Les changements d état de l eau au cycle 2 : CP, CE1, CE2. Solidification et Fusion

Transcription

1 Les changements d état de l eau au cycle 2 : CP, CE1, CE2 Solidification et Fusion

2 Rappels théoriques sur les états de la matière La matière peut exister sous trois états physiques différents : l état solide, l état liquide, l état gazeux.

3 Rappels théoriques sur les états de la matière L état solide A l état solide, la forme ne dépend pas de celle du récipient qui le contient ; un solide a une forme qui lui est propre. Le volume d un solide est également déterminé ; Il varie en fonction de la température. L état liquide Un liquide n a pas de forme propre ; la forme d un liquide dépend du récipient qui le contient. La surface libre d un liquide est toujours horizontale. Le liquide est incompressible. Le volume d un liquide varie en fonction de la température.

4 Rappels théoriques sur les états de la matière L état gazeux Un gaz n a pas de forme propre ; un gaz occupe tout le volume dont il dispose. Il est compressible et expansible.

5 Les changements d état

6 Les changements d état Les changements d état sont des transformations physiques, c est à dire que la substance n est pas modifiée. Un changement d état est une transformation réversible. Lors d un changement d état, on observe : Une conservation de la masse (c est-à-dire de la quantité de matière). Une variation du volume.

7 Les changements d état la condensation est le nom donné au changement d'état de la matière qui passe d'un état gazeux à un état solide. Or, dans le langage courant, quand de l eau liquide se forme sur un miroir ou une vitre, on parle de condensation pour décrire le passage de l état gazeux à l état liquide. On peut également parler de condensation à l état liquide pour évoquer le passage de l état gazeux à l état liquide et de condensation à l état solide pour évoquer le passage de l état gazeux à l état solide. Selon les sources, les ouvrages, on pourra donc trouver des termes différents pour évoquer le même changement d état.

8 Les changements d état Les paliers de température L'existence de paliers de température est une propriété générale des changements d'état des corps purs. A pression constante, la température d un changement d état d un corps pur est constante, cette température est caractéristique de la substance. En d autres termes, tant que la matière existe sous deux états différents, la température ne varie pas. A pression atmosphérique, si l on place un glaçon à température ambiante ( 20 C) la température va rester constante et égale à 0 C pendant tout le temps où a lieu la fusion de la glace.

9 Les changements d état

10 Cycle naturel de l eau La quantité d eau sur Terre est inchangée depuis plus de 3,5 milliards d années. Elle ne se perd pas, ne se crée pas, elle se change d état. Le cycle de l eau est un processus naturel qui se déroule en plusieurs étapes : Evaporation des eaux des mers, des océans des lacs et des rivières et évapotranspiration des plantes. Cette vapeur d eau, chaude, monte dans l'atmosphère et se refroidit. Elle se liquéfie et forme de minuscules gouttelettes.

11 Cycle naturel de l eau Les cristaux ou gouttelettes se rassemblent pour former les nuages qui se déplacent avec les vents Une fois le nuage saturé en eau, l eau retombe sous forme de précipitations (pluie, neige ou grêle). L eau tombe en majorité dans les mers et océans, une partie ruisselle et rejoint les cours d eau avant de retrouver les mers et océans, et environ 25% s infiltre dans la terre et alimente les nappes souterraines. Et le cycle recommence

12 Cycle naturel de l eau

13 BO hors-série n 3 du 19 juin 2008 Cycle 2 Découvrir le monde du vivant, de la matière et des objets : Ils distinguent les solides et les liquides et perçoivent les changements d états de la matière. Ils réalisent des maquettes élémentaires et des circuits électriques simples pour comprendre le fonctionnement d un appareil.

14 BO hors-série n 3 du 19 juin 2008 Cycle 3 La matière : L eau : une ressource (états et changements d état ; le trajet de l eau dans la nature ; le maintien de sa qualité pour ses utilisations). L air et les pollutions de l air. Mélanges et solutions. Les déchets : réduire, réutiliser, recycler.

15 BO n 1 du 5 janvier 2012 Découvrir le monde du vivant, de la matière et des objets Cours préparatoire Découvrir le monde de la matière et des objets Solides et liquides Manipuler des solides et des liquides et repérer ce qui permet de les distinguer. Changements d états de la matière Observer la fusion et la solidification de l eau. Savoir que l eau, sous forme liquide et sous forme de glace, est une même substance. Utiliser des thermomètres pour mesurer la température del eau placée dans diverses conditions. Cours élémentaire première année Découvrir le monde de la matière et des objets Solides et liquides Identifier quelques ressemblances et quelques différences entre plusieurs solides, entre plusieurs liquides. Changements d états de la matière Identifier les facteurs de fusion et de solidification de l eau. Connaître les états liquide et solide de l eau dans la nature et en relation avec certains phénomènes météorologiques observés (formation de glace, neige, grêle, brouillard). Savoir que certaines substances peuvent passer de l état solide à l état liquide et inversement.

16 BO n 1 du 5 janvier 2012 La matière CE2 États et changements d état - Connaître les trois états physiques de l eau. - Savoir que d autres matières changent d état. - Mettre en évidence les caractéristiques de différents états physiques observés. - Isoler des paramètres intervenant dans l évaporation (température, surface libre, ventilation...). Le trajet de l eau dans la nature - Connaître et représenter le trajet de l eau dans la nature (cycle de l eau). - Identifier les changements d état de l eau et leurs conséquences dans le cycle. - Mobiliser ses connaissances sur le cycle de l eau pour faire le lien avec la prévention des risques majeurs, ici les inondations. Les déchets : réduire, réutiliser, recycler Environnement et développement durable

17 Comment distinguer les solides et les liquides Solide ou liquide? Matériel Sucre en poudre Sel Morceau de craie Savon liquide Huile Vinaigre Eau Farine Sirop Récipients

18 Comment distinguer les solides et les liquides 1 ère Etape : L enseignant ne ramène que quelques liquides (eau, huile, vinaigre, sirop) et de «gros» solides (cailloux, crayons, trombones, billes ) On demande aux enfants de classer les objets. Comment peut-on les classer, pourquoi les a-ton classés comme cela? Un certain nombre de groupes aura classé les solides d un coté et les liquides de l autre.

19 Comment distinguer les solides et les liquides Question de l enseignant : Qu est ce qu un liquide, qu est ce qu un solide? Réponses des élèves : Un solide c est dur, je peux le prendre dans mes mains Un liquide ça coule, ça mouille, ça déborde, ça se renverse.

20 Comment distinguer les solides et les liquides 2 nde étape : On ramène en plus du sable, sucre en poudre, sel fin, farine Les enfants manipulent : C est difficile à prendre dans les mains, ça coule, ça se renverse. C est pas vraiment comme les cailloux ni comme l eau? Ces nouveaux matériaux, ce sont des solides ou des liquides. On reprend la question : qu est ce qu un solide, qu est ce qu un liquide?

21 Comment distinguer les solides et les liquides Les expériences réalisées mettront en évidence : S étale sur un surface plane Forme un tas sur une surface plane Prend la forme du récipient Si possible observer le sable avec une loupe. Un solide a une forme propre. Le sable, le sel sont de petits solides Un liquide prend la forme du récipient qui le contient, sa surface au repos est horizontale

22 Séance d introduction (si possible) Réalisable si la Température extérieure est inférieure à 0 C Situation de départ : On lave un objet de la classe (par exemples des pommes de pin ramassées, des marrons ) On les fait tremper dans une bassine d eau et on laisse la bassine dehors. Le lendemain matin les objets sont prisonniers dans la glace Que s est-il passé? Discussion entre les élèves et le professeur.

23 Séance 1 : fusion Matériel : Préparer des bonshommes prisonniers dans la glace, au moins une dizaine. Récipients, bassine Sèche cheveux Eau chaude Lampes de poches Objets pour gratter, Petits maillets (de jouets bricolage en bois)

24 Séance 1 : fusion Situation de départ : Comment libérer les bonhommes (ou le lapin) prisonnier(s) dans la glace (possibilité de lire «le petit lapin de noël» de Olga Lecaye ou un petit lapin se retrouve prisonnier dans la glace) pour les CP

25 Séance 1 : fusion Situation de départ : Comment libérer le loup prisonnier dans la glace (lecture de l histoire d Ysengrin du Roman de Renart) pour les plus grands PF école des loisirs

26 Séance 1 : fusion Hypothèses des élèves : Il faut taper pour casser la glace Radiateurs Dans les mains Soleil, Lampe Eau (chaude ou froide) Avantage : Il ne faut ni tuer ni blesser les bonhommes

27 Séance 1 : fusion Expériences des élèves : les élèves testent leurs hypothèses. Dossier oral d admission Marion Engrand ( )

28 Séance 1 : fusion Discussion, Confrontation des résultats : Discussion entre l ensemble des élèves et le professeur. Présentation des résultats obtenus et élaboration d une trace écrite commune à l ensemble de la classe Trace écrite : La glace c est de l eau qui est dure, on dit que c est de l eau à l état solide. Pour que la glace, c est-à-dire l eau solide redevienne de l eau liquide, il faut la chauffer.

29 Séance 2 : Fusion Glaçons identiques Sèche cheveux laine Matériel présent dans l école : radiateur, microonde?, eau chaude, lampe Chronomètre

30 Séance 2 : Fusion comment faire fondre un glaçon le plus vite possible? L intérêt de cette séance est d insister sur la manière de conduire correctement un protocole expérimental. La séance en elle-même n amène pas de nouveaux éléments de connaissance

31 Séance 2 : Fusion Hypothèses des élèves : laine, eau chaude, lumière, soleil, radiateur, sèche-cheveux, micro-onde Investigation : Insister sur le fait qu il ne faut faire varier qu un paramètre à la fois : les glaçons sont tous identiques (sachets à glaçons). Il faut également une expérience témoin où le glaçon est placé dans la classe sans aucune autre intervention. Nécessitez aussi de mesurer le temps que met le glaçon à fondre : chronomètres. Puis les enfants expérimentent leurs hypothèses (laine, eau chaude, lumière, soleil, radiateur, sèche-cheveux, micro-onde ) Trace écrite : «Plus l apport de chaleur est important plus le glaçon, c est à dire l eau solide, passe à l état liquide rapidement». On peut éventuellement ajouter ici (apport de l enseignant ou recherche biblio). «Ce passage de l état solide à l état liquide s appelle la fusion».

32 Séance 4 : Solidification Matériel : Glace (eau solide) Maillet Sel Récipients

33 Séance 4 : Solidification Situation de départ : Comment le loup a bien pu se retrouver coincé dans la glace? Réponse des élèves : Parce qu il faisait froid? Question du professeur : Comment pourrions nous retransformer de l eau liquide en eau solide?

34 Séance 4 : Solidification Hypothèse des élèves : Dehors (dépend de la T extérieure) dans des glaçons dans le frigo dans la glacière comme quand on pique-nique dans le congélateur

35 Séance 4 : Solidification Expériences des élèves : Les élèves placent des petits récipients remplis d eau liquide dans les différents endroits proposés Résultats : Sauf si la Températures extérieure est très basse, seule l eau contenue dans le récipient placé au congélateur est devenu solide

36 Séance 4 : Solidification Discussion : C est parce que dans le congélateur il fait très froid Cela fonctionne mais on n a pas pu observer le passage de l état liquide à l état solide Le mélange réfrigérant

37 Séance 4 : Solidification Le mélange réfrigérant Piler de la glace placer dans un saladier, ajouter 1/3 de gros sel et mélanger

38 Comment cela fonctionne-t-il?

39 Les changements d état Le mélange réfrigérant : Un mélange réfrigérant est un mélange de glace pillée (2/3) et de gros sel (1/3). La température du changement d état solide-liquide du mélange eau-sel est inférieure à 0 C et dépend de la concentration en sel. Pour le mélange réfrigérant présenté précédemment, la température de changement d état est comprise entre - 15 C, - 20 C environ. L apport d énergie sous forme de chaleur sert au changement d état.

40 Les changements d état

41 Les changements d état Que se passe t-il si la glace que l on va utiliser pour le mélange est à 0 C? Si la glace pillée se trouve avant l ajout de sel à une température supérieure à la température de chgt d état solide-liquide du mélange eau-sel, on verra la température de la glace chuter jusqu à celle-ci (-15 C, - 20 C). En présence du sel, les liaisons qui maintenaient les molécules d eau à l état solide se cassent en puisant de l énergie dans le milieu environnant. La température du mélange baisse et reste à des températures très basses (- 15 à -20 C) tant qu il reste de l eau à l état solide.

42 Séance 4 : Solidification Les enfants observent la solidification Dossier oral d admission Marion Engrand ( ) Quand il fait très froid, l eau liquide devient de l eau solide. Le passage de l état liquide à l état solide s appelle la solidification

43 Séance 5 : La température de fusion Situation de départ : On a vu que dans la salle l eau est à l état liquide et que quand il fait très froid l eau est à l état solide. A quelle température l eau passe t elle de l état solide à l état liquide et inversement? Investigation : On mesure à l aide d un thermomètre la température de la salle et la température de du congélateur.

44 Séance 5 : La température de fusion A 20 C, l eau est liquide À -20 C, l eau est solide. A quelle température passe t on de l eau solide à l eau liquide? Investigation : Par groupe, les élèves ont un saladier rempli de glaçons et un thermomètre. Ils observent la variation de température. Résultat : Le glaçon fond aux environs de O C

45 Séance 6 : La température de solidification Situation de départ : A quelle température passe t on de l eau liquide à l eau solide? Investigation : Mesure de la température d eau liquide placée dans un mélange réfrigérant. Résultat : L eau liquide se solidifie aux environs de O C

46 Séance 6 : La température de solidification Eventuellement, recherche documentaire pour avoir la température de fusion et de solidification précise. Trace écrite : La fusion et la solidification de l eau s effectuent à une température bien précise : 0 C. Fusion Solidification T < 0 C T > 0 C Prolongement : On peut également pour les plus grands peser un glaçon puis repeser l eau liquide une fois que le glaçon a fondu. Les masses sont identiques. Lors du changement d état il y a conservation de la masse.

47 Problèmes rencontrés La température dans le godet n est pas homogène, il y a un gradient de température. Il faut donc mélanger régulièrement pour avoir une température homogène. Vérifier que toute la base du thermomètre est bien en contact avec l eau. Les thermomètres ne sont pas toujours très précis et l eau n est pas «pure» ce qui peut entrainer une petite variation pour la température du palier

48 Prolongement Maintenant que l on a observé, grâce au mélange réfrigérant, la solidification de l eau, si on faisait des glaces? Réalisation de glaces : on place de l eau et du sirop dans des verres avec un bâtonnet et on les place au congélateur ou dans des grands mélanges réfrigérants.

49 Difficultés des élèves Pour les élèves la glace et l eau sont deux substances différentes. Cette représentation est renforcée par le vocabulaire usuel, sous ces deux états, l eau porte un nom différent : on parle de glace pour l eau solide et d eau pour l eau liquide. Il est donc particulièrement important de montrer les changements d état solide-liquide et liquidesolide afin de bien montrer aux élèves qu il s agit de la même substance : l eau, mais sous des formes différentes.

50 Séance 7 : L évaporation (CE2) Situation de départ : Les flaques d eau qui disparaissent dans la cour, le linge qui sèche. Ou a bien pu passer l eau? Discussion avec les élèves et arriver à la notion d évaporation. Investigation : On laisse un verre d eau sur le bureau. Une semaine plus tard, il y a toujours de l eau dans le verre, mais un peu moins. L eau s évapore, mais l évaporation est un phénomène très lent.

51 Séance 7 : L évaporation (CE2) Question de l enseignant : comment faire pour que l eau s évapore plus rapidement? Paramètres à tester : (si ils ne sont pas tous proposés par les élèves, il faudra y arriver par des discussions avec l enseignant) Température Ventilation Surface de contact

52 Séance 7 : L évaporation (CE2) Expérimentation : Faire varier un paramètre à la fois : Température : 2 récipients identiques avec la même quantité d eau. Un sur la table et un sur le radiateur Ventilation : 2 récipients identiques avec la même quantité d eau. Un sur la table et un avec un ventilateur au dessus Surface de contact : la même quantité d eau dans 2 récipients différents (un verre et un plateau par exemple)

53 Séance 7 : L évaporation (CE2) Résultats : L eau s évapore plus rapidement quand la température est plus élevée, quand il y a du vent et quand l eau est étalée sur une grande surface.

54 Séance 8 : La condensation (ou liquéfaction) Situation de départ : Où a bien pu passer l eau qui s est évaporée? On ne la voit plus? Hypothèse des élèves : Elle a disparu Elle est invisible Je ne sais pas Elle est devenu de l air Elle est dans l air..

55 Séance 8 : La condensation (ou liquéfaction) Investigation : On prend un objet froid (idéalement qui sort du congélateur). On voit des gouttelettes d eau liquide apparaître dessus. D où vient l eau? Elle vient de l air ambiant Résultats : (à compléter éventuellement avec de la recherche bibliographique pour le vocabulaire) L air contient de l eau, cette eau est à l état gazeux. En contact avec une surface froide, cette eau à l état gazeux redevient de l eau liquide. C e passage de l état gazeux à l état liquide s appelle la condensation. Eau à l état liquide Evaporation Condensation Eau à l état gazeux A compléter par la suite avec l ébullition

56 Le cycle de l eau Recherche, analyse de documents et une petite expérience. Glaçons

57 Les déchets On peut retravailler sur les changements d état quand on aborde les déchets et donc le recyclage. Comment recycle-t-on le verre, le métal? fusion puis solidification.