États de la matière : solide, liquide, gaz

Les prérequis, puis l'essentiel en mots simples

Ce que tu dois savoir avant. Trois mots seulement, et tu les connais déjà sans le savoir.

La matière, c'est tout ce qui compose les objets autour de toi : l'eau, le bois, le sable, l'air. Ce n'est pas seulement ce qu'on peut toucher.

La forme, c'est la « silhouette » du corps : un glaçon est un cube, un verre d'eau a la forme du verre.

Le volume, c'est la place que le corps occupe, la quantité d'espace qu'il prend. On le mesure en litres (L) ou en millilitres (mL).

La température, c'est ce que mesure un thermomètre, en degrés Celsius (°C).

L'essentiel de la leçon. Toute la matière qui nous entoure peut se présenter sous trois états physiques : l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux.

L'état d'un corps dépend principalement de sa température. En chauffant ou en refroidissant un corps, on peut le faire passer d'un état à l'autre : c'est un changement d'état.

L'exemple à connaître par cœur : l'eau. Elle peut être de la glace (solide), de l'eau liquide, ou de la vapeur d'eau (gazeux). C'est le même corps, dans trois états différents.

Les formules clés : deux questions, trois réponses

Pour reconnaître l'état d'un corps, tu n'as que deux questions à te poser. Toujours les mêmes.

Question 1 : le corps a-t-il une forme propre (il garde sa forme), ou prend-il la forme du récipient ?

Question 2 : le corps garde-t-il son volume propre (la même place occupée), ou occupe-t-il tout le volume du récipient ?

Et voilà les trois réponses possibles, à retenir telles quelles :

$\text{forme propre} + \text{volume propre} \rightarrow \text{solide}$

$\text{forme du récipient} + \text{volume propre} \rightarrow \text{liquide}$

$\text{forme du récipient} + \text{volume du récipient} \rightarrow \text{gaz}$

Remarque utile : le liquide est celui « du milieu ». Il change de forme mais pas de volume. Le gaz, lui, lâche tout : ni forme, ni volume.

Les quatre changements d'état à connaître, eux aussi, se retiennent en une ligne chacun :

$\text{fusion} : \text{solide} \rightarrow \text{liquide}$

$\text{solidification} : \text{liquide} \rightarrow \text{solide}$

$\text{vaporisation} : \text{liquide} \rightarrow \text{gaz}$

$\text{condensation} : \text{gaz} \rightarrow \text{liquide}$

Un exemple entièrement traité

Énoncé. On verse 200 mL d'eau dans un verre, puis on transvase cette eau dans une bouteille. Quel est l'état de l'eau ? Justifie.

Étape 1 — je regarde la forme. Dans le verre, l'eau a la forme du verre. Dans la bouteille, elle a la forme de la bouteille. Donc l'eau n'a pas de forme propre : elle prend la forme du récipient.

Étape 2 — je regarde le volume. J'avais 200 mL dans le verre ; après transvasement, j'ai toujours 200 mL dans la bouteille. L'eau n'occupe pas toute la bouteille. Donc l'eau a un volume propre.

Étape 3 — j'applique la règle. $\text{forme du récipient} + \text{volume propre} \rightarrow \text{liquide}$.

Conclusion à écrire sur la copie. L'eau prend la forme de son récipient mais conserve son volume (200 mL) : elle est donc à l'état liquide.

Tu vois le mécanisme ? Forme, puis volume, puis conclusion. Trois lignes, et le point est pris.

Définitions propres des trois états

Définition générale. Un même corps (l'eau, le fer, le dioxygène…) peut exister sous trois états physiques différents, sans changer de nature. On passe de l'un à l'autre en modifiant la température.

L'état solide. Un solide possède une forme propre et un volume propre. Il ne se déforme pas tout seul et n'épouse pas le récipient. Exemples : un glaçon, une clé, un caillou.

L'état liquide. Un liquide prend la forme du récipient qui le contient, mais il possède un volume propre. Il ne se répand pas partout : il forme une surface plane et horizontale au repos. Exemples : l'eau, l'huile, le sirop.

L'état gazeux. Un gaz prend la forme du récipient et occupe tout le volume du récipient : il se répand dans tout l'espace disponible. Exemples : l'air, la vapeur d'eau.

Résumé sous forme de « formules » à connaître :

$\text{solide} = \text{forme propre} + \text{volume propre}$

$\text{liquide} = \text{forme du récipient} + \text{volume propre}$

$\text{gaz} = \text{forme du récipient} + \text{volume du récipient}$

L'exemple de référence : l'eau dans ses trois états.

La glace (solide). Un glaçon garde sa forme — cube, bâtonnet, sphère — quel que soit le récipient dans lequel on le pose. Son volume ne change pas : il n'occupe pas tout l'espace du récipient.

L'eau liquide. Elle prend la forme du récipient : verre, bouteille, assiette creuse. Son volume, lui, reste constant : 200 mL d'eau restent 200 mL dans n'importe quel récipient.

La vapeur d'eau (gaz). Elle occupe tout l'espace disponible dans le récipient ou dans la pièce. Attention : elle est invisible à l'œil nu. La buée blanche au-dessus d'une casserole est déjà de l'eau liquide, sous forme de fines gouttelettes.

Les quatre changements d'état

Quand on chauffe ou qu'on refroidit un corps, il peut changer d'état. Chaque passage porte un nom précis, et le vocabulaire est exigé au contrôle.

La fusion : $\text{solide} \rightarrow \text{liquide}$. On chauffe. Exemple : le glaçon qui fond dans le verre.

La solidification : $\text{liquide} \rightarrow \text{solide}$. On refroidit. Exemple : l'eau du bac qui gèle au congélateur.

La vaporisation : $\text{liquide} \rightarrow \text{gaz}$. On chauffe. Exemple : l'eau de la casserole qui bout et disparaît.

La condensation : $\text{gaz} \rightarrow \text{liquide}$. On refroidit. Exemple : la vapeur d'eau qui redevient des gouttes sur le couvercle froid.

Remarque sur le sens : quand on chauffe, on va toujours dans le sens $\text{solide} \rightarrow \text{liquide} \rightarrow \text{gaz}$. Quand on refroidit, on remonte dans l'autre sens. Si tu retiens ce « sens de la flèche », tu ne peux plus confondre fusion et solidification.

Astuce de vocabulaire : fusion et fondre se ressemblent, donc fusion = ça fond = ça devient liquide. Solidification contient « solide », donc ça devient solide. Le reste suit.

La méthode pas-à-pas, et deux exemples traités

Méthode — identifier l'état d'un corps. Toujours dans cet ordre, en deux temps.

1. La forme : le corps a-t-il une forme propre, ou prend-il la forme du récipient ?

2. Le volume : le corps garde-t-il son volume si on change de récipient ?

Puis on conclut : forme propre + volume propre → solide ; forme du récipient + volume propre → liquide ; forme du récipient + volume du récipient → gaz.

Exemple traité n° 1. On ouvre un flacon de parfum dans un coin de la pièce ; au bout d'un moment, on sent l'odeur partout. Quel est l'état du parfum qui se déplace ?

Étape 1, la forme : ce qui se déplace n'a aucune forme propre, il épouse la pièce.

Étape 2, le volume : il finit par occuper toute la pièce, donc tout le volume disponible.

Conclusion : forme du récipient + volume du récipient → il s'agit d'un gaz. Le parfum liquide s'est vaporisé (vaporisation) puis le gaz s'est répandu.

Exemple traité n° 2. On sort une plaque de beurre du réfrigérateur et on la laisse sur la table un après-midi d'été. Elle finit par s'étaler dans l'assiette. Quel changement d'état a eu lieu ?

Étape 1, état de départ : à la sortie du réfrigérateur, le beurre a une forme propre (le pavé) et un volume propre → il est solide.

Étape 2, état d'arrivée : il a pris la forme de l'assiette, mais son volume n'a pas changé et il n'occupe pas toute la pièce → il est liquide.

Étape 3, je nomme le passage : $\text{solide} \rightarrow \text{liquide}$, c'est la fusion.

Conclusion : la température de la pièce a augmenté celle du beurre, qui a subi une fusion.

On le fait ensemble : le sable, ce faux liquide

Énoncé. Léa verse du sable d'un seau dans une bassine. « Ça coule comme de l'eau, donc c'est un liquide ! » dit son frère. A-t-il raison ? Justifie en utilisant les deux critères du cours.

On commence toujours pareil : critère 1, la forme. Et attention, c'est ici que se joue tout l'exercice. Il ne faut pas regarder le tas de sable, il faut regarder un grain.

Un grain de sable pris tout seul garde exactement la même forme, qu'il soit dans le seau, dans la bassine ou dans ma main. Donc chaque grain a une forme propre.

Critère 2, le volume. Le grain occupe toujours la même place, on ne peut pas l'écraser ni l'étaler. Il a donc un volume propre.

On applique la règle. $\text{forme propre} + \text{volume propre} \rightarrow \text{solide}$.

Et l'objection du frère ? Elle vient du fait qu'un tas de sable est un ensemble de milliers de petits solides qui glissent les uns sur les autres. C'est ce glissement qui donne l'illusion d'un écoulement. Mais la matière, elle, est bien solide.

Un indice visuel pour trancher. Au repos, un liquide forme une surface plane et horizontale. Le sable, lui, forme un tas en pente. C'est la signature d'un solide en grains.

Conclusion rédigée. Le frère a tort : chaque grain de sable conserve sa forme propre et son volume propre, le sable est donc un solide, même s'il se verse.

Même raisonnement, même conclusion, pour le sucre en poudre, la farine, le sel ou les lentilles.

On le fait ensemble : la seringue bouchée

Énoncé. On bouche l'extrémité d'une seringue avec le doigt. Cas A : la seringue contient de l'air. Cas B : elle contient de l'eau. Dans chaque cas, on pousse sur le piston. Que se passe-t-il, et qu'est-ce que cela nous apprend sur l'état de la matière ?

Cas A — la seringue pleine d'air. Étape 1 : je nomme la matière. L'air est de la matière à l'état gazeux. Invisible ne veut pas dire absent.

Étape 2 : j'observe. Le piston avance nettement : l'air se laisse comprimer, il occupe alors un volume plus petit.

Étape 3 : j'interprète. L'air n'a donc pas de volume propre : il occupe le volume qu'on lui laisse. C'est cohérent avec la règle $\text{gaz} = \text{forme du récipient} + \text{volume du récipient}$.

Cas B — la seringue pleine d'eau. Étape 1 : l'eau est ici à l'état liquide.

Étape 2 : j'observe. Le piston ne bouge pratiquement pas, quelle que soit la force appliquée.

Étape 3 : j'interprète. Le liquide conserve son volume propre : on ne peut pas le tasser dans un volume plus petit.

Conclusion rédigée. L'expérience de la seringue distingue le gaz du liquide sur le critère du volume : le gaz se comprime car il n'a pas de volume propre, le liquide ne se comprime pas car il en a un.

Petit rappel qui sert souvent : l'air est bien de la matière, même s'il est invisible et incolore. Un ballon gonflé pèse un tout petit peu plus lourd qu'un ballon dégonflé.

On le fait ensemble : la casserole, la buée et le couvercle

Énoncé. On fait bouillir de l'eau dans une casserole. On voit un « nuage » blanc juste au-dessus, et des gouttes se forment sous le couvercle. Identifie les états et nomme les changements d'état.

Étape 1 — l'eau dans la casserole. Elle prend la forme de la casserole et garde son volume : elle est à l'état liquide.

Étape 2 — que devient-elle en chauffant ? On chauffe un liquide, donc on va vers le gaz : $\text{liquide} \rightarrow \text{gaz}$, c'est la vaporisation. Il se forme de la vapeur d'eau, qui est un gaz.

Étape 3 — le piège du nuage blanc. Ce nuage est visible. Or la vapeur d'eau est invisible. Donc ce nuage n'est pas de la vapeur d'eau.

Étape 4 — alors qu'est-ce que c'est ? En s'éloignant de la casserole, la vapeur rencontre de l'air plus froid, se refroidit, et redevient de l'eau liquide sous forme de fines gouttelettes en suspension : c'est la buée. Le changement d'état est $\text{gaz} \rightarrow \text{liquide}$, donc une condensation.

Étape 5 — les gouttes sous le couvercle. Même histoire : la vapeur d'eau touche le couvercle, plus froid, et redevient liquide. C'est encore une condensation. Les gouttes finissent par retomber dans la casserole.

Conclusion rédigée. L'eau liquide subit une vaporisation et devient de la vapeur d'eau, gaz invisible ; au contact d'une zone plus froide, cette vapeur subit une condensation et redonne de l'eau liquide, visible sous forme de buée ou de gouttes.

Le même raisonnement explique ton haleine « qui fume » en hiver : ce n'est pas de la vapeur, c'est de la buée, donc de l'eau liquide.

Les subtilités qui font gagner (ou perdre) les points

Subtilité 1 — l'invisible est quand même de la matière. L'air est de la matière à l'état gazeux, même s'il est invisible et incolore. Ne jamais écrire « il n'y a rien dans le flacon » : il y a de l'air.

Subtilité 2 — vapeur ≠ buée. La vapeur d'eau est un gaz invisible. Tout ce que tu vois en blanc (buée d'une casserole, haleine par temps froid, nuage, brouillard) est de l'eau liquide en fines gouttelettes. Cette phrase revient dans presque tous les contrôles.

Subtilité 3 — un liquide a un volume propre. 1 L d'eau versé dans un grand seau reste 1 L. Il ne « se répand » pas au sens du gaz : il se contente de s'étaler au fond en prenant la forme du récipient.

Subtilité 4 — les solides en grains. Le sable se verse comme un liquide, mais chaque grain garde sa forme : c'est donc un solide. Idem pour la farine, le sucre en poudre, le sel.

Subtilité 5 — les températures de l'eau. Sous la pression atmosphérique habituelle, l'eau pure fond (et se solidifie) à 0 °C et bout à 100 °C. Ces deux valeurs sont à connaître.

Subtilité 6 — la masse se conserve. Lors d'un changement d'état, la masse ne change pas : 1 kg d'eau liquide donne 1 kg de glace. Ce qui peut changer, c'est le volume — et l'eau est un cas particulier célèbre : son volume augmente quand elle gèle.

Ce que le correcteur attend, concrètement. Une réponse complète contient trois choses : (1) le critère forme, (2) le critère volume, (3) la conclusion avec le mot exact (solide / liquide / gaz, ou fusion / solidification / vaporisation / condensation). Une conclusion sans justification vaut rarement tous les points.

Vocabulaire exigé. On n'écrit pas « la glace devient de l'eau » : on écrit « la glace subit une fusion et donne de l'eau liquide ». Le nom du changement d'état est souvent un point à lui tout seul.

Problème type résolu n° 1 — la bouteille au congélateur

Énoncé. Tom remplit complètement, à ras bord, une bouteille en plastique de 1,0 L d'eau liquide, la ferme et la place au congélateur. Le lendemain, la bouteille est déformée et le bouchon est repoussé. 1) Nomme le changement d'état. 2) La masse d'eau a-t-elle changé ? 3) Explique la déformation. 4) Quel conseil donner à Tom ?

1) Le changement d'état. Au départ, l'eau est liquide : elle prend la forme de la bouteille et a un volume propre de 1,0 L. À l'arrivée, c'est de la glace, qui a une forme propre et un volume propre : elle est solide.

Le passage est donc $\text{liquide} \rightarrow \text{solide}$ : c'est une solidification. Elle est due au refroidissement (le congélateur est à une température bien inférieure à 0 °C).

2) La masse. Lors d'un changement d'état, la masse se conserve. La masse d'eau est donc exactement la même avant et après : rien n'est apparu, rien n'a disparu, c'est le même corps dans un autre état.

3) La déformation. Si la masse ne change pas, ce n'est pas elle la coupable. C'est le volume : en se solidifiant, l'eau augmente de volume. La glace occupe donc plus de place que les 1,0 L d'eau liquide de départ.

Comme la bouteille était remplie à ras bord et fermée, la glace n'a nulle part où aller : elle pousse sur les parois, qui se déforment, et repousse le bouchon.

4) Le conseil. Ne jamais remplir complètement une bouteille avant de la congeler : il faut laisser un espace vide pour absorber l'augmentation de volume, sinon la bouteille se déforme ou éclate.

Phrase de conclusion attendue. « L'eau a subi une solidification ; sa masse s'est conservée mais son volume a augmenté, ce qui a déformé la bouteille pleine et fermée. »

Problème type résolu n° 2 — la rosée du matin, et les pièges classiques

Énoncé. Un matin d'automne, l'herbe du jardin est couverte de gouttelettes d'eau alors qu'il n'a pas plu. 1) D'où vient cette eau ? 2) Nomme le changement d'état et précise s'il y a eu chauffage ou refroidissement. 3) Certains matins d'hiver, on trouve à la place une fine couche blanche de glace. Que s'est-il passé en plus ?

1) L'origine de l'eau. L'air contient toujours de la vapeur d'eau, c'est-à-dire de l'eau à l'état gazeux, invisible. C'est de là que vient l'eau : elle était déjà là, sous un autre état.

2) Le changement d'état. Pendant la nuit, la température baisse et l'herbe devient froide. Au contact de cette surface froide, la vapeur d'eau se refroidit et redevient de l'eau liquide.

Le passage est $\text{gaz} \rightarrow \text{liquide}$ : c'est une condensation. Elle est provoquée par un refroidissement, jamais par un chauffage.

3) Le cas de l'hiver. Si la température descend suffisamment, sous 0 °C, l'eau liquide déjà déposée gèle : $\text{liquide} \rightarrow \text{solide}$, c'est une solidification. On obtient la fine couche blanche que les météorologues appellent la rosée blanche : c'est de la rosée gelée, donc deux changements d'état à la suite (d'abord une condensation, ensuite une solidification).

Attention à ne pas confondre. La rosée blanche n'est pas exactement la même chose que la gelée blanche au sens strict. La gelée blanche, elle, se dépose directement à partir de la vapeur d'eau, sans jamais passer par l'eau liquide — un passage $\text{gaz} \rightarrow \text{solide}$ que tu ne verras qu'après la 6e (on en reparle au dernier palier). Ici, dans cet exercice, l'eau est bien passée par l'état liquide : c'est donc de la rosée gelée.

Conclusion rédigée. « La rosée provient de la vapeur d'eau de l'air qui subit une condensation au contact de l'herbe froide ; par temps plus froid, cette eau liquide subit ensuite une solidification et forme la rosée blanche. »

Les pièges classiques, listés une bonne fois.

Piège 1 : répondre « c'est de la vapeur » devant quelque chose de visible. Si tu le vois en blanc, c'est du liquide.

Piège 2 : confondre condensation et solidification. Condensation = gaz → liquide. Solidification = liquide → solide.

Piège 3 : croire que le sable, le sucre en poudre ou la farine sont des liquides parce qu'ils se versent. Regarde un grain : forme propre → solide.

Piège 4 : écrire que la masse augmente quand l'eau gèle. C'est le volume qui augmente ; la masse, elle, se conserve.

Piège 5 : oublier de justifier. Deux critères, puis la conclusion. Toujours.

Le modèle particulaire : l'explication qui arrive au cycle 4

En 6e, on décrit les états par ce qu'on observe : forme, volume. Les années suivantes, on explique ces observations par ce qui se passe à très petite échelle.

L'idée : toute la matière est faite de particules extrêmement petites, invisibles même au microscope de la classe. Ce qui distingue les trois états, c'est la façon dont ces particules sont rangées et à quel point elles bougent.

Dans un solide, les particules sont très serrées et rangées les unes contre les autres ; elles ne peuvent que vibrer sur place. D'où la forme propre et le volume propre : rien ne peut glisser.

Dans un liquide, les particules restent serrées — donc le volume ne change pas — mais elles sont en désordre et peuvent glisser les unes sur les autres. D'où : volume propre, mais pas de forme propre.

Dans un gaz, les particules sont très éloignées les unes des autres et s'agitent dans tous les sens. Elles se dispersent partout et laissent beaucoup de vide entre elles. D'où : ni forme, ni volume propre — et c'est aussi pourquoi un gaz se comprime (souviens-toi de la seringue : on rapproche les particules) alors qu'un liquide, déjà serré, ne se comprime pas.

Ce modèle explique aussi la conservation de la masse : lors d'un changement d'état, les particules ne disparaissent pas et ne changent pas de nature, elles se réorganisent seulement. Même nombre de particules → même masse. Mais l'espace entre elles change → le volume change.

Ce qu'on ajoutera au tableau des changements d'état

Ton cours de 6e retient quatre changements d'état. Le tableau complet en compte six, et tu croiseras les deux manquants plus tard.

La sublimation : $\text{solide} \rightarrow \text{gaz}$, directement, sans passer par le liquide. C'est ce que fait la « neige carbonique » (le dioxyde de carbone solide) sur scène, ou la neige qui disparaît un jour de grand soleil sec sans laisser de flaque.

La condensation solide : $\text{gaz} \rightarrow \text{solide}$, directement. C'est ainsi que se forme la gelée blanche du matin sur l'herbe : la vapeur d'eau se dépose en cristaux de glace sans jamais devenir de l'eau liquide. C'est bien la précision annoncée au palier précédent : la gelée blanche au sens strict n'est pas de la rosée qui a gelé. La fine couche blanche obtenue en gelant de la rosée déjà déposée (condensation, puis solidification) porte, elle, le nom de rosée blanche. Deux phénomènes, deux chemins différents, deux noms.

Une question de mot. Pour le passage $\text{gaz} \rightarrow \text{liquide}$, ton cours écrit condensation ; à partir du cycle 4, tu rencontreras aussi le mot liquéfaction pour désigner ce même passage. Les deux décrivent la même chose ; retiens celui de ton cours pour le contrôle, et ne sois pas surpris de voir l'autre.

Le palier de température. Voici une découverte qui surprend beaucoup d'élèves : pendant qu'un corps pur change d'état, sa température ne bouge pas. Un mélange d'eau et de glaçons reste à 0 °C tant qu'il reste de la glace, même si on chauffe. L'énergie apportée sert alors à défaire l'organisation des particules, pas à élever la température. Tu traceras cette courbe en 5e, et le « palier » horizontal est l'un des graphiques les plus classiques du collège.

Les portes que cette leçon ouvre

Vers masse et volume. Tu as déjà croisé l'idée : lors d'un changement d'état, la masse se conserve mais le volume peut varier. Cette distinction masse / volume est exactement la fiche voisine de ton programme, et elle mène ensuite à la masse volumique, qui répond à la question « pourquoi la glace flotte-t-elle sur l'eau ? ». La réponse est déjà dans ce que tu sais : même masse, plus grand volume.

Vers les mélanges et solutions. Jusqu'ici on a parlé d'un corps. Que se passe-t-il quand on en mélange deux ? Un solide qui disparaît dans l'eau ne change pas d'état : il se dissout. Ne confonds pas « fondre » (changement d'état, par chauffage) et « se dissoudre » (mélange). Le sucre dans le thé se dissout ; il ne fond pas.

Vers la météorologie et le cycle de l'eau. Toute la leçon se rejoue à l'échelle de la planète : l'eau des océans se vaporise, la vapeur monte, se condense en altitude pour former les nuages (des gouttelettes liquides, pas de la vapeur !), retombe en pluie, ou se solidifie en neige et en grêle. Quand tu étudieras les phénomènes météorologiques, tu réutiliseras mot pour mot le vocabulaire d'aujourd'hui.

Vers la chimie du lycée. Les températures de changement d'état sont des signatures : un corps pur fond et bout toujours aux mêmes températures dans les mêmes conditions. Cela sert à identifier une substance, et à repérer si elle est pure ou mélangée. L'eau à 0 °C et 100 °C que tu apprends aujourd'hui est le premier exemple d'une méthode d'identification que tu utiliseras encore en terminale.

Autrement dit : cette leçon a l'air d'être la plus simple de l'année. C'est en réalité la fondation sur laquelle se construisent la chimie, la météo et une bonne partie de la physique du collège.