CONTENUS-NOTIONS COMPETENCES EXEMPLES D ACTIVITES LES CHANGEMENTS D ETAT DE. Que se passe-t-il quand on L EAU, APPROCHE

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1 Niveau 5 ème Prgramme Dcument du prfesseur 1/6 Physique - Chimie ETUDE D UN CHANGEMENT D ETAT DE L EAU : LA SOLIDIFICATION L EAU DANS NOTRE ENVIRONNEMENT. CONTENUS-NOTIONS COMPETENCES EXEMPLES D ACTIVITES LES CHANGEMENTS D ETAT DE Que se passe-t-il quand n L EAU, APPROCHE chauffe u refridit l eau (sus la PHENOMENOLOGIQUE. pressin atmsphérique)? Les changements d état snt inversibles. Existence d un palier de température lrs d un changement d état pur un crps pur. Cnnaître les températures de changement d état de l eau sus pressin nrmale. Réalisatin, bservatin et schématisatin d expériences de changement d état. Pré requis de l élève L élève cnnaît l état liquide et slide de l eau. Mts-clé Mélange réfrigérant Thermmètre Slidificatin Température Fusin Slide Liquide Liste de matériel Pste élève Référence Thermmètre de pche Bécher 400 ml Tube à essais Agitateur métallique en spirale à réaliser Liste de matériel de sécurité Pste élève Bluse de labratire F u H 1086 u 1085 Remarques, astuces A préparer 3 jurs avant le TP : pur la fabricatin du réfrigérant placer au cngélateur 2 u 3 buteilles d eau en plastique remplies au 2/3 d eau du rbinet Le tube à essais utilisé ne dit pas être trp prfnd de manière à ce que l extrémité de la snde thermmétrique puisse presque en tucher le fnd. Il existe plusieurs méthdes pur btenir un mélange réfrigérant : Placer dans le cngélateur des buteilles en matière plastique remplies au 2/3 * d eau u des bacs à glaçns. Avant le TP, piler la glace à l aide d un grs marteau, puis verser du grs sel en quantité nn négligeable (1/4 de sel, 3/4 de glace pilée). Cet ajut de sel dans la glace pilée se fait devant les élèves. Mélanger jusqu à btentin d une température visine de 12 C. AVANTAGES : - simplicité - la température du mélange réfrigérant demeure très basse pendant un temps relativement lng (envirn 7 C au but de 2 h 30 avec 1,5 litre de mélange réfrigérant dans une bassine) INCONVENIENT : - le mélange réfrigérant n est pas réutilisable. * cette quantité permet d btenir une épaisseur de glace qui peut être facilement pilée. Le marteau peut frapper directement la buteille si celle-ci est en PET, elle ne se brisera pas. PIERRON 2006 Changement d état de l eau (page 1)

2 Dcument du prfesseur 2/6 Saturer de l eau en sel puis placer la slutin btenue dans le cngélateur. Le mélange réfrigérant btenu sera visqueux mais cnservera les prpriétés de l état liquide tut en étant à des températures très basses : - 18 C. AVANTAGE : - le mélange réfrigérant purra être réutilisé pur d autres manipulatins. INCONVENIENTS : - il faut bien dser la slutin en sel, sinn le «réfrigérant» sera slide en srtie du cngélateur. - le mélange réfrigérant se réchauffe rapidement (envirn 7 C au but de 15 minutes) D un pint de vue pratique et de cmmdité, c est la première slutin (sel et glace pilée) qui est utilisée principalement par les prfesseurs. Il est INTERDIT d utiliser des liquides «lave-glace» pur viture avec antigel car certains d entre eux cntiennent des slvants cancérigènes. De l eau du rbinet (bien qu elle ne sit pas pure au sens chimique du terme) peut cnvenir si n ne dispse pas d eau distillée. Dés que la manipulatin cmmence (tube à essais plngé dans le mélange réfrigérant) la température de l eau à slidifier chute très rapidement. Cette baisse rapide de la température peut placer l eau à slidifier en état de surfusin. Celle-ci atteint des températures négatives (-2 à -3 C) tut en étant à l état liquide. Ce phénmène n est que transitire. En effet, au but de quelques secndes la température remnte et se stabilise aux envirns de 0 C. Ce phénmène peut être évité en maintenant une agitatin à l intérieur du tube à essais grâce à un agitateur métallique placé en spirale autur de la snde thermmétrique. D une manière générale, les élèves ne s attendent pas à assister à un palier de température. Au curs de celui-ci, la mtivatin a tendance à s abaisser, le prfesseur dit circuler dans les grupes pur cnfrter les bservatins et faire pursuivre les mesures. ATTENTION : cmpte tenu du vlume de travail et de la lngueur des mesures, ce TP peut se déruler sur une séance entière. Prlngements La fusin (activité prpsée aux élèves au curs de ce TP) La slidificatin d un autre crps pur tel que le cyclhexane. Il s agit drénavant d une manipulatin «prfesseur». Sa mise en œuvre ne nécessite pas un réfrigérant aussi frid : en effet la température de slidificatin u de fusin du cyclhexane est 6,5 C. La cnservatin de la masse et la mdificatin du vlume lrs des changements d état. Explicatin physic-chimique cncernant le mélange réfrigérant : en présence du sel, les liaisns qui maintenaient les mlécules d eau à l état slide se cassent en puisant de l énergie dans le milieu envirnnant. La température de ce dernier baisse et reste à des températures très basses (envirn 15 à 17 C) tant qu il reste de l eau à l état slide. Le mélange réfrigérant btenu devient peu à peu visqueux. Pistes d évaluatin Expérimentales - Respecter les cnsignes expérimentales lrs du cntrôle de la mise en œuvre des manipulatins - Accepter l attributin des différents rôles au sein des grupes - Lire crrectement les mesures affichées par le thermmètre - Gérer la cntinuité des mesures - Prter la bluse - Ranger le matériel et nettyer la paillasse Thériques - Tracer un graphe - Interpréter un graphe - Répndre crrectement aux questins psées - Cnstater que fusin et slidificatin se fnt à la même température. PIERRON 2006 Changement d état de l eau (page 2)

3 Dcument du prfesseur 3/6 Nm : Prénm : Classe : Date : Physique Chimie ETUDE D UN CHANGEMENT D ETAT DE L EAU Objectifs : - Cnnaître l évlutin de la température d un crps pur au curs de sa slidificatin ; - Savir tracer un graphique ; - Être capable d interpréter un graphique ; - Cnnaître la température de slidificatin et de fusin de l eau pure. Activité 1 : Le schéma de l expérience. 1. Qu est-ce qu un «glaçn»? C est de l eau à l état slide. 2. Cmment faut-il prcéder pur transfrmer de l eau liquide en eau slide? Pur transfrmer le l eau liquide en eau slide, il faut la refridir frtement. Cette transfrmatin sera effectuée au curs de cette séance. Pur cela, un tube à essais cntenant de l eau liquide est placé dans un mélange réfrigérant cnstitué de glace pilée et de sel. Un suivi de température sera réalisé. 3. Annter le schéma suivant avec les termes : bécher, tube à essais, mélange réfrigérant, snde thermmétrique, thermmètre, eau à refridir. 4. Quel est le rôle du mélange réfrigérant? Le rôle du mélange réfrigérant est de refridir l eau qui est dans le tube à essais afin de la slidifier. Activité 2 : Les relevés de la température. 1. Remplir le bécher au ¾ de mélange réfrigérant. 2. Verser dans le tube à essais une hauteur de 1 cm d eau distillée. 3. Préparer le tableau de mesures relatif à la slidificatin TOP Temps t 0 15s 30s 1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 6 min 7 min 8 min 9 min θ en C 17,9 14,0 9,0 4, ,8-2,9-6,0 4. Distribuer les rôles au sein du grupe : - élève n 1 : dnne un TOP de mesure tutes les 30 s -sauf les deux premiers «TOPS» qui snt à 15 s d intervalle-. - élève n 2 : lit la température et assure le maintien du dispsitf dans le becher. - élève n 3 : nte la température relevée dans le tableau de mesures. 5. Intrduire l agitateur métallique en spirale dans le tube à essais ansi que la snde thermmétrique qui sera placée au cœur de l agitateur PIERRON 2006 Changement d état de l eau (page 3)

4 Dcument du prfesseur 4/6 6. Au TOP «0», intrduire immédiatement le tube à essais dans le mélange réfrigérant tut en remuant légèrement. Cmpléter, à l encre bleue, la première clnne du tableau : la température θ (en C) de l eau est pratiquement à la température de la salle de classe 7. Pursuivre les relevés au but de 15 s (tp «1» et «2»), puis tutes les 30 secndes sans ublier de remplir, en bleu, la trisième ligne du tableau de mesures jusqu au la dernière clnne. 8. Srtir alrs le tube à essais du mélange réfrigérant. Observatins : quel est l état de l eau à la fin de l expérience? A la fin de l expérience, l eau est slide. Questin : quel changement d état a-t-elle subi? L eau a subi une slidificatin 9. Enturer le tube à essais avec vs mains et recmmencer le relevé de températures. Cmpléter le nuveau tableau de mesures ci-dessus en reprtant les valeurs de températures à l encre ruge : La snde thermmétrique srtie du tube à essais à la fin de l expérience TOP Temps t 0 15s 30s 1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 6 min 7 min 8 min 9 min θ en C -4,0-0, ,5 3,1 9,7 18,0 * Observatins : quel est maintenant l état de l eau à la fin de l expérience?. À la fin de l expérience, l eau est redevenue liquide. Questin : quel changement d état a-t-elle subi dans ce cas? La glace a subi la fusin. Activité 3 : Explitatin des résultats recueillis, en bleu, dans le premier tableau de mesures : tracé du graphique dnnant l évlutin de la température θ en fnctin du temps t 1. Préparatin du graphique : Prendre une feuille de papier millimétré. 2. Chix de l échelle axe des abscisses qui sera l axe des temps t Chisir parmi les prpsitins ci-dessus l échelle qui cnvient le mieux : En prenant 1 cm pur 1 min, le nmbre de cm nécessaires sera de 9 cm En prenant 1 cm pur 2 min, il faudra 4,5 cm En prenant 2 cm pur 1 min, 18 cm sernt nécessaires. axe des rdnnées qui sera l axe des températures θ : Chisir parmi les prpsitins ci-dessus l échelle qui cnvient le mieux : PIERRON 2006 Changement d état de l eau (page 4)

5 Dcument du prfesseur 5/6 En prenant 1 cm pur 1 C, le nmbre de cm nécessaires sera : 24 cm En prenant 1 cm pur 2 C, il faudra 12 cm En prenant 2 cm pur 1 C, 48 cm sernt nécessaires Écrire l échelle chisie : - pur l axe des abscisses (axe des temps) : 1 cm pur 1 min - pur l axe des rdnnées (axes des températures) : 1 cm pur 2 C 3. Tracer les axes et les graduer, écrire aux extrémités t u θ avec les unités emplyées entre parenthèses 4. Réalisatin du graphique : reprter les mesures sur le graphique et tracer la curbe. 5. Interprétatin du graphique Cmbien de parties peuvent être bservées sur le graphique? 3 parties snt bservées Quel est u quels snt les états de l eau dans chacune d elles? Partie 1 : état liquide - Partie 2 :état liquide et état slide - Partie 3 : état slide Que se passe-t-il à la fin de la première partie? le premier cristal de glace se frme Que se passe-t-il à la fin de la deuxième partie? le dernier cristal de glace se frme Que s est-il passé au curs de la deuxième partie? l eau liquide s est transfrmée en eau slide Enturer les bnnes répnses : La slidificatin de l eau s effectue à une température qui varie / et qui vaut C. CONCLUSION En refridissant, l eau passe de l état liquide à l état slide à une température valant 0 C. Ce changement d état appelé slidificatin s effectue à température cnstante. PIERRON 2006 Changement d état de l eau (page 5)

6 PROLONGEMENTS. Dcument du prfesseur 6/6 Les relevés de température reprtés à l encre ruge dans le secnd tableau crrespndent au réchauffement de la glace et à sa transfrmatin en eau liquide : ce changement d état s appelle la fusin. Une curbe dnnant l évlutin de la température θ en fnctin du temps t peut aussi être tracée. La réaliser à la maisn et cmpléter la phrase ci-après. CONCLUSION En se réchauffant, l eau slide (u glace) passe de l état slide à l état liquide. Cette transfrmatin s appelle une fusin. Elle s effectue également à la température cnstante de 0 C qui est la même que la température de slidificatin. Les changements d état snt inversibles. PIERRON 2006 Changement d état de l eau (page 6)