Chapitre 5 : Exploiter des mesures pour caractériser la matière
1/ Comment évolue la température lors d’un changement d’état ?
A/ TP vaporisation Objectifs :
Suivre 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).
Compléter un tableau de valeurs.
Tracer 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) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Température (°C) 16 28 40 52 65 75 89 98 100 100 100 100 100 100 100 100
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 = 10 °C
Axe horizontal (abscisse) : temps t Unité : min 1 grand carreau = 1 min
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 70°C ?
4min et 30 s
6/ Au bout de 2 min et 30s, quelle est la température de l’eau ?
44 °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 Présence d’un palier sur la courbe ?
Corps pur Mélange ?
Changement d’état
Température(s) de changement d’état
Eau pure
Oui Corps
pur solidification 0 °C Cyclohexane
Oui Corps
pur solidification 6,5 °C Eau pure
Oui Corps
pur vaporisation 100 °C Eau salée
Non Mélange vaporisation de 105 à 110 °C
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 : T
solidification= 0° C T
vaporisation= 100 °C
La courbe « température T en fonction du temps t » présente un palier lors du changement d’état d’un corps pur.
Il n’y a jamais de palier pour les mélanges comme l’eau salée ou l’eau minérale.
B/ Dm changement d’état
(voir à la fin de ce cours)2/ Comment évoluent la masse et le volume lors d’un changement d’état ?
A/ TP : volume et masse lors d’un changement d’état
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.
1/ Ce que je vais faire…
Je vais prendre le tube à essai et marquer le niveau approximatif de la glace avec un marqueur.
Puis je vais la faire fondre en plongeant le tube à essai dans de l’eau chaude (si on avait le temps, on pourrait laisser à l’air libre)
Pour la masse, je vais peser le tube à essai au départ avec de la glace et à la fin une fois que toute l’eau aura fondu.
Le matériel que je vais utiliser est :
Bécher contenant de l’eau chaude, tube à essai contenant de la glace, balance.
2/ Je réalise mon expérience…
proprement et dans le calme. (appelle le professeur )3/ Ce que j’observe…
Les résultats de mon expérience sont : la masse ne change pas (50,0 g) lors de la fusion mais le volume diminue lors de la fusion.
4/ Ce que je conclus :
Rédige un « petit mot » à Brice pour répondre à sa question.Brice, je peux donc te dire que lors de la fusion de la glace, il y diminution du volume mais conservation de la masse. DONC lors d’une solidification, le volume a augmenté et la bouteille s’est cassée.
Je veux que tu me dises SI
La masse d’eau change lors du changement d’état ? Le volume change lors du changement d’état ?
Je n’ai pas de bouteille de glace à te donner, seulement un glaçon ou tube à essai contenant de l’eau congelée.
J’attends de toi une démarche scientifique
50.00 g 50.00 g
5/ Ouverture : J’interprète à l’aide des molécules :
Qu’est ce qui se conserve lors de la fusion de la glace au niveau microscopique ? Complète le schéma.Autres expériences possibles avec un liquide réfrigérant (solidification) :
Problème n°1 : Le volume d’eau a-t-il changé au cours de la solidification ?
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.
- 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 :
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.
La masse et le nombre de molécules sont conservés. Seule la disposition des molécules change, donc le volume (il diminue d’ailleurs)
- Après solidification, on relève la masse affichée.
Schéma du montage :
6/ Note les résultats de l’expérience n°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.
B/ Bilan du TP
Lors d’un changement d’état, il y a conservation de la masse mais variation du volume.
C/ Activité : Qu’est-ce qui fait monter le niveau des océans ? (s’il y a le temps)
Emission sur les cobayes : Qu’est-ce qui fait monter le niveau des océans ? (lien : https://www.youtube.com/watch?v=6RZYTVv1Pq4 )
1/ Les cobayes citent deux causes à la montée des océans : Lesquelles ? La dilatation thermique et la fonte des glaces continentales.
2/ Quelle est la première expérience effectuée par les cobayes pour montrer que l’effet de l’augmentation de la température ?
Ils remplissent un ballon d’eau avec du colorant et chauffent le ballon. Un tube capillaire surmonte le ballon.
L’eau liquide se dilate car les molécules sont plus agitées.
3/ Réalise un schéma de cette expérience.
4/ Quelle est la deuxième expérience effectuée par les cobayes pour montrer l’effet de la fusion de la glace de la banquise et des glaciers ?
2 morceaux de glace. La banquise est modélisée par un morceau de glace qui flotte directement dans l’eau et la calottte glacière (glaciers, neige continentale…) par un morceau de glace situé sur deux parpaings.
5/ Réalise un schéma de cette expérience.
6/ Quelle conclusion peut-on tirer de cette deuxième expérience ?
La banquise qui fond ne fait pas monter le niveau alors que l’eau des glaciers et des calottes glacières fait augmenter le niveau de l’océan.
7/ Qu’est-ce qui fait le plus monter le niveau des océans : la dilatation thermique ou la fonte des glaces ?
La banquise » appuie » déjà sur l’eau des océans alors que les glaciers apportent de l’eau supplémentaire.
C’est la dilatation thermique qui a le plus grand rôle dans l’augmentation du niveau. L’océan a monté de 20 cm depuis le début du 20 ème siècle : 2/3 dû à la dilatation thermique et 1/3 dû à la fonte des glaciers.
Bilan :
Un réchauffement de notre planète peut entrainer la fonte des icebergs. On entend souvent que cette fonte des icebergs entraînerait la montée du niveau des océans.
Quelle est votre opinion ? Coche la bonne réponse
C’est la fonte des glaces terrestres (sur les continents) qui entraînerait la montée du niveau des océans.
C’est la fonte des icebergs qui entraînerait la montée du niveau des océans.
Même si les glaces terrestres et flottantes fondaient, le niveau des eaux ne varierait pas.
D/ Activité : L’iceberg(s’il y a le temps)
Question 1 Relie les adjectifs
Question 2
Placez les nombres suivants dans le tableau : (30 millions de litres, 300 millions de litres et 273 millions de kilogrammes, 27 millions de kilogrammes) . Dans les cases grisées du tableau, réalise l’opération en détaillant
Solidifié Emergeant Immergé
Qui est plongé dans un liquide
Qui ne peut être mélangé à l’eau
Qui dépasse de la surface d’un liquide
Qui est passé de l’état liquide à l’état solide
glace émergeante de
l’iceberg glace immergée de
l’iceberg Iceberg en entier Volume 30 millions de litres 300 millions de
litres 330 millions de litres Masse 27 millions de
kilogrammes
273 millions de kilogrammes
300 millions de kilogrammes Question 3
Parmi les propositions ci-dessous, coche les affirmations que le document permet de faire.
Le volume d’un kilogramme d’eau liquide est égal à un litre.
Le volume de glace immergée est supérieur au volume de glace émergeante.
Le volume de glace immergée est inférieur au volume de glace émergeante.
L’eau de mer n’est pas un corps pur.
L’eau de mer est un corps pur.
Question 4
Comment se nomme le changement d’état que subit l’iceberg quand il fond ? C’est la fusion
Question 5
À quelle température ce changement d’état se produirait-il à pression normale ? Elle fond à 0°C
Question 6
On considère une quantité donnée d’eau solide. Au cours de la fusion de cette eau, on peut dire que son volume…
augmente
diminue
reste le même Question 7
Quel serait le volume d’eau liquide obtenu à l’issue de la fonte de l’iceberg ?
360 millions de litres
330 millions de litres
300 millions de litres
Justifiez ton choix en formulant une phrase.
Si 330 millions de litres de glace fondent, ils vont donner un volume d’eau liquide de 300 millions de kilogrammes
Question 7 bis
Notez sur les pointillés les volumes correspondants à chaque partie.
Pour des soucis de compréhension, on
assimilera le volume (m3) à la
capacité (L)
Question 8
Lorsque l’iceberg fond entièrement, le volume total d’eau liquide produit est égal : (réponds en t’aidant de la question 7 bis)
au volume de glace qui était immergée.
au volume total de l’iceberg.
au volume de glace qui émergeait.
Question 9
Un réchauffement de notre planète peut entrainer la fonte des icebergs. On entend souvent que cette fonte des icebergs entraînerait la montée du niveau des océans.
Quelle est votre opinion ?
C’est la fonte des glaces terrestres (sur les continents) qui entraînerait la montée du niveau des océans.
C’est la fonte des icebergs qui entraînerait la montée du niveau des océans.
Même si les glaces terrestres et flottantes fondaient, le niveau des eaux ne varierait pas.
2/ Les exceptions de la nature
Pour que l’eau liquide se transforme en glace, il faut des petites impuretés, poussières ou créer des chocs. S’il n’y en a pas, l’eau commence à geler en dessous de 0°C : C’est la surfusion. Pour l’eau pure, cela peut aller jusqu’
à – 39°C !
Ce phénomène peut être très dangereux car il peut entrainer des pluies verglassantes (eau qui congèle instantanément en arrivant au sol) ou le givrage des avions.
glace émergeante glace immergée
glace immergée
………
………
…………
………….
…………
……
………
………
………
……
Eau liquide produite
L’iceberg fond
300 millions de L 30 millions de L
300 millions de L
Anecdote : Pendant l’hiver 1942, en Russie, au niveau du lac LAGODA, la température était de -30 °C. Des centaines de chevaux fuyaient un incendie de forêt et se précipitèrent dans les eaux propres et limpides du lac rempli d’eau liquide à -30 °C. L'eau se solidifia quasi instantanément à cause du choc des sabots. Tous les chevaux périrent, prisonniers de la glace.
Expérience :
Je suis Jean Sulpice, chef cuisinier deux étoiles au guide Michelin dans un restaurant à Val Thorens (2300 m d’altitude). Je vais te raconter ma petite histoire :
« J’ai appris la cuisine très tôt, à basse altitude. Quand j’ai bâti mon restaurant à 2300 m d’altitude, j’ai loupé la cuisson des spaghettis : sur le paquet, c’était noté 8 min alors qu’il m’en a fallu 20 min. des scientifiques m’ont dit que cela venait de la température d’ébullition de l’eau qui diminuait avec l’altitude ».
"Je me souviendrai toute ma vie du premier œuf à la coque que m'a commandé une cliente fortunée 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 passe à 6 minutes ! Et là, mon œuf à la coque était cuit juste comme il faut". Incroyable.
Liquide de refroidissement sortant du congélateur
Température : -18°C
Eau pure dans un tube à essai neuf et sans poussière
Avec thermomètre
T °C
La température de l’eau descend vite en dessous de 0°C, mais elle reste liquide
Au moindre choc, l’eau se solidifie instantanément : c’est la surfusion
1/ Quelle est la température d’ébullition de l’eau à 1013 hPa (0 m d’altitude) ? 100 °C
2/ Que fait la température d’ébullition de l’eau lorsque l’on monte en altitude ? Elle diminue
3/ Pourquoi Jean Sulpice a-t-il des difficultés à cuire l’œuf à la coque ?
La température d’ébullition de l’eau est plus faible en altitude car la pression est plus faible. Les aliments cuisent moins vite
4/ Quels sont les 2 choses responsables de la diminution de la température d’ébullition ? La pression et l’altitude
En 1687, Denis Papin a inventé la cocotte minute: Elle permet de faire cuire les aliments plus rapidement. En effet, la pression à l’intérieur est si grande (1700 hPa) que
l’eau bout à une température de 120 °C. Le temps de cuisson sera environ divisé par trois car la température de cuisson sera plus élevée.
5/ Complète le texte ci-dessous :
Lorsque la pression est grande, la température d’ébullition de l’eau pure est supérieure à 100 °C. Cela permet de faire cuire des aliments plus rapidement
Lorsque la pression est faible, la température d’ébullition de l’eau pure est inférieure à 100 °C. Les aliments cuisent malheureusement plus lentement.
Interprétation : Lorsque l'on bouche la fiole, l'espace contenu entre le liquide et le bouchon contient quasiment que de la vapeur En refroidissant, cette vapeur se liquéfie et la pression chute 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.
Altitude (m) 0 1000 2000 4000 6000 8000 10000
Pression atmosphérique (hPa) 1013 899 795 616 472 356 264
Température d’ébullition de l’eau (°C) 100 96 93 86 80 73 66
On chauffe
On retourne et on asperge d’eau froide : l’eau se met à bouillir.
Eau froide
4/ Densité des 3 états de l’eau
Densité de la glace Densité de l’eau liquide
Densité de la vapeur d’eau
0,920 g/cm 3 1,00 g/cm 3 0,000597 g/cm 3
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 que la pression atmosphérique de 1013 hPa.
