Cours de Physique-Chimie – 4ème

La matière se présente sous trois états : solide, liquide et gaz. Un solide a une forme propre, un liquide prend la forme de son récipient mais garde un volume propre, un gaz occupe tout l'espace disponible. Le modèle particulaire explique ces différences par l'agencement et l'agitation des particules. Un corps change d'état par fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation ou…

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Programme : les chapitres

Chapitre à lire gratuitement : Les états de la matière et leurs changements d'état

1. Les trois états de la matière

Tout ce qui nous entoure est de la matière : l'eau, l'air, le sable, le fer, le sel. La matière existe sous trois états physiques.

• L'état solide : le fer, le bois, la glace, le sel.
• L'état liquide : l'eau, l'huile, le pétrole.
• L'état gazeux : l'air, la vapeur d'eau, le gaz butane de la bouteille de cuisine, le dioxyde de carbone.

2. Propriétés des trois états

Le solide a une forme propre et un volume propre. Il n'est pas compressible. Un solide en poudre, comme le sable ou la farine de mil, peut s'écouler mais chaque grain reste un solide.

Le liquide a un volume propre mais pas de forme propre : il prend la forme du récipient. Sa surface libre est plane et horizontale. Il est très peu compressible.

Le gaz n'a ni forme propre ni volume propre : il occupe tout l'espace disponible. Il est facilement compressible, comme l'air d'une pompe à vélo.

3. Interprétation par le modèle particulaire

La matière est formée de particules très petites.

• Dans un solide, les particules sont serrées, ordonnées et ne peuvent que vibrer.
• Dans un liquide, les particules sont proches mais désordonnées et peuvent glisser les unes sur les autres.
• Dans un gaz, les particules sont très éloignées, très agitées et se déplacent dans toutes les directions.

4. Les changements d'état

Définition : un changement d'état est le passage d'un état physique à un autre sans changement de nature de la substance.

La fusion : solide vers liquide (la glace fond).

La solidification : liquide vers solide (l'eau gèle).

La vaporisation : liquide vers gaz (évaporation ou ébullition).

La liquéfaction : gaz vers liquide (la vapeur forme des gouttes).

La sublimation : solide directement vers gaz (la naphtaline disparaît).

La condensation solide : gaz directement vers solide (le givre).

Exemple : à Saint-Louis, le linge qui sèche au soleil subit une vaporisation de l'eau. La buée sur un verre d'eau fraîche est une liquéfaction de la vapeur d'eau de l'air.

5. Les températures de changement d'état de l'eau

À la pression atmosphérique normale, l'eau pure fond à 0 °C et bout à 100 °C. Pendant un changement d'état d'un corps pur, la température reste constante : c'est un palier de température.

Exemple : de la glace à −10 °C chauffée régulièrement voit sa température monter jusqu'à 0 °C, puis rester à 0 °C pendant toute la fusion, monter jusqu'à 100 °C, puis rester à 100 °C pendant l'ébullition.

L'évaporation, elle, se produit à toute température et seulement à la surface du liquide.

6. Conservation de la masse

Propriété : lors d'un changement d'état, la masse se conserve, car le nombre de particules ne change pas. Le volume, en revanche, peut changer : l'eau qui gèle augmente de volume (environ 9 %), ce qui peut faire éclater une bouteille pleine laissée au congélateur.

7. La masse volumique

Définition : la masse volumique d'une substance est la masse d'une unité de volume de cette substance.

ρ = m / V

Unités : kg/m³, g/cm³ ou g/mL, kg/L. Pour l'eau, ρ = 1 g/cm³ = 1 kg/L = 1 000 kg/m³.

Exemples : huile 0,9 g/cm³ ; glace 0,92 g/cm³ ; aluminium 2,7 g/cm³ ; cuivre 8,9 g/cm³. Un objet plus dense que l'eau coule, un objet moins dense qu'elle flotte : l'huile et la glace flottent sur l'eau.

Mesurer un volume : on utilise une éprouvette graduée. Pour un solide irrégulier, on mesure le volume d'eau déplacé.

8. Méthode pour le BFEM

• Identifier l'état initial et l'état final avant de nommer le changement d'état.
• Pour une masse volumique, écrire la formule, convertir les unités, puis calculer.
• Pour un graphique de température, repérer les paliers : ce sont les changements d'état.
• Rappeler que la masse se conserve, mais pas toujours le volume.
• Donner le résultat avec son unité.