3e Physique-Chimie Exercices Gratuit

Exercices corrigés — États et changements d'état

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  1. Exercice 1 : Reconnaître l'état solide, liquide ou gazeux
  2. Exercice 2 : Nommer les six changements d'état
  3. Exercice 3 : Compléter le cours : palier, masse et volume
  4. Exercice 4 : Lire une courbe de changement d'état : palier, corps pur ou mélange
  5. Exercice 5 : Prévoir l'état d'un corps pur et l'identifier par sa température de changement d'état
  6. Les trois réflexes à retenir

Un contrôle bientôt ? Faire mon plan de révision

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.

La carte du chapitre : les trois états, les six changements d’état et leurs noms, ce qui se conserve, et le palier qui signale un corps pur.

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.

Exercice 1

Reconnaître l'état solide, liquide ou gazeux

★★★

Quiz de compréhension du cours

  1. On bouche l'embout d'une seringue remplie d'air, puis on appuie sur le piston. On recommence avec la même seringue remplie d'eau. Que constate-t-on ?
  2. On verse le jus d'orange d'une bouteille étroite dans un verre large. Que garde le jus en changeant de récipient ?
  3. Dans le modèle particulaire, qu'est-ce qui distingue l'eau liquide de la glace ?
  4. À la sortie du bec d'une bouilloire qui bout, on voit un panache blanc. Dans quel état est l'eau de ce panache ?

Exercice 2

Nommer les six changements d'état

★★★

Quiz : fusion, vaporisation, sublimation et les autres

  1. Un matin d'hiver, une fine couche de givre recouvre le pare-brise d'une voiture restée dehors : la vapeur d'eau de l'air y est passée directement à l'état solide. Comment s'appelle ce changement d'état ?
  2. Au fond d'un congélateur, des glaçons oubliés pendant plusieurs mois ont rapetissé, alors qu'ils n'ont jamais fondu : une partie de la glace est passée directement à l'état gazeux. Comment s'appelle ce changement d'état ?
  3. Au petit-déjeuner, on met un morceau de sucre dans un thé chaud, puis une noix de beurre dans une poêle chaude. Lequel des deux subit une fusion ?
  4. En entrant dans une maison chauffée un jour de grand froid, on voit les verres de ses lunettes se couvrir de buée. Comment s'appelle ce changement d'état ?

Exercice 3

Compléter le cours : palier, masse et volume

★★★

Le cours en un texte à trous

Lors d'un changement d'état, les particules restent  : seule leur organisation change, et aucune nouvelle espèce chimique n'apparaît. C'est une transformation . Le passage de l'état liquide à l'état gazeux s'appelle la . Quand il se fait lentement, à la surface du liquide, comme pour une flaque qui sèche au soleil, on parle  ; quand des bulles de vapeur se forment dans tout le liquide, on parle d'ébullition. Au cours d'un changement d'état, la masse , car le nombre de particules ne change pas ; le volume, lui, . Quand l'eau gèle, son volume . Pendant qu'un corps pur change d'état, sa température  : la courbe de la température en fonction du temps présente un . Sous la pression atmosphérique normale, l'eau pure bout à . Un mélange, comme l'eau salée, change d'état .

Exercice 4

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.

0 2 4 6 8 10 12 14 −10 −5 0 5 10 15 20 temps (min) température (°C) A : eau pure B : eau salée
La température de chaque tube, en degrés Celsius, en fonction du temps, en minutes. Courbe A en trait plein : l’eau pure. Courbe B en tirets : l’eau salée.
  1. Quel changement d’état se produit dans les deux tubes ? Le nommer, en précisant l’état de départ et l’état d’arrivée.
  2. Sur la courbe A, relever la température du palier, puis la durée pendant laquelle la température reste constante.
  3. Dans quel état se trouve l’eau du tube A à 2 min2\ \text{min}, à 8 min8\ \text{min} et à 13 min13\ \text{min} ?
  4. La courbe B présente-t-elle un palier ? Que peut-on en conclure sur le contenu du tube B ?
  5. 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 4 min4\ \text{min} et se termine à 11 min11\ \text{min}.

11 min−4 min=7 min11\ \text{min} - 4\ \text{min} = 7\ \text{min}

La température de l’eau pure reste constante pendant 7 min7\ \text{min}, le temps de sa solidification.

0 2 4 6 8 10 12 14 −10 −5 0 5 10 15 20 temps (min) température (°C) palier de 7 min, à 0 °C A : eau pure B : eau salée
La température de chaque tube, en degrés Celsius, en fonction du temps, en minutes. Courbe A en trait plein : l’eau pure. Courbe B en tirets : l’eau salée.

3. À 2 min2\ \text{min}, la température vaut environ 6 °C : elle n’a pas encore atteint le palier, et l’eau est entièrement liquide. À 8 min8\ \text{min}, 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 13 min13\ \text{min}, 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.

Exercice 5

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

MoisTempérature la plus basse (°C)Température la plus haute (°C)
Janvier−52−33
Février−48−27
Mars−36−10
Avril−224
Mai−621
Juin229
Juillet631
Août127
Septembre−816
Octobre−271
Novembre−44−17
Décembre−50−29

Document 2 - Températures de changement d’état de quelques corps purs, sous la pression atmosphérique normale

Corps purTempérature de fusion (°C)Température d’ébullition (°C)
Eau0100
Éthanol−11478
Gallium302 400
Mercure−39357

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.

  1. Donner la définition d’un corps pur.
  2. D’après le document 3, le liquide argenté se comporte-t-il comme un corps pur ? Justifier.
  3. À l’aide du document 2, identifier le liquide argenté de l’ancien thermomètre.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.

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