Pas de panique. On part de zéro, et ensemble. Avant même de parler de conservation de la masse, il faut juste que tu te rappelles une chose : les trois états de la matière (solide, liquide, gaz). C'est le seul prérequis. Tu vas voir, l'idée clé est très simple : quand la glace fond, les petites particules (les molécules) ne disparaissent pas. Elles changent juste de place. Résultat : la masse, c'est-à-dire la quantité de matière, reste pile la même. On y va doucement, je te tiens la main.
Petit rappel éclair : les trois états de la matière
Tu as vu en 6ème que la matière existe sous trois formes :
- Solide : forme propre, volume propre. Ex : un glaçon.
- Liquide : pas de forme propre (il prend celle du récipient), mais un volume propre. Ex : l'eau liquide.
- Gaz : ni forme propre, ni volume propre (il occupe tout l'espace disponible). Ex : la vapeur d'eau.
Un changement d'état, c'est le passage d'un état à un autre. Par exemple, la fusion, c'est le passage de solide à liquide (le glaçon fond).
La loi qui sauve : la conservation de la masse
Un changement d'état ne crée pas et ne détruit pas de matière. Les molécules sont toujours là, en même nombre.
Conséquence directe : dans un récipient fermé (un système fermé, rien ne sort), la masse totale ne change pas.
mavant = maprès
Attention : le volume, lui, peut changer. La glace prend plus de place que l'eau liquide, mais 200 g de glace fondue donnent toujours 200 g d'eau.
À toi de jouer
1. On place 200 g de glaçons dans un récipient parfaitement fermé. Les glaçons fondent entièrement. On le fait ensemble : complète les trous avec les bons nombres.
Système : fermé (rien ne sort). Donc, masse avant = masse après.
Masse des glaçons avant fusion : $\underline{\hspace{1.1em}}$ g
D'après la loi de conservation, la masse d'eau liquide obtenue est : $m = \underline{\hspace{1.1em}}$ g.
Corrigé
Masse des glaçons avant fusion : 200 g
D'après la loi de conservation, la masse d'eau liquide obtenue est : m = 200 g.
2. On congèle 350 g d'eau dans un bac à glaçons hermétique. Quelle masse de glace obtient-on ?
Complète :
Masse d'eau avant congélation : $\underline{\hspace{1.1em}}$ g.
Système fermé, donc masse après = masse avant. Masse de glace obtenue = $\underline{\hspace{1.1em}}$ g.
Corrigé
Masse d'eau avant congélation : 350 g.
Système fermé, donc masse après = masse avant. Masse de glace obtenue = 350 g.
3. On chauffe 80 g d'eau dans un flacon hermétique jusqu'à vaporisation complète. La vapeur reste piégée dans le flacon.
Masse de vapeur dans le flacon :
a) 80 g
b) moins de 80 g car la vapeur est légère
c) plus de 80 g car le gaz prend plus de place
Choisis la bonne réponse et complète la justification :
La masse de vapeur est de $\underline{\hspace{1.1em}}$ g car le système est __________ et la masse se __________.
Corrigé
Réponse a) 80 g.
Justification : La masse de vapeur est de 80 g car le système est fermé et la masse se conserve.
Ah oui, c'est ça ! La masse ne change pas quand la glace fond, on en avait parlé. On va remettre de l'ordre dans tout ça, avec la méthode pour ne plus confondre masse et volume, et pour savoir si on a le droit d'appliquer la formule magique $m_{avant} = m_{apres}$.
Le cours structuré
1. La loi
Lors d'un changement d'état d'un corps pur, dans un système fermé, la masse totale se conserve : $m_{avant} = m_{apres}$.
2. Masse VS Volume
Ne confonds pas !
- La masse (en g ou kg) mesure la quantité de matière. Elle ne change pas.
- Le volume (en L, mL, cm³) mesure la place occupée. Il change souvent : la glace est moins dense que l'eau liquide, donc elle prend plus de place.
3. Système ouvert ou fermé ?
- Fermé (bouteille bouchée) : $m_{avant} = m_{apres}$ s'applique à ce qu'on mesure dans le récipient.
- Ouvert (casserole sans couvercle) : la vapeur s'échappe. La masse dans le récipient diminue, mais la masse totale (récipient + air autour) est conservée.
Méthode pas-à-pas
Pour résoudre un exercice :
- J'identifie le changement d'état (fusion, vaporisation...).
- Je repère si le récipient est fermé ou ouvert. C'est l'étape clé.
- Si fermé : j'applique directement $m_{après} = m_{avant}$.
- Si ouvert : la masse restante dans le récipient a diminué car de la matière s'est échappée sous forme de gaz. La différence $m_{avant} - m_{restante}$ est la masse de gaz partie.
À toi de jouer
1. Application directe de la méthode. On fait fondre 120 g de glace dans une bouteille hermétique.
a) Le système est-il ouvert ou fermé ? Le système est __________.
b) Donc, la masse d'eau liquide obtenue est $m = \underline{\hspace{1.1em}}$ g.
c) Le volume a-t-il changé ? Oui/Non ? __________ (Aide : la glace prend plus de place que l'eau liquide).
Corrigé
a) Le système est fermé.
b) Masse d'eau liquide = 120 g.
c) Oui, le volume a changé (il a diminué).
2. On chauffe 500 g d'eau dans une casserole SANS couvercle. Après chauffage, il reste 430 g d'eau liquide.
a) Le système est __________.
b) La masse d'eau qui s'est transformée en vapeur est : $m_{vapeur} = 500 - \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$ g.
c) Où se trouve cette vapeur ? Elle s'est échappée __________.
Corrigé
a) Le système est ouvert.
b) $m_{vapeur} = 500 - 430 = 70$ g.
c) Elle s'est échappée dans l'air ambiant.
3. Un élève dit : « Puisque la masse se conserve, 100 g de glace prendront moins de place une fois fondus. »
Corrige-le en cochant les bonnes cases :
- La masse de 100 g de glace fondue donne une masse d'eau de $\underline{\hspace{1.1em}}$ g. (100 / moins de 100)
- Le volume de l'eau liquide est __________ que celui de la glace. (plus grand / plus petit)
- Donc, l'élève a raison / tort sur le volume. (choisis)
Corrigé
- La masse d'eau est 100 g.
- Le volume de l'eau liquide est plus petit que celui de la glace.
- Donc, l'élève a raison sur le volume (il prendra moins de place).
C'est l'heure de la répétition mécanique. Cinq fois le même petit calcul, pour que ça devienne un réflexe. Tu vas appliquer $m_{avant} = m_{apres}$ les yeux fermés. Systèmes fermés uniquement ici, on se concentre sur la loi de base.
À toi de jouer
1. Un glaçon de 55 g fond dans un récipient hermétique. Masse d'eau liquide obtenue ?
m = $\underline{\hspace{1.1em}}$ g.
Corrigé
m = 55 g.
2. On congèle 280 g d'eau dans un bac fermé. Masse de glace obtenue ?
m = $\underline{\hspace{1.1em}}$ g.
Corrigé
m = 280 g.
3. 100 g d'eau se vaporisent entièrement dans un flacon bouché. Masse de vapeur ?
m = $\underline{\hspace{1.1em}}$ g.
Corrigé
m = 100 g.
4. De la vapeur d'eau de 175 g se liquéfie dans un récipient fermé. Masse d'eau liquide ?
m = $\underline{\hspace{1.1em}}$ g.
Corrigé
m = 175 g.
5. Un bloc de glace de 1 200 g fond complètement dans un container scellé. Masse d'eau ?
m = $\underline{\hspace{1.1em}}$ g.
Corrigé
m = 1 200 g.
Maintenant, on lâche la main pour les exercices. Tu vas devoir faire la différence entre ouvert et fermé, justifier, et ne pas confondre masse et volume. C'est le niveau attendu au contrôle. Tu es prêt, on y va.
À toi de jouer
1. Vrai ou faux ? Justifie chaque réponse en une phrase.
a) 150 g de glace fondent dans un récipient hermétique : on obtient 150 g d'eau liquide.
b) Lors de la congélation, la masse augmente car la glace prend plus de place.
c) Si de l'eau s'évapore dans un récipient ouvert, la masse d'eau liquide restante diminue.
Corrigé
a) VRAI. Système fermé, donc la masse se conserve : meau = mglace = 150 g.
b) FAUX. La masse est conservée lors de la congélation ; c'est le volume qui augmente car la glace est moins dense.
c) VRAI. La vapeur s'échappe du récipient ouvert, donc la masse d'eau liquide restante diminue.
2. On verse 600 g d'eau dans deux récipients : A (ouvert) et B (hermétique). On chauffe jusqu'à vaporisation partielle. Dans A, il reste 520 g d'eau liquide.
a) Quelle masse d'eau s'est vaporisée dans A ?
b) Où se trouve cette vapeur ?
c) Quelle est la masse totale (liquide + vapeur) dans B après chauffage ? Justifie.
d) Dans quel récipient peut-on écrire $m_{avant} = m_{apres}$ pour les masses mesurées dans le récipient ?
Corrigé
a) Masse vaporisée = 600 – 520 = 80 g.
b) Elle s'est échappée dans l'air (système ouvert).
c) Masse totale dans B = 600 g. Système fermé, donc la masse est conservée, que l'eau soit liquide ou vapeur.
d) Uniquement dans le récipient B (fermé).
3. Un bac à glaçons contient 240 g d'eau. Après congélation, les glaçons dépassent du bac.
a) Quelle est la masse des glaçons ? Justifie.
b) Pourquoi les glaçons dépassent-ils alors que la masse n'a pas changé ?
c) On place ces glaçons dans un bol hermétique et on les laisse fondre. Masse d'eau obtenue ?
Corrigé
a) La masse des glaçons est 240 g.
La masse se conserve lors de tous les changements d'état. Ici, la congélation est un changement d'état liquide → solide : la masse de l'eau liquide (240 g) est donc identique à la masse des glaçons obtenus.
b) Les glaçons débordent parce que leur volume a augmenté. La glace est moins dense que l'eau liquide : pour une même masse, elle occupe un volume plus grand. La masse n'a pas changé, mais la matière prend plus de place sous forme solide.
c) La masse d'eau obtenue est 240 g.
Le bol est hermétique : aucune matière ne peut s'échapper. La fusion (changement d'état solide → liquide) conserve la masse, donc on retrouve exactement 240 g d'eau liquide.
4. On part de 400 g d'eau dans un flacon bouché. Étape 1 : 100 g se vaporisent. Quelle masse totale dans le flacon ? Étape 2 : la vapeur se liquéfie. Masse d'eau liquide ? Étape 3 : on congèle toute l'eau. Masse de glace ? Que remarques-tu ?
Corrigé
Étape 1 : Masse totale = 400 g (100 g vapeur + 300 g liquide).
Étape 2 : 400 g d'eau liquide.
Étape 3 : 400 g de glace.
Remarque : La masse totale est constante à chaque étape. Cela illustre la loi de conservation de la masse.
Tu maîtrises la conservation de la masse ? Parfait. On va pousser un peu : qu'est-ce qui se passe avec la masse volumique ? Et si on mélangeait des changements d'état avec la poussée d'Archimède ou la masse de l'air ? Un petit aperçu de ce qui t'attend, pour briller en avance.
Ouverture : Masse volumique et changement d'état
En 4ème, tu verras que la masse volumique $\rho = m / V$ d'un corps pur change lors d'un changement d'état, même si la masse totale ne change pas. Par exemple, la masse volumique de la glace est environ 0,92 g/mL, alors que celle de l'eau liquide est 1,0 g/mL. C'est pour ça que le volume change alors que la masse est conservée !
À toi de jouer
1. Un iceberg de masse 10 000 tonnes flotte sur l'océan. Environ 90% de son volume est immergé.
a) Si l'iceberg fond entièrement, quelle sera la masse d'eau liquide produite ?
b) Le volume d'eau liquide obtenu sera-t-il égal, supérieur ou inférieur au volume de l'iceberg ? Explique avec les masses volumiques (eau liquide : 1,0 t/m³, glace : 0,9 t/m³ environ).
c) La fonte de l'iceberg fait-elle monter le niveau de l'eau ? (Question bonus, fais une hypothèse).
Corrigé
a) Masse d'eau = 10 000 tonnes (toujours la conservation de la masse).
b) Le volume d'eau liquide sera inférieur au volume de l'iceberg. En effet, $V_{glace} = m / \rho_{glace} \approx 10 000 / 0,9 \approx 11 111 m³$. $V_{eau} = m / \rho_{eau} = 10 000 / 1,0 = 10 000 m³$. Le volume diminue d'environ 1 111 m³.
c) Le volume immergé est $0,9 * 11 111 = 10 000 m³$, exactement le volume d'eau produit par la fonte. Donc, la fonte d'un iceberg déjà à flot ne fait pas monter le niveau de l'eau. (Principe d'Archimède, vu en 4ème).
2. On pèse un ballon de baudruche gonflé d'air : sa masse est 3,2 g. On le dégonfle et on pèse l'enveloppe seule : 2,9 g.
a) Quelle est la masse de l'air contenu dans le ballon ?
b) L'air est un gaz. Sa masse est-elle négligeable dans cette expérience ?
c) Si l'on comprimait cet air dans une bouteille hermétique, sa masse changerait-elle ?
Corrigé
a) Masse d'air = 3,2 – 2,9 = 0,3 g.
b) Non, la masse de l'air n'est pas négligeable : on peut la mesurer avec une balance sensible.
c) La masse ne changerait pas : la compression diminue le volume, augmente la masse volumique, mais conserve la masse (système fermé, nombre de molécules identique).