UPEC/IUFM Créteil M1 EC1.4. Etats et changements d états CORRIGE.

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1 UPEC/IUFM Créteil M1 EC1.4 Etats et changements d états Matière CORRIGE. Exercice 1 : En faisant référence aux états de la matière indiquer les compositions possibles des nuages. Quels phénomènes physiques interviennent dans la formation d un nuage? Même chose avec buée, brouillard et fumée. Les nuages sont produits par la condensation de la vapeur d eau contenue dans l air selon les conditions de température et de pression (fonction de l altitude) ils sont constitués de très fines gouttelettes d eau liquide et/ou de mini cristaux de glace. Phénomènes physiques mis en jeu : condensation liquide (liquéfaction) et solide, surfusion (existence d eau à l état liquide à une température < 0 C) Pour en savoir plus : La buée comme la rosée est constituée d eau liquide produite par la liquéfaction de la vapeur d eau initialement présente dans l air, généralement due à une baisse de la température (contact avec un corps froid). De même pour le brouillard qui est constitué de fines gouttelettes d eau en suspension dans l air. Rappelons ici que la vapeur d eau est toujours invisible ; dans le langage courant vapeur d eau et brouillard sont souvent confondus, à tort (brouillard au-dessus d eau bouillante, par ex.). La fumée est constituée d un mélange de gaz invisibles et de particules solides le plus souvent entraînées dans l air par des gaz chauds (vapeur d eau et CO2) produits par une combustion (exemple : la fumée de cigarette). Exercice 2 : Il y a «conservation de la matière» au cours de la fusion de l eau. Que signifie cette expression, comment peut on vérifier cette conservation? Lorsqu on parle de la conservation de la matière, on fait référence à la conservation de la masse (unité de masse : le kilogramme et non pas le «kilo»!) qui se mesure à l aide d une balance. Dire qu il y a conservation de la matière au cours de la fusion de l eau signifie qu un morceau de glace possède la même masse avant et après son passage à l état liquide. Pour vérifier cela il suffit de poser un récipient contenant de la glace sur une balance électronique et de voir que la valeur de la masse affichée ne change pas (ou si l on utilise une balance à plateaux, on observe que l équilibre n est pas modifié) NB : En aucun cas l idée de la conservation de la matière ne fait référence au volume. D ailleurs dans le cas de l eau, le volume n est pas conservé : l eau se dilate en gelant et se contracte en fondant et en cela c est une exception de la nature :en général un corps à l état solide prend plus de place qu à l état liquide. (Notons ici que le verbe associé au mot «fusion» est le verbe «fondre» et non «fusionner» ) Compléments pour ceux qui confondraient poids et masse : Exercice 3 : En hiver, quatre personnes pénètrent dans une voiture. Rapidement les vitres, initialement sèches se couvrent de buée à l intérieur du véhicule. a) D où provient cette buée? La buée est constituée d eau liquide provenant de la condensation de la vapeur d eau contenue dans l air quand celui-ci est saturé en humidité. D où provient cette vapeur d eau? Vous avez vu en biologie que l air expiré est enrichi en CO 2 et en vapeur d eau H 2 O. Avec quatre personnes dans une voiture l air est assez rapidement saturé en vapeur d eau et la condensation s ensuit puisque les vitres sont très froides.

2 Le graphique page suivante met en évidence la quantité d eau en g/ m 3 que l air peut contenir sans qu il y ait condensation (région bleue). Pour une température donnée lorsque le taux d humidité est supérieur à celui indiqué par la courbe, l air est dit saturé en humidité et il y a condensation de la vapeur d eau. Ainsi à la température de 80 C le taux de saturation est légèrement inférieur à 300 g / m 3 b) Pourquoi, en déclenchant le chauffage et la ventilation, la buée disparaît-elle? La buée «disparaît» par évaporation. Rappelons ici les facteurs favorisant l évaporation de l eau liquide : - 1- L élévation de la température, (vocabulaire : élévation et non pas l augmentation car la température n est pas une grandeur mesurable :O C ne signifie pas ne plus avoir de température - 2- L augmentation de l aire de la surface de contact entre l eau et l air ambiant, - 3-La circulation d air au dessus de cette surface. Dans l exemple qui nous concerne les facteurs 1 et 3 sont mis en jeu. Exercice 4 : Pourquoi la cuisson d une même quantité d aliment dans une même quantité d eau est-elle plus rapide dans une auto cuiseur fermé (cocotte-minute) que dans une casserole (conditions de chauffage identiques)? Que se forme-t-il à la sortie de la soupape? Expliquez le phénomène Nous allons répondre ici de manière simple et qualitative. La cuisson est d autant plus rapide que la température de cuisson est plus élevée. La température de cuisson dans l eau est limitée par la température d ébullition de l eau qui dans des conditions normales de pression (1 Atmosphère = 1013 hpa) est de 100 C (rappel : au cours du changement d état d un corps pur la température est constante durant la l intégralité du changement d état dans le cas présent on parle de palier d ébullition). Pour élever la température d ébullition il faut augmenter la pression, un moyen simple : un couvercle fermé. Outre les aliments à cuire, l autocuiseur contient de l eau en ébullition au fond tandis que dans la partie supérieure le gaz est constitué essentiellement de vapeur d eau : l air initialement présent a été chassé en témoigne le brouillard qui s échappe quand la soupape commence à tourner. La production de vapeur étant continue, le nombre de molécules de vapeur d eau augmente d où une élévation de la pression.

3 Quand la pression augmente la température d ébullition augmente, dans le cas présent elle est d environ 105 C à 115 C. Pour la même raison en altitude la pression atmosphérique est plus basse qu au niveau de la mer : la température d ébullition de l eau pure est de l ordre de 84 C au sommet du Mont Blanc (4810m). Animations pour comprendre de quels facteurs dépend la pression d un gaz : NB : Orthographe contrairement au verbe homophone le nom «palier» s écrit avec un seul «l»! Pour aller plus loin : le diagramme ci-dessous donne l état de l eau en fonction de la température et la pression. La courbe tracée entre «point triple» et point critique» limite les domaines «liquide» et «solide». Cette courbe dont la pente est positive montre donc que la température d ébullition s élève avec la pression. Le sujet de concours de septembre 2010 requérait l utilisation de ce graphique. Que se forme-t-il à la sortie de la soupape? Expliquez le phénomène. Faites l expérience et observez attentivement. Ce qui sort de la soupape est absolument transparent : c est de la vapeur d eau invisible. Bien évidemment en se refroidissant cette vapeur d eau se condense d où le panache de brouillard qui s évase au dessus de l orifice. Panache = brouillard = gouttelettes d eau en suspension dans l air Dans cet intervalle on ne voit rien! N y-a-t-il rien? Non c est un gaz très chaud qui s échappe! Ce gaz est constitué d eau (puisqu en refroidissant il donne des gouttelettes d eau liquide) C est donc de l eau à l état de gaz qu on appelle vapeur d eau. Dans l eau qui bout les bulles sont constituées de vapeur d eau (et non pas d air!) A noter que cette vapeur d eau est entièrement composée de molécules H 2 O n est donc bien sûr pas de l air.

4 NB : il est utile de bien connaître la conjugaison du verbe bouillir : Exercice 5.1 : Quand il gèle ou quand il neige, on répand souvent du sel sur les routes. Quel(s) phénomène(s) cet apport de sel provoque-t-il? Donnez, en quelques lignes, une explication scientifique. L'eau pure gèle à 0 C. Le mélange sel-eau (qui n'est pas un corps pur) gèle à une température inférieure à 0 C. La température de congélation de ce mélange dépend de la concentration de sel ; elle est, pour certaines concentrations, inférieure à -10 (voir courbe C question 6). Dans l'état initial, la glace ou la neige qui sont sur la route sont à l'état solide, à la température ambiante, inférieure à 0 C. Lorsqu'on projette le sel sur la route, la température de fusion de l'ensemble neige-sel est portée (s'il ne fait pas trop froid) à une température inférieure à la température ambiante. L'ensemble ne peut donc pas rester solide et, la neige ou la glace fondent. A la fin du processus, reste à la surface de la route une eau salée (sel dissout dans l'eau) à la température ambiante, inférieure à 0 C. La fusion de la glace ou de la neige nécessite un apport de chaleur. Cette chaleur est apportée par l'air ambiant. Exercice 5.2 : On prépare dans un récipient un mélange réfrigérant, constitué pour ¾ du volume de glace pilée et pour ¼ de sel de cuisine. Au bout de 20 minutes, on constate qu une partie de la glace dans le récipient a fondu alors que le thermomètre indique -15 C. On constate également la présence d une importante couche de givre sur les parois extérieures du récipient. a) Justifiez la présence de liquide à -15 C. La température du mélange glace+eau salée est inférieure à 0 C et dépend de la concentration en sel; dans les conditions de l expérience cette température est de -15 C. b) Expliquez la formation de givre sur les parois extérieures du récipient. Le givre sur les parois se forme par condensation solide (ou liquéfaction puis solidification) de la vapeur d eau contenue dans l air se situant au voisinage de cette paroi très froide. Exercice 6 : Trois liquides incolores (de l eau pure, de l eau salée et du cyclohexane) ont été placés dans trois flacons dont les étiquettes ont disparu. Pour identifier ces liquides, on décide de les refroidir à 10 C sous pression atmosphérique normale et de tracer la courbe d évolution de la température en fonction du temps. Expliquez la méthode utilisée. Identifiez le liquide correspondant à chacune des courbes (A, B, C) et justifier les réponses. En relevant régulièrement la température de chacun des trois liquides durant leur refroidissement on cherche à identifier s il s agit d un corps pur (si l on observe un palier), la température du palier éventuel permettant d identifier le liquide.

5 Dans l exemple présent il apparaît que C est la courbe de refroidissement de l eau salée : c est un mélange, il n y a pas de palier horizontal de solidification. B est la courbe de refroidissement de l eau pure : palier horizontal de solidification à 0 C. Reste A pour le cyclohexane qui est un corps pur qui se solidifie à une température proche de 7 C. A noter qu il n est pas nécessaire de connaître quoi que ce soit à propos du cyclohexane pour répondre à cette question. A titre purement indicatif, c est un solvant de formule chimique C 6 H 12. Mélanges et solutions Exercice 7 : Dans les marais salants, le paludier récolte le sel en laissant l eau s évaporer dans une suite de bassins de moins en moins profonds. Le sel atteint la saturation dans l eau pour une concentration de 300 g/l Le bassin mesure 10 m de long sur 6 m de large. La hauteur d eau est de 0,5 cm lorsque l eau est saturée en sel. Calculer la masse de sel récupérable dans un bassin lorsque l eau se sera totalement évaporée. Calculons le volume de cette eau saturée en sel, en dm 3 c est plus astucieux puisque la concentration est donnée en grammes par litre (1litre =1dm 3 ). A cette fin il faut convertir la longueur, la largeur et la hauteur en dm : 10m = 100 dm ; 6m = 60 dm ; 0,5 cm = 0,05 dm ou dm V (dm3) = 100 x 60 x = 300 dm 3 =300 l La quantité de sel contenue dans ce volume d eau saturée sera 300 x300 g soit grammes ou 90 kg, c est bien cette quantité de sel qui sera récupérée quand l eau se sera évaporée. NB : on peut bien sûr calculer le volume en m 3 et prendre pour concentration en sel 300kg / m 3. Remarque : le jour d un examen vous avez intérêt à présenter proprement un résultat partiel, dans le cas présent le volume, cela pourra éventuellement vous permettre d obtenir une partie des points même si la suite est fausse Apprendre à faire des conversions : 1m 3 = 1000 dm 3 ; 1dm 3 = 1000 cm 3 ; 1cm 3 = 1000 mm 3 Il est très utile de retenir que 1litre =1dm 3 en conséquence 1ml = 1cm 3 Exercice 8 : On ramasse du sable sur la plage, il est salé. Comment séparer le sable du sel? On met ce sable dans suffisamment d eau pour dissoudre le sel. On sépare le sable de ce mélange (eau salée + sable) en le faisant passer dans un tamis dont les trous ont une taille inférieure à celle des grains de sable ou en filtrant tout simplement. On récupérera le sel par évaporation de l eau que l on pourra favoriser en plaçant le mélange dans un récipient plat et en élevant la température. Exercice 9 : Citez une méthode utilisée pour séparer deux liquides miscibles. A quelle condition peut elle être utilisable? Seule une distillation peut permettre de séparer deux liquides miscibles, cela n est possible que si les deux liquides ont des températures d ébullition différentes ; c est ce type de distillation qui permet de fabriquer un alcool fort type Cognac ou Calvados à partir de vin ou de cidre. L alcool, plus volatil, se vaporise plus et les vapeurs ont une concentration plus forte en alcool. On recommence le cycle pour augmenter le degré d alcool.

6 Exercice 10 : Pour préparer une vinaigrette, on verse dans un flacon contenant un verre de vinaigre, une cuillerée à café de sel fin puis on agite l ensemble. a) Comment peut-on qualifier le mélange obtenu? Quel est son aspect? Dans un second temps, on ajoute dans le flacon trois verres d huile, puis on agite vigoureusement l ensemble. b) Comment peut-on qualifier le mélange obtenu? Quel est son aspect? c) Que peut-on observer après 10 minutes de repos? Justifiez votre réponse. L air a) Le sel fin est soluble dans le vinaigre on obtient une solution limpide. b) L huile et le vinaigre ne sont pas miscibles, après agitation on obtiendra un mélange appelé émulsion qui n est pas un mélange homogène (le mélange n est pas limpide). c) Après 10 minutes de repos les deux liquides (huile et vinaigre salé) se séparent, il y a décantation : le vinaigre plus dense va au fond. Savoir-faire : quand on prépare une vinaigrette, on commence par dissoudre le sel dans le vinaigre! NB : un mélange est dit homogène si l on ne peut en distinguer les constituants à l œil nu (aspect identique en tout point). Une émulsion peut être homogène : la mayonnaise, ou hétérogène : la vinaigrette. Exercice 11 : Une salle de classe de 6m de large et de 15m de long a une hauteur de 2,50m a) Calculer le volume d air contenu dans cette salle de classe. Calculer M la masse de cet air en kg (masse volumique de l air µ = 1,3 g / l) b) Déterminer les volumes de dioxygène et de diazote que renferme cette classe c) Après une journée de présence des élèves, quels sont les gaz dont la quantité est plus importante qu en début de journée? a) V = 6 x 15x 2,5 = 225 m 3 Par définition la masse volumique µ (g/l) = Masse en gramme / V en litre M = µ x V Deux solutions pour la calculer ; choisissez celle qui vous convient : - Je convertis les m 3 en l M = 1,3 x M = g = 292,5 kg (Inconvénient : je multiplie par 1000 puis divise par 1000) - Je remarque que 1,3 g / l cela veut dire que chaque litre donc chaque dm 3 pèse 1,3 g donc 1m 3 pèse 1000 fois plus, soit 1,3 kg D où M = 1,3 x 225 = 292,5 kg b) La composition de l air est 78% de diazote N 2, 21 % de dioxygène O 2 et 1% pour le reste : gaz nobles (Argon, Néon, etc.)+ CO 2 +H 2 O vapeur Pour soulager l effort de mémoire on peut se contenter de retenir : 4/5 N 2 1/5 O 2 c) Donc volume diazote = 225 x 0,78 = 175,5 m 3 Volume dioxygène = 225 x 0,21 = 47,25 m 3 Avec les valeurs approchées N 2 : 4/5 x 225 = 180 m 3 O 2 : 1/5 x 225 = 45 m 3 d) Après une journée de présence la proportion de CO 2 et H 2 O vapeur augmente du fait de la respiration. A noter tout de même que la concentration de dioxygène reste nettement supérieure à celle du dioxyde de carbone (voir cours de biologie : air expiré 16% de O 2 et 4,5 % de CO 2 )

7 Exercice 12 : Les plongeurs utilisent des bouteilles d air comprimé. Une de ces bouteilles pleine a une masse de 20,6kg. Au retour d une plongée, elle n est plus que de 19,9kg. a) Quelle masse d air a été consommée lors de la plongée? b) Calculer le volume d air consommé par le plongeur. c) Le volume d une bouteille de plongée est d environ 15L. Comparer ce volume à celui calculé à la question précédente. Quelle propriété de l air peut-on en déduire? a) La masse d air consommée est 20,6 19,9 = 0,7 kg = 700 g b) Cette masse d air correspondrait au niveau du sol à un volume de 700 : 1,3 = 538,46 litres En effet on se souvient que : µ air = M/V =1,3 g / l Donc V = M / µ V (en litres) = M (en grammes) : 1,3 c) L air est compressible, expansible et élastique (car dans les gaz les molécules ne sont pas en contact). Pour inspirer 700 g d air à l air libre il me faut inspirer au total 538,46 l d air mais pour faire l équivalent en plongée je n ai besoin que de moins de 15 l puisque celui-ci est comprimé! Quelques conseils pour les calculs : - Attention aux unités (c est à dire au sens des choses!), un résultat sans unité ou avec une unité qui n est pas la bonne n a aucune valeur, aucun sens : que signifierait une longueur de 3 C? - Le calcul d un volume est toujours le produit de trois longueurs. Celui d une aire de deux longueurs. Exemple volume d un cylindre : V = Aire de la base x hauteur Aire de la base = R 2 V = R 2 H - Avant chaque calcul donnez-vous une idée du résultat par une estimation ou un calcul approché, c est l ordre de grandeur utile en cas d erreur de frappe à la calculette. D aucuns disent qu il ne faudrait jamais commencer un calcul sans connaître le résultat - Apprenez à faire des conversions : les longueurs, les masses, les capacités (litre) de 10 en 10 d un multiple au sous multiple Les aires de 100 en 100 Les volumes de 1000 en Entrainez-vous à faire les calculs à la main sans calculette. Soyez malin, par exemple : diviser par 0,25 c est multiplier par 4, multiplier par 0,5 c est diviser par 2, etc.