Le plaisir de comprendre
La matière dans tous ses états : l’exemple de l’eau
Solide, liquide ou gaz ? Découvre où se trouve l’eau sur Terre, comment reconnaître chaque état, comment le dessiner avec des particules et comment s’appellent les quatre changements d’état.
5e
La Terre, la planète bleue
Vue de l’espace, la Terre est bleue : l’eau recouvre environ les trois quarts de sa surface.
Cette eau n’est pas toute au même endroit, ni dans le même état. On la trouve dans cinq grands réservoirs.
Un réservoir est un endroit de la planète où l’eau est stockée.
Les cinq grands réservoirs d’eau
| Réservoir | Où est l’eau ? | Dans quel état ? |
|---|---|---|
| Les océans et les mers | À la surface de la Terre : c’est le plus grand réservoir, et son eau est salée. | Liquide |
| Les lacs et les cours d’eau | Sur les continents : lacs, rivières, fleuves. C’est de l’eau douce. | Liquide |
| Les glaciers | En haute montagne et près des pôles : glaciers et calottes glaciaires. | Solide |
| Les eaux souterraines | Sous nos pieds : l’eau de pluie s’infiltre dans le sol et forme des nappes. | Liquide |
| L’atmosphère | Dans l’air : la vapeur d’eau, et les nuages. | Gaz pour la vapeur d’eau |
Les trois états de l’eau
L’eau existe dans trois états physiques : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux.
À l’état solide, c’est la glace : un glaçon, la neige, un glacier.
À l’état liquide, c’est l’eau que tu bois, la pluie, l’eau de la mer.
À l’état gazeux, c’est la vapeur d’eau. Elle est invisible : il y en a dans l’air autour de toi.
Attention au piège : la buée, le brouillard et la « fumée » blanche au-dessus d’une casserole ne sont pas de la vapeur d’eau. Ce sont de minuscules gouttes d’eau liquide.
Pour reconnaître un état, on se pose deux questions. A-t-il une forme propre ? A-t-il un volume propre ? « Propre » veut dire « qui lui appartient, qui ne change pas ».
Forme propre et volume propre
| État | Forme propre ? | Volume propre ? | Ce que l’on observe |
|---|---|---|---|
| Solide (un glaçon) | Oui | Oui | Le glaçon garde sa forme quand on le change de récipient. On peut le saisir avec les doigts. |
| Liquide (l’eau) | Non | Oui | L’eau prend la forme du récipient, mais elle occupe toujours la même place : 20 mL restent 20 mL. |
| Gaz (la vapeur d’eau) | Non | Non | Un gaz occupe tout l’espace qu’on lui offre. On peut aussi le comprimer. |
La surface libre d’un liquide
La surface libre d’un liquide est la surface en contact avec l’air.
Quand le liquide est au repos, sa surface libre est toujours plane et horizontale.
Même si tu penches le récipient, la surface ne penche pas avec lui : elle reste horizontale, comme l’horizon.
Pour la dessiner : trace à la règle un trait horizontal, parallèle au bord bas de ta feuille, puis colorie le liquide en dessous.
L’erreur classique : tracer la surface parallèle au fond du récipient penché.
- Récipient droit ou penché : la surface libre, en rouge, reste horizontale.
Un gaz occupe toute la place
Expérience : on pose un flacon rempli d’air sur un flacon rempli d’un gaz roux. Une plaque les sépare.
On retire la plaque. En quelques instants, le gaz roux se répartit dans les deux flacons.
Un gaz n’a pas de forme propre et pas de volume propre : il occupe tout le volume qui lui est offert. On dit qu’il est expansible.
- Avant : le gaz roux est dans le flacon du bas. Après : il occupe les deux flacons.
Le modèle des particules
Pour expliquer ces propriétés, les scientifiques imaginent que la matière est faite de particules minuscules, bien trop petites pour être vues.
Dans les trois états, les particules sont les mêmes : même forme, même taille. Ce qui change, c’est leur rangement, leur distance et leur agitation.
On représente ici chaque particule par un triangle.
- Solide : particules rangées, collées les unes aux autres, très peu agitées.
- Liquide : particules en désordre, encore en contact, plus agitées.
- Gaz : peu de particules, en désordre, très éloignées, très agitées.
Dessiner les trois états sans se tromper
| État | Rangement | Distance | Agitation | Mon dessin |
|---|---|---|---|---|
| Solide | Ordonné | Particules collées | Très faible | Des triangles bien alignés, tous dans le même sens, serrés en un bloc. |
| Liquide | Désordonné | Particules en contact | Moyenne | Des triangles tournés dans tous les sens, qui se touchent, au fond de la boîte. |
| Gaz | Désordonné | Particules très éloignées | Très forte | Quelques triangles seulement, éparpillés dans toute la boîte. |
Ce que le modèle explique
Dans un solide, les particules sont collées et rangées : elles ne changent pas de place. Le solide garde donc sa forme.
Dans un liquide, les particules restent en contact mais glissent les unes sur les autres. Le liquide coule et prend la forme du récipient.
Dans un gaz, les particules sont très éloignées et se déplacent dans tous les sens. Le gaz occupe tout l’espace disponible.
Les quatre changements d’état
Quand la matière passe d’un état à un autre, on parle de changement d’état. Chaque passage a un nom.
La fusion est le passage de l’état solide à l’état liquide. La solidification est le passage inverse, de l’état liquide à l’état solide.
La vaporisation est le passage de l’état liquide à l’état gazeux. La liquéfaction est le passage inverse, de l’état gazeux à l’état liquide.
En rouge, les changements qui ont lieu quand on chauffe. En bleu, ceux qui ont lieu quand on refroidit.
Pendant un changement d’état, les particules ne changent pas : seule leur organisation change. La glace, l’eau liquide et la vapeur sont toujours de l’eau.
- Le diagramme des changements d’état à connaître par cœur.
Les changements d’état autour de toi
| Ce que je vois | Passage | Nom du changement |
|---|---|---|
| Un glaçon fond dans un verre. | Solide vers liquide | Fusion |
| L’eau d’un bac devient de la glace au congélateur. | Liquide vers solide | Solidification |
| Une flaque disparaît au soleil, le linge sèche. | Liquide vers gaz | Vaporisation |
| De la buée se forme sur une vitre froide. | Gaz vers liquide | Liquéfaction |
Un exemple : la vie d’un glacier
Un glacier est un réservoir d’eau à l’état solide. Chaque année, il gagne de la glace et il en perd.
L’accumulation, c’est la glace gagnée : la neige se tasse et l’eau gèle. C’est une solidification.
L’ablation, c’est la glace perdue : elle fond et s’écoule. C’est une fusion.
Pour savoir comment va le glacier, on compare les deux chaque année. Si l’ablation est plus grande que l’accumulation, le glacier perd de la glace : il recule.
Les mesures d’un glacier de montagne
| Année | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 | 2022 |
|---|---|---|---|---|---|
| Accumulation (en m de glace) | 3 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Ablation (en m de glace) | 4 | 4 | 3 | 5 | 4 |
Exemple corrigé
À partir du tableau des mesures, dis à quel changement d’état correspond l’ablation, compare l’accumulation et l’ablation de chaque année, puis explique comment évolue le glacier.
L’ablation correspond à une fusion : la glace, solide, devient de l’eau liquide. En 2018, 2019, 2021 et 2022, l’ablation est plus grande que l’accumulation. En 2020, elles sont égales. Le glacier perd donc plus de glace qu’il n’en gagne : il recule.
Je nomme d’abord le changement d’état en donnant l’état de départ et l’état d’arrivée. Je compare ensuite les deux lignes année par année, sans en oublier une. Je termine par une conclusion qui répond à la question, avec le mot « donc ».
À ton tour : un bijoutier transforme un lingot d’or en bijou. Il chauffe le lingot, verse l’or liquide dans un moule, puis le laisse refroidir. Quels sont les deux changements d’état, dans l’ordre ? Réponse : une fusion, car l’or solide devient liquide, puis une solidification, car l’or liquide redevient solide dans le moule.
Ma liste de contrôle avant l’évaluation
| Je vérifie | C’est réussi si |
|---|---|
| Les réservoirs | J’en cite cinq : océans et mers, lacs et cours d’eau, glaciers, eaux souterraines, atmosphère. |
| Le quatrième réservoir | J’écris « eaux souterraines ». « Infiltré » dit comment l’eau y arrive, ce n’est pas le nom du réservoir. |
| Les propriétés | Solide : forme et volume propres. Liquide : volume propre seulement. Gaz : ni l’un ni l’autre. |
| La surface libre | Mon trait est horizontal, même dans un récipient penché. |
| Le schéma du solide | Les particules sont rangées et serrées en un bloc. |
| Le schéma du gaz | Il y a peu de particules et elles sont éparpillées dans toute la boîte, pas seulement au fond. |
| Les étiquettes | Chaque schéma porte le bon nom : je relis avant de rendre ma copie. |
| Les changements d’état | Je donne le nom et le sens : de quel état vers quel état. |
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