Les états de la matière et les changements d’état

Un glaçon, de l'eau dans un verre et de la vapeur d'eau sont constitués de la même substance : l'eau. Leur état physique est différent. Dans les conditions habituelles, on distingue l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux. L'état dépend notamment de la température. Le mot « matière » désigne ce qui a une masse et occupe un espace. Un gaz est donc de la matière, même s'il est invisible. L'air qui gonfle un ballon occupe un volume.

Un solide possède une forme propre : si tu déplaces un glaçon avec une cuillère, il conserve sa forme tant qu'il ne fond pas. Un liquide prend la forme du récipient qui le contient. Au repos, dans un récipient immobile, sa surface libre est plane et horizontale. Un gaz se répartit dans tout l'espace qui lui est accessible. On ne peut pas le garder dans un verre ouvert comme on y garde de l'eau.

Attention aux poudres : un tas de sable peut être versé, pourtant chaque grain est solide. Le fait de couler ne suffit donc pas à définir l'état liquide. Il faut observer l'échantillon et utiliser plusieurs propriétés. Une petite quantité de sable contient de nombreux grains, chacun avec une forme propre.

Un changement d'état est le passage d'un état physique à un autre. La substance reste la même : quand un glaçon fond, il devient de l'eau liquide. Il ne devient pas une nouvelle substance. Le passage du solide au liquide se nomme fusion. Le passage inverse se nomme solidification. Une flaque qui sèche illustre le passage du liquide au gaz : la vaporisation. Le passage du gaz au liquide se nomme liquéfaction.

La vaporisation peut se faire de deux façons. L'évaporation se produit à la surface du liquide, même sans ébullition. Du linge peut donc sécher sans que l'eau atteigne 100 °C. L'ébullition se produit dans l'ensemble du liquide, avec formation de bulles de vapeur. Ne confonds pas les mots : une glace qui fond subit une fusion ; elle ne se dissout pas. La dissolution concerne un mélange et sera étudiée dans un autre chapitre.

Le petit nuage blanc au-dessus d'une boisson chaude contient de fines gouttelettes d'eau liquide. La vapeur d'eau elle-même est invisible. De même, la buée sur une vitre froide correspond à de l'eau redevenue liquide. L'eau présente dans l'air peut se liquéfier au contact d'une surface suffisamment froide. Ce n'est pas de l'eau qui traverse la vitre.

La température se mesure avec un thermomètre. On note une valeur et une unité, ici le degré Celsius, de symbole °C. Il faut distinguer cette grandeur de la durée, mesurée avec une horloge ou un chronomètre. Pour suivre une fusion, on relève la température à intervalles réguliers et on note en même temps les états visibles. Un tableau permet de conserver ces deux informations sans se fier à sa mémoire.

À la pression atmosphérique habituelle au voisinage du niveau de la mer, l'eau pure fond vers 0 °C et bout vers 100 °C. Ces repères ne sont pas des températures valables pour toutes les substances. Ils ne signifient pas non plus que toute l'eau disparaît immédiatement lorsqu'on atteint 100 °C. Pendant le changement d'état de l'eau pure à pression constante, la température reste approximativement constante tant que les deux états coexistent.

Les mesures réelles peuvent varier avec l'appareil et les conditions. Une valeur isolée ne suffit pas à conclure : on observe une série de mesures. L'eau salée ne doit pas être utilisée pour vérifier exactement les températures de l'eau pure. On ne chauffe jamais seul un récipient fermé. Les expériences avec de l'eau chaude se font sous la conduite de l'enseignant, avec le matériel et les protections qu'il indique.

Lors d'un changement d'état, la masse de la substance se conserve si aucune matière n'entre ni ne sort du système étudié. Le système est l'ensemble que l'on choisit d'observer, par exemple une boîte fermée contenant de la glace. Une balance mesure sa masse avant puis après la fusion. La comparaison doit porter sur le même ensemble, récipient compris.

Si 100 g de glace fondent dans une boîte fermée, on obtient 100 g d'eau liquide. Cela ne signifie pas que le volume reste le même. La masse et le volume sont deux grandeurs différentes : la masse se mesure en grammes ou kilogrammes, le volume peut se mesurer en millilitres ou litres. L'eau occupe davantage de volume à l'état de glace qu'à l'état liquide pour une même masse. C'est une raison pour ne pas remplir complètement une bouteille destinée au congélateur.

Dans une coupelle ouverte, la masse d'eau liquide peut diminuer pendant le séchage. La matière n'est pas détruite : de l'eau rejoint l'air sous forme gazeuse. Il faut donc préciser les limites du système avant de parler de conservation. Pour expliquer une observation, commence par nommer les états initial et final, puis le changement, puis les échanges possibles avec l'extérieur. Cette méthode évite de dire que l'eau « disparaît » lorsqu'on ne la voit plus.