9.5. Les états de la matière

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1 9.5. Les états de la matière Durée : 3 x 3h. Objectifs : - Evaluer les connaissances préalables des élèves et ainsi établir une base de références pour pouvoir évaluer l'acquis des élèves à la fin de la leçon. - Suivre un protocole expérimental. - Par les manipulations, mettre en évidence les changements d'états de la matière (principalement de l'eau) ainsi que certaines propriétés des différents états. - Atelier 1: mettre en évidence le gaz et ses propriétés. - Atelier 2: mettre en évidence le phénomène de fusion. - Atelier 3: mettre en évidence le phénomène de solidification. - Atelier 4: mettre en évidence le phénomène de liquéfaction par la condensation. - Atelier 5: mettre en évidence le phénomène de vaporisation par l'ébullition et de liquéfaction. - Atelier 6: mettre en évidence le phénomène de vaporisation par l'évaporation. - Les enfants seront amenés à présenter leurs observations et leur conclusion. - Les enfants seront amenés à créer un tableau récapitulatif des caractéristiques des différents états et expliquer les différents termes spécifiques des changements d'états Matériel : voir fiches des protocoles point n Matière La matière : est tout ce qui est substance, de la plus petite poussière à la plus gigantesque étoile. Substance, réalité constitutive des corps, douée de propriétés physiques. Caractéristiques des différents états: Etat solide Etat liquide Etat gazeux Forme déterminée. Forme indéterminée : - un liquide prend la forme du récipient qui le contient : il n'a pas de forme propre. - dans le récipient qui le contient, un liquide s'étale. - la surface libre d'un liquide Forme indéterminée. au repos est plane et horizontale. Lorsque deux vases communiquent, les surfaces libres du liquide qu'ils

2 contiennent sont dans un même plan horizontal. Volume déterminé. Volume déterminé: lors de Volume indéterminé: un transvasements dans gaz occupe tout l'espace différents récipients, son disponible : n'a pas de volume ne varie pas. volume propre. Incompressible. Incompressible. Compressible : si on remplit une seringue d'air, dont on bouche le petit tube de sortie, on pourra enfoncer le piston ; si on relâche la pression, le piston reprend sa place. Les molécules serrées les unes contre les autres, se déplacent peu : elles vibrent seulement. Les molécules moins serrées roulent les unes sur les autres et s'étalent parfaitement. On dit que les liquides sont fluides. Les molécules ne sont pas serrées du tout, elles se repoussent après s'être cognées et s'écartent : elles occupent tout le volume offert (le gaz se disperse de lui-même). 1 Système moléculaire : Les solides : les atomes ou les molécules constituant un solide forment un réseau en se maintenant très rapprochés et pratiquement immobiles. Lorsque le solide est chauffé, ses constituants vibrent plus énergiquement et des trous apparaissent dans le réseau : les molécules peuvent alors commencer à se déplacer. La substance coule, le solide a fondu et s est transformé en liquide. 1 ARNAUD Paul, Si la chimie m était contée, p.57.

3 Les liquides : on peut imaginer facilement que les molécules d un liquide roulent les unes sur les autres ce qui leur permet de couler ou de prendre la forme du récipient qui les contient. Quand on chauffe un liquide, le mouvement des molécules augmente et quelques-unes peuvent s échapper de la surface. Elles se déplacent ensuite rapidement en s écartant les unes des autres et forment un gaz. Les gaz : les molécules ou les atomes d un gaz se déplacent continuellement à grande vitesse dans toutes les directions. Les molécules étant très espacées, il est facile de comprimer un gaz. Quand on le comprime fortement, il repasse à l état liquide. Les changements d'états de la matière: Définition: un changement d'état est le passage d'un état à un autre sous l'effet d'un changement de température ou de pression. La matière peut en général, passer d'un état à l'autre: 2 La liquéfaction est le passage de l'état gazeux à l'état liquide. La condensation est une liquéfaction sous forme de gouttelettes. Exemples : l'eau qui chauffe dans une casserole, la buée sur les vitres. La vaporisation est un phénomène général du passage de l'état liquide à l'état gazeux. La vaporisation se fait soit par: - L évaporation, c'est-à-dire à la température ambiante quelle qu'elle soit (dans le cas de l'eau, même lorsqu'il gèle) car c'est un phénomène de surface où le liquide s'évapore au contact de l'air. 2 ARNAUD Paul, Si la chimie m était contée, p.60.

4 Aux basses températures, l'eau s'évapore lentement, mais par augmentation de chaleur, sa tension de vapeur saturante augmente rapidement. Lorsque l'air est saturé, cela signifie qu'à température donnée il ne peut contenir une plus grande quantité d'eau. Généralement la teneur de l'air en vapeur d'eau est de 30 à 70% de sa teneur maximale. Si on refroidit l'air non saturé en vapeur d'eau, on s'approche graduellement de l'état de saturation, après quoi, la vapeur d'eau excédent commence à se séparer sous forme de brouillard ou de pluie. 3 Dans un espace clos, il finit par s établir un équilibre entre un liquide et sa vapeur. Au début, la vaporisation (ou évaporation) est seule à se produire (a), mais plus la quantité de vapeur augmente, plus la probabilité de «retours» des molécules dans le liquide augmente (b). Lorsque, dans un temps donné, le nombre de retours devient égal à celui des départs (c), les quantités de liquide et de vapeur en présence n évoluent plus, bien que l échange de molécules entre les deux milieux se poursuive. - L ébullition, est un phénomène qui se réalise en profondeur. Tout le liquide est chauffé et des bulles se forment à l'intérieur du liquide. Chaque substance a une température d'ébullition qui lui est propre. Exemples : T ébullition de l'eau pure est de 100 C, celle de l'alcool de 78 C, à pression atmosphérique standard. La fusion est le passage de l'état solide vers l'état liquide. Exemple: laisser fondre un glaçon. La solidification est le passage de l'état liquide à solide. Exemple: l'eau qui se transforme en glaçon dans le congélateur. La sublimation est le passage de l'état solide à gazeux et inversement. La glace peut s'évaporer de la même façon que l'eau. 3 ARNAUD Paul, Si la chimie m était contée, p.62.

5 Déroulement de l activité 1. Cerner les connaissances préalables des élèves pour établir une base de références permettant d évaluer l'acquis des élèves à la fin de la leçon. Distribuer un questionnaire abordant les différentes notions qui seront vues lors de l expérimentation, afin de cerner les représentations initiales des enfants. (voir annexes) 2. Suivre un protocole expérimental. Distribution des protocoles (voir annexes), attribution de chaque groupe à un atelier et rappel des règles de travail. Un enfant par groupe vient chercher le matériel de son atelier. 3. Par les manipulations, mettre en évidence les changements d'états de la matière (principalement de l'eau) ainsi que certaines propriétés des différents états. - Atelier 1: réaction de dégagement de CO 2 et découverte des propriétés des gaz. - Atelier 2: mettre en évidence le phénomène de fusion. - Atelier 3: mettre en évidence le phénomène de solidification. - Atelier 4: mettre en évidence le phénomène de liquéfaction par la condensation. - Atelier 5: mettre en évidence le phénomène de vaporisation par l'ébullition et le phénomène de liquéfaction. - Atelier 6: mettre en évidence le phénomène de vaporisation par l'évaporation. 4. Amener les enfants à distinguer les différents états de la matière et relever la plupart des propriétés des différents états. Les enfants écrivent individuellement leurs hypothèses, puis les confrontent au sein du groupe, et enfin ils expérimentent.

6 L enseignant passe de groupe en groupe afin de proposer des pistes spéciales (questionnement pour amener les enfants à réfléchir sur ce qu ils observent). Présentation : chaque groupe vient présenter un atelier. Par cela, il y a débat scientifique sur les explications proposées. Elaboration de la synthèse sous forme de tableau. Voici la synthèse réalisée en 5 ème année. Etat solide Etat liquide Etat gazeux Forme déterminée: la forme Forme indéterminée: Forme indéterminée. d'un solide est fixe. - un liquide prend la forme du récipient qui le contient : il n'a pas de forme propre. - dans le récipient qui le contient, un liquide s'étale. - la surface d'un liquide au repos est plane et horizontale. Volume déterminé. Volume déterminé: lors de Volume indéterminé: un transvasements dans gaz occupe tout l'espace différents récipients, son disponible: n'a pas de volume ne varie pas. volume propre. Incompressible. Incompressible. Compressible: si on remplit une seringue d'air, dont on bouche le petit tube de sortie, on pourra enfoncer le piston; si on relâche la

7 Les molécules serrées les unes contre les autres, se déplacent peu : elles vibrent seulement. Les molécules moins serrées roulent les unes sur les autres et s'étalent parfaitement. On dit que les liquides sont fluides. La fusion : c'est le passage de l'état solide vers l'état liquide. La solidification : c'est le passage de l'état liquide à l état solide. La vaporisation : c est le passage de l'état liquide à l'état gazeux. pression, le piston reprend sa place. Les molécules ne sont pas serrées du tout, elles se repoussent après s'être cognées et s'écartent : elles occupent tout le volume offert (le gaz se disperse de lui-même). La condensation (liquéfaction) : c'est le passage de l'état gazeux à l'état liquide.

8 Voici la synthèse réalisée en 4 ème année. Etat solide Etat liquide Etat gazeux Forme déterminée : la forme d'un solide ne change pas. Volume déterminé : son volume reste fixe. Forme indéterminée : le liquide prend la forme du récipient. Volume déterminé : le volume reste le même. Forme indéterminée : le gaz prend la forme du récipient, il va partout. Volume indéterminé : le gaz occupe tout l'espace qu on lui donne. Incompressible. Incompressible. Compressible. La fusion : c'est le passage de l'état solide vers l'état liquide. La solidification : c'est le passage de l'état liquide à l état solide. La vaporisation : c est le passage de l'état liquide à l'état gazeux. La condensation (liquéfaction) : c'est le passage de l'état gazeux à l'état liquide Organisation de la classe Disposition des bancs en îlot et travail en groupe de 4 élèves, les enfants voyagent d ateliers en ateliers Commentaire Comme il y a six ateliers, et que les enfants effectuent un roulement, la leçon prend beaucoup de temps. Mais j ai pu constater après ces diverses manipulations, que la compréhension des phénomènes se construit très rapidement et facilement. Le rôle de l instituteur est indispensable afin de guider les enfants, de les pousser à réfléchir sur la réaction.