Les trois états de l'eau et les changements d'état

L'eau existe sous trois états : solide (la glace, la neige), liquide (l'eau du robinet, la pluie) et gazeux (la vapeur d'eau, que l'on ne voit pas). Dans les trois cas, c'est la même molécule, H2O : deux atomes d'hydrogène accrochés à un atome d'oxygène. Ce qui change d'un état à l'autre, c'est la façon dont ces molécules se tiennent entre elles et bougent.

On passe d'un état à l'autre en apportant ou en retirant de la chaleur, et chaque passage a un nom : fusion, solidification, vaporisation, condensation liquide (ou liquéfaction), sublimation et condensation solide. À la pression atmosphérique habituelle, l'eau pure fond à 0 °C et bout à 100 °C.

Trois états, une seule molécule

L'état solide : des molécules rangées

Dans la glace, chaque molécule d'eau est liée à ses voisines par des liaisons hydrogène, des attractions faibles mais nombreuses. Elles forment un réseau ordonné, un cristal. Les molécules vibrent sur place mais ne changent pas de position. C'est pour cela qu'un glaçon garde sa forme, quel que soit le verre où on le pose.

L'état liquide : des molécules qui glissent

Dans l'eau liquide, les molécules restent proches les unes des autres, mais les liaisons se font et se défont sans cesse. Les molécules glissent, roulent les unes sur les autres. Le liquide prend la forme du récipient, mais garde son volume : un demi-litre d'eau reste un demi-litre, dans une carafe ou dans une casserole.

L'état gazeux : des molécules dispersées

Dans la vapeur d'eau, les molécules sont éloignées et se déplacent dans tous les sens, en s'entrechoquant. Un gaz occupe tout l'espace qu'on lui offre. Et il est invisible : la vapeur d'eau est partout dans l'air que vous respirez, sans que vous la voyiez.

Six changements d'état, six noms

Chaque état peut passer à chacun des deux autres, ce qui donne six transformations. Le vocabulaire varie un peu selon les manuels, surtout pour le passage du gaz au liquide : « condensation » et « liquéfaction » sont tous deux employés à l'école, et certaines académies recommandent de préciser « condensation liquide » ou « condensation solide » pour éviter toute confusion.

Évaporation ou ébullition ?

Les deux sont des vaporisations, mais elles ne se ressemblent pas. L'évaporation se produit à toute température, à la surface du liquide : une flaque sèche en plein hiver, un verre d'eau oublié baisse peu à peu. L'ébullition, elle, se produit dans toute la masse du liquide, avec des bulles de vapeur qui naissent au fond et montent. Elle n'apparaît qu'à une température précise, qui dépend de la pression : 100 °C au niveau de la mer pour de l'eau pure, moins en altitude.

La sublimation, plus courante qu'on ne croit

Le passage direct de la glace à la vapeur semble exotique. On le cite souvent avec la « neige carbonique », du dioxyde de carbone solide, que les ressources pédagogiques d'Eduscol prennent pour exemple. Mais l'eau le fait aussi. Chez moi, le linge étendu dehors par grand froid devient raide comme du carton, et il finit malgré tout par sécher sans dégeler : la glace prise dans les fibres passe directement à l'état de vapeur. Les glaçons oubliés au fond du congélateur qui rapetissent au fil des mois, c'est le même phénomène.

La gelée blanche, une sublimation à l'envers

Le passage inverse, du gaz au solide, se voit les matins d'hiver. Météo-France décrit la gelée blanche comme un dépôt de cristaux de glace formé à partir de la vapeur d'eau de l'air, sur des surfaces refroidies par le rayonnement nocturne, en général par ciel clair et vent faible. La vapeur passe directement à l'état de glace, sans étape liquide. Dans un document de formation, Météo-France la distingue du givre au sens strict, qui se forme quand des gouttelettes d'eau restées liquides sous 0 °C se figent au contact d'un obstacle.

Ce qui se passe pendant un changement d'état

Un palier de température

Plaçons des glaçons dans une casserole sur un feu doux, avec un thermomètre de cuisine. Tant qu'il reste de la glace, la température du mélange reste autour de 0 °C, même si la plaque chauffe. Une fois toute la glace fondue, la température monte. Elle se bloque de nouveau à l'ébullition, autour de 100 °C, tant qu'il reste de l'eau liquide.

Ce palier a une explication simple. L'énergie apportée ne sert plus à faire monter la température : elle sert à casser les liaisons entre molécules. Cette énergie porte un nom, la chaleur latente. Le manuel universitaire libre College Physics d'OpenStax (université Rice) donne environ 334 kJ pour faire fondre un kilogramme de glace à 0 °C, et environ 2 256 kJ pour vaporiser un kilogramme d'eau à 100 °C. Transformer de l'eau en vapeur demande donc près de sept fois plus d'énergie que faire fondre la même masse de glace.

Les ressources Eduscol rappellent un autre point utile : à pression égale, la température de fusion de l'eau est la même que sa température de solidification. L'eau fond à 0 °C et gèle à 0 °C.

La masse se conserve, le volume change

Un changement d'état ne crée ni ne détruit de matière. Un litre d'eau mis au congélateur donne de la glace qui a exactement la même masse. En revanche, son volume augmente.

En atelier, j'ai souvent fait tracer au feutre le niveau de l'eau sur un gobelet en plastique avant de le mettre au congélateur. Le lendemain, la glace dépasse le trait, et le gobelet s'est parfois fendu. Sur la balance, en revanche, rien n'a bougé.

Pourquoi la glace flotte

Une exception à la règle

Pour la plupart des substances, l'état solide est plus dense que l'état liquide : un morceau de cire solide coule au fond de la cire fondue. L'eau fait l'inverse. La glace a une masse volumique d'environ 0,917 g/cm³, contre environ 1 g/cm³ pour l'eau liquide, d'après les tables d'OpenStax. Elle est donc plus légère à volume égal, et elle flotte.

La raison tient au réseau de liaisons hydrogène. Comme l'explique un article du service d'information de la Commission européenne, Cordis, en gelant, les molécules d'eau s'organisent en une structure cristalline qui laisse plus d'espace entre elles que dans le liquide, où elles peuvent se tasser davantage.

Des conséquences visibles

Cette dilatation explique qu'une bouteille d'eau pleine et fermée puisse éclater au congélateur, ou qu'une canalisation gèle et se fende en hiver. Dans la nature, l'eau infiltrée dans les fissures des roches gonfle en gelant et finit par les fragmenter. Et dans un lac, la glace se forme en surface et y reste, ce qui isole l'eau en dessous.

Le point triple : là où les trois états coexistent

La température de fusion et celle d'ébullition dépendent de la pression. Il existe un seul couple de température et de pression où la glace, l'eau liquide et la vapeur coexistent en équilibre : le point triple de l'eau. Il se situe à 0,01 °C (273,16 K) et à une pression d'environ 611,657 pascals, soit environ 0,6 % de la pression atmosphérique au niveau de la mer.

Ce point a longtemps servi à définir l'unité de température. De 1954 à 2018, le kelvin était défini à partir de la température du point triple de l'eau. Depuis le 20 mai 2019, il repose sur une constante fondamentale, la constante de Boltzmann, selon la définition du Système international publiée par le Bureau international des poids et mesures (BIPM). Le NIST, l'institut américain de métrologie, souligne que le point triple reste un moyen pratique d'étalonner les thermomètres.

L'eau qui circule entre ses trois états

Ces changements d'état se produisent partout autour de nous, à grande échelle : l'eau s'évapore des océans, se condense en nuages, retombe en pluie ou en neige, fond au printemps. Ils comptent aussi pour le vivant : les racines et les champignons associés puisent l'eau liquide du sol, comme nous l'expliquons dans l'article sur les mycorhizes, et la rubrique Le vivant revient régulièrement sur le rôle de l'eau dans les organismes.

Pour d'autres sujets sur l'atmosphère, les océans et le sous-sol, la rubrique Eau, Terre et climat rassemble nos articles, et l'index des articles donne la liste complète du magazine.