Atelier découverte · Chimie
L’eau change d’état
De la glace, de l’eau, de la vapeur : est-ce la même chose ? Chauffe des glaçons, surveille le thermomètre, et découvre ce qui se passe quand l’eau fond, bout, gèle ou fait de la buée.
Touche la courbe pour lire le temps et la température à cet endroit.
Palier 1 · DécouvrirChauffe des glaçons
L’expérience
- Mets des glaçons dans la casserole. Ils sortent du congélateur : ils sont à −18 °C.
- Avant d’allumer, fais ton pronostic juste en dessous.
- Allume le feu. Surveille le thermomètre, l’horloge, et la barre des masses sous la casserole.
Ton pronostic, avant d’allumer
Pendant que la glace fond, la température…
Pendant que l’eau bout, la température…
Glace, eau, vapeur : la même eau ?
La barre sous la casserole compte les grammes d’eau : en glace, en eau liquide, et en vapeur partie dans l’air de la cuisine.
La glace est de l’eau solide. L’eau du robinet est liquide. La vapeur d’eau est un gaz. Passer de l’un à l’autre, c’est un changement d’état.
Toute la glace a fondu. Regarde la barre : la masse d’eau, par rapport à la glace du début, est…
Regarde le total de la barre au début, puis maintenant. A-t-on ajouté quelque chose dans la casserole ?
L’eau liquide prend moins de place que la glace, c’est vrai. Mais la place, ce n’est pas la masse : regarde les grammes dans la barre.
Oui : les mêmes grammes, du début à la fin de la fonte. La glace n’a pas disparu : elle est devenue de l’eau liquide. Ce sont les mêmes molécules d’eau, rangées autrement.
La bouteille au congélateur
Une bouteille en verre, remplie d’eau jusqu’en haut et bien fermée, passe la nuit au congélateur.
Choisis « La bouteille » au-dessus de la scène et essaie. Regarde la balance et le niveau dans le goulot. La mission « La bouteille au congélateur » te demandera ce que tu as vu.
Avec une vraie bouteille en verre, les morceaux coupent : c’est une expérience à regarder ici plutôt qu’au congélateur.
Palier 2 · ComprendrePaliers, bulles et buée
La courbe de chauffe
Sous la casserole, un graphique trace la température au fil du temps. Remets des glaçons, allume le feu, et regarde la courbe se dessiner jusqu’à ce que la casserole soit vide.
Observe la courbe, puis complète la phrase.
Pendant que la glace fond, la température . Pendant que l’eau bout, elle .
Regarde la courbe tant qu’il reste de la glace : monte-t-elle, ou reste-t-elle à plat ?
Le feu apporte de la chaleur sans arrêt : la température ne peut pas baisser. Regarde la courbe pendant la fonte.
Regarde le thermomètre pendant que l’eau bout : dépasse-t-il 100 °C ?
Le feu chauffe toujours : la température ne baisse pas. Regarde la courbe pendant que l’eau bout.
Choisis un mot pour chaque trou.
Oui ! La courbe a deux morceaux plats : ce sont des paliers.
Comparer avec la règle
Pendant un changement d’état, la température d’une eau pure ne change pas : sur la courbe, c’est un palier. La glace fond à 0 °C. Au niveau de la mer, l’eau bout à 100 °C.
Essaie : pendant que la glace fond, passe au feu fort. Que devient le palier ?
Regarde le thermomètre juste après avoir mis le feu fort : quitte-t-il 0 °C tant qu’il reste de la glace ?
Regarde la barre de glace : fond-elle au même rythme avec le feu doux et avec le feu fort ?
Oui. Plus de chaleur à chaque seconde : la glace fond plus vite. Mais tant qu’il en reste, l’eau reste à 0 °C. Pour 500 g de glace : 5 min 34 s au feu doux, 1 min 24 s au feu fort.
Pourquoi un palier ?
Voici une image pour comprendre (ce n’est qu’une image). L’eau est faite de minuscules grains, les molécules d’eau (H₂O). La température dit à quel point elles s’agitent.
Pendant la fonte, la chaleur du feu sert à défaire le rangement de la glace, pas à agiter plus les molécules : la température ne monte pas. Pendant l’ébullition, elle sert à séparer les molécules les unes des autres.
Les bulles et le petit nuage blanc
Chauffe de l’eau jusqu’à ce qu’elle bouille, et observe bien :
- Bien avant l’ébullition, de toutes petites bulles se collent au fond. C’est l’air qui était dissous dans l’eau du robinet : il s’en va quand l’eau chauffe, et il n’y en a bientôt plus.
- Pendant l’ébullition, de grosses bulles naissent au fond, là où c’est le plus chaud. Elles ne s’arrêtent pas tant qu’il reste de l’eau.
- Pendant ce temps, la balance baisse : de l’eau quitte la casserole.
Alors, que contiennent les grosses bulles de l’eau qui bout ?
L’air dissous forme les petites bulles du début, et il est vite épuisé. Les grosses bulles, elles, continuent jusqu’à la dernière goutte, et la balance baisse. Ce qui sort de l’eau, c’est donc… de l’eau.
Une bulle vide serait écrasée aussitôt par l’eau autour. Quelque chose la gonfle de l’intérieur.
Pour casser les molécules d’eau en dioxygène et dihydrogène, il faut un courant électrique (une électrolyse) ou des milliers de degrés. À 100 °C, les molécules d’eau restent entières.
Oui : de la vapeur d’eau, de l’eau à l’état de gaz. Elle se forme au fond, là où l’eau est la plus chaude, puis elle monte et s’échappe dans l’air.
Au-dessus de la casserole, juste au-dessus de l’eau, on ne voit rien. Un peu plus haut apparaît un petit nuage blanc. Réponds d’abord à la mission « Bulles et nuage blanc » : elle te demande ce qu’il y a à chaque endroit. Ensuite, le bouton 🔍 Montrer les noms te permet de vérifier.
S’évaporer sans bouillir
Le linge sèche, une flaque disparaît, et pourtant l’eau n’a jamais bouilli. C’est l’évaporation : à la surface de l’eau, des molécules s’échappent une à une dans l’air, à n’importe quelle température. C’est lent.
L’ébullition, c’est quand des bulles de vapeur se forment dans toute l’eau, à sa température d’ébullition. C’est rapide.
Dans les deux cas, l’eau liquide devient de la vapeur : ce sont deux façons de faire une vaporisation.
La buée
Choisis « Le verre froid » au-dessus de la scène. L’air de la pièce est à 20 °C. Il contient de la vapeur d’eau, invisible.
Refroidis le verre avec le curseur, petit à petit. À partir d’une certaine température, de la buée apparaît sur le verre, dehors.
D’où vient l’eau de la buée ?
Une expérience pour trancher : mets du sirop dans l’eau du verre. Les gouttes de buée, dehors, sont-elles colorées ? Non : elles ne viennent pas de l’intérieur.
Le froid ne fabrique pas de matière. Change l’humidité de l’air avec les boutons : avec un air plus humide, la buée apparaît plus tôt. D’où vient donc l’eau ?
Oui. Au contact du verre froid, la vapeur invisible de l’air redevient de l’eau liquide : c’est une liquéfaction (on dit souvent condensation). La température à partir de laquelle la buée apparaît s’appelle le point de rosée. Plus l’air est humide, plus il est haut.
L’eau bout-elle toujours à 100 °C ?
Sous la casserole, choisis où se trouve la cuisine, puis chauffe de l’eau jusqu’à l’ébullition. Regarde le thermomètre pendant qu’elle bout.
En montagne, l’air appuie moins fort sur l’eau. Au sommet de l’Everest, il appuie environ 3 fois moins fort qu’au niveau de la mer (314 hPa au lieu de 1 013 hPa). Les bulles de vapeur s’y forment plus facilement, à une température plus basse.
Au sommet de l’Everest, des pâtes plongées dans l’eau qui bout cuisent…
L’eau y bout plus facilement, c’est vrai. Mais qu’est-ce qui cuit les pâtes : les bulles, ou la chaleur de l’eau ? Choisis l’Everest et regarde le thermomètre.
« Ça bout » ne veut pas dire « c’est à 100 °C ». Choisis l’Everest et regarde le thermomètre pendant l’ébullition.
Oui. Ce qui cuit les pâtes, c’est la température de l’eau, pas les bulles. Au sommet de l’Everest, l’eau qui bout n’est qu’à 70 °C environ.
Palier 3 · Aller plus loinCompter l’énergie
La chaleur, ça se compte
La chaleur est une énergie. On la compte en joules (J). Une plaque de 1 000 watts (W) donne 1 000 joules à l’eau chaque seconde, si rien ne se perd.
Pour chauffer 1 g d’eau liquide de 1 °C, il faut 4,18 J. Pour 1 g de glace, 2,1 J suffisent.
Chauffer sans changer d’état au programme au lycée
Q = m × c × ΔT
- Q
- l’énergie reçue par l’eau, en joules (J).
- m
- la masse, en grammes (g).
- c
- l’énergie pour chauffer 1 g de 1 °C : 4,18 J pour l’eau liquide, 2,1 J pour la glace.
- ΔT
- « delta T » : de combien la température change, en °C.
Changer d’état sans changer de température au programme au lycée
Q = m × L
- L
- l’énergie pour changer l’état de 1 g : 334 J pour fondre la glace, 2 256 J pour vaporiser l’eau à 100 °C. C’est la chaleur latente.
Faire fondre 1 g de glace demande autant d’énergie que chauffer 1 g d’eau de 0 à 80 °C (334 ÷ 4,18 ≈ 80). Vaporiser 1 g d’eau demande plus de 5 fois ce qu’il faut pour le chauffer de 0 à 100 °C (2 256 ÷ 418 ≈ 5,4).
Ta casserole en chiffres
Les calculs pour ce qui est dans la casserole. Change la quantité, le feu ou le lieu : tout se recalcule.
La durée, c’est l’énergie divisée par la puissance du feu : t = Q ÷ P. Ici, rien ne se perd. Une vraie casserole perd de la chaleur : ce serait plus long.
Le congélateur
Choisis « Le congélateur » au-dessus de la scène. Une boîte avec 1 L d’eau à 20 °C (1 000 g) est posée dans un congélateur à −18 °C.
Ici, pas de plaque : c’est l’air froid qui prend de la chaleur à l’eau. Plus l’eau est chaude par rapport à l’air, plus elle en perd vite : P = k × (Tair − T). On a pris k = 1 W par °C. C’est une valeur d’exemple : en vrai, k dépend de la boîte et de l’air qui circule.
À 20 °C, l’eau perd 38 J chaque seconde. À 0 °C, seulement 18 J.
Refroidir 1 L d’eau de 20 °C à 0 °C : Q = 1 000 × 4,18 × 20 = 83 600 J. La geler ensuite : Q = 1 000 × 334 = 334 000 J. Qu’est-ce qui prend le plus de temps ?
Compare les deux énergies à retirer : laquelle est la plus grande ? Et l’eau perd-elle sa chaleur plus vite à 20 °C ou à 0 °C ?
Les deux énergies ne sont pas égales : compare 83 600 J et 334 000 J.
Oui : il faut retirer 4 fois plus d’énergie pour geler l’eau que pour la refroidir de 20 °C, et l’eau à 0 °C perd sa chaleur plus lentement. Lance le congélateur : le palier est très long.
Et l’eau salée ?
Dans l’eau salée, la glace se forme plus bas que 0 °C. Pour une eau peu salée, les chimistes ont une règle, la loi idéale : chaque gramme de sel de cuisine dans 1 kg d’eau abaisse cette température d’environ 0,064 °C.
L’eau de mer contient environ 35 g de sels par kilogramme. La loi idéale donne −2,2 °C pour 35 g de sel de cuisine dans 1 kg d’eau ; l’eau de mer réelle gèle vers −1,9 °C. La loi idéale n’est juste que pour les eaux peu salées : ici, elle exagère un peu.
L’eau salée n’a pas de palier net : en gelant, c’est surtout de l’eau pure qui devient glace. L’eau qui reste est de plus en plus salée, et gèle de plus en plus bas.
Tes missions
Voici les missions du palier choisi. Réponds, puis clique sur « Valider ma réponse ». Si ce n’est pas encore ça, un indice t’aide. Après trois essais, tu peux voir la solution.
Le savais-tu ?
Des faits vrais, avec les nombres du modèle.
Les mots de l’atelier
Chaque mot, en une ou deux phrases.
- Les trois états
- Solide (la glace), liquide (l’eau), gaz (la vapeur d’eau). C’est la même eau, les mêmes molécules, plus ou moins rangées et agitées.
- Fusion
- Le passage de l’état solide à l’état liquide : la glace fond. Pour l’eau pure, à 0 °C.
- Solidification
- Le passage de l’état liquide à l’état solide : l’eau gèle. Pour l’eau pure, à 0 °C aussi.
- Vaporisation
- Le passage de l’état liquide à l’état gazeux. Elle se fait de deux façons : l’évaporation et l’ébullition.
- Évaporation
- Une vaporisation lente, à la surface de l’eau, à n’importe quelle température : le linge qui sèche.
- Ébullition
- Une vaporisation rapide : des bulles de vapeur se forment dans toute l’eau. Au niveau de la mer, l’eau pure bout à 100 °C ; en montagne, plus bas.
- Liquéfaction (condensation)
- Le passage de l’état gazeux à l’état liquide : la vapeur redevient de l’eau, comme la buée sur un verre froid.
- Palier
- Sur une courbe de température, un morceau plat : la température ne change pas pendant un changement d’état.
- Vapeur d’eau
- L’eau à l’état de gaz. Elle est invisible. Le « nuage » blanc au-dessus d’une casserole n’est pas de la vapeur : ce sont de minuscules gouttes d’eau liquide.
- Point de rosée
- La température en dessous de laquelle la vapeur d’eau de l’air se transforme en gouttes sur une surface froide. Il dépend de l’humidité de l’air.
- Corps pur
- Une matière faite d’une seule sorte de molécules, comme l’eau pure. L’eau salée est un mélange : elle n’a pas de palier net.
- Chaleur latente (L)
- L’énergie pour changer l’état de 1 g sans changer sa température : 334 J pour fondre la glace, 2 256 J pour vaporiser l’eau à 100 °C.
- Joule et watt
- Le joule (J) mesure une énergie. Le watt (W) dit combien de joules sont donnés chaque seconde : 1 W = 1 J par seconde.
Pour les parents et les enseignantsouvrir
Objectifs
- Reconnaître la même eau sous trois états, et nommer les changements d’état.
- Observer puis expliquer les paliers de température pendant la fusion et l’ébullition d’un corps pur.
- Constater que la masse se conserve et que le volume change (la glace prend environ 9 % de place en plus).
- Corriger deux idées fausses bien connues : les bulles de l’ébullition ne sont pas de l’air, et le « nuage » blanc au-dessus de l’eau n’est pas de la vapeur.
- Relier la buée au point de rosée, et l’ébullition à la pression de l’air (altitude).
- Calculer une énergie avec Q = m × c × ΔT et Q = m × L, et une durée avec t = Q ÷ P.
Déroulé (15 à 20 minutes)
Palier 1 : prédire, chauffer, observer, sans formule. Palier 2 : lire la courbe, expliquer les paliers avec les molécules, trier bulles, vapeur et gouttelettes, trouver le point de rosée. Palier 3 : compter l’énergie et expliquer pourquoi l’eau met des heures à geler.
À faire en vrai
Dans un verre, mélangez des glaçons et un peu d’eau, remuez, et plongez un thermomètre de cuisine : il reste près de 0 °C tant qu’il y a de la glace.
Remplissez un verre d’eau très froide avec un peu de sirop. La buée qui se forme dehors n’est pas colorée : elle vient de l’air, pas du verre.
L’eau bouillante et la vapeur brûlent : les expériences de chauffe sont ici sur l’écran. Une bouteille en verre pleine d’eau peut éclater au congélateur.
Liens avec les programmes
- CM2, sciences et technologie : les états solide, liquide et gazeux ; les changements d’état et leurs noms ; l’eau dans la nature. Programme 2026 : les bulles de l’ébullition sont de la vapeur d’eau, le « nuage » au-dessus de la casserole est fait de gouttelettes, l’évaporation et l’ébullition sont deux vaporisations.
- 6e : les températures de changement d’état et les paliers.
- Cycle 4, physique-chimie : corps pur et mélange, conservation de la masse et variation du volume, température de changement d’état, modèle des molécules.
- Au-delà du collège : Q = m × c × ΔT et Q = m × L sont étudiées au lycée. L’atelier les donne au palier 3, une fois le phénomène manipulé et compris : le niveau affiché n’est pas un plafond.
Référence : programmes officiels des cycles 3 et 4, publiés au Bulletin officiel de l’Éducation nationale (versions en vigueur en 2026-2027).
Ce que l’atelier simplifie
L’eau est pure. Toute la chaleur du feu va dans l’eau : une vraie casserole en perd, et chauffe aussi son métal ou son verre. La température est la même partout dans l’eau, comme si on remuait sans arrêt. L’évaporation avant l’ébullition n’est pas comptée.
Au congélateur, la perte de chaleur suit la loi P = k × (T_air − T) avec k = 1 W/°C, une valeur d’exemple. Les dessins (glaçons, bulles, nuage, bouteille) sont des illustrations ; les températures, masses, volumes et durées sont calculés.
Sources
Les calculs viennent du modèle de l’atelier (modele.js), qui s’appuie sur les modèles des laboratoires La chimie de la cuisine (cooking.js) et La météo (weather.js).
- Wagner W., Pruß A. (2002). The IAPWS formulation 1995 for the thermodynamic properties of ordinary water substance for general and scientific use. Journal of Physical and Chemical Reference Data 31, 387–535. doi:10.1063/1.1461829. Chaleur de vaporisation de 0 à 100 °C, volume de la vapeur à 100 °C.
- Haynes W.M., dir. (2016). CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97e éd. CRC Press. Masses volumiques de l’eau et de la glace, chaleur de fusion, capacités thermiques de l’eau et de la glace.
- Équation d’Antoine de l’eau (constantes de la Dortmund Data Bank) et atmosphère type de l’OACI (1993) : température d’ébullition selon l’altitude, comme dans le laboratoire La chimie de la cuisine.
- WMO (2008). Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation, WMO-No. 8, 7e éd. Formule de Magnus pour le point de rosée, comme dans le laboratoire La météo.
- Newton I. (1701). Scala graduum caloris. Philosophical Transactions 22, 824–829. La perte de chaleur proportionnelle à l’écart de température.
- UNESCO (1983). Algorithms for computation of fundamental properties of seawater. Technical Papers in Marine Science 44. Température de congélation de l’eau de mer (environ −1,9 °C). Loi idéale : constante cryoscopique de l’eau 1,86 K·kg/mol.
- Osborne R.J., Cosgrove M.M. (1983). Children’s conceptions of the changes of state of water. Journal of Research in Science Teaching 20, 825–838. doi:10.1002/tea.3660200905. Les bulles « d’air » et la « vapeur » blanche.
- Ministère de l’Éducation nationale. Programmes du cycle 3 (sciences et technologie) et du cycle 4 (physique-chimie), Bulletin officiel de l’Éducation nationale.