Physique/Chimie - 5ème - Solidification de l`eau

Document du professeur 1/6
Niveau 5
ème
Physique - Chimie
ETUDE D’UN CHANGEMENT D’ETAT DE L’EAU :
LA SOLIDIFICATION
Programme
L’EAU DANS NOTRE ENVIRONNEMENT.
CONTENUS-NOTIONS
COMPETENCES
EXEMPLES D’ACTIVITES
Que se passe-t-il quand on
chauffe ou refroidit l’eau (sous la
pression atmosphérique) ?
Connaître les températures de
changement d’état de l’eau sous
pression normale.
Réalisation, observation et
schématisation d’expériences de
changement d’état.
LES CHANGEMENTS D’ETAT DE
L’EAU, APPROCHE
PHENOMENOLOGIQUE.
Les changements d’état sont
inversibles.
Existence d’un palier de
température lors d’un changement
d’état pour un corps pur.
Pré requis de l’élève
o L’élève connaît l’état liquide et solide de l’eau.
Mots-clé
o
o
o
o
Mélange réfrigérant
Thermomètre
Solidification
Température
o
o
o
Fusion
Solide
Liquide
Liste de matériel
Poste élève
o Thermomètre de poche
o Bécher 400 mL
o Tube à essais
o Agitateur métallique en spirale
Référence
04967
08635
06690
à réaliser
Liste de matériel de sécurité
Poste élève
o Blouse de laboratoire F ou H
1086 ou 1085
Remarques, astuces
o
o
o
A préparer 3 jours avant le TP : pour la fabrication du réfrigérant placer au congélateur 2 ou 3 bouteilles
d’eau en plastique remplies au 2/3 d’eau du robinet
Le tube à essais utilisé ne doit pas être trop profond de manière à ce que l’extrémité de la sonde
thermométrique puisse presque en toucher le fond.
Il existe plusieurs méthodes pour obtenir un mélange réfrigérant :
Placer dans le congélateur des bouteilles en matière plastique remplies au 2/3 * d’eau ou des bacs à
glaçons. Avant le TP, piler la glace à l’aide d’un gros marteau, puis verser du gros sel en quantité non
négligeable (1/4 de sel, 3/4 de glace pilée). Cet ajout de sel dans la glace pilée se fait devant les élèves.
Mélanger jusqu’à obtention d’une température voisine de – 12 °C.
AVANTAGES :
- simplicité
- la température du mélange réfrigérant demeure très basse pendant un
temps relativement long (environ – 7°C au bout de 2 h 30 avec 1,5
litre de mélange réfrigérant dans une bassine)
INCONVENIENT : - le mélange réfrigérant n’est pas réutilisable.
* cette quantité permet d’obtenir une épaisseur de glace qui peut être facilement pilée. Le marteau peut
frapper directement la bouteille si celle-ci est en PET, elle ne se brisera pas.
© PIERRON 2006
Changement d’état de l’eau (page 1)
Document du professeur 2/6
Saturer de l’eau en sel puis placer la solution obtenue dans le congélateur. Le mélange réfrigérant
obtenu sera visqueux mais conservera les propriétés de l’état liquide tout en étant à des températures
très basses : - 18 °C.
AVANTAGE :
- le mélange réfrigérant pourra être réutilisé pour d’autres manipulations.
INCONVENIENTS : - il faut bien doser la solution en sel, sinon le « réfrigérant » sera solide
en sortie du congélateur.
- le mélange réfrigérant se réchauffe rapidement (environ – 7°C au bout
de 15 minutes)
D’un point de vue pratique et de commodité, c’est la première solution (sel et glace pilée) qui est
utilisée principalement par les professeurs.
Il est INTERDIT d’utiliser des liquides « lave-glace » pour voiture avec antigel car certains d’entre eux
contiennent des solvants cancérigènes.
o
o
o
De l’eau du robinet (bien qu’elle ne soit pas pure au sens chimique du terme) peut convenir si on ne
dispose pas d’eau distillée.
Dés que la manipulation commence (tube à essais plongé dans le mélange réfrigérant) la température
de l’eau à solidifier chute très rapidement. Cette baisse rapide de la température peut placer l’eau à
solidifier en état de surfusion. Celle-ci atteint des températures négatives (-2 à -3 °C) tout en étant à
l’état liquide. Ce phénomène n’est que transitoire. En effet, au bout de quelques secondes la
température remonte et se stabilise aux environs de 0°C. Ce phénomène peut être évité en
maintenant une agitation à l’intérieur du tube à essais grâce à un agitateur métallique placé en
spirale autour de la sonde thermométrique.
D’une manière générale, les élèves ne s’attendent pas à assister à un palier de température. Au cours de
celui-ci, la motivation a tendance à s’abaisser, le professeur doit circuler dans les groupes pour
conforter les observations et faire poursuivre les mesures.
ATTENTION : compte tenu du volume de travail et de la longueur des mesures, ce TP peut se dérouler
sur une séance entière.
Prolongements
o La fusion (activité proposée aux élèves au cours de ce TP)
o La solidification d’un autre corps pur tel que le cyclohexane. Il s’agit dorénavant d’une
manipulation « professeur ». Sa mise en œuvre ne nécessite pas un réfrigérant aussi froid : en
effet la température de solidification ou de fusion du cyclohexane est 6,5°C.
o La conservation de la masse et la modification du volume lors des changements d’état.
o Explication physico-chimique concernant le mélange réfrigérant : en présence du sel, les liaisons
qui maintenaient les molécules d’eau à l’état solide se cassent en puisant de l’énergie dans le
milieu environnant. La température de ce dernier baisse et reste à des températures très basses
(environ – 15 à 17 °C) tant qu’il reste de l’eau à l’état solide. Le mélange réfrigérant obtenu
devient peu à peu visqueux.
Pistes d’évaluation
Expérimentales
Théoriques
© PIERRON 2006
-
Respecter les consignes expérimentales lors du contrôle de la mise en
œuvre des manipulations
Accepter l’attribution des différents rôles au sein des groupes
Lire correctement les mesures affichées par le thermomètre
Gérer la continuité des mesures
Porter la blouse
Ranger le matériel et nettoyer la paillasse
Tracer un graphe
Interpréter un graphe
Répondre correctement aux questions posées
Constater que fusion et solidification se font à la même température.
Changement d’état de l’eau (page 2)
Document du professeur 3/6
Nom :
Prénom :
Classe :
Date :
Physique – Chimie
ETUDE D’UN CHANGEMENT D’ETAT DE L’EAU
Objectifs :
- Connaître l’évolution de la température d’un corps pur au cours de sa solidification ;
- Savoir tracer un graphique ;
- Être capable d’interpréter un graphique ;
- Connaître la température de solidification et de fusion de l’eau pure.
Activité 1 : Le schéma de l’expérience.
1. Qu’est-ce qu’un « glaçon » ? C’est de l’eau à l’état solide.
2. Comment faut-il procéder pour transformer de l’eau liquide en eau solide ?
Pour transformer le l’eau liquide en eau solide, il faut la refroidir fortement.
Cette transformation sera effectuée au cours de cette séance . Pour cela, un tube à essais contenant de l’eau
liquide est placé dans un mélange réfrigérant constitué de glace pilée et de sel.
Un suivi de température sera réalisé.
3. Annoter le schéma suivant avec les termes : bécher, tube à essais, mélange réfrigérant, sonde
thermométrique, thermomètre, eau à refroidir.
4. Quel est le rôle du mélange réfrigérant ?
Le rôle du mélange réfrigérant est de refroidir l’eau qui est dans le tube à essais afin de la solidifier.
Activité 2 : Les relevés de la température.
1. Remplir le bécher au ¾ de mélange réfrigérant.
2. Verser dans le tube à essais une hauteur de 1 cm d’eau distillée.
3. Préparer le tableau de mesures relatif à la solidification
TOP
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Temps t
0
15s
30s
1 min
2 min
3 min
4 min
5 min
6 min
7 min
8 min
9 min
θ en °C
17,9
14,0
9,0
4,0
0
0
0
0
0
- 0,8
- 2,9
- 6,0
4. Distribuer les rôles au sein du groupe :
- élève n° 1 : donne un TOP de mesure toutes les 30 s -sauf les deux premiers « TOPS » qui sont à
15 s d’intervalle-.
- élève n° 2 : lit la température et assure le maintien du dispositf dans le becher.
- élève n° 3 : note la température relevée dans le tableau de mesures.
5.
Introduire l’agitateur métallique en spirale dans le tube à essais ansi que la sonde
thermométrique qui sera placée au cœur de l’agitateur
© PIERRON 2006
Changement d’état de l’eau (page 3)
Document du professeur 4/6
6.
Au TOP « 0 », introduire immédiatement le tube à
essais dans le mélange réfrigérant tout en remuant
légèrement.
Compléter, à l’encre bleue, la première colonne du
tableau : la température θ (en ° C) de l’eau est
pratiquement à la température de la salle de classe
7. Poursuivre les relevés au bout de 15 s (top « 1 » et
« 2 »), puis toutes les 30 secondes sans oublier de
remplir, en bleu, la troisième ligne du tableau de
mesures jusqu’au la dernière colonne.
8. Sortir alors le tube à essais du mélange réfrigérant.
Observations :
quel est l’état de l’eau à la fin de l’expérience ?
A la fin de l’expérience, l’eau est solide.
Question : quel changement d’état a-t-elle subi ?
L’eau a subi une solidification
9 . Entourer le tube à essais avec vos mains et recommencer
le relevé de températures.
Compléter le nouveau tableau de mesures ci-dessous en
reportant les valeurs de températures à l’encre rouge :
La sonde thermométrique sortie du tube
à essais à la fin de l’expérience
TOP
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Temps t
0
15s
30s
1 min
2 min
3 min
4 min
5 min
6 min
7 min
8 min
9 min
-4,0
-0,4
0
0
0
0
0
0,5
3,1
9,7
18,0
*
θ en °C
Observations : quel est maintenant l’état de l’eau à la fin de l’expérience ?.
À la fin de l’expérience, l’eau est redevenue liquide.
Question : quel changement d’état a-t-elle subi dans ce cas ? La glace a subi la fusion.
Activité 3 : Exploitation des résultats recueillis, en bleu, dans le premier tableau de mesures :
tracé du graphique donnant l’évolution de la température θ en fonction du temps t
1. Préparation du graphique : Prendre une feuille de papier millimétré.
2. Choix de l’échelle
axe des abscisses qui sera l’axe des temps t
Choisir parmi les propositions ci-dessous l’échelle qui convient le mieux :
En prenant 1 cm pour 1 min , le nombre de cm nécessaires sera de 9 cm
En prenant 1 cm pour 2 min , il faudra 4,5 cm
En prenant 2 cm pour 1 min, 18 cm seront nécessaires.
axe des ordonnées qui sera l’axe des températures θ :
Choisir parmi les propositions ci-dessous l’échelle qui convient le mieux :
© PIERRON 2006
Changement d’état de l’eau (page 4)
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En prenant 1 cm pour 1 °C , le nombre de cm nécessaires sera : 24 cm
En prenant 1 cm pour 2 °C, il faudra 12 cm
En prenant 2 cm pour 1 °C , 48 cm seront nécessaires
Écrire l’échelle choisie :
- pour l’axe des abscisses (axe des temps) : 1 cm pour 1 min
- pour l’axe des ordonnées (axes des températures) : 1 cm pour 2 °C
3. Tracer les axes et les graduer, écrire aux extrémités t ou θ avec les unités employées entre
parenthèses
4. Réalisation du graphique : reporter les mesures sur le graphique et tracer la courbe.
5. Interprétation du graphique
Combien de parties peuvent être observées sur le graphique ? 3 parties sont observées
Quel est ou quels sont les états de l’eau dans chacune d’elles ?
Partie 1 : état liquide
- Partie 2 :état liquide et état solide
- Partie 3 : état solide
Que se passe-t-il à la fin de la première partie ? le premier cristal de glace se forme
Que se passe-t-il à la fin de la deuxième partie ? le dernier cristal de glace se forme
Que s’est-il passé au cours de la deuxième partie ? l’eau liquide s’est transformée en eau solide
Entourer les bonnes réponses : La solidification de l’eau s’effectue à une température qui varie /
et qui vaut
°C.
CONCLUSION
En refroidissant, l’eau passe de l’état liquide à l’état solide à une température valant
0 °C.
Ce changement d’état appelé solidification s’effectue à température constante.
© PIERRON 2006
Changement d’état de l’eau (page 5)
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PROLONGEMENTS.
Les relevés de température reportés à l’encre rouge dans le second tableau correspondent au réchauffement de
la glace et à sa transformation en eau liquide : ce changement d’état s’appelle la fusion.
Une courbe donnant l’évolution de la température θ en fonction du temps t peut aussi être tracée.
La réaliser à la maison et compléter la phrase ci-après.
CONCLUSION
En se réchauffant, l’eau solide (ou glace) passe de l’état solide à l’état liquide.
Cette transformation s’appelle une fusion.
Elle s’effectue également à la température constante de 0 °C qui est la même que la
température de solidification.
Les changements d’état sont inversibles.
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Changement d’état de l’eau (page 6)