La matière — États et changements d'état

Critiquer un modèle

Le document 1 présente deux modèles de la fusion de la glace. Critique-les en répondant aux questions.

1. 1.Compte les molécules dans chacun des trois dessins. Que montre cette comparaison pour le modèle A ?

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   12 avant, 8 dans le modèle A, 12 dans le modèle B : le modèle A fait disparaître des molécules pendant la fusion.

   Un modèle de changement d’état doit garder le même nombre de particules : le modèle A en perd quatre.

2. 2.Le modèle A dessine aussi des molécules plus grosses après la fusion. Quelle idée fausse ce dessin traduit-il ?

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   L’idée que les molécules de glace se transforment en d’autres molécules en fondant. Or ce sont les mêmes molécules d’eau, dans la glace comme dans l’eau liquide : seul leur rangement change.

   C’est le piège du chapitre : le corps ne change pas de nature, il change d’état ; une molécule garde sa taille.

3. 3.Une balance affiche la même valeur avant et après la fusion. Lequel des deux modèles est compatible avec cette mesure ? Justifie.

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   Le modèle B : il garde les mêmes molécules, en même nombre, donc la même masse. Le modèle A, qui en perd, prévoirait une masse plus faible après la fusion.

   La masse compte les particules : seul un modèle qui conserve leur nombre explique que la balance ne bouge pas.

4. 4.Dans les dessins, la glace occupe moins de place que l’eau liquide du modèle B. Ce choix est-il fidèle dans le cas de l’eau ? Justifie.

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   Non. L’eau fait exception : en gelant, elle augmente de volume, ses molécules s’organisant en une structure moins compacte. Il faudrait dessiner la glace avec des molécules rangées en ordre mais plus espacées, occupant plus de place que l’eau liquide.

   La plupart des corps se contractent en se solidifiant, l’eau non : c’est pourquoi une bouteille pleine éclate au congélateur et pourquoi la glace flotte.

Raisonner et justifier

Sur le schéma, chaque flèche numérotée relie deux notions du chapitre. Explique chaque lien en deux phrases au plus.

1. 1.Lien 1 — espacement des particules et volume du corps.

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   Plus les particules sont espacées, plus le corps occupe de place : quand leur espacement change au cours d’un changement d’état, le volume change, alors que leur nombre, donc la masse, reste le même.

   C’est ce qui sépare les deux grandeurs : la masse compte les particules, le volume mesure la place qu’elles occupent.

2. 2.Lien 2 — agitation des particules et température.

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   Plus les particules s’agitent, plus la température est élevée : la température est la mesure de leur agitation. Si cette agitation ne change pas, comme pendant un palier, la température ne change pas non plus.

   Pendant un palier, l’énergie reçue sert à séparer les molécules : leur agitation, donc la température, reste la même.

3. 3.Lien 3 — évaporation et ébullition : un point commun, une différence.

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   Point commun : ce sont deux régimes d’un même changement d’état, la vaporisation. Différence : l’évaporation se fait en surface et à toute température, l’ébullition dans tout le volume et à température fixe.

   Comparer, c’est donner au moins un point commun et une différence, chacun appuyé sur un fait du cours.

4. 4.Lien 4 — sublimation et condensation solide.

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   Ce sont deux changements d’état opposés : la sublimation fait passer directement du solide au gaz, la condensation solide directement du gaz au solide. Tous deux sautent l’état liquide.

   Les six changements d’état se retiennent par couples opposés ; celui-ci est le seul couple direct entre solide et gaz.

Repérer une erreur et la corriger

La copie du document 2 contient quatre erreurs de raisonnement ; une seule ligne est juste. Pour chaque erreur, indique la ligne, explique ce qui est faux et écris ce qu’il fallait dire.

Réponse rédigée. Ce que le correcteur attend, critère par critère :

1. 1.Ligne 2 — une conclusion tirée à tort de l’absence de palier.

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   L’absence de palier net ne prouve pas que le mélange reste dans le même état : elle montre seulement qu’il ne s’agit pas d’un corps pur. Le mélange change d’état, mais sans palier net.

   Le palier net est la signature d’un corps pur ; son absence identifie un mélange, pas une matière qui ne changerait jamais d’état.

2. 2.Ligne 3 — une identification fondée sur un seul repère.

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   Une température de fusion ne suffit pas à identifier l’eau : il faut aussi vérifier que ce corps pur bout à 100 °C. Même réunis, les deux repères rendent l’identification seulement vraisemblable.

   Les deux températures de l’eau, 0 °C et 100 °C, sont des repères d’identification valables sous la pression atmosphérique normale : on les utilise ensemble, et le cours dit « très probablement ».

3. 3.Ligne 4 — un chauffage jugé inutile pendant le palier.

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   La flamme reste indispensable : pendant le palier, l’énergie reçue sert à séparer les molécules, et c’est elle qui fait avancer l’ébullition jusqu’à ce que tout le liquide soit devenu gaz.

   Si la température ne monte pas, ce n’est pas que l’énergie est perdue : elle sert à défaire l’arrangement des particules, non à les agiter davantage.

4. 4.Ligne 5 — deux grandeurs confondues.

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   La glace n’est pas plus lourde : sa masse est égale à celle de l’eau de départ. Ce qui a augmenté, c’est son volume, car l’eau gonfle en gelant ; la bouteille fermée n’a pas pu suivre.

   Masse et volume sont deux grandeurs distinctes : la masse compte les particules, le volume mesure la place qu’elles occupent.

Construire une explication

Rédige un développement construit d’une vingtaine de lignes qui répond à la question : « Un glaçon fond dans un verre posé sur une balance : qu’est-ce qui change, et qu’est-ce qui ne change pas ? » Appuie-toi sur le modèle particulaire. Fais une introduction, deux paragraphes et une conclusion.

Réponse rédigée. Ce que le correcteur attend, critère par critère :

1. 1.Introduction et conclusion : la situation posée, le plan annoncé, une réponse nette à la fin.

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   Exemple d’introduction : « Un glaçon posé dans un verre fond peu à peu. Nous verrons ce que ce changement d’état modifie, puis ce qu’il laisse intact. » Conclusion : tout change, sauf la masse.

   L’introduction situe et annonce ; la conclusion répond à la question posée.

2. 2.Ce que l’on observe à l’œil nu : le passage au liquide, la tenue perdue du glaçon, la place occupée, le cas particulier de l’eau.

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   Le glaçon passe de l’état solide à l’état liquide : c’est une fusion. Il avait une forme propre ; l’eau liquide épouse le verre, et sa surface libre est horizontale. Son volume diminue, car l’eau occupe plus de place à l’état solide.

   L’eau est l’un des rares corps dont le volume augmente en gelant, donc diminue en fondant.

3. 3.À l’échelle microscopique : ce que deviennent l’ordre et le contact entre molécules.

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   Rangées en ordre dans la glace, les molécules restent au contact dans l’eau liquide mais en désordre. Ce sont les mêmes molécules d’eau : seul leur rangement a changé.

   Un changement d’état réorganise les particules sans changer leur nature.

4. 4.Ce qu’indique le thermomètre tant que le glaçon n’a pas fini de fondre, et pourquoi.

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   Tant qu’il reste de la glace, la température demeure à 0 °C : c’est le palier de fusion. L’énergie reçue sert à séparer les molécules, et non à élever la température.

   Le palier dure tant que solide et liquide coexistent dans le verre.

5. 5.Ce qui ne change pas : la masse, et pourquoi elle se conserve nécessairement.

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   La balance affiche la même valeur avant et après : la masse se conserve, parce que les molécules ne sont ni créées ni détruites.

   La masse dépend du nombre de particules, et ce nombre ne change pas.