La matière : les états et les changements d'état

1. Les trois états de la matière

La matière existe sous trois états physiques : solide, liquide et gazeux. Un solide a une forme propre et un volume fixe (comme un glaçon). Un liquide a un volume fixe mais prend la forme de son récipient (comme l'eau dans un verre). Un gaz n'a ni forme ni volume propres : il occupe tout l'espace disponible (comme la vapeur d'eau).

L'eau est l'exemple parfait, car on la connaît sous ses trois états : la glace (solide), l'eau liquide, et la vapeur (gaz). C'est la même matière (des molécules d'eau) dans les trois cas.

Ce qui change, c'est l'organisation des molécules : bien rangées et serrées dans le solide, plus libres dans le liquide, très dispersées et agitées dans le gaz.

2. Les changements d'état

On passe d'un état à un autre par des changements d'état, qui portent chacun un nom précis : — la fusion : solide → liquide (la glace qui fond) ; — la solidification : liquide → solide (l'eau qui gèle) ; — la vaporisation : liquide → gaz (l'eau qui bout ou s'évapore) ; — la liquéfaction (ou condensation) : gaz → liquide (la vapeur qui se dépose en gouttelettes sur une vitre froide).

Ces transformations sont réversibles : on peut passer dans un sens puis dans l'autre. Elles sont provoquées par un changement de température : on chauffe pour aller vers le gaz, on refroidit pour aller vers le solide. La buée sur un miroir ou la rosée du matin sont des exemples de liquéfaction du quotidien.

3. Les températures de changement d'état

Un corps pur change d'état à une température fixe et bien précise, toujours la même dans les mêmes conditions. Pour l'eau (sous la pression atmosphérique normale), la glace fond à 0 °C et l'eau bout à 100 °C.

Fait remarquable : pendant toute la durée d'un changement d'état, la température reste constante, même si l'on continue de chauffer. Par exemple, un mélange d'eau et de glace reste à 0 °C tant qu'il reste de la glace à fondre : l'énergie apportée sert à faire fondre la glace, pas à élever la température.

Cette propriété est utile : elle permet notamment d'identifier un corps pur (chaque substance a ses propres températures de changement d'état) et explique pourquoi les glaçons maintiennent une boisson à basse température.

4. La conservation de la masse

Lors d'un changement d'état, la masse se conserve : elle ne change pas. Par exemple, si l'on fait fondre 100 g de glace, on obtient exactement 100 g d'eau liquide. La quantité de matière reste la même ; seule son organisation change.

En revanche, le volume, lui, peut varier. Cas particulier et surprenant : l'eau est l'une des rares substances qui augmente de volume en gelant. C'est pourquoi une bouteille d'eau pleine peut éclater au congélateur, et pourquoi la glace flotte sur l'eau (elle est moins dense).

Retenir la distinction est essentiel : au cours d'un changement d'état, la masse est conservée, mais le volume (et donc la masse volumique) peut changer.