Physique-Chimie — Seconde

Corps purs, mélanges et identification des espèces chimiques — Physique-Chimie Seconde (chapitre 2)

Corps purs et mélanges en seconde : espèce chimique, mélanges homogènes et hétérogènes, identification par température de changement d'état, masse…

Par ProfBot

Corps purs, mélanges et identification des espèces chimiques

Chapitre 2 — Constitution et transformations de la matière · Seconde générale et technologique

Un flacon sans étiquette contient un liquide incolore. Est-ce de l'eau ? de l'éthanol ? de l'eau salée ? Aucune de ces questions ne se tranche à l'œil. Ce chapitre installe les quatre méthodes qui permettent d'y répondre au laboratoire : mesurer une température de changement d'état, mesurer une masse volumique, faire un test chimique, réaliser une chromatographie.

Toutes reposent sur la même idée : une espèce chimique possède des propriétés qui lui sont propres et qui ne dépendent pas de la quantité prélevée. Ce sont ces propriétés qu'on compare à des valeurs de référence — avec les précautions du chapitre 1.

Au programme officiel. Espèce chimique, corps pur, mélanges d'espèces chimiques, mélanges homogènes et hétérogènes ; identification d'espèces chimiques dans un échantillon par des mesures physiques ou des tests chimiques ; composition massique d'un mélange ; composition volumique de l'air. Citer des exemples courants de corps purs et de mélanges. Identifier, à partir de valeurs de référence, une espèce chimique par ses températures de changement d'état, sa masse volumique ou par des tests chimiques. Citer des tests chimiques courants de présence d'eau, de dihydrogène, de dioxygène, de dioxyde de carbone. Citer la valeur de la masse volumique de l'eau liquide et la comparer à celles d'autres corps purs et mélanges. Distinguer un mélange d'un corps pur à partir de données expérimentales. Citer la composition approchée de l'air et l'ordre de grandeur de sa masse volumique. Établir la composition d'un échantillon à partir de données expérimentales.

1. Espèce chimique, corps pur, mélange

Définitions.

— Une espèce chimique est un ensemble d'entités identiques : l'eau, le dioxygène, le saccharose sont des espèces chimiques.

— Un corps pur est un échantillon de matière constitué d'une seule espèce chimique.

— Un mélange contient plusieurs espèces chimiques.

Un mélange est dit homogène si l'on n'y distingue qu'une seule phase, même à la loupe : eau salée, air, laiton, vinaigre. Il est hétérogène si l'on y distingue plusieurs phases : eau et huile, jus d'orange avec pulpe, brouillard, granite.

La question « corps pur ou mélange ? » porte sur le nombre d'espèces chimiques ; la question « homogène ou hétérogène ? » porte sur ce qu'on voit. Ce sont deux questions différentes : l'eau salée est un mélange homogène, le granite un mélange hétérogène, et l'eau distillée un corps pur.

Deux pièges de vocabulaire.

— « Pur » au sens courant (« jus de fruit pur ») n'est pas « pur » au sens chimique : un jus de fruit contient des centaines d'espèces. L'eau minérale « pure » est un mélange.

— Un mélange homogène n'est pas un corps pur, même s'il en a l'apparence. Toute la suite du chapitre sert justement à les distinguer.

2. Identifier par les températures de changement d'état

Sous une pression donnée, un corps pur change d'état à une température fixe : la glace fond à $0\ \mathrm{°C}$ sous la pression atmosphérique normale, l'eau bout à $100\ \mathrm{°C}$, l'éthanol bout à $78\ \mathrm{°C}$. Ces températures sont des valeurs de référence tabulées : les retrouver, c'est identifier l'espèce.

Pendant tout le changement d'état d'un corps pur, la température cesse de monter bien qu'on continue de chauffer : c'est le palier de changement d'état. L'énergie apportée sert à séparer les entités, pas à les agiter davantage (chapitre 8).

On chauffe régulièrement deux échantillons et on relève la température. À gauche, l'eau pure : la température stagne à $100\ \mathrm{°C}$ pendant toute l'ébullition — c'est le palier. À droite, de l'eau salée : la température de début d'ébullition est plus élevée et continue de monter pendant que l'eau s'évapore, parce que la solution se concentre au fur et à mesure. Un palier horizontal net est donc la signature d'un corps pur.

La pression compte. Toutes les valeurs tabulées supposent la pression atmosphérique normale ($1013\ \mathrm{hPa}$). En altitude, la pression est plus faible et l'eau bout plus bas : environ $84\ \mathrm{°C}$ au sommet du mont Blanc, où la pression n'est plus que de $554\ \mathrm{hPa}$. Comparer une mesure à une table sans regarder la pression, c'est comparer deux grandeurs différentes.

L'exception qu'il faut connaître. Quelques mélanges très particuliers se comportent, à l'ébullition ou à la fusion, comme des corps purs : ils présentent eux aussi un palier. C'est le cas du mélange eau-éthanol à $96\ \%$ d'éthanol, qui bout à température constante. Un palier est donc un indice très fort, pas une preuve absolue — d'où l'intérêt de croiser plusieurs méthodes.

3. Identifier par la masse volumique

Définition. La masse volumique $\rho$ (lettre grecque « rhô ») d'un échantillon est le quotient de sa masse par son volume :

$\rho = \frac{m}{V}$

Unités usuelles : $\mathrm{g\cdot cm^{-3}}$, $\mathrm{g\cdot mL^{-1}}$ ou $\mathrm{kg\cdot m^{-3}}$, avec $1\ \mathrm{g\cdot cm^{-3}} = 1000\ \mathrm{kg\cdot m^{-3}}$.

La masse volumique ne dépend pas de la quantité de matière prélevée : un dé et un lingot d'aluminium ont la même masse volumique. C'est ce qui en fait un critère d'identification. La valeur à connaître par cœur est celle de l'eau liquide :

$\rho_{\text{eau}} = 1{,}00\ \mathrm{g\cdot cm^{-3}} = 1{,}00\ \mathrm{kg\cdot L^{-1}} = 1{,}00\times10^{3}\ \mathrm{kg\cdot m^{-3}}$

Quelques valeurs de référence à $20\ \mathrm{°C}$. Les métaux se distinguent nettement les uns des autres, ce qui rend la méthode efficace ; en revanche l'huile ($0{,}92$) et l'éthanol ($0{,}79$) sont assez proches pour qu'une mesure imprécise ne les sépare pas. L'air, lui, est près de mille fois moins dense que l'eau.

Comment mesurer. On pèse une masse connue et on mesure son volume : à l'éprouvette pour un liquide, par déplacement d'eau pour un solide irrégulier, par calcul géométrique pour un solide régulier. Puis on divise — en gardant le bon nombre de chiffres significatifs (chapitre 1) et en comparant à la table avec le critère des $2u$.

4. Identifier par des tests chimiques

Un test chimique fait réagir l'espèce cherchée avec un réactif qui change d'aspect. Il répond par oui ou par non, et ne dit rien de la quantité.

Un test positif prouve la présence, un test négatif ne prouve pas l'absence. Un test peut échouer parce que l'espèce est trop diluée, parce que le réactif est éventé (le sulfate de cuivre anhydre bleuit à l'air humide s'il a mal été conservé), ou parce que le geste a été mal fait. Comme toute mesure, un test se répète.

5. Identifier par chromatographie sur couche mince

La chromatographie sépare les espèces d'un mélange, puis permet de les identifier en les comparant à des références déposées côte à côte.

Le principe tient en une phrase : entraînées par un solvant qui monte (l'éluant), les espèces d'un dépôt migrent d'autant plus haut qu'elles sont peu retenues par la plaque. Chacune s'arrête à une hauteur qui lui est propre.

Le dépôt $M$ (le mélange à analyser) et deux références $A$ et $B$ sont posés sur la même ligne, au-dessus du niveau de l'éluant. Après migration, on repère le front de l'éluant et on mesure les hauteurs. Le mélange $M$ donne deux taches : l'une à la même hauteur que $A$, l'autre à la même hauteur que $B$. Conclusion : $M$ contient $A$ et $B$ — et rien d'autre de détectable.

Définition. Le rapport frontal d'une espèce est le quotient

$R_f = \frac{h}{H}$

où $h$ est la hauteur parcourue par la tache et $H$ celle parcourue par le front de l'éluant, toutes deux mesurées depuis la ligne de dépôt. C'est un nombre sans unité, toujours compris entre $0$ et $1$.

Deux taches de même $R_f$ sur une même plaque correspondent à la même espèce. Comparer des $R_f$ obtenus sur deux plaques différentes n'a en revanche pas de sens : ils dépendent de l'éluant, de la plaque et de la température.

Trois erreurs à ne pas commettre : tracer la ligne de dépôt au stylo (l'encre migre et brouille la plaque — on la trace au crayon à papier), noyer les dépôts en versant trop d'éluant, ou déposer une goutte trop grosse, qui donnera une traînée au lieu d'une tache.

6. Composition d'un mélange

Un mélange se décrit par les proportions de ses constituants.

Composition massique. La proportion massique d'un constituant est

$\%_{\text{massique}} = \frac{m_{\text{constituant}}}{m_{\text{total}}} \times 100$

Une eau de mer contenant $35\ \mathrm{g}$ de sels dissous par kilogramme d'eau de mer a donc une composition massique en sels de $\dfrac{35}{1000} \times 100 = 3{,}5\ \%$.

Composition volumique de l'air. L'air sec est un mélange homogène de gaz dont il faut connaître la composition approchée :

À retenir aussi : la masse volumique de l'air dans les conditions ordinaires vaut environ

$\rho_{\text{air}} \approx 1{,}2\ \mathrm{kg\cdot m^{-3}}$

c'est-à-dire qu'un litre d'air pèse à peu près $1{,}2\ \mathrm{g}$, et que l'air d'une salle de classe de $50\ \mathrm{m^3}$ pèse environ $60\ \mathrm{kg}$ — le poids d'un élève. L'air est près de mille fois moins dense que l'eau, mais il n'est pas rien.

Exercices corrigés

Exercice 1 — Identifier un liquide

On mesure la masse d'un volume $V = 50{,}0\ \mathrm{mL}$ d'un liquide incolore : $m = 39{,}5\ \mathrm{g}$. Le liquide bout à $78\ \mathrm{°C}$ sous $1013\ \mathrm{hPa}$.

Valeurs de référence à $20\ \mathrm{°C}$ : eau $1{,}00\ \mathrm{g\cdot mL^{-1}}$ ($100\ \mathrm{°C}$) ; éthanol $0{,}79\ \mathrm{g\cdot mL^{-1}}$ ($78\ \mathrm{°C}$) ; cyclohexane $0{,}78\ \mathrm{g\cdot mL^{-1}}$ ($81\ \mathrm{°C}$).

a. Calculer la masse volumique du liquide. b. Quelles espèces ce résultat permet-il d'exclure ? de retenir ? c. Conclure en utilisant les deux critères.

Correction. a. $\rho = \dfrac{m}{V} = \dfrac{39{,}5}{50{,}0} = 0{,}790\ \mathrm{g\cdot mL^{-1}}$ (trois chiffres significatifs, comme les données). b. L'eau est exclue : $1{,}00$ est très loin de $0{,}790$. L'éthanol ($0{,}79$) et le cyclohexane ($0{,}78$) sont tous deux compatibles — la masse volumique ne suffit pas à les départager. c. La température d'ébullition tranche : $78\ \mathrm{°C}$ correspond à l'éthanol, pas au cyclohexane ($81\ \mathrm{°C}$). Le liquide est de l'éthanol. C'est le croisement de deux critères qui conclut, pas un seul.

Exercice 2 — Corps pur ou mélange ?

On chauffe deux échantillons liquides et on relève la température toutes les minutes.

a. Lequel est un corps pur ? Justifier. b. Peut-on affirmer que l'autre est un mélange ?

Correction. a. L'échantillon 1 présente un palier à $100\ \mathrm{°C}$ : la température ne bouge plus alors qu'on chauffe toujours. C'est le comportement d'un corps pur, et $100\ \mathrm{°C}$ sous pression normale identifie l'eau. b. L'échantillon 2 voit sa température monter continûment pendant l'ébullition : ce n'est pas un corps pur, c'est un mélange (ici, de l'eau salée). L'absence de palier est bien une preuve de mélange — c'est la réciproque qui est en défaut, un palier n'étant pas une preuve absolue de pureté (§ 2).

Exercice 3 — Exploiter une chromatographie

Sur une plaque, le front de l'éluant a parcouru $H = 8{,}0\ \mathrm{cm}$ depuis la ligne de dépôt. Le dépôt du mélange $M$ donne deux taches, à $2{,}4\ \mathrm{cm}$ et $6{,}0\ \mathrm{cm}$. Les références donnent : $A$ à $2{,}4\ \mathrm{cm}$, $B$ à $4{,}8\ \mathrm{cm}$, $C$ à $6{,}0\ \mathrm{cm}$.

a. Calculer les rapports frontaux des deux taches de $M$. b. Que contient $M$ ? c. Un camarade obtient sur une autre plaque, avec un autre éluant, une tache de $R_f = 0{,}30$ et en conclut qu'il s'agit de $A$. Qu'en penser ?

Correction. a. $R_f = h/H$ donne $\dfrac{2{,}4}{8{,}0} = 0{,}30$ et $\dfrac{6{,}0}{8{,}0} = 0{,}75$. b. Les hauteurs de $M$ coïncident avec celles de $A$ et de $C$ : le mélange contient $A$ et $C$. L'espèce $B$ est absente — sa tache à $4{,}8\ \mathrm{cm}$ n'a pas d'équivalent dans $M$. c. La conclusion n'est pas fondée. Un $R_f$ ne se compare qu'à l'intérieur d'une même plaque : changer d'éluant change toutes les valeurs. Il faudrait redéposer $A$ à côté sur sa propre plaque.

Exercice 4 — Composition d'un mélange

On prépare une vinaigrette avec $60\ \mathrm{mL}$ d'huile ($\rho = 0{,}92\ \mathrm{g\cdot mL^{-1}}$) et $20\ \mathrm{mL}$ de vinaigre ($\rho = 1{,}01\ \mathrm{g\cdot mL^{-1}}$).

a. Le mélange est-il homogène ? b. Calculer la masse de chaque constituant, puis la composition massique du mélange en huile. c. L'huile se retrouve-t-elle au-dessus ou en dessous ? Justifier.

Correction. a. Non : huile et vinaigre ne se mélangent pas, on distingue deux phases — le mélange est hétérogène. b. $m_{\text{huile}} = \rho V = 0{,}92 \times 60 = 55{,}2\ \mathrm{g}$ ; $m_{\text{vinaigre}} = 1{,}01 \times 20 = 20{,}2\ \mathrm{g}$. Masse totale : $75{,}4\ \mathrm{g}$, d'où $\dfrac{55{,}2}{75{,}4}\times100 = 73\ \%$ d'huile en masse. c. Au-dessus : à volume égal l'huile est plus légère ($0{,}92 < 1{,}01$), donc elle surnage.

L'essentiel

• Un corps pur ne contient qu'une espèce chimique ; un mélange en contient plusieurs, et il est homogène ou hétérogène selon qu'on y distingue une ou plusieurs phases.
• Sous pression fixée, un corps pur change d'état à température constante : le palier est la signature d'un corps pur.
• La masse volumique $\rho = m/V$ ne dépend pas de la quantité prélevée ; celle de l'eau vaut $1{,}00\ \mathrm{g\cdot cm^{-3}}$, celle de l'air environ $1{,}2\ \mathrm{kg\cdot m^{-3}}$.
• Quatre tests à connaître : sulfate de cuivre anhydre (eau), flamme (dihydrogène), bûchette incandescente (dioxygène), eau de chaux (dioxyde de carbone).
• La chromatographie sépare puis identifie, par comparaison des hauteurs sur une même plaque ; $R_f = h/H$.
• L'air sec est composé, en volume, d'environ $78\ \%$ de diazote et $21\ \%$ de dioxygène.

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