L'eau s'évapore à température de la pièce - RÉPONSES

Je termine les réponses aux questions d'ébullition dès maintenant. Il restait à traiter de la question 2, que je vous rappelle à l'instant:

Question 2
De l'eau laissée à température de la pièce finit par s'évaporer, même si la température est toujours inférieure à la température d'ébullition de l'eau. Quel énoncé parmi les suivants explique le mieux ce phénomène? Expliquez votre réponse.
a.       Les molécules d'eau finissent par se décomposer en oxygène et en hydrogène gazeux lorsqu'on leur laisse assez de temps.
b.      Les molécules d'eau ayant suffisamment d'énergie cinétique quittent la phase liquide.
c.       Les molécules d'eau sont entraînées en vapeur par les molécules d'air au-dessus de l'eau liquide.
d.      Les collisions entre les molécules d'eau et les parois du contenant donnent l'énergie suffisante à l'eau pour s'évaporer.

Les résultats des élèves (11 élèves) se distribuent comme suit:

La seule réponse correcte est celle qui invoque la définition même de la température : la température, c’est une mesure moyenne de l’énergie des molécules qui constituent un corps. Étant donné que c’est la moyenne, ça veut dire que certaines molécules ont plus d’énergie que d’autres. On se souvient (parce que je l’ai expliqué hier!) que les molécules sont retenues en état liquide par l’intensité des liaisons intermoléculaires qu’elles font avec leurs voisines. Quand elles ont suffisamment d’énergie pour s’agiter tellement qu’elles brisent leurs attaches et se défont de la masse de leurs voisines, elles s’évaporent. Dans un corps, à toute température, il y aura toujours des molécules qui ont suffisamment d’énergie pour s’évaporer.

Le choix de réponse c) est incorrect : l’eau s’évapore même s’il n’y a pas d’air! En réalité, elle s’évapore même mieux s’il n’y a pas d’air. C’est juste une question d’espace disponible, s’il n’y a pas de gaz au-dessus d’un liquide, les molécules de ce liquide ont toute la place pour s’évaporer. Ceux parmi vous qui avez déjà fait une filtration sous vide (avec entonnoir Büchner) dont le filtre s’est bloqué l’avez même observé : le solvant se met à bouillir dans la fiole, même si la température reste basse.

Le choix de réponse d) est tout aussi incorrect. Il y a effectivement des collisions entre toutes les molécules de l’eau, entre les molécules d’eau et les parois du contenant, etc. Mais ce sont en moyenne des collisions élastiques, où aucune énergie n’est gagnée et aucune énergie n'est perdue. La preuve, c’est que la température de l’eau ne change pas. Si les molécules gagnaient de l’énergie en se frappant contre les parois, leur vitesse augmenterait, donc la température de l’eau augmenterait aussi. Si, au contraire, ces collisions leur faisaient perdre de l’énergie, l’eau refroidirait.

Le choix de réponse a) n’a été choisi par personne. Ce serait bien évidemment incorrect de penser que l’eau se décompose en hydrogène et oxygène en s’évaporant. Mais je suis étonnée que personne n’ait invoqué cette réponse, étant donné que plusieurs élèves (des élèves différents, par contre) avaient répondu sensiblement en ce sens à la question sur la « vue grossie » de l’eau après évaporation et aussi à la question dont je parlais hier, sur la température d’ébullition de l’éthanol. C’est un résultat qui me reste à creuser!

Voici quelques exemples de justification des élèves, pour chacun des choix:

Choix b (réponse correcte): "La température d’ébullition est la température nécessaire pour que la majorité des molécules aient assez d’énergie pour changer de phase. Cependant, il peut arriver que cela se produise avant."

Choix c (molécules d'eau entraînées en vapeur par les molécules d'air): "Ce sont les molécules d’air qui permettent l’adhésion des molécules d’eau qui deviennent par la suite de la vapeur d’eau." Commentaire: il semblerait que cette personne ait invoqué les forces intermoléculaires (entre l'eau et l'air) pour justifier le passage de liquide à vapeur. Les forces intermoléculaires peuvent expliquer certains cas de mise en solution, mais certainement pas d'évaporation, notamment parce que ces forces sont très faibles entre les molécules en phase gazeuse. De plus, les molécules d'air sont non-polaires (O2, CO2, N2) alors que l'eau est très polaire. Cette "adhésion" invoquée ne risque pas de se produire.

Choix d (collisions donnent l'énergie suffisante): "L’énergie est libérée lorsque des molécules s’entrechoquent." Commentaire: si de l'énergie était libérée par les collisions, les molécules perdraient cette énergie, donc auraient certainement moins de chance de passer en phase vapeur.

En faisant quelques recherches d'images pour agrémenter mon blogue, j'ai trouvé ce bel exemple d'une illustration du phénomène d'évaporation qui peut causer le développement de conceptions alternatives dans la structure cognitive des apprenants. Saurez-vous les identifier? Mes plus fidèles lecteurs, ceux qui me suivaient déjà du temps où j'étais en Australie, vont certainement se souvenir de ce dont je discutais à l'époque! J'y reviendrai, en attendant, faites-moi part de vos observations dans les commentaires!

Quelles caractéristiques de cette illustration peuvent favoriser le développement de conceptions alternatives?