• Fusion : passage de l'état solide à l'état liquide. Exemple : la glace qui fond, le beurre qui fond dans la poêle.
• Solidification : passage de l'état liquide à l'état solide. Exemple : l'eau qui gèle et devient glace, la cire d'une bougie qui durcit.
• Vaporisation : passage de l'état liquide à l'état gazeux. Exemple : l'eau d'une casserole qui bout, le linge mouillé qui sèche.
• Liquéfaction : passage de l'état gazeux à l'état liquide. Exemple : la buée qui se forme sur une vitre froide, la rosée du matin.
• Sublimation : passage direct de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par le liquide. Exemple : le camphre (la naphtaline des armoires) qui disparaît peu à peu, la neige carbonique (« glace sèche ») qui fume sans laisser de flaque.
• Condensation (ou déposition : le gaz qui se dépose directement en solide) : passage direct de l'état gazeux à l'état solide, sans passer par le liquide. Exemple : le givre qui se forme sur une vitre par grand froid.

Chauffer ou refroidir ?

Pour ne jamais te tromper de sens, retiens une règle simple : chauffer fait monter dans le désordre (solide → liquide → gaz), refroidir fait redescendre dans l'ordre (gaz → liquide → solide).

• Du côté « chauffer » : fusion, vaporisation, sublimation. On apporte de l'énergie.
• Du côté « refroidir » : solidification, liquéfaction, condensation. On retire de l'énergie.

La température de changement d'état

On pourrait croire qu'un corps fond ou bout à n'importe quelle température. Ce n'est pas le cas. Pour un corps pur, sous la pression normale, chaque changement d'état se produit à une température fixe, toujours la même.

Cette régularité est précieuse : elle permet d'identifier un corps. Si un liquide bout exactement à 100 °C sous pression normale, c'est un excellent indice qu'il s'agit d'eau pure.

Le palier de température

Voici le fait le plus contre-intuitif du chapitre. Quand tu chauffes de la glace, la température monte… puis, pendant toute la durée de la fusion, elle s'arrête de monter et reste bloquée à 0 °C, alors même que tu continues de chauffer. Ce n'est qu'une fois toute la glace fondue que la température recommence à grimper.

Exemple 1. On chauffe un glaçon à $-10$ °C. La température monte jusqu'à $0$ °C, puis reste à $0$ °C tant qu'il reste de la glace : c'est le palier de fusion. Une fois toute la glace fondue, l'eau liquide se réchauffe à nouveau.

Exemple 2. On chauffe de l'eau liquide. La température monte jusqu'à $100$ °C, puis reste à $100$ °C tant que l'eau bout : c'est le palier d'ébullition. L'eau ne devient pas « plus chaude que 100 °C » en bouillant.

Évaporation et ébullition

La vaporisation (passage liquide → gaz) prend en réalité deux formes très différentes, qu'il ne faut surtout pas confondre.

Exemple 1. Le linge que Salma étend au soleil sèche sans bouillir : l'eau s'évapore lentement à la surface, à température ambiante. Aucune bulle, aucun 100 °C nécessaire.

Exemple 2. L'eau d'une casserole sur le feu se met à faire de grosses bulles qui remontent : c'est l'ébullition, à 100 °C, dans toute la masse du liquide.

Le piège de la surface contre la masse

L'indice le plus sûr pour distinguer les deux : où se passe le phénomène. L'évaporation ne touche que la surface libre ; l'ébullition fait apparaître des bulles partout dans le liquide. Une flaque qui sèche sur le trottoir d'Ifrane, c'est de l'évaporation, jamais de l'ébullition.

Conservation de la masse, variation du volume

Quand un corps change d'état, deux grandeurs se comportent de façon opposée : la masse et le volume. C'est l'un des points les plus importants — et les plus mal compris — du chapitre.

Exemple 1. On place $200$ g d'eau liquide dans un congélateur. Une fois gelée, la glace obtenue a une masse de $200$ g, ni plus ni moins : la masse s'est conservée. Pourtant, cette glace occupe plus de volume que l'eau de départ.

L'eau qui gèle augmente de volume

L'eau est un cas particulier célèbre : en gelant, elle augmente de volume (la plupart des autres corps, eux, se contractent en se solidifiant). C'est pour cela qu'une bouteille d'eau pleine et bien fermée, oubliée au congélateur, déborde ou éclate : la glace prend plus de place que l'eau et fait céder le récipient.

Exemple 2. Karim laisse une bouteille d'eau dehors la nuit à Ifrane. Au matin, l'eau a gelé et la bouteille est fendue. La masse de glace est pourtant identique à la masse d'eau de départ : c'est le volume qui a augmenté, pas la masse.

Le piège « la glace pèse moins que l'eau »

Beaucoup d'élèves croient que la glace « pèse moins » que l'eau parce qu'elle flotte. C'est faux. La même eau, qu'elle soit liquide ou solide, garde la même masse. Si la glace flotte, ce n'est pas qu'elle est plus légère en masse, mais qu'à masse égale elle occupe plus de volume : elle est moins dense. Ne confonds jamais « peser moins » (masse) et « occuper plus de place » (volume).

Interprétation par le modèle particulaire

Le modèle particulaire que tu as découvert au chapitre précédent explique tout cela d'un seul coup. Souviens-toi : dans un solide, les particules sont serrées et rangées ; dans un liquide, elles se touchent mais glissent ; dans un gaz, elles sont très espacées et rapides.

Un changement d'état, c'est simplement un réarrangement de ces particules.

• Chauffer, c'est agiter les particules de plus en plus fort. À force, elles se détachent : le solide rangé devient un liquide qui glisse (fusion), puis un gaz dispersé (vaporisation).
• Refroidir, c'est au contraire ralentir les particules : elles se rapprochent et finissent par se ranger. Le gaz devient liquide (liquéfaction), puis solide (solidification).

Pourquoi la masse se conserve

Le modèle explique aussi pourquoi la masse ne change jamais : pendant un changement d'état, aucune particule n'est créée ni détruite, et aucune particule ne se transforme. Ce sont exactement les mêmes particules, simplement disposées autrement. Comme la masse vient de ces particules, et qu'elles sont toujours là, la masse reste identique.

Pièges classiques

Piège 1 : confondre fusion et dissolution. Faire fondre du sucre dans une poêle chauffée (le sucre devient liquide tout seul, sous l'effet de la chaleur) est une fusion. Dissoudre du sucre dans de l'eau (le sucre disparaît dans le liquide) n'est pas un changement d'état : c'est une dissolution, qui forme un mélange. La fusion ne concerne qu'une seule substance qui passe de solide à liquide par chauffage.

Piège 2 : croire que la buée et la rosée sont « de la vapeur ». La buée sur une vitre froide et la rosée du matin sont de l'eau liquide. Elles proviennent de la vapeur d'eau (gaz, invisible) de l'air qui s'est liquéfiée au contact d'une surface froide. C'est donc une liquéfaction, pas l'inverse.

Piège 3 : croire que la température monte pendant le palier. Pendant un changement d'état, la température reste constante : c'est le palier. L'eau qui bout reste à 100 °C, même si tu chauffes plus fort. L'énergie supplémentaire sert à transformer l'état, pas à élever la température.

Piège 4 : croire que le volume se conserve comme la masse. C'est la masse qui se conserve, pas le volume. Lors d'un changement d'état, le volume change presque toujours. L'eau qui gèle en est l'exemple le plus frappant : son volume augmente au point de faire éclater une bouteille.

Piège 5 : oublier que la sublimation existe. On enseigne souvent solide → liquide → gaz comme s'il fallait toujours passer par le liquide. Faux : un solide peut passer directement à l'état gazeux. Le camphre des armoires et la neige carbonique se subliment sans jamais former de flaque.

Piège 6 : croire que « la glace pèse moins que l'eau ». Même masse que l'eau d'origine ; si elle flotte, c'est qu'elle occupe plus de volume (voir plus haut, Le piège « la glace pèse moins que l'eau »).

Application concrète

Yasmine passe un week-end d'hiver à Ifrane, où il fait $-6$ °C la nuit et où la neige recouvre tout. En une matinée, elle assiste à trois changements d'état différents. Suivons-les un par un.

Étape 1 — La neige qui fond au soleil.

Vers 10 h, le soleil tape sur le toit. La neige (eau solide) se met à fondre et l'eau coule en gouttes le long de la gouttière. C'est une fusion : passage de solide à liquide, provoqué par l'apport de chaleur. Sous la pression normale, la glace fond à $0$ °C : tant qu'il reste de la neige et de l'eau mélangées, la température de ce mélange reste bloquée à $0$ °C — c'est le palier de fusion.

Étape 2 — La bouteille qui a éclaté pendant la nuit.

Yasmine retrouve, sur le rebord extérieur, une bouteille d'eau pleine qu'elle avait oubliée. Elle est fendue. Pendant la nuit, l'eau liquide a gelé : c'est une solidification (liquide → solide), provoquée par le froid. La masse de glace est identique à la masse d'eau de départ — elle s'est conservée —, mais le volume a augmenté : la glace prend plus de place que l'eau, et c'est ce qui a fait céder le plastique.

Étape 3 — La buée sur la vitre de la cuisine.

À l'intérieur, sur la vitre froide de la cuisine, de fines gouttelettes se sont déposées. C'est de la buée : la vapeur d'eau (gaz invisible) présente dans l'air chaud de la cuisine s'est liquéfiée au contact du verre froid. C'est une liquéfaction (gaz → liquide), provoquée par le refroidissement au contact de la vitre.

Étape 4 — Relier au modèle particulaire.

Dans chaque scène, les particules d'eau se sont simplement réarrangées. La neige qui fond : les particules serrées se détachent et glissent. L'eau qui gèle : les particules qui glissaient se rangent et se serrent (en occupant un peu plus de place). La buée : les particules de gaz très espacées se rapprochent jusqu'à se toucher. Aucune particule ne s'est transformée, aucune n'a disparu — la masse d'eau totale est restée la même.

Conclusion.

Une seule substance, l'eau, et trois changements d'état dans une seule matinée. Tu retrouveras la distinction « changement d'état » contre « dissolution » au chapitre suivant, Les mélanges : dissoudre du sel dans l'eau n'est pas un changement d'état, mais la fabrication d'un mélange — un phénomène que ce chapitre t'aide déjà à ne pas confondre.

À retenir

Avant les exercices, voici les règles essentielles à mémoriser.