Chapitre 5 : Propriétés et changements d’états de l’eauphysikos.free.fr/file/5eme-chap5-proprietes-et... · 2011. 3. 13. · 4/ Que se passe-t-il lorsque la température de

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

Chapitre 5 : Propriétés et changements d’états de l’eau

1/ Les états de la matière.

A/ Activité 1 : Phénomènes météorologiques

Classe les différents phénomènes météorologiques en fonction de l’état physique de l’eau : Tu découperas et

colleras les différentes photos dans les cases du tableau.

Neige, mer, givre, vapeur d’eau, verglas, brouillard, pluie, glace, buée, grêle, nuage.

Etat physique de l’eau

Phénomène météorologique

Glace, neige, givre, verglas, grêle

Buée, mer, brouillard, pluie

Vapeur d’eau

Conclusion : Sur la Terre, l’eau existe sous trois états : Solide, liquide et gazeuse.

B/ Le cycle de l’eau

1/ Pourquoi l’eau des fleuves ne fait-elle pas déborder les océans ?

Une partie de l’eau des océans s’évapore.

2/ Dans quel état physique se trouve l’eau dans l’air ?

Sous forme de gaz, en particulier de vapeur d’eau.

3/ Comment évolue la température de la vapeur lorsque son altitude augmente ?

La température diminue.

4/ Que se passe-t-il lorsque la température de la vapeur d’eau diminue ?

Le gaz passe à l’état liquide.

5/ Comment peut-on voir que de l’eau liquide apparaît dans l’atmosphère ?

L’eau liquide apparait sous forme les nuages. Un nuage est un ensemble de très fines gouttelettes d’eau, trop légère pour le

moment pour qu’elles tombent sous forme de pluie.

6/ Pourquoi les nuages formés ne restent-ils pas à leur place ?

Ils sont poussés par les vents.

7/ Que se passe-t-il si les fines gouttelettes deviennent trop grosses ?


Il pleut car les petites gouttelettes s’agrègent. L’eau peut alors s’infiltrer dans le sol et dans les nappes phréatiques.

8/ Quel changement de température subit l’eau liquide des nuages dans les régions montagneuses ?

La température baisse.

9/ Quelle transformation subit alors l’eau liquide ?

Elle se transforme en solide.

10/ Comment se manifeste ce changement d’état ?

Il neige ou il grêle.

11/ Que devient la neige en montagne lorsque l’hiver se termine ? Dans quel état se retrouve-t-elle ?

Elle devient liquide et alimente les rivières.

La nature est bien faite… L’eau sur Terre a un mouvement cyclique : Elle revient toujours là où elle est née. Durant ce cycle,

elle subit des changements d’état et voyage sous différentes formes autour de la Terre.

C/ impact de la pollution sur le cycle de l’eau

1/ ENGRAIS ET PESTICIDES DANS L’EAU DU ROBINET

L’agriculture est la première activité humaine responsable de la pollution de l’eau du fait des apports importants en produits phytosanitaires, en engrais... Accumulés dans les sols, ils sont véhiculés par les mouvements de l’eau et s’accumulent en certains points. Les rivières, lacs, mers, océans et bassins de stockage des grands barrages sont touchés par ce phénomène. Selon l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), l’agriculture est responsable de 70 % de la pollution des ressources souterraines. Les pesticides utilisés à l’échelle mondiale répondent à de très nombreuses formules chimiques. Les connaissances manquent pour connaître leur réel impact sur l’environnement. Mais leur caractère non biodégradable entraîne leur passage dans la chaîne alimentaire et dans les écosystèmes.


2/ LA POLLUTION DUE AUX ACTIVITES MINIERES

D'une manière générale, les eaux polluées par l'activité minière présentent souvent une acidité importante. L'extraction de l'or

est une des activités les plus polluantes. En effet, pour obtenir de l'or pur à partir de la roche extraite, on utilise du mercure,

réactif particulièrement dangereux pour l'environnement et la santé de l'homme. Ce produit pollue le sol et l'eau, il est

incorporé par les plantes, le plancton, les poissons... et finalement par l'homme.

Les eaux polluées par les métaux lourds ne peuvent pas être utilisées pour l'approvisionnement en eau potable sans risques

importants pour la santé. De plus, ce type de pollution porte préjudice à la pêche et à l'agriculture puisqu'elle provoque la

diminution du rendement et de la qualité des produits.

Parmi les autres produits polluants issus de l'activité minière, on peut aussi citer :

- le cadmium, qui provoque des maladies des os, des reins...

- le manganèse, bénéfique pour le corps humain à faible dose, toxique à forte dose

- le plomb, qui provoque des maladies cardiovasculaires, et chez l'enfant, des problèmes dans le développement des

capacités motrices ou du cerveau (saturnisme),

- l'arsenic, qui provoque des maladies gastro-intestinales ou cardiovasculaires, des irritations des muqueuses, des cancers

de la peau ou des poumons...

- le chrome, qui provoque des dérèglements gastro-intestinaux, dermatologiques, des poumons...

- le cyanure...

Ces produits sont dangereux pour les employés de la mine qui les manipulent, pour les agriculteurs qui utilisent l'eau

d'irrigation polluée, et enfin pour les consommateurs de l'eau polluée ou des produits de l'agriculture ou de la pêche dans

lesquels se retrouvent ces polluants.

3/ Les pollutions de l’eau


D/ Les changements d’état de l’eau.

Ils peuvent se résumer ainsi.


Remarque : LES CHANGEMENTS D’ETAT METTENT EN JEU DES TRANSFERTS D'ENERGIE :

Lorsque deux corps à des températures différentes sont mis en contact, on constate que la température du corps chaud

diminue tandis que celle du corps froid augmente. Un transfert d'énergie s'effectue entre ces deux corps : c'est le transfert

thermique.

Ainsi, pour faire la fusion, la vaporisation ou la sublimation, il faut apporter de l’énergie à l’eau en chauffant.

Pour faire la liquéfaction, la solidification ou la condensation, il faut retirer de l’énergie à l’eau en refroidissant.

2/ Propriétés de l’eau

A/ Etat solide.

Observations :

Un glaçon peut être saisie avec les doigts.

Un glaçon ne prend pas la forme du récipient qui le contient.

Un glaçon a un volume bien déterminé et a une masse bien déterminée.

Conclusion : On dit que la glace a une forme propre, une masse propre et un volume propre.

B/ Etat liquide

Observations :

L’eau liquide ne peut pas être saisie avec les doigts.

L’eau liquide coule et prend la forme du récipient qui la contient : elle n’a pas de forme propre.

La surface du liquide, appelée surface libre, est plane et horizontale.

Le liquide possède une masse bien déterminée et possède un volume bien déterminé.

Conclusion : L’eau liquide ne peut pas être saisie avec les doigts car elle coule ; elle possède une

masse propre, un volume propre mais pas de forme propre. La surface libre d’un liquide est

plane et horizontale.


C/ Etat gazeux

Observations :

Un gaz occupe tout l’espace disponible : il n’a pas de forme propre.

La vapeur d’eau est invisible, comme l’air.

On peut faire varier augmenter le volume occupé par un gaz : il est expansible.

On peut faire varier diminuer le volume occupé par un gaz : il est compressible.

Un gaz a de masse.

Conclusion : un gaz a une masse propre, mais pas de forme propre ni de volume propre. Il occupe tout

l’espace qui lui est offert et est expansible et compressible.

Solide Liquide Vapeur d’eau (gaz en

général)

Forme propre.

Volume propre.

Masse propre.

Peut être saisi entre les doigts.

Pas de forme propre.

Volume propre.

Masse propre.

Coule, ne peut pas être saisi avec les

doigts.

Surface libre plane et horizontale.

pas de forme propre.

pas de volume propre.

masse propre.

expansible, compressible.

invisible.

3/ Zoom sur les changements d’état

A/ Quelques grandeurs importantes


En sciences il existe de nombreuses grandeurs qui permettent de mesurer, de « quantifier », les caractéristiques de la

matière, de l'espace ou du temps. A chaque grandeur est associée une (ou plusieurs) unité(s). Et la mesure de cette

grandeur s'effectue avec un appareil de mesure.

Grandeur mesurée

Symbole de la grandeur

Unité officielle SI

Symbole de l’unité

Instrument de mesure

Photo de l’instrument de mesure

Longueur L Mètre m règle

Surface S Mètre carré m² règle

Volume V Mètre cube m

3 Eprouvette graduée

Capacité V Litre L Eprouvette

graduée

Temps T Seconde s chronomètre

Masse m Kilogramme kg balance

Température T Degré kelvin

(on utilisera

seulement le degré Celsius °C)

K

Ou °C

thermomètre

Pression P Pascal Pa Manomètre ou

baromètre

ou

Remarque : les météorologues utilisent aussi :

Instrument de mesure Que fait-il ? photo

Anémomètre

Mesure la vitesse du vent

Hygromètre

Mesure le taux d’humidité dans

l’air

Pluviomètre

Mesure la quantité d’eau tombée

à un endroit


B/ Activité : La bouteille au congélateur …

Pour garder mon pique-nique au frais, Brice de Nice a mis toute une nuit une bouteille d’eau en verre au congélateur mais

s’aperçoit que celle-ci est cassée à son réveil.

Problème n°1 : Pourquoi la bouteille s’est-elle cassée ?

1/ Sachant que personne n’a ouvert le congélateur durant la nuit, émets une hypothèse qui expliquerait pourquoi la

bouteille s’est brisée toute seule.

Le volume de l’eau liquide qui se solidifie en glace solide augmente, provoquant l’éclatement de la bouteille.

- le froid a rendu le verre plus fragile - la glace a poussé les parois - quand l'eau glace, son volume augmente - l'eau double de taille quand elle gèle - avec la pression, le verre n'a pas résisté - l'eau a gonflé - l'eau a grossi et la pression grandit - la glace est lourde - la bouteille est cassée parce que le solide a grossi. - les particules de l’eau se sont multipliées. - la bouteille est restée trop longtemps dans le congélateur.

quand l’eau devient de la glace, elle prend plus de place.

2/ Propose un protocole expérimental permettant de vérifier cette hypothèse. (Expérience n°1)

- Dans un tube à essai, on introduit une certaine quantité d’eau distillée puis on repère le volume.

- La température de solidification de l’eau étant à 0°C, on introduit le tube à essai dans un mélange réfrigérant (lave-glace)

dont la température est inférieure à 0°C.

- Après solidification, on relève le nouveau volume.

Schéma du montage :

3/ Note les résultats de l’expérience n°1. Le volume d’eau a augmenté au cours de la solidification. Notre hypothèse est vérifiée.

**On remarque que tous les liquides ne se solidifient pas à 0°C (ex : lave glace utilisé ici se solidifie à -20 °C).

Problème n°2 : La masse d’eau a-t-elle changé au cours de la solidification ?

4/ Ecris une hypothèse argumentée pour répondre à la question : R2 ( /2)

Oui/non. Comment ? Pourquoi ?

5/ Ecris un protocole expérimental permettant de répondre à la question. (Expérience n°2)

- On place le montage {tube à essai dans un mélange réfrigérant} sur le plateau d’une balance.

- On tare la balance pour mettre la balance à zéro.

- On verse une certaine quantité d’eau distillée dans le tube à essai puis on relève la masse affichée sur la balance.

- Après solidification, on relève la masse affichée.


Schéma du montage :

6/ Note les résultats de l’expérience n°2. R2 ( /2) La masse d’eau n’a pas évolué au cours de la solidification. Mon hypothèse est (/n’est pas) vérifiée.

7/ Conclusion : Ecris la conclusion :

Le changement d’état d’un corps pur se fait sans variation de la masse, mais avec variation de volume.

D/ Expérience de changement d’état sous pression normale : Vaporisation

Principe des mesures : A l’aide du montage approprié, on procède au changement d’état de l’eau. On suit l’évolution

de la température T (mesurée à l’aide d’un thermomètre en contact avec la substance), en fonction du

temps t (mesuré à l’aide d’un chronomètre). On note les valeurs dans un tableau. On trace la courbe

d’évolution de la température en fonction du temps.

1/ Réalise le schéma du montage de vaporisation de l’eau

2/ Complète le tableau suivant (température T (en °C) relevée en fonction du temps t(min))

Temps (min)

Température (°C)

Temps (min)

Température (°C)

3/ Trace au crayon à papier, sur la papier millimétré ci-dessous, la courbe d’évolution de la température de l’eau T en fonction du temps t.

Axe vertical (ordonnée) : température T Unité : °C 1 grand carreau = ………..°C

Axe horizontal (abscisse) : temps t Unité : min 1 grand carreau = ………..°C


4/ Sur ce graphique, trace un grand trait vertical pour délimiter les domaines : A : domaine où l’eau est totalement liquide B : domaine où l’eau est liquide et gazeuse. 5/ Au bout de combien de temps l’eau atteint-elle la température de 95°C ? 7 min 6/ Au bout de 6 min et 30s, quelle est la température de l’eau ? 93°C 7/ Apparait-il et un palier de température ? Si oui, à quelle température apparait-il ? Oui, à 100°C

8/ Complète le tableau en analysant les courbes de solidification, de fusion et de vaporisation de quelques substances.

Substance Corps pur

Mélange ? Changement

d’état Température(s) de changement

d’état Présence d’un palier sur la

courbe ? Eau pure

Corps pur solidification 0 °C Oui

Eau salée

Mélange solidification de -3 à -6 °C Non

Cyclohexane

Corps pur solidification 6, 5 °C Oui

Eau pure

Corps pur fusion 0 °C Oui

Eau salée

Mélange fusion de -6 à 2 °C Non

Eau pure

Corps pur vaporisation 100 °C Oui

Eau salée

Mélange vaporisation de 105 à 110 °C Non


Conclusion :

A la pression atmosphérique, les corps purs (eau pure, cyclohexane) ont une température de

solidification (ou fusion) et une température et de vaporisation (ou liquéfaction) bien déterminées.

Pour l’eau pure : Tsolidification = 0° C Tvaporisation = 100 °C

La courbe « température T en fonction du temps t » présente un palier lors du changement d’état d’un

corps pur. Ce n’est pas le cas pour les mélanges (pas de paliers).

C/ Expérience de changement d’état sous pression normale : Fusion

Principe des mesures :

A l’aide du montage approprié, on procède au changement d’état de l’eau. On suit l’évolution de la

température T (mesurée à l’aide d’un thermomètre en contact avec la substance), en fonction du temps t

(mesuré à l’aide d’un chronomètre). On note les valeurs dans un tableau. On trace la courbe d’évolution

de la température en fonction du temps.

1/ Réalise le schéma du montage de fusion de l’eau 2/ Complète le tableau suivant (température T (en °C) relevée en fonction du temps t(min))

Temps (min)

Température (°C)

Temps (min)

Température (°C)



Axe horizontal (abscisse) : temps t Unité : min 1 grand carreau = ………..°C

4/ Sur ce graphique, trace deux grands traits verticaux pour délimiter les domaines : A : domaine où l’eau est totalement solide. B : domaine où l’eau est A la fois solide et liquide. C : domaine où l’eau est totalement liquide. 5/ Au bout de combien de temps l’eau atteint-elle la température de -2°C ? 2 min 6/ Au bout de 6 min et 30s, quelle est la température de l’eau ? 0°C 7/ Apparait-il et un palier de température ? Si oui, à quelle température apparait-il ? Oui, à 0°C

8/ Complète le tableau en analysant les courbes de solidification, de fusion et de vaporisation de quelques substances


Substance Corps pur




courbe ?

Eau pure


Eau salée


Cyclohexane


Eau pure


Eau salée


Eau pure


Eau salée


Conclusion :






C/ Expérience de changement d’état sous pression normale : SOLIDIFICATION

Principe des mesures : A l’aide du montage approprié, on procède au changement d’état de l’eau. On suit l’évolution de la

température T (mesurée à l’aide d’un thermomètre en contact avec la substance), en fonction du temps t

(mesuré à l’aide d’un chronomètre). On note les valeurs dans un tableau. On trace la courbe d’évolution

de la température en fonction du temps.

1/ Réalise le schéma du montage de solidification de l’eau 2/ Complète le tableau suivant (température T (en °C) relevée en fonction du temps t(min))

Temps (min)

Température (°C)

Temps (min)

Température(°C)




Axe horizontal (abscisse) : temps t Unité : min 1 grand carreau = ………..°C 4/ Sur ce graphique, trace un grand trait vertical pour délimiter les domaines : A : domaine où l’eau est totalement liquide A : domaine où l’eau est liquide et gazeuse. 5/ Au bout de combien de temps l’eau atteint-elle la température de 2°C ? 3 min et 20 s 6/ Au bout de 6 min et 30s, quelle est la température de l’eau ? 0 °C 7/ Apparait-il et un palier de température ? Si oui, à quelle température apparait-il ? Oui, à 0°C.

8/ Complète le tableau en analysant les courbes de solidification, de fusion et de vaporisation de quelques substances

Substance Corps pur




courbe ?

Eau pure


Eau salée


Cyclohexane


Eau pure


Eau salée


Eau pure


Eau salée



Conclusion :






D/ Les exceptions de la nature

1/ L’eau se solidifie-t-elle toujours à 0°C ?

Pour que l’eau se solidifie, il faut des « germes », c'est-à-dire des petites impuretés (poussières, morceaux de glace ou

choc…) pour amorcer la cristallisation. Lorsque ces germes n’existent pas, l’eau commence à se solidifier en dessous de la

température de 0°C : C’est le phénomène de surfusion. Pour l’eau pure, cela peut aller de 0°C à – 39°C !

Ce phénomène peut être très dangereux car il peut occasionner des pluies verglassantes (eau qui congèle instantanément

en arrivant au sol) ou le givrage pour les avions (eau surfondue existant dans les nuages).

Anecdote : Ce phénomène de surfusion, les chevaux du Lac Lagoda (en Russie) en ont eu la mauvaise expérience en 1942.

La température extérieure était de -30 °C, des centaines de chevaux fuyaient un incendie de la forêt Raikkola et se

précipitèrent dans les eaux limpides du lac. L'eau se solidifia quasi instantanément à cause d'un changement rapide d'état dû

à la surfusion de l'eau au moment de l'incident. Les chevaux périrent, prisonniers de la glace.

2/ La température d’ébullition de l’eau est-elle toujours de 100°C ?

SURPRENANT : Sur son paquet de spaghettis est indiqué : « Durée de cuisson 8 minutes et pourtant, arrivé à la station de ski, mes pâtes mettent 20 minutes à cuire » ! Jean Sulpice, chef doublement étoilé au guide Michelin à Val Thorens, 2 300 m d’altitude, a remarqué que l’eau entre en ébullition à une température inférieure à 100°C. Voici ce qui lui est arrivé : "Je me souviendrai toute ma vie du premier œuf à la coque que m'a commandé une cliente de l'hôtel. Estimant qu'il n'était pas suffisamment cuit, elle laisse entendre au serveur que je ne sais pas faire cuire un œuf. Surpris, je lui en prépare donc un deuxième, après avoir ajouté 50 secondes de cuisson aux 3 minutes réglementaires. Et, de nouveau, il me revient ! Toujours pas cuit... Je recommence une troisième fois, mais je double le temps de cuisson que je porte à 6 minutes ! Et là, mon œuf à la coque était cuit juste comme il faut". Le tableau ci-contre peut aider à comprendre l’influence de la pression sur la température d’ébullition de l’eau.

http://www.physiceauchimie5.com/modules.php?theme=1&module=2&media=19%20&idDoc=T1_M2_D7_D


APPLICATION : Inventé au départ par Denis Papin en 1687 puis perfectionné en 1953

par les frères Lescure, l’autocuiseur (« cocotte minute ») est un récipient muni de deux

soupapes :

Celle de fonctionnement, réglée pour se déclencher à 1 700 hPa environ, la

température étant alors de 120 °C.

Celle de sécurité, réglée pour se déclencher à peu près à 2 000 hPa (elle ne sert que

si la soupape de fonctionnement se coince pour éviter que l’autocuiseur n’explose).

Au début de la cuisson, la pression à l’intérieur est identique à la pression

atmosphérique : 1 013 hPa au niveau de la mer.

Puis la pression va augmenter jusqu’à 1 700 hPa environ sous cette pression : l’eau

sera en ébullition à environ 120 °C. Le temps de cuisson sera environ divisé par trois car

la température de cuisson sera plus élevée.

1/ Rappelle la température d’ébullition de l’eau sous la pression atmosphérique de 1013 hPa ?

100°C

2/ Quels sont les facteurs responsables de la modification de la température d’ébullition ?

C’est la pression, l’altitude.

3/ Remplis le texte ci-dessous :

Lorsque la pression diminue, la température d’ébullition de l’eau pure diminue. Il faut donc plus de temps pour faire cuire les

aliments.

Lorsque la pression augmente, la température d’ébullition de l’eau pure augmente. Cela permet de faire cuire des aliments

plus rapidement.

4/ Application : Le bouillant de Franklin

Interprétation : Complète le texte ci-dessous.

Lorsque l'on bouche la fiole, l'espace contenu entre le liquide et le bouchon contient quasiment que de la vapeur d’eau. En refroidissant, cette vapeur se liquéfie et la pression diminue fortement à l’intérieur de la fiole.

Comme la pression est plus faible, la température d’ébullition est aussi plus faible : l'eau se remet à bouillir à une température en dessous de 100°C.

5/ Application : Ebullition de l’eau dans une cloche à vide.


Interprétation : Complète le texte ci-dessous.

L’eau se met à bouillir à une température inférieure à 100°C car la pression à l’intérieur de la cloche est plus faible.

La température d’ébullition de l’eau diminue lorsque la pression diminue.

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