Fiches « connaissances »
 
États de la matière et changements d'état
1. Programme
Cycle II : l'eau dans la vie quotidienne : la glace, l'eau liquide, la vapeur d'eau ; l'existence de l'air.
Cycle III : l'eau : ébullition et évaporation ; congélation. État liquide, état gazeux, état solide.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant 
Dans le vocabulaire courant :
- solide s'oppose souvent à « fragile » ou à « mou », et non à liquide et gazeux.
- gaz désigne surtout le gaz combustible utilisé comme moyen de chauffage domestique.
- l'expression « eau gazeuse » ne désigne pas l'eau à l'état gazeux.
- le mot « fondre » est souvent employé pour « se dissoudre » : « le sucre fond dans l'eau » (au lieu de : « se dissout »)
- le mot « vapeur » désigne d'autres gaz que la vapeur d'eau (vapeur d'alcool, d'éther...).

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves 
Les élèves considèrent que la glace, l'eau, la vapeur sont trois substances différentes. Cette représentation est renforcée par le fait que, sous chacun de ses trois états, l'eau porte un nom usuel différent.
Ils ont du mal à admettre l'existence de quelque chose d'invisible.
Ils ont du mal à admettre l'existence des gaz. Pour eux, l'air immobile n'existe pas réellement. Seuls le vent, les courants d'air ont une réalité.

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et manipulations 
Lorsqu'on chauffe de l'eau dans un récipient, on observe d'abord de petites bulles d'air (initialement dissout dans l'eau) qui s'échappent de l'eau. C'est en poursuivant le chauffage que l'on voit apparaître de grosses bulles de vapeur d'eau qui s'échappent de l'eau lors de l'ébullition.
Lorsque l'eau bout, on voit en général un brouillard au-dessus du récipient. Ce brouillard est constitué par de fines gouttelettes d'eau résultant de la condensation de la vapeur d'eau dans l'air froid au-dessus du récipient. Les élèves appellent souvent ce brouillard « fumée », alors qu'une fumée comporte de fines particules solides, ce qui n'est pas le cas ici. Ils appellent aussi ce brouillard « vapeur », alors que la vapeur d'eau est un gaz invisible. Ils appellent également ce brouillard « buée » alors que le mot buée désigne plutôt les fines gouttelettes d'eau qui se déposent sur un objet froid.
5. Connaissances
L'eau existe sous trois états : solide (la glace), liquide, gazeux (la vapeur d'eau).
L'eau à l'état liquide suffisamment refroidie change d'état et se transforme en glace : c'est la congélation. La glace suffisamment chauffée change d'état et se transforme en eau à l'état liquide : elle fond, c'est la fusion.
L'eau à l'état liquide suffisamment chauffée change d'état, elle bout et se transforme en vapeur d'eau : c'est l'ébullition. (1). La vapeur d'eau suffisamment refroidie change d'état et se transforme en eau à l'état liquide : c'est la condensation.
L'eau à l'état liquide peut se transformer en vapeur d'eau lentement même sans bouillir : c'est l'évaporation.
Un solide a une forme propre, un liquide n'a pas de forme propre. La surface libre d'un liquide au repos par rapport à la Terre est horizontale. (2)
La Terre est entourée d'une couche d'air, qui constitue l'atmosphère.

6. Autres notions liées
Température. Voir aussi fiche « mélanges et solutions ».

7. Pour en savoir plus
Chaque substance existe sous trois états, solide, liquide, gazeux. (3)
Lors d'un changement d'état il y a conservation de la nature de la substance et de la quantité de matière (la masse se conserve).
La fusion de la glace et l'ébullition de l'eau pure ont lieu à température constante. (4)
L'eau liquide et la vapeur d'eau peuvent exister en même temps.
Lors d'un changement d'état, le volume change en général. Lors de la congélation de l'eau liquide, dans les conditions usuelles, le volume augmente. (Cette propriété fait de l'eau un cas exceptionnel par rapport à celui des autres corps).
Les nuages sont constitués de vapeur d'eau, de fines gouttelettes d'eau liquide et/ou de petits cristaux de glace.

(1) Limite de cette affirmation : dans certains cas, l'eau ne peut pas bouillir dans un récipient hermétiquement fermé. Cette situation exceptionnelle n'est pas étudiée à l'école primaire.
(2) Cela n'est pas vrai si la surface de séparation liquide/gaz est influencée par la proximité d'une paroi solide (ménisques, phénomènes capillaires).
(3) Cette affirmation présente des exceptions (exemple : substances qui, chauffées, subissent une modification chimique avant de changer d'état). De plus, certains cas (cristaux liquides, substances dites « pâteuses »,...) sont d'interprétation délicate. Ces situations ne sont pas étudiées à l'école primaire.
(4) Cette affirmation n'est vraie que si la pression reste constante.

8. Liens avec les situations concrètes observées dans l'environnement des élèves ; expériences réalisées par les élèves 
Partie intégrante de la démarche pédagogique propre à l'enseignement des sciences à l'école primaire, ces deux aspects ne sont pas traités dans les présentes « fiches connaissances », qui ne sont pas des fiches d'expériences.
Les connaissances énoncées au paragraphe 5 prennent sens pour l'élève s'il les construit au cours de la démarche guidée par le professeur.

Fiche rédigée sous la responsabilité de Jean-Michel BERARD,
Inspecteur général de l'Éducation nationale


© CNDP - École / Sciences et technologie
septembre 2000