Exercices corrigés — États et changements d'état
Recevoir cette fiche en PDF (corrigés inclus)
Aller à un exercice
- Exercice 1 : Reconnaître l'état solide, liquide ou gazeux
- Exercice 2 : Nommer les six changements d'état
- Exercice 3 : Compléter le cours : palier, masse et volume
- Exercice 4 : Lire une courbe de changement d'état : palier, corps pur ou mélange
- Exercice 5 : Prévoir l'état d'un corps pur et l'identifier par sa température de changement d'état
- Les trois réflexes à retenir
Un glaçon qui fond dans un verre, la buée sur le miroir de la salle de bains, une flaque qui gèle une nuit d’hiver : à chaque fois, c’est de l’eau qui change d’état sans changer de nature. Le chapitre tient en trois idées. Les particules restent les mêmes, seul leur rangement change. La masse se conserve, mais pas le volume. Et un corps pur change d’état à température constante : sur une courbe, cela se voit sous la forme d’un palier, dont la température permet de reconnaître le corps. Les trois premiers exercices vérifient que le cours est compris, sans calcul : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les deux suivants se font au brouillon, avec un corrigé rédigé comme au tableau : deux courbes de refroidissement à lire, puis le choix du thermomètre d’une station météo très froide, comme en évaluation.
Trois états, six changements d’état, un palier
Solide
Il a une forme propre et un volume propre.
Ses particules sont serrées et rangées : elles vibrent sur place.
Liquide
Il a un volume propre mais pas de forme propre : il prend la forme du récipient, et sa surface libre est plane et horizontale au repos.
Ses particules sont serrées mais en désordre : elles glissent les unes sur les autres.
Gaz
Il n’a ni forme propre ni volume propre : il occupe tout le volume offert, et il est compressible, c’est-à-dire qu’on peut le faire tenir dans un volume plus petit en appuyant dessus.
Ses particules sont très éloignées les unes des autres, en désordre et très agitées.
Les six changements d’état
Le nom ne dépend que de l’état de départ et de l’état d’arrivée. Le passage direct du gaz au solide s’appelle la condensation, ou condensation solide.
En rouge, le corps reçoit de l’énergie : on le chauffe.
En bleu, il cède de l’énergie : on le refroidit.
La buée est une liquéfaction : la vapeur d’eau, invisible, devient des gouttelettes d’eau liquide.
Ce qui change, ce qui reste
Les particules restent les mêmes : seule leur organisation change. Un changement d’état est une transformation physique, aucune nouvelle espèce chimique n’apparaît.
La masse se conserve, car le nombre de particules ne change pas. Le volume, lui, change : l’eau qui gèle occupe un volume plus grand.
On vérifie la masse avec une balance, avant et après.
Le palier d’un corps pur
Un corps pur change d’état à température constante : sur la courbe de la température en fonction du temps, cela donne un palier. Sous la pression atmosphérique normale, l’eau pure fond à 0 °C et bout à 100 °C.
Un corps pur est solide en dessous de sa température de fusion, liquide entre ses températures de fusion et d’ébullition, et gazeux au-dessus de sa température d’ébullition.
La température du palier permet d’identifier un corps pur. Un mélange, comme l’eau salée, n’a pas de palier net.
Avant de te lancer : pour les exercices 4 et 5, cherche au brouillon avant d’ouvrir le corrigé : c’est en te trompant que tu progresses. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.
Reconnaître l'état solide, liquide ou gazeux
★★★Quiz de compréhension du cours
-
Juste. La bonne réponse : Le piston s'enfonce avec l'air, mais presque pas avec l'eau. Un gaz est compressible : ses particules sont très éloignées les unes des autres, et en appuyant on les rapproche, ce qui diminue le volume occupé par l'air. Dans un liquide, les particules sont déjà serrées les unes contre les autres : le volume de l'eau ne diminue presque pas, et le piston ne bouge quasiment pas. L'embout bouché empêche seulement l'air et l'eau de sortir de la seringue.
-
Juste. La bonne réponse : Son volume, mais pas sa forme. Un liquide a un volume propre : le jus occupe le même volume dans la bouteille et dans le verre. Il n'a pas de forme propre : il prend la forme du récipient qui le contient, et au repos, sa surface libre est plane et horizontale. Un solide, lui, garde sa forme et son volume ; un gaz ne garde ni l'un ni l'autre, puisqu'il occupe tout le volume qu'on lui offre.
-
Juste. La bonne réponse : L'organisation des particules : ce sont les mêmes, en désordre dans le liquide et rangées dans le solide. La glace et l'eau liquide sont faites des mêmes particules, des molécules d'eau. Dans la glace, elles sont serrées, rangées, et vibrent sur place ; dans l'eau liquide, elles restent serrées mais en désordre, et glissent les unes sur les autres. Une particule ne change ni de nature ni de taille en changeant d'état : c'est l'arrangement des particules qui change. Pour l'eau, l'arrangement de la glace laisse un peu plus d'espace entre les particules : c'est pour cela que l'eau occupe un volume plus grand quand elle gèle.
-
Juste. La bonne réponse : À l'état liquide : ce sont de fines gouttelettes d'eau. La vapeur d'eau est un gaz invisible. Elle sort de la bouilloire, se refroidit au contact de l'air de la cuisine, et se liquéfie en très fines gouttelettes : ce sont elles qui forment le panache blanc. C'est une liquéfaction. Juste à la sortie du bec, on remarque d'ailleurs une petite zone transparente : la vapeur n'y est pas encore devenue liquide.
Nommer les six changements d'état
★★★Quiz : fusion, vaporisation, sublimation et les autres
-
Juste. La bonne réponse : Une condensation. Le passage direct de l'état gazeux à l'état solide, sans passer par l'état liquide, s'appelle une condensation, ou condensation solide. La solidification est le passage du liquide au solide, comme l'eau d'une flaque qui gèle. La liquéfaction est le passage du gaz au liquide, comme la rosée qui se dépose sur l'herbe un matin d'été.
-
Juste. La bonne réponse : Une sublimation. Le passage direct de l'état solide à l'état gazeux s'appelle une sublimation. Dans un congélateur, elle se fait lentement : de la glace devient de la vapeur d'eau, sans jamais être liquide. La vaporisation part d'un liquide, et la fusion donne un liquide : aucune des deux ne correspond à ce qui est décrit.
-
Juste. La bonne réponse : Le beurre : il passe de l'état solide à l'état liquide. Le beurre chauffé passe de l'état solide à l'état liquide : c'est une fusion. Le sucre, lui, ne devient pas du sucre liquide : il se mélange à l'eau du thé et forme une solution, il se dissout. Il n'a pas disparu pour autant : le thé a un goût sucré. Dans la vie courante, on dit souvent que le sucre « fond » dans le thé, mais en physique-chimie la dissolution et la fusion sont deux phénomènes différents.
-
Juste. La bonne réponse : Une liquéfaction : la vapeur d'eau de l'air devient liquide au contact des verres froids. La buée est faite de fines gouttelettes d'eau liquide. Elles viennent de la vapeur d'eau, invisible, contenue dans l'air de la maison : au contact des verres encore froids, elle passe de l'état gazeux à l'état liquide. C'est une liquéfaction. Dans la vie courante, on dit souvent que la vapeur « se condense » sur les verres ; le nom de ce changement d'état utilisé dans ce cours est la liquéfaction, et le mot condensation y désigne le passage direct du gaz au solide, comme pour le givre.
Compléter le cours : palier, masse et volume
★★★Le cours en un texte à trous
Lors d'un changement d'état, les particules restent les mêmes : seule leur organisation change, et aucune nouvelle espèce chimique n'apparaît. C'est une transformation physique . Le passage de l'état liquide à l'état gazeux s'appelle la vaporisation . Quand il se fait lentement, à la surface du liquide, comme pour une flaque qui sèche au soleil, on parle d'évaporation ; quand des bulles de vapeur se forment dans tout le liquide, on parle d'ébullition. Au cours d'un changement d'état, la masse se conserve , car le nombre de particules ne change pas ; le volume, lui, change . Quand l'eau gèle, son volume augmente . Pendant qu'un corps pur change d'état, sa température reste constante : la courbe de la température en fonction du temps présente un palier . Sous la pression atmosphérique normale, l'eau pure bout à 100 °C . Un mélange, comme l'eau salée, change d'état sans palier net .
Trois pièges se glissent dans ce paragraphe. Le premier : les particules ne changent ni de nature ni de taille, c'est leur rangement et leur agitation qui changent, d'où une masse conservée et un volume modifié. Le deuxième : l'évaporation et l'ébullition sont deux façons de se vaporiser ; la première se fait à la surface du liquide, même loin de sa température d'ébullition, la seconde dans tout le liquide, à sa température d'ébullition. Le troisième : le palier est la marque d'un corps pur. Pendant le changement d'état, l'énergie reçue ou cédée sert à changer l'organisation des particules, et la température ne varie pas. Dans l'eau salée, au contraire, la température continue de varier pendant le changement d'état.
Lire une courbe de changement d'état : palier, corps pur ou mélange
★★★Deux courbes de refroidissement à exploiter
Au laboratoire du collège, on plonge deux tubes à essais dans un mélange réfrigérant, de la glace pilée mélangée à du sel, beaucoup plus froid que 0 °C. Le tube A contient de l’eau pure, le tube B de l’eau salée. Un thermomètre plonge dans chaque tube, et on relève leur température toutes les minutes. Voici les deux courbes tracées à partir de ces relevés.
- Quel changement d’état se produit dans les deux tubes ? Le nommer, en précisant l’état de départ et l’état d’arrivée.
- Sur la courbe A, relever la température du palier, puis la durée pendant laquelle la température reste constante.
- Dans quel état se trouve l’eau du tube A à , à et à ?
- La courbe B présente-t-elle un palier ? Que peut-on en conclure sur le contenu du tube B ?
- Pendant le palier, l’eau du tube A cède de l’énergie au mélange réfrigérant, et pourtant sa température ne baisse pas. Expliquer.
Voir le corrigé
1. Dans les deux tubes, l’eau passe de l’état liquide à l’état solide : c’est une solidification. Elle se produit parce que l’eau cède de l’énergie au mélange réfrigérant, plus froid qu’elle.
2. On cherche la partie horizontale de la courbe A, puis on lit son ordonnée : elle est sur la droite des 0 °C. Le palier est donc à 0 °C, la température de solidification de l’eau pure. On lit ensuite ses deux extrémités sur l’axe du temps : il commence à et se termine à .
La température de l’eau pure reste constante pendant , le temps de sa solidification.
3. À , la température vaut environ 6 °C : elle n’a pas encore atteint le palier, et l’eau est entièrement liquide. À , on est sur le palier : la solidification est en cours, et le tube contient à la fois de l’eau liquide et de la glace. À , le palier est terminé et la température est descendue sous 0 °C : toute l’eau est devenue solide, et la glace continue de se refroidir.
4. Non : la courbe B n’a aucune partie horizontale. Vers −2 °C, elle descend moins vite, ce qui signale le début de la solidification, mais la température continue de baisser pendant que l’eau salée se solidifie. Or un corps pur change d’état à température constante : l’absence de palier montre que le tube B ne contient pas un corps pur. C’est un mélange, ce qui est bien le cas de l’eau salée, faite d’eau et de sel dissous. On remarque aussi que l’eau salée commence à se solidifier en dessous de 0 °C. C’est ce critère du palier qui sert à reconnaître un corps pur, comme dans le chapitre corps purs et mélanges.
5. Pendant le palier, l’énergie que l’eau cède au mélange réfrigérant ne vient pas d’une baisse de sa température : elle accompagne le changement d’état. En se rangeant pour former la glace, les particules d’eau cèdent de l’énergie, et cela dure tant qu’il reste de l’eau liquide à solidifier. Quand toute l’eau est devenue de la glace, la glace continue de céder de l’énergie au mélange réfrigérant, et sa température recommence à baisser.
Réflexe à retenir : sur une courbe de changement d’état, cherche d’abord la partie horizontale. Sa présence signale un corps pur, sa hauteur donne la température de changement d’état, et sa longueur la durée du changement d’état.
Prévoir l'état d'un corps pur et l'identifier par sa température de changement d'état
★★★Type évaluation, avec un relevé de températures et un tableau de données
Une station météo du nord de la Sibérie mesure chaque jour la température de l’air. Son ancien thermomètre à liquide ne fonctionne plus en hiver : le liquide argenté qu’il contient reste bloqué dans le tube. Dans un thermomètre à liquide, le liquide monte ou descend dans un tube très fin quand la température change : il doit donc rester liquide pour que le thermomètre fonctionne.
Document 1 - Les températures extrêmes relevées à la station, mois par mois, sur une année
| Mois | Température la plus basse (°C) | Température la plus haute (°C) |
|---|---|---|
| Janvier | −52 | −33 |
| Février | −48 | −27 |
| Mars | −36 | −10 |
| Avril | −22 | 4 |
| Mai | −6 | 21 |
| Juin | 2 | 29 |
| Juillet | 6 | 31 |
| Août | 1 | 27 |
| Septembre | −8 | 16 |
| Octobre | −27 | 1 |
| Novembre | −44 | −17 |
| Décembre | −50 | −29 |
Document 2 - Températures de changement d’état de quelques corps purs, sous la pression atmosphérique normale
| Corps pur | Température de fusion (°C) | Température d’ébullition (°C) |
|---|---|---|
| Eau | 0 | 100 |
| Éthanol | −114 | 78 |
| Gallium | 30 | 2 400 |
| Mercure | −39 | 357 |
Le gallium et le mercure sont deux métaux d’aspect argenté.
Document 3 - Compte rendu du laboratoire
Un échantillon du liquide argenté de l’ancien thermomètre a été refroidi lentement. Sa température a baissé jusqu’à −39 °C, puis elle est restée égale à −39 °C pendant toute la solidification de l’échantillon. Une fois l’échantillon entièrement solide, sa température a recommencé à baisser.
- Donner la définition d’un corps pur.
- D’après le document 3, le liquide argenté se comporte-t-il comme un corps pur ? Justifier.
- À l’aide du document 2, identifier le liquide argenté de l’ancien thermomètre.
- Relever dans le document 1 les mois pendant lesquels la température descend en dessous de la température de fusion de ce liquide. Expliquer alors pourquoi l’ancien thermomètre ne fonctionne plus en hiver.
- Parmi les corps purs du document 2, lequel reste liquide toute l’année à la station ? Justifier en comparant ses températures de changement d’état aux températures extrêmes de l’année.
- Un technicien propose de remplir le nouveau thermomètre avec de l’eau. Donner deux raisons qui rendent ce choix impossible.
Voir le corrigé
1. Un corps pur est constitué d’une seule espèce chimique. Un mélange, au contraire, contient plusieurs espèces chimiques.
2. D’après le document 3, la température du liquide reste égale à −39 °C pendant toute sa solidification : si l’on traçait sa courbe de refroidissement, elle présenterait un palier. Or un corps pur change d’état à température constante, alors qu’un mélange n’a en général pas de palier net. Le liquide argenté se comporte donc comme un corps pur.
3. Pour un corps pur, la température de solidification est égale à la température de fusion. Le liquide argenté se solidifie à −39 °C : on cherche dans le document 2 le corps pur dont la température de fusion vaut −39 °C. C’est le mercure. Le gallium, l’autre métal argenté du tableau, est écarté : sa température de fusion vaut 30 °C. Le liquide de l’ancien thermomètre est donc du mercure.
4. Le mercure est solide quand la température est plus basse que sa température de fusion, −39 °C. Dans le document 1, la température la plus basse du mois descend en dessous de −39 °C en janvier (−52 °C), en février (−48 °C), en novembre (−44 °C) et en décembre (−50 °C). En mars, elle ne descend qu’à −36 °C, ce qui est plus haut que −39 °C. Pour comparer deux températures négatives, pense à la graduation d’un thermomètre : −52 °C est plus bas, donc plus froid, que −39 °C. Pendant les jours les plus froids de ces quatre mois, le mercure du thermomètre devient solide : il ne peut plus monter ni descendre dans le tube, et le thermomètre ne fonctionne plus.
5. Un corps pur est liquide quand la température est comprise entre sa température de fusion et sa température d’ébullition. D’après le document 1, la température la plus basse de l’année est −52 °C (en janvier) et la plus haute 31 °C (en juillet). Il faut donc un corps pur qui fond en dessous de −52 °C et qui bout au-dessus de 31 °C.
C’est le cas de l’éthanol : sa température de fusion, −114 °C, est plus basse que −52 °C, donc il ne gèle jamais à la station ; sa température d’ébullition, 78 °C, est plus haute que 31 °C, donc il n’y bout jamais. L’éthanol reste liquide toute l’année. Les trois autres corps purs ne conviennent pas : l’eau est solide en dessous de 0 °C, le mercure en dessous de −39 °C, et le gallium, solide en dessous de 30 °C, l’est presque toute l’année.
6. Première raison : l’eau pure gèle à 0 °C. D’après le document 1, la température la plus basse du mois descend en dessous de 0 °C neuf mois sur douze, tous sauf juin, juillet et août : l’eau du thermomètre serait souvent solide, et le thermomètre bloqué.
Seconde raison : en gelant, l’eau garde la même masse mais occupe un volume plus grand, puisque la masse volumique de la glace est plus petite que celle de l’eau liquide (voir le chapitre masse volumique). La glace formée dans le tube très fin pourrait faire éclater le verre.
Réflexe à retenir : pour prévoir l’état d’un corps pur, encadre la température du lieu entre sa température de fusion et sa température d’ébullition, et écris la comparaison sur ta copie. En dessous de la première, il est solide ; entre les deux, il est liquide ; au-dessus de la seconde, il est gazeux.
Les trois réflexes à retenir
- Nomme le changement d’état par son départ et son arrivée. Solide vers liquide : fusion ; liquide vers gaz : vaporisation ; gaz vers solide : condensation. La buée et le panache d’une bouilloire sont de l’eau liquide, issue d’une liquéfaction, et le sucre qui disparaît dans le thé se dissout : ce n’est pas une fusion.
- Masse conservée, volume modifié. Les particules restent les mêmes et leur nombre ne change pas : la masse se conserve. Leur rangement change, et le volume avec lui : l’eau qui gèle occupe un volume plus grand.
- Un palier signale un corps pur, et sa température l’identifie. Lis la hauteur du palier, compare-la au tableau de données, et conclus par une phrase. Pour prévoir l’état d’un corps pur, compare la température du lieu à sa température de fusion et à sa température d’ébullition.