Les  états  de  l’eau  

But   :   les   trois   états   de   la  ma1ère   -­‐   découvrir   l’eau  dans   ses   trois   états,  solide,  liquide  et  gazeux  –  u1liser  un  thermomètre    Défi  :  fabriquer  un  glaçon  suspendu,  faire  fondre  un  glaçon  en  accéléré.      Étapes  :  1)  Reconnaître  un  solide,  un  liquide  et  …  un  gaz  2)  Fabriquer  de  l’eau  solide  3)  Faire  fondre  de  la  glace  4)  Température  du  mélange  eau-­‐glace  5)  Évapora1on  –  ébulli1on  

Matériel  :  flacons  avec  couvercles,  une  grande  bassine,  1  kg  de  gros  sel,  laine,   thermomètres,   balances   mathéma1ques,   fonds   de   bouteilles  d’1/2l.   Casserole,   plaque   chauffante,   thermomètre   culinaire   (dépassant  100°C)    Achats  :  Flacons  avec  couvercles  :  le  lot  de  10  -­‐    5,8€hZp://www.jeulin.fr/fr/a-­‐a1032246-­‐edc1000003/ar1cle.html#.VWnRT6bZnFQ  Thermomètre  analogique  de    congélateur  :  environ  3€  l’unité  Thermomètre  à  sonde  pour  la  cuisson  15€  (Cyclades  électronique)  Balances  mathéma1ques      Prépara2on   :   prévoir   les   glaçons,   découper   les   fonds   de   bouteille   pour  fabriquer  des  pe1ts  plateaux  de  balance.  

Objec2f  :  reconnaître  un  solide,  un  liquide,  un  gaz      Matériel  :  16  flacons,  5  seringues,  5  entonnoirs,  gobelets.  Contenus  :  cf  tableau  ci-­‐contre  :  les  objets  sont  dans  les  16  flacons    On  distribue  3  flacons  par  groupe,  les  élèves  les  é1queZent  (1,2,3)  (4,5,6),  ….  Les  flacons  tourneront  entre  les  différents  groupes  ou  pas  selon  le  temps  disponible.    Défi  1  :  peux-­‐tu  iden1fier  le  contenu  de  chaque  flacon  ?  On  peut  deviner,  on  écrit  au  tableau  les  «  hypothèses  ».      Défi  2  :  peux-­‐tu  caractériser  ce  contenu  ?  On  établit  une  liste  de  propriétés  (tableau  «  propriétés  du  contenu  »  à  faire  remplir).    Défi  3  :  comment  peux-­‐tu  classer  ces  flacons?  («  Tableau  à  compléter  »  à  faire  remplir).  Trouver  le  1tre  de  chaque  colonne.  (indice  :  quelles  sont  les  3  catégories)    puis  déterminer  si  solide,  liquide  ou  gazeux.        Recherche  de  la  défini.on  d’un  solide,  d’un  liquide  et  d’un  gaz.      Connaissez-­‐vous  quelque  chose  qui  peut  être  soit  solide,  soit  liquide  soit  même  gazeux  ?      Conclusion  :  nous  connaissons  l’eau  dans  au  moins  deux  états  :  solide  et  liquide,  et  elle  peut  exister  dans  un  3ème  état  ,  l’état  gazeux  (ou  vapeur  d’eau)    

1  -­‐  Les  3  états  de  la  ma2ère  

Flacon  n°  

Dur  /  mou  ?  

Coule  /ne  coule  pas  

Odeur  ?  

Couleur  ?  

Saveur  ?    

Déformable  ?  

Préhensible  ?  

On  peut  aspirer  ?  

On  peut  transvaser  ?  On  peut  

comprimer  ?    

Conclusion  :  il  existe  ……  états  de  la  ma1ère  :                            ………………….  ,  ………………………,  ……………………..      L’eau  est  très  spéciale  parce  qu’  on  peut  la  trouver  dans  la  nature    dans  ces  ………………  états.    

n°   Objet  /  matériau  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

8  

9  

10  

11  

13  

14  

15  

16  

Tableau  à  compléter  Propriétés  du  contenu  

 Discussion  :  comment  fabriquer  de  l’eau  solide  ?    Matériel  :  Flacon  (ici  tube  à  essai)    :  1  par  groupe  +  une  perle  aZachée  à  un  fil  de  laine.    Une  grande  bassine  Glace  pilée  I  kg  de  gros  sel  I  balance  Thermomètres  :  appren1ssage  de  leur  u1lisa1on.    Prépara1on  du  mélange  réfrigérant  devant  les  enfants  et  distribu1on;  propor1on  

25%  de  sel,  75%  de  glace  en  masse  (ici  montré  dans  un  gobelet).  A  ton  avis,  ce  mélange  est-­‐il  2ède,  froid  ou  très  froid  ?  Comment  pourrais-­‐tu  le  

savoir  précisément  ?    Mesure  de  la  température  :  chaque  groupe  met  son  thermomètre  dans  la  bassine  et  

repère  la  température.  La  noter    Propose  ton  expérience  pour  fabriquer  un  glaçon.  ANen2on,  il  faut  prévoir  de  le  

re2rer  du  flacon.  Eau  dans  un  flacon,  é1queter  (n°  du  groupe).    On  peut  a;acher  une  perle  à  un  fil  et  laisser  tremper  le  fil  pendant  la  prise,  pour  

re?rer  le  glaçon    après.  On  place  les  flacons  dans  le  mélange.  Repérer  l’heure.  Vérifier  après  10  minutes.      Pendant  l’a;ente,  commencer  la  trace  écrite.    Qu’est-­‐il  arrivé  à  l’eau  du  flacon  ?  Est-­‐ce  que  la  glace,  c’est  de  l’eau  ?    Que  va-­‐t-­‐il  

arriver  à  ton  glaçon  maintenant  que  tu  l’as  sor2  du  flacon  ?      Conclusion  :    l’eau  se  transforme  en  glace  quand  on  refroidit  en  dessous  de  0°C.  La  

glace  est  l’état  solide  de  l’eau.  Elle  se  transforme  en  eau  quand  on  la  sort.      

2  -­‐  Fabriquer  de  l’eau  solide   -15°C

 N°  de  flacon  

Dessine  la  colonne  bleue  Du  thermomètre  dans  le  mélange  réfrigérant  

Dessine  le  glaçon  suspendu  

       

Conclusion  :      Mon  glaçon  était  formé  après  ………………minutes.    L’eau  se  transforme  en  …………………  quand  on  la      refroidit  à…………………….°C.    

 La  glace  est  l’état  ………………….      de  l’eau.            

Pour  fabriquer  de  la  glace  il  faut  refroidir/réchauffer  de  l’eau    Nous  avons  u1lisé  un  mélange  de    …………………………………………      

Quelle  est  la  quan2té  d’eau  que  donne  un  glaçon  en  fondant  ?      Pour  le  savoir,  j’ai  placé  ……………………………….    dans  un  plateau  d’un  côté  de  …………………………………………  et  j’ai    ………………………………………………….    avec  des  rondelles.      Je  note  l’heure  

À      ……………h    ………………,  j’ai  observé  que      L’équilibre  avait  changé  /  n’avait  pas  changé.    Conclusion  :  ………………………….  produite  par  …………………………    en  fondant  pèse  ………………………………….  que  le  glaçon.  

3  –  Faire  fondre  un  glaçon  -­‐  Point  fixe  eau-­‐glace  

Matériel  :  gobelets,  glaçons,  balance  mathéma1que,  fond  de  bouteille,  fil  de  laine,  maillet,  sac  plas1que  et  serpillère  pour  piler  la  glace  (elle  fond  plus  vite    et  on  mélange  mieux).      1)  L’eau  produite  par  un  glaçon  quand  il  fond  pèse-­‐t-­‐elle  le  même  poids  que  le  glaçon  ?    Quelle  expérience  pour  le  savoir  ?  On  place  de  la  glace  pilée    (10-­‐15g)  dans  un  pe1t  bac  et  on  équilibre  la  balance.  Chaque  binôme,  chacun  son  tour,  viendra  observer  régulièrement  (40mn  d’a;ente  environ,  équilibre  inchangé).    2)  Comment  faire  fondre  un  glaçon  le  plus  vite  possible?  Faire  la  liste  des  proposi1ons,  les  tester  (radiateur,  eau  chaude,    vêtement  en  laine,  four  micro-­‐onde)    3)  On  a  chauffé  pour  faire  fondre  la  glace,  mais  que  se  passe-­‐t-­‐il  si  on  aNend  ,  comme  dans  l’expérience  en  cours  de  la  balance  ?    La  glace  se  transforme  en  eau.    Ce  mélange  eau-­‐glace  se  réchauffe-­‐t-­‐il  ?    Pour  de  l’eau  parfaitement  pure,  le  mélange  reste  à  0°C.  Avec  l’eau  du  robinet,  tant  que  la  glace  n’a  pas  en?èrement  fondu,  la  température  reste  stable  et  proche  de  0°C.  Voir  ci-­‐après  à  propos  des  températures  de  changement  d’état.    Chaque  binôme  suit  la  température  du  mélange  de  10g  de  glace  pilée  et  d’eau  (1  cuiller  à  café)  .  On  relève  la  température  régulièrement  après  avoir  bien  mélangé  (essen.el).  Comparaison  des  résultats.  On    constate  qu’ils  sont  tous  groupés  et  proches  de  0°C  ci-­‐contre  3°C  –  et  que  la  température  augmente  dès  que  la  glace  a  totalement  disparu.      Conclusions  :  pour  faire  fondre  rapidement  de  la  glace,  il  faut  chauffer  -­‐  La  glace  se  transforme  en  eau  liquide  ,  dont  le  poids  est  le  même  que  celui    du  glaçon  (conserva2on  de  la  ma2ère)  –  Quand  la  glace  fond,  en  présence  d’eau  liquide,  la  température  est  stable  jusqu’à  dispari1on  de  la  glace,  et  proche  de  0°C.    C’est  la  température  de  transforma2on  de  l’eau  solide  en  eau  liquide.    

                   6                                                  20                                      26                                        32  La  température  est  stable    vers  3°C.  À  26mn,  il  n’y  a  plus    de  glace  ,  et  la  température  commence  à  augmenter.    

glace  

eau  

Mesurer  une  température  de  fusion  de  la  glace  de  0°C  (et  d’ébulli1on  de  100°C)  ?  C’est  seulement  l’eau  pure  (exempte  de  sels  minéraux  ou  de  produits  désinfectants  ou  de  gaz  dissous)  qui  se  solidifie  ou  fond    à  0°C  et  qui  bout  à  100°C,  pour  une  pression  ambiante  de  760mm  Hg.  Une  expérience  avec  de  l’eau  du  robinet,  la  plus  simple  à  effectuer,  donnera  des  températures  proches  de  0°C  ou  de  100°C,  mais  pas  exactement.    L’échelle  Celsius  a  été  définie  précisément  en  se  basant  sur  les  températures  de  fusion  et  d’ébulli?on  de  l’eau  pure,  auxquelles  les  valeurs  0°C  et  100°C  ont  été  a;ribuées.  Dans  l’échelle  Fahrenheit,  l’eau  pure  fond  à  32°F  et    bout  à  212°F  .    On  peut  cependant  observer  -­‐  et  c’est  ce  qui  est  important,  que  quand  de  la  glace  fond  et  donne  de  l’eau,  le  mélange  eau-­‐glace  reste  à  une  température  fixe  tant  que  glace  et  eau  coexistent.  De  même,  on  pourra  montrer  aux  élèves  que  lorsqu’on  fait  bouillir  de  l’eau,  tant  qu’il  reste  de  l’eau  dans  la  casserole  (coexistence  liquide-­‐vapeur)  la  température  est  stable.  La  stabilité  des  ces  températures,  indépendamment  de  leur  valeur,  cons1tue  le  point  important.      Protocole  suggéré  pour  faire  la  mesure  dans  un  temps  raisonnable  U1liser  des  pe1ts  flacons  de  façon  que  le  réservoir  du  thermomètre  soit  bien  recouvert.  MeZre  10g  de  glace  pilée    dans  le  flacon  de  gauche,  ajouter  une  cuiller  à  café  d’eau,  mélanger  et  mesurer  (15g  de  glace  dans  le  flacon  de  droite,  +  une  cuiller  à  café  d’eau).  Au  bout  de  25mn  environ,  la  glace  a  fondu  et  la  température  commence  à  augmenter.  On  remarque  que  la  température  est  encore  stable  dans  le  flacon  de  droite,  où  on  a  mis  15g  de  glace,  qui  n’a  pas  totalement  fondu.    

6mn  après  avoir  fait  le  mélange,                                                      20mn                                                                26mn  -­‐  la  glace  a  en1èrement                                              35mn  –  il  reste  encore                                                                                                                                                                                                                                                            fondu  dans  le  flacon  de  gauche      de  la  glace  dans  le  flacon  de  droite  

Le  point  de  fusion  de  la  glace  

Observa2ons  expérimentales:    Pour  faire  fondre  un  glaçon  il  faut  le  chauffer  /  le    refroidir  /  l’envelopper    La  façon  la  plus  efficace  de  le  chauffer  est  :    ……………………………………………………………………………………      Quand  on  a  un  mélange  d’eau  et  de  glace,  la  température      reste  stable  /  diminue  /  augmente.    La  température  affichée  par  le  thermomètre  est  ……………………………°C.        Quand  toute  la  glace  a  fondu,  la  température  reste  stable  /  augmente  /  diminue.        Conclusion  des  expériences  :      Tant  que  la  …………………….…..  se  transforme      en  …………………….,  la  température  ne  change      pas  /  change  :  elle  reste  égale  à  ……………..°C.      

Dessin  de  la  prise  de  température                                                  

4  -­‐  changement  d’état  liquide-­‐gaz    Matériel  Casserole  à  bord  hauts,  un  grand  thermomètre  ou  un  thermomètre  à  sonde  

pour  la  cuisson.  Une  plaque  chauffante    Ques2onnement  :  Que  se  passe-­‐t-­‐il  si  on  chauffe  de  l’eau  ?  Quelle  est  la  température  de  l’eau  quand  elle  bout  ?    Si  on  aZend  assez  longtemps,  que  se  passe-­‐t-­‐il  ?    Qu’est  devenue  l’eau  qui  était  dans  la  casserole  ?    Enjeu  :  comprendre  que  quand  l’eau  bout,  elle  devient  vapeur  d’eau.    La    vraie  vapeur  d’eau  est  invisible.  Le  brouillard,  la  buée,  les  nuages  sont  

visibles  parce  que  ce  sont  des  gou;ele;es  d’eau.    Expérience  devant  les  enfants  de  l’ébulli2on  de  l’eau  :    En  salle  avec  plaque  chauffante  :  on  fait  bouillir  de  l’eau  tranquillement  Et  on  plonge  le  thermomètre  dans  l’eau.  Les  premières  bulles  qui  apparaissent  sont  celles  des  gaz  dissous  dans  l’eau,  il  

faut  a;endre  l’ébulli?on  «  à  gros  bouillons  ».  Les  élèves  passent  devant  l’expérience  et  note  leurs  observa1ons  Der  retour  à  sa  place,  dessin  de  l’expérience  et  observa1ons    Remarque  n°1  :  Comme  dans  le  cas  de  la  fusion  de  la  glace,  la  température  lue  

n’est  pas  nécessairement  celle  qu’on  a;end  (100°C).  L’important  est  qu’ici  encore,  pendant  toute  l’ébulli.on,  la  température  sera  stable.  

Remarque  n°2  :  le  nuage  ou  brouillard  visible  qui  s’élève  au-­‐dessus  de  la  casserole  est  composé  de  gou;ele;es  d’eau  liquide.  Ces  gou;ele;es  traduisent  la  présence  de  vapeur  d’eau  (invisible)    qui  se  condense  en  gouGeleGes  d’eau  (visibles)    dans  l’air  ambiant,  dont  la  température  est  très  inférieure  à  100°C.      

 Conclusion    :  quand  l’eau  bout,  la  température  est  stable  vers  100°C  C’est  la  température  de  transforma2on  de  l’eau  liquide  en  eau  gaz  (ou  

vapeur  d’eau,  qui  est  invisible  (comme  l’air).        

Le  thermomètre  plongé  dans  l’eau  en  ébulli1on  de  la  bouilloire    indique  100°C.    

Lecture  avec  un  thermomètre  à,  sonde  de  cuisson.  On  lit  98°C  (problème  d’étalonnage  du  thermomètre  ?)  

Le  point  d’ébulli1on  de  l’eau  

Observa2ons  expérimentales  :  entoure  la  bonne  réponse  ou  complète.  

 Pour  faire  bouillir  de  l’eau,  il  faut  agiter  /  chauffer    Quand  l’eau  bout,  la  température    reste  stable  /  diminue  /  augmente.    Que  vois-­‐tu  dans  la  casserole  ?    De  l’eau  /  des  bulles  /  de  l’eau  et  des  bulles      La  température  affichée  par  le  thermomètre  est    ……………………………°C.        Qu’as-­‐tu  observé  ?  Tant  que  l’eau  …………………….…..  ,      la  température  ne  change  pas  /  change.    Te  souviens  –tu  ?    Quand  l’eau  est  en  train  de  changer  d’état  (glace  –  eau  

liquide  ou  eau  liquide  –  vapeur  d’eau),  la  température  mesurée  ne  change  pas.  

Vrai  /  faux    

Dessin  de  l’expérience  de  l’ébulli2on  de  l’eau