Physique-Chimie Collège — 4e · 3e · Brevet
Les changements d’état de l’eau
Les 3 états · Les 6 transitions · Températures · Courbe de chauffage · Conservation de la masse
3États de l’eau
6Transitions possibles
0 °C / 100 °CTempératures clés
BrevetÉpreuve
💧 L’eau est la seule substance présente naturellement sur Terre dans ses trois états : solide (glace), liquide (eau) et gazeux (vapeur d’eau). Les changements d’état sont des transformations physiques — la nature chimique de l’eau (H₂O) ne change jamais — mais l’arrangement des molécules se modifie.
1. Les trois états de l’eau
État solide
Glace · Forme et volume fixes · Molécules organisées en réseau cristallin · ρ = 0,92 g/cm³
État liquide
Eau · Volume fixe, forme variable · Molécules proches mais mobiles · ρ = 1,00 g/cm³
État gazeux
Vapeur d’eau · Volume et forme variables · Molécules très éloignées et agitées · ρ ≈ 0,0006 g/cm³
🔑 Ce qui change / ce qui ne change pas
- Ne change pas : la nature chimique (toujours H₂O), la masse de l’eau, le nombre de molécules
- Change : l’arrangement des molécules, la distance entre elles, l’état physique, le volume (surtout pour le gaz)
- Un changement d’état est une transformation physique, pas une réaction chimique
2. Les six changements d’état
🔥→
Fusion
Solide → Liquide
La glace se transforme en eau liquide. Se produit à 0 °C sous pression atmosphérique normale. Absorbe de la chaleur (endothermique).
❄️→
Solidification
Liquide → Solide
L’eau liquide se transforme en glace. Se produit à 0 °C. Libère de la chaleur (exothermique).
🔥→
Vaporisation
Liquide → Gazeux
L’eau liquide se transforme en vapeur. Ébullition à 100 °C (tout le volume). Évaporation à toute température (surface seulement). Absorbe de la chaleur.
❄️→
Condensation (liquéfaction)
Gazeux → Liquide
La vapeur d’eau se transforme en eau liquide. Se produit quand la vapeur rencontre une surface froide. Libère de la chaleur. Ex. : buée sur un miroir.
🔥→
Sublimation
Solide → Gazeux
Passage direct de l’état solide à l’état gazeux sans passer par l’état liquide. Ex. : neige carbonique (CO₂ solide), givre qui disparaît par temps sec et froid. Absorbe de la chaleur.
❄️→
Condensation solide (dépôt)
Gazeux → Solide
Passage direct de l’état gazeux à l’état solide. Ex. : formation du givre sur les vitres en hiver (vapeur d’eau → givre). Libère de la chaleur.
| Changement d’état | Transition | Échange d’énergie | Température (eau, 1 atm) | Exemple |
|---|---|---|---|---|
| Fusion | Solide → Liquide | Absorbe (endothermique) | 0 °C | Glaçon qui fond |
| Solidification | Liquide → Solide | Libère (exothermique) | 0 °C | Formation de la glace |
| Vaporisation | Liquide → Gazeux | Absorbe (endothermique) | 100 °C (ébullition) | Eau bouillante |
| Condensation | Gazeux → Liquide | Libère (exothermique) | 100 °C ou moins | Buée sur un miroir |
| Sublimation | Solide → Gazeux | Absorbe (endothermique) | Variable | Givre qui disparaît |
| Condensation solide | Gazeux → Solide | Libère (exothermique) | Variable | Formation du givre |
3. Températures de changement d’état de l’eau
Température de fusion / solidification
0 °C
Sous pression atmosphérique normale (1 013 hPa)
Température d’ébullition / condensation
100 °C
Sous pression atmosphérique normale (1 013 hPa)
🔑 Propriété fondamentale des corps purs
- Pour un corps pur, la température reste constante pendant tout le changement d’état
- Un plateau sur la courbe de chauffage = changement d’état en cours
- Cette constance est un critère d’identification : si la température varie pendant le changement d’état, c’est un mélange
- Les températures dépendent de la pression : en altitude (pression plus faible), l’eau bout en dessous de 100 °C
⚠️ Pression et températures de changement d’état — Les valeurs 0 °C et 100 °C sont valables à pression atmosphérique normale (au niveau de la mer). En altitude, la pression est plus faible et l’eau bout à moins de 100 °C. À l’Everest (8 848 m), l’eau bout à environ 70 °C, ce qui rend la cuisson des aliments difficile.
4. La courbe de chauffage de l’eau
Quand on chauffe de la glace depuis −20 °C jusqu’à 120 °C, la courbe température/temps présente des paliers horizontaux aux températures de changement d’état.
📈 Courbe de chauffage de l’eau — description des segments
| Segment A–B | Chauffage de la glace (solide) de −20 °C à 0 °C. La température monte régulièrement. |
| Segment B–C ⟵ plateau | Fusion : la glace se transforme en eau liquide. La température reste fixe à 0 °C malgré l’apport de chaleur. L’énergie sert à « casser » les liaisons du réseau cristallin. |
| Segment C–D | Chauffage de l’eau liquide de 0 °C à 100 °C. La température remonte régulièrement. |
| Segment D–E ⟵ plateau | Vaporisation (ébullition) : l’eau se transforme en vapeur. La température reste fixe à 100 °C. L’énergie sert à séparer les molécules. |
| Segment E–F | Chauffage de la vapeur (gaz) au-delà de 100 °C. La température remonte à nouveau. |
🔍 Ce que le plateau révèle sur un corps pur
La durée du plateau dépend de la quantité d’eau : plus il y a d’eau, plus le plateau est long. Mais la température du plateau est toujours la même (0 °C ou 100 °C) indépendamment de la masse. C’est pourquoi les températures de changement d’état sont des données caractéristiques d’un corps pur — elles permettent de l’identifier.
5. Conservation de la masse et variation du volume
| Grandeur | Lors d’un changement d’état | Explication |
|---|---|---|
| Masse | ✅ Conservée | Le nombre de molécules H₂O ne change pas. On ne crée ni ne détruit de molécules. |
| Volume | ⚠️ Varie | Les molécules se rapprochent ou s’éloignent selon l’état. La variation est faible entre solide et liquide, mais très grande entre liquide et gaz (×1 700 pour l’eau). |
| Masse volumique | ⚠️ Varie | Conséquence de la variation de volume à masse constante (ρ = m/V). |
| Nature chimique | ✅ Conservée | Toujours H₂O. Un changement d’état est physique, pas chimique. |
🧊 Anomalie de l’eau : la glace est moins dense que l’eau liquide
Pour la quasi-totalité des substances, l’état solide est plus dense que l’état liquide. L’eau est une exception remarquable :
- ρ(glace) = 0,92 g/cm³ < ρ(eau liquide) = 1,00 g/cm³
- La glace flotte sur l’eau liquide (iceberg, banquise)
- Conséquence écologique majeure : les lacs gèlent en surface, préservant la vie aquatique sous la glace en hiver
- Lors de la solidification, l’eau se dilate légèrement (d’où les tuyaux qui éclatent en hiver)
6. Le cycle de l’eau dans la nature
| Phénomène naturel | Changement d’état | Lieu |
|---|---|---|
| Évaporation des océans, lacs, rivières | Vaporisation (lente, en surface) | Surface des eaux |
| Formation des nuages | Condensation (vapeur → gouttelettes liquides) | Atmosphère (altitude) |
| Pluie, grêle, neige | Condensation / Solidification | Nuages, précipitations |
| Formation du givre | Condensation solide (vapeur → solide) | Surfaces froides |
| Fonte des neiges et glaciers | Fusion | Montagne, pôles |
| Sublimation de la neige | Sublimation (solide → vapeur) | Par temps sec et ensoleillé |
7. Exercice résolu — lecture de courbe (type brevet)
📝 Exercice — Identification d’une substance par sa courbe de chauffage
On chauffe une substance inconnue. On relève les températures suivantes : la température monte de −10 °C, puis reste stable à 0 °C pendant 4 minutes, remonte jusqu’à 100 °C, reste stable à 100 °C pendant 6 minutes, puis remonte encore.
1. Identifier les deux paliers et nommer les changements d’état correspondants.
2. Cette substance est-elle un corps pur ou un mélange ? Justifier.
3. De quelle substance s’agit-il probablement ?
- Premier palier à 0 °C : fusion (solide → liquide). Second palier à 100 °C : vaporisation / ébullition (liquide → gazeux).
- C’est un corps pur : les températures de changement d’état sont fixes et constantes pendant toute la durée du palier. Pour un mélange, la température varierait pendant le changement d’état.
- Les températures de fusion (0 °C) et d’ébullition (100 °C) correspondent exactement aux valeurs de l’eau pure (H₂O).
Corps pur → eau pure (H₂O)
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre ébullition et évaporation ?
Ce sont deux formes de vaporisation (liquide → gazeux). L’évaporation est lente, se produit uniquement en surface et à n’importe quelle température (ex. : flaque d’eau qui sèche). L’ébullition est rapide, se produit dans tout le volume du liquide et uniquement à la température d’ébullition (100 °C pour l’eau à pression atmosphérique normale). On observe des bulles dans toute la masse liquide.
Pourquoi la température reste-t-elle constante pendant un changement d’état ?
Pendant un changement d’état, toute l’énergie apportée sert à modifier l’arrangement des molécules (briser ou former des liaisons intermoléculaires) et non à augmenter leur agitation thermique. Comme la température est une mesure de l’agitation des molécules, elle reste constante tant que le changement d’état n’est pas terminé.
La masse se conserve-t-elle lors d’un changement d’état ?
Oui, toujours. Un changement d’état est une transformation physique : les molécules d’eau (H₂O) ne se transforment pas, elles changent simplement d’arrangement. Le nombre de molécules reste identique, donc la masse totale est conservée. En revanche, le volume varie (surtout lors du passage à l’état gazeux, où le volume est multiplié par environ 1 700).
Qu’est-ce que la sublimation ?
La sublimation est le passage direct de l’état solide à l’état gazeux, sans passer par l’état liquide. Pour l’eau, cela se produit par exemple quand de la neige ou du givre disparaît par temps très froid et sec (sans fondre). La neige carbonique (CO₂ solide) sublime également directement en CO₂ gazeux à température ambiante, ce qui explique la « fumée froide » qu’elle produit.
Pourquoi les tuyaux éclatent-ils en hiver ?
Lors de la solidification, l’eau (contrairement à la plupart des substances) se dilate : son volume augmente d’environ 9 %. Si l’eau est enfermée dans un tuyau rigide et qu’elle gèle, l’augmentation de volume génère une pression considérable qui peut fissurer ou faire éclater le tuyau. C’est une conséquence directe du fait que la glace est moins dense (0,92 g/cm³) que l’eau liquide (1,00 g/cm³).
Comment distinguer un corps pur d’un mélange avec une courbe de chauffage ?
Pour un corps pur, les paliers de changement d’état sont horizontaux (température strictement constante). Pour un mélange, les « paliers » sont inclinés : la température continue de varier pendant le changement d’état. C’est un test expérimental fiable pour identifier un corps pur.