L'eau se présente sous trois états différents : solide (glace, neige), liquide et gazeux (vapeur d'eau). Sur Terre, nous rencontrons de façon quotidienne ces trois états. Notons cependant que l'eau à l'état gazeux est appelée vapeur d'eau, gaz invisible, à ne pas confondre avec la buée, gouttelettes d'eau en suspension dans l'air.
- Au cycle 1, les enfants, « en rapprochant l'eau du robinet, la pluie, la neige, la glace, commencent à élaborer un premier niveau, très modeste, d'abstraction et à comprendre que ces diverses réalités renvoient à une même substance : l'eau ». Ils découvrent ainsi que la glace et l'eau liquide sont deux états d'une même substance : l'eau
- Au cycle 2, il s'agit d'étudier la fusion de la glace, la solidification de l'eau liquide et d'apprendre à utiliser un thermomètre.
- Au cycle3, fusion, solidification, ébullition, condensation et évaporation sont au programme, ce qui fait en particulier intervenir l'étude de la vapeur d'eau.
Passage glace-eau liquide et eau liquide-glace
Il s'agit tout d'abord de faire en sorte que les élèves reconnaissent que la glace et l'eau liquide sont une même substance, puis, plus tard que la transformation glace-eau liquide se fait à température constante, autour de O°. (Existence d'un palier : on peut continuer à chauffer, la température, tant que les deux états coexistent, ne changeant pas).
Lorsque la glace se transforme en eau liquide, on parle de fusion.
Attention au langage : en effet, on dit dans le langage courant que le sucre fond dans l'eau alors qu'il se dissout. Il ne s'agit pas dans ce cas d'une fusion mais d'une dissolution.
Lorsque l'eau liquide devient solide, on parle de solidification. Pour arriver à cela, soit il est possible de mettre de l'eau liquide dans un réfrigérateur ou un congélateur, soit il est possible d'utiliser un mélange réfrigérant : 2/3 glace pilée et 1/3 de gros sel
Constats auxquels il est possible d'aboutir :
- la température reste constante au cours d'un changement d'état de l'eau (début cycle 3)
- au dessous de 0° l'eau est à l'état solide. Au dessus de 0°, elle est à l'état liquide (cycle 2)
- durant ce changement d'état, il y a conservation de la masse (fin cycle 3), mais le volume change (exemple d'une bouteille d'eau fermée, placée dans un réfrigérateur. Cette bouteille se fissure, se fend, se brise voire éclate)
- eau liquide et glace, c'est la même chose mais dans des états différents (cycle 1)
- l'eau a une particularité : pour une même masse, le volume du solide est plus grand que celui du liquide, contrairement à ce qui se passe pour la majorité des substances.
Ce qui signifie que la masse volumique de la glace est plus petite que celle de l'eau liquide. Souvent on mentionne la densité d'une substance qui n'est pas au programme du primaire et qui est le rapport de la masse volumique de cette substance dans un état donné à celle de l'eau liquide. C'est la raison pour laquelle les glaçons dans un verre d'eau flottent. Pour des élèves de cycle 3, on donne aussi très souvent l'exemple des icebergs qui sont constitués d'eau à l'état solide et qui se trouvent sur les mers constituées d'eau à l'état liquide. De plus cette eau est salée (dont la masse volumique est plus grande que celle de l'eau douce).
Passage liquide-gaz et gaz liquide
L'eau liquide peut se transformer en vapeur d'eau (gaz) selon deux phénomènes différents :
L'ébullition est un phénomène qui concerne la totalité du liquide et qui se produit pour un corps pur et dans un lieu donné, à température constante. Au-dessus de la température d'ébullition (100°C) lorsque la pression vaut 1 atmosphère), la substance eau est à l'état de gaz.
L'évaporation est un phénomène de surface qui se produit entre la température de fusion (O°C) et celle d'ébullition.
Ici, il y a de grosses difficultés pour les enfants, à savoir reconnaître que la vapeur d'eau est un gaz invisible, aussi invisible que l'air…. !
Il est important dans un premier temps de faire prendre conscience aux élèves que dans « une pièce vide » il y a de l'air. Il peut être perçu par ses effets : « ça fait du vent, ça résiste, ça pousse, ça fait des bulles »... Ceci étant, il semble que pour certains enfants de cycle 2, mettre en évidence l'existence de l'air, nécessite de l'eau.
En effet, en mettant un ballon de baudruche sur le goulot d'une bouteille en plastique, le ballon se gonfle si l'on compresse la bouteille.
Certains enfants pensent que de l'air ne passera dans le ballon qu'à condition qu'il y ait de l'eau dans la bouteille. Il y a donc nécessité de faire un long travail sur l'air.
Ceci laisse supposer que les enfants pensent que l'air est dissous dans l'eau. On trouve des raisonnements similaires au XVIIIè siècle. En effet, si on ouvre le Dictionnaire raisonné de la physique de monsieur Brisson (1791) on peut lire :
« Evaporation
Or l'eau étant la base de tous les liquides de la nature, il était facile d'en déduire que les corps perdent principalement de l'eau par l'évaporation. Il n'y a pas plus de difficultés par rapport à l'air : ce fluide étant contenu abondamment dans toute sorte d'eau, il est clair qu'il doit s'élever avec elle dans l'atmosphère …
… Ainsi l'eau qui se précipite retient une partie de l'air qui la tenait en dissolution…. Parfaite analogie entre la dissolution des sels dans l'eau et celle de l'eau dans l'air.»
Lorsque les enfants ont acquis la certitude que l'air « existe » même si on ne le voit pas, on peut alors travailler sur la vapeur d'eau, mais d'autres difficultés peuvent apparaître.
Lorsqu'il y avait de l'eau dans une soucoupe et que, plusieurs heures après, il ne reste plus d'eau dans la soucoupe, bon nombre d'enfants disent « l'eau a disparu », ce qui est vrai (car l'eau liquide n'est plus dans la soucoupe) et faux (car l'eau liquide s'est transformée en vapeur d'eau qui est allée dans l'atmosphère de la pièce).
Pour étudier cela, beaucoup d'enseignants essaient de trouver des expériences montrant que l'on peut récupérer, par condensation, l'eau qui s'est évaporée.
Deux exemples sont souvent utilisés :
- expérience avec deux verres d'eau : l'un contenant de l'eau et l'autre de l'eau avec quelques glaçons dedans. On observe alors des différences entre les deux verres : buée pour l'un pas pour l'autre, des traces sur la table pour l'un des verres, etc.
- fabriquer de la « pluie » : Il s'agit de prendre un bac rempli à moitié d'eau très chaude et recouvert d'un film plastique ou d'une plaque sur laquelle on pose des glaçons. Que voit-on au bout d'un certain temps ? De l'eau tombe en pluie à l'intérieur du bac.
Que s'est-il passé ? L'eau chaude s'est évaporée, la vapeur d'eau arrive sur la plaque froide ou le film en plastique froid et là, la vapeur d'eau se condense en eau liquide qui tombe dans le récipient.
Avec cette expérience, des enfants peuvent penser que le film transparent n'est pas imperméable et laisse passer l'eau (attention, cela peut arriver puisque maintenant on trouve des films pour four micro-ondes, qui ont de micros trous). Il est important d'essayer de réfléchir avec eux pour savoir comment vérifier cela.
L'idée peut venir de prendre des glaçons colorés (cola ou grenadine, colorants alimentaires…). Les enfants s'aperçoivent alors que « leur eau de pluie » est incolore et non colorée.
De même, avec cette expérience, on peut aussi étudier les mélanges et l'évaporation. Il suffit de mettre (dans le bac) un verre vide au milieu du bac puis de remplir le bac (et non le verre) d'eau sucrée ou salée ou bien du thé par exemple. On obtient dans le verre de l'eau incolore et qui n'est ni sucrée, ni salée ou qui n'a pas le goût de thé, etc.
Il est également possible d'étudier les facteurs* (*Cette partie est en italique dans les programmes, ce qui signifie qu'il n'est pas obligatoire de tout faire) dont dépend l'évaporation à savoir la température, l'aération et l'aire de la surface de contact entre l'air et l'eau.
D'autres expériences
• comment savoir s'il y a de l'eau dans les aliments (cf. guide formation)
• montrer que des engrais peuvent passer dans une nappe phréatique (cf. guide de formation)
• cycle de l'eau « simple »
• etc.
Glace, eau liquide, vapeur d'eau : même matière dans des états différents
Il y a conservation de la matière lors des changements d'états.
Existence d'un palier lors d'un changement d'état pour un corps pur
En physique il y a condensation lorsque qu'un gaz passe à l'état solide. Dans la vie quotidienne, on utilise souvent ce mot pour le passage vapeur d'eau (donc gaz) à l'eau liquide.
