1. ÉTATS ET CHANGEMENTS D ÉTAT DE L EAU

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1 LE PROGRAMME LA MATIÈRE 1. ÉTATS ET CHANGEMENTS D ÉTAT DE L EAU Introduction La connaissance de la matière qui compose toute chose en ce monde est naturellement un point de départ indispensable. Après avoir étudié la constitution de la matière et ses divers états, nous aborderons les notions de mélange et de solution, et plus particulièrement le mélange gazeux qu est l air Constitution de la matière La matière est constituée d atomes (@GL.). Un atome a une dimension de l ordre de m, soit un dixième de milliardième de mètre. Il est constitué d un noyau comportant deux sortes de particules (protons et neutrons) autour duquel gravitent des électrons. Le diamètre du noyau est de l ordre de m, c est-à-dire fois moins que celui de l atome. Cela met en évidence le fait que la matière est essentiellement constituée de vide, on dit qu elle a une structure lacunaire. Souvent, les atomes sont associés dans des molécules (@GL.). Par exemple, la molécule d eau, notée (H 2 O), est constituée d un atome d oxygène central (O) relié à deux atomes d hydrogène (H). Certains corps contiennent des ions. Un ion est un atome (ou un groupe d atomes) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Par exemple, le sel de cuisine est essentiellement fait d ions sodium Na + et d ions chlorure Cl -. (@AI. Structure de la matière)

2 ÉTATS ET CHANGEMENTS D ÉTAT DE L EAU 1.2. Les trois états de la matière Les différents changements d état sont résumés sur le schéma ci-dessous : Un corps peut exister sous trois états : solide, liquide ou gazeux. L état solide est un état compact et ordonné. Dans un solide, les molécules occupent des positions fixes et sont ordonnées de façon stable. Cela permet de comprendre pourquoi les solides ont une forme propre (exemples : la glace, un morceau de fer...). Si l on chauffe un solide, les molécules vibreront plus fortement autour de leur position d équilibre mais cela n affectera pas leur agencement. 38 L état liquide est un état compact et désordonné. Dans un liquide, les molécules n occupent pas de position fixe et se déplacent de façon désordonnée mais l espace occupé a toujours un volume déterminé. Contrairement au solide, un liquide n a pas de forme propre ; il prend la forme du récipient dans lequel il se trouve. Au repos, sa surface libre est horizontale. Le fait de chauffer un liquide augmente l agitation de ses molécules. L état gazeux est un état désordonné et dispersé. Les molécules sont éloignées les unes par rapport aux autres et se déplacent de façon désordonnée. Un gaz occupe tout le volume qui lui est offert ; on dit qu il est expansif. On peut aisément comprimer un gaz, c est-à-dire diminuer l espace qui lui est offert, ce qui n est pas le cas pour les liquides par exemple Changements d état Notion de corps pur 1 : fusion - 2 : solidification - 3 : sublimation - 4 : condensation solide - 5 : vaporisation - 6 : liquéfaction (ou «condensation») Si l on considère que la pression ne varie pas, la fusion, la vaporisation et la sublimation nécessitent une élévation de température, donc un apport d énergie. Par exemple, la fusion de la glace nécessite bien un chauffage. Existence d un palier Réalisons maintenant l expérience suivante : dans un récipient laissé à température ambiante, sous une pression normale, on place de la glace pilée. On introduit un thermomètre et on relève la température toutes les minutes. On obtient le graphique suivant, caractéristique de la fusion de la glace : 39 Un corps pur (@GL.) ne contient qu un seul type d atomes, d ions ou de molécules. Par exemple, l eau pure ne contient que des molécules d eau H 2 O. À l opposé, un mélange hétérogène (@GL.) contient plusieurs espèces chimiques différentes. Par exemple, l air contient des molécules de diazote N 2, de dioxygène O 2, et d autres molécules en proportion plus faible Changements d état d un corps pur Définitions Si l on modifie la température ou la pression, un corps pur peut changer d état. Par exemple, si l on refroidit de l eau liquide, celle-ci peut passer à l état solide, c est-à-dire sous forme de glace : on dit qu on a réalisé la solidification de l eau liquide. À l inverse, si l on chauffe de la glace, celle-ci peut repasser sous forme d eau liquide : on dit alors qu on a réalisé la fusion de la glace. Ces exemples mettent aussi en évidence le fait que les changements d état sont toujours réversibles : quand un corps change d état, le changement d état inverse est toujours possible. On remarque un palier à 0 C : la température reste constante tout au long de la transformation de la glace en eau liquide. Ce palier est caractéristique des corps purs. Toutefois, la température à laquelle il sera observé dépend du corps : 0 C pour la fusion de l eau et 100 C lors de son ébullition, pour le fer, c est respectivement 1535 C et 3000 C. Tout au long du palier, l énergie apportée ne sert pas à échauffer le corps mais à réaliser son changement d état.

3 ÉTATS ET CHANGEMENTS D ÉTAT DE L EAU Pour la solidification de l eau liquide, on observe la même propriété : - l ébullition se produit dans l intégralité du liquide. Pour l eau pure, on l obtient à la température précise de 100 C (dans la pratique, avec de l eau du robinet, on obtient une valeur légèrement inférieure), de grosses bulles de vapeur se forment alors à l intérieur de l eau. Attention, les petites bulles que l on observe au début du chauffage, à des températures inférieures à 100 C, sont des bulles d air initialement dissous qui sont expulsées de l eau quand sa température augmente. En effet, la solubilité des gaz dans l eau diminue quand la température augmente. Variations de masse et de volume 40 Là encore, nous observons un palier à 0 C. Température et pression Les températures de changement d état dépendent de la pression. Pour l eau, la température de fusion est de 0 C et la température d ébullition 100 C sous la pression atmosphérique normale, à savoir 1013 hectopascals (1 hpa = 100 Pa). Si la pression augmente ou diminue, ces températures sont modifiées. Dans un autocuiseur, la pression étant plus importante que la pression atmosphérique, l eau atteint l ébullition à une température supérieure à 100 C. Ainsi, les aliments cuisent plus vite que dans une casserole, où la température de l eau est «plafonnée» à 100 C. Quand l altitude augmente, la pression atmosphérique diminue. La température d ébullition de l eau est donc de plus en plus faible au fur et à mesure que l altitude augmente. Par exemple, au sommet de l Everest, elle est de 72 C : difficile dans ces conditions d arriver à faire cuire un pot-au-feu! Ne pas confondre La vaporisation désigne le passage de l état liquide à l état gazeux. Mais ce passage peut se faire de deux façons différentes : - l évaporation est observée à des températures ordinaires, elle se produit à la surface entre le liquide et l air. Elle dépend de la nature du liquide, de la surface de contact air/liquide, de la température, de la ventilation, du taux d humidité de l air, etc. Quand une flaque a disparu ou que du linge a séché, de l eau s est évaporée. Nous avons tous remarqué que le linge sèche plus vite quand il fait chaud ou que le vent souffle, ce qui confirme les propriétés précédentes ; Lors d un changement d état, la masse se conserve, elle ne varie pas. Rappelons que l unité officielle de masse est le kilogramme. En revanche, le volume varie. Pour l eau, par exemple, celui-ci augmente au cours de la solidification (il faut toujours être prudent lorsqu on place une bouteille fermée dans un congélateur car elle risque d exploser à cause de l augmentation de volume de son contenu). Toutefois, il s agit d une exception : pour la grande majorité des corps, le volume diminue à la solidification. L unité officielle de volume est le mètre cube (m 3 ) mais on emploie fréquemment des unités plus pratiques, comme le litre (1 L = 1 dm 3 = 10-3 m 3 ) et ses sous-multiples comme le millilitre (1 ml = 1 cm 3 =10-6 m 3 ). Dans les conditions usuelles, la masse de 1 L d eau est voisine de 1 kg. On dit aussi que sa masse volumique est de 1 kg/l, soit 10 3 kg/m 3. Illustrations des trois états physiques de l eau Sous forme gazeuse, l eau porte le nom de vapeur (@GL.). La vapeur d eau est invisible. Dans l air, il y a toujours une certaine quantité de vapeur d eau, variable selon les conditions atmosphériques, que nous ne pouvons observer directement. Ainsi, nous comprenons que les nuages ne peuvent pas être constitués de vapeur d eau ; ils sont en fait formés de gouttelettes d eau liquide ou de cristaux de glace (si leur concentration est très importante, la lumière ne peut plus traverser le nuage qui sera alors vu noir depuis le sol). Un nuage se forme lorsque de l air humide subit un refroidissement. En effet, l air ne peut contenir qu une certaine quantité de vapeur d eau et cette quantité «plafond» diminue lorsque la température baisse. Par conséquent, si de l air humide se refroidit, il pourra contenir de moins en moins de vapeur d eau et lorsque le seuil sera atteint, une partie de la vapeur d eau qu il contient devra se liquéfier, d où la formation des gouttelettes d eau liquide constituant le nuage. Le brouillard et la brume sont en fait des nuages qui ont touché le sol. Dans un autocuiseur, le jet que l on peut voir quand on enlève la soupape est un jet de brouillard, contrairement à une idée communément répandue qui le qualifie de «vapeur». 41

4 LA MATIÈRE Quand on sort une bouteille du réfrigérateur, celle-ci se couvre de buée. La buée est constituée de fines gouttelettes d eau liquide qui proviennent de la liquéfaction d une partie de la vapeur d eau contenue dans l air ambiant. Imaginons que celui-ci se trouve à une température de 20 C, quand il entre en contact avec la bouteille sortant du réfrigérateur, sa température diminue localement. La quantité maximale de vapeur qu il peut contenir va donc également diminuer, une partie de cette vapeur va ainsi devoir se liquéfier : c est la buée que l on observe sur les parois de la bouteille. On observe le même phénomène quand on souffle sur une vitre froide. La rosée obéit à une même logique : il s agit d eau liquide formée suite à un refroidissement d air humide. 2. MÉLANGES ET SOLUTIONS Dans le cas du givre, la vapeur d eau ne se dépose pas sous forme de gouttelettes mais directement sous forme de glace à condition que la température soit négative. Attention à l utilisation du mot fumée : au sens strict du terme, il s agit de petites particules solides en suspension dans l air, comme dans le cas de la fumée de cigarette par exemple. Quand on porte de l eau à ébullition dans une casserole, ce n est pas de la fumée qu on observe au-dessus mais un brouillard L eau 42 (@AI. Changement d état des corps purs et des mélanges) Changements d état des mélanges Quand un mélange change d état, on n observe plus de palier. Considérons par exemple la courbe de solidification de l eau salée : la température diminue au cours du temps mais il n y a plus de palier à une température précise, contrairement aux corps purs. L eau est omniprésente dans notre environnement, par exemple dans les boissons ou les organismes vivants. Pour détecter la présence d eau dans un corps, on peut utiliser le test au sulfate de cuivre anhydre (CuSO 4 ) : celui-ci, initialement blanc, devient bleu au contact de l eau. Si l on coupe une pomme en deux et que l on dépose un peu de sulfate de cuivre anhydre à l intérieur, celui-ci bleuit, on en conclut donc que la pomme contient de l eau. Attention, la pomme n est ensuite plus consommable! 2.2. Mélanges homogènes ou hétérogènes 43 Un mélange est constitué de plusieurs espèces chimiques différentes, par opposition au corps pur. On distingue deux types de mélanges : les mélanges homogènes et les mélanges hétérogènes Les mélanges hétérogènes Définition La température de début de solidification d un mélange eau/sel dépend de la teneur en sel. Pour un mélange contenant 10 grammes de sel pour 100 grammes d eau, elle est de -3 C. Pour 25 grammes, elle est de -20 C. Ces propriétés trouvent leur application dans le salage des routes en hiver. Ce sont des mélanges dont on peut distinguer facilement les divers constituants. Par exemple, un mélange d eau et d huile est hétérogène, de même qu un mélange d eau et de sable ou d eau et de terre. Une fumée peut être considérée comme un mélange hétérogène, puisque nous avons vu qu il s agissait de particules solides en suspension dans l air.

5 MÉLANGES ET SOLUTIONS Séparation Pour séparer les constituants d un mélange hétérogène, on peut procéder à une décantation (@GL.) : on laisse reposer le mélange un certain temps, de telle sorte que les substances les plus denses se déposent au fond du récipient. Par exemple, pour un mélange eau/terre, la terre se déposera au fond et de l eau limpide surnagera. Dans le cas d un mélange eau/huile, l huile étant moins dense que l eau, elle surnagera. Il en est de même pour un mélange eau/pétrole, ce qui explique la formation de grandes «nappes» à la surface de l eau lors des catastrophes pétrolières. nommé filtrat. Par exemple, si on filtre un jus d orange, la pulpe sera retenue dans le filtre alors que le jus débarrassé de sa pulpe s écoulera sous l entonnoir. 44 L ampoule à décanter permet de séparer les constituants d un mélange hétérogène liquide/liquide. On place le mélange dans l ampoule, puis on laisse décanter. Le liquide le moins dense surnage et on peut séparer les deux constituants grâce au robinet situé en bas de l ampoule. Étudions le cas particulier des eaux gazeuses. Celles-ci contiennent du dioxyde de carbone gazeux (CO 2 ) dissous. On peut mettre ceci en évidence en recueillant ce gaz et en le faisant passer dans de l eau de chaux qui se trouble, signe caractéristique de la présence de dioxyde de carbone. Pour séparer le dioxyde de carbone de l eau, on peut procéder au dégazage de l eau pétillante : la masse du liquide diminue alors car le dioxyde de carbone extrait possède une masse (environ 1,9 gramme par litre de gaz) Les mélanges homogènes 45 Définitions Un mélange est homogène si on ne distingue pas ses différents constituants. Par exemple, le café est un mélange homogène, au même titre qu un sirop de menthe. Rappelons que la densité d un solide ou d un liquide est une grandeur sans unité, égale au rapport entre la masse d un litre de ce corps et la masse d un litre d eau. Ainsi, l eau a une densité égale à 1. Un corps moins dense que l eau a une densité inférieure à 1 (il «flotte» dans l eau), un corps plus dense une densité supérieure à 1 (il «coule»). Une autre technique de séparation est la centrifugation (@GL.) : on fait tourner le mélange à grande vitesse, afin d en séparer les constituants. Dans l industrie alimentaire, elle est utilisée pour séparer la crème du lait, ou pour enlever certaines particules du vin. (@DOC. La centrifugation) Dans le cas d un mélange hétérogène solide/liquide, la séparation peut être effectuée par filtration (@GL.) : on place le mélange dans un papier filtre disposé dans un entonnoir ; dans le papier, on récupère le résidu et sous l entonnoir s écoule un liquide L eau est un très bon solvant, elle peut faire des mélanges homogènes avec un grand nombre de corps très variés : des solides comme le sel ou le sucre, des liquides comme l alcool ou le sirop (on dit dans ce cas que l eau et l alcool ou le sirop sont miscibles) ou encore des gaz comme le dioxyde de carbone. Toutefois, on ne peut pas dissoudre des quantités illimitées de ces corps dans l eau, il existe toujours une limite appelée solubilité (@GL.). Par exemple, à 25 C, on ne peut pas dissoudre plus de 365 grammes de sel dans un litre d eau (en général, la solubilité augmente avec la température). Au-delà, la solution sera dite saturée, tout le sel rajouté ne se dissoudra plus et se déposera au fond du récipient sous forme solide. Dans le cas d un mélange homogène où l un des constituants joue un rôle particulier, très différent des autres, on parle de solution (@GL.). Dans une solution, on distingue le solvant qui est l espèce très majoritaire (il s agit souvent de l eau), et le soluté qui est l espèce que l on a dissoute dans le solvant. Par exemple, si l on dissout 5 grammes de sel (chlorure de sodium) dans 1 litre d eau, on obtiendra une solution de chlorure de sodium ; l eau sera le solvant et le sel, le soluté. Cette solution aura une concentration massique de 5 grammes par litre.

6 LA MATIÈRE Au cours d une dissolution, la masse totale se conserve : la masse du solvant plus celle du soluté avant dissolution est égale à la masse de la solution. Par exemple, si l on dissout 5 grammes de sucre dans 100 grammes d eau, la solution aura une masse de 105 grammes. Attention, un abus de langage fréquent confond dissolution et fusion : le sucre ne fond pas dans le café, il s y dissout! 3. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES GAZ Séparation Pour séparer les constituants d un mélange homogène, on peut procéder par distillation (@GL.). Cette méthode est basée sur les différences de températures d ébullition des constituants du mélange. Le montage utilisé est le suivant : 46 par exemple, si l on place du vin (qui est un mélange d eau, d éthanol (alcool) et de diverses substances) dans le ballon et que l on chauffe à une température de 80 C : l éthanol va se vaporiser car sa température d ébullition est de 78 C ; les vapeurs d éthanol vont passer dans le tube réfrigérant et se liquéfier car celui-ci est maintenu froid à l aide d une circulation d eau. Au bout du tube réfrigérant, on récupérera l éthanol contenu dans le vin. L eau, en revanche, restera sous forme liquide dans le ballon car 80 C est une température inférieure à sa température d ébullition, 100 C. Ainsi, nous aurons séparé l eau de l alcool dans le vin. Dans la pratique, cette séparation n est jamais «parfaite» et il faut procéder à plusieurs distillations consécutives pour obtenir de l alcool de plus en plus pur. Les techniques traditionnelles de fabrication de l eau de vie sont basées sur ce principe L air que nous respirons L air que nous respirons est un mélange de gaz, dont la composition est la suivante : Gaz Proportion (en volume) Diazote 78 % Dioxygène 21 % Autres (argon, dioxyde de carbone, dihydrogène, ozone), etc. Quand il y a dans l air une quantité trop importante de certains de ses constituants (oxydes de soufre, oxydes d azote, ozone, fines particules...), on dit que l air est «pollué». La pollution peut entraîner des problèmes de santé, par exemple au niveau respiratoire. 1 % 47 Si l on pratique la distillation d une eau minérale, on obtiendra une eau quasiment pure, débarrassée de la plupart de ses minéraux. L expérience fonctionne également avec de l eau salée. La couche de gaz qui entoure la Terre s appelle l atmosphère. Celle-ci est divisée en plusieurs parties, en fonction de l altitude. Sa composition dépend de l altitude, tout comme la température et la pression. (@DOC. Coupe atmosphérique) Autre technique de séparation : l évaporation. Prenons une eau fortement minéralisée et laissons-la s évaporer. Après un certain temps, il ne restera dans le récipient qu un résidu solide, correspondant aux minéraux initialement dissous dans l eau. (@AI. Distillation Mélange homogène ou hétérogène) L atmosphère est responsable d un phénomène bien connu : l effet de serre. En effet, elle agit comme un «bouclier» pour certains des rayonnements provenant de la Terre, ce qui permet de maintenir la température moyenne de notre planète à une valeur de 15 C alors que s il n existait pas, elle serait de -18 C. Toutefois, une accumulation trop importante de gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone, dans l atmosphère terrestre, engendre un réchauffement aux conséquences parfois néfastes.

7 PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES GAZ L air qui nous entoure exerce sur tous les corps avec lesquels il est en contact, une pression appelée pression atmosphérique (@GL.) dont la valeur moyenne est de 1013 hpa (ou 760 mm de mercure). Si la valeur de la pression atmosphérique est inférieure à 1013 hpa, on parle de système dépressionnaire (qui accompagne généralement du mauvais temps), si elle est supérieure à 1013 hpa, il s agit d un anticyclone (temps sec). La pression atmosphérique se mesure avec un baromètre (@GL.). Nous avons vu que sa valeur dépendait des conditions météorologiques, elle dépend également de l altitude : la pression atmosphérique diminue quand l altitude augmente L air a-t-il un volume propre? Une masse? Pistes pour une démarche d investigation - Pourquoi la flaque qui était dans la cour hier n est-elle plus là? - L air a-t-il une masse? - Peut-on dissoudre autant de sucre que l on veut dans un verre d eau? - Une eau limpide est-elle forcément pure? - L eau est-elle toujours liquide? N oubliez pas de consulter (@BIB. sur «La matière». 48 Un litre d air, sous une pression normale, à une température de 0 C, possède une masse de 1,29 gramme environ. À 20 C, cette valeur est légèrement inférieure, de l ordre de 1,2 gramme. (@DOC. L air a-t-il une masse?) L air est donc de la matière et il en est de même pour tous les gaz. Toutefois, la masse d un litre de gaz dépend de la nature du gaz, par exemple celle du dioxyde de carbone, à 20 C, est de 1,9 gramme. Considérons maintenant l expérience suivante : on prend une seringue contenant une certaine quantité d air et on la relie à un manomètre (appareil servant à mesurer la pression de l air à l intérieur de la seringue). Si l on appuie sur le piston, on diminue le volume offert à cet air, on dit qu on le comprime. Cette compression s accompagne d une augmentation de la pression ; au niveau microscopique, les molécules constituant l air se rapprochent. Si l on tire maintenant sur le piston, on augmente le volume offert à l air, ce qui s accompagne d une diminution de sa pression. Ainsi, on en déduit que les gaz sont compressibles et expansibles. Ils occupent tout le volume qui leur est offert. 49 (@AI. Expansibilité des gaz)