1Espèce chimique, corps pur, mélange
Définition. Une espèce chimique est un ensemble d’entités (atomes, molécules ou ions) toutes identiques ; on la désigne par un nom et une formule, par exemple l’eau ou le dioxygène .
Définition. Un corps pur ne contient qu’une seule espèce chimique. Il est simple si son espèce ne contient qu’un seul élément chimique (, ), composé si elle en contient plusieurs (, ).
Définition. Un mélange contient au moins deux espèces chimiques. Il est homogène lorsqu’on n’y distingue qu’une seule phase à l’œil nu (eau salée, air), hétérogène lorsqu’on en distingue plusieurs (vinaigrette, jus d’orange pulpé).
Définition. Deux liquides sont miscibles s’ils forment un mélange homogène (eau et éthanol) ; sinon ils sont non miscibles et forment deux phases superposées (eau et huile). Le liquide de plus petite masse volumique occupe la phase du haut.
Notation. L’air est un mélange homogène de gaz : en volume, environ de diazote et de dioxygène .
2Identifier une espèce par ses grandeurs physiques
Propriété — changements d’état. Un corps pur change d’état à température constante sous une pression donnée : sa courbe de température présente un palier, dont la valeur est caractéristique de l’espèce (eau : fusion à , ébullition à sous la pression atmosphérique normale). Un mélange, lui, ne présente pas de palier net.
Définition. La masse volumique d’un échantillon est le quotient de sa masse par son volume ; la densité d’un liquide ou d’un solide est le quotient de sa masse volumique par celle de l’eau : c’est un nombre sans unité.
- ; ; ( en , en , en )
- avec
- Pourcentage massique d’une espèce :
- Conversions : ; ; ;
Remarque. Masse volumique de l’air dans les conditions usuelles : environ , soit près de mille fois plus faible que celle de l’eau.
Méthode — identifier une espèce inconnue. mesurer une grandeur caractéristique (température de fusion ou d’ébullition, masse volumique), puis la comparer à la valeur de référence donnée dans un tableau. Les valeurs doivent coïncider à l’incertitude de mesure près. Une seule grandeur commune ne suffit pas toujours à conclure : plusieurs espèces peuvent avoir la même masse volumique.
3Composition d’un mélange
Propriété. La masse d’un mélange est la somme des masses des espèces qui le composent : Les pourcentages massiques de toutes les espèces ont pour somme . En revanche, les volumes ne s’additionnent pas toujours.
4Identifier une espèce par un test chimique
- Eau : le sulfate de cuivre anhydre, blanc, devient bleu.
- Dioxyde de carbone : l’eau de chaux se trouble (précipité blanc).
- Dihydrogène : petite détonation (« aboiement ») à l’approche d’une flamme.
- Dioxygène : une bûchette incandescente se rallume.
Un test positif prouve la présence de l’espèce, jamais la pureté de l’échantillon : le sulfate de cuivre anhydre bleuit aussi au contact d’un jus de fruit, qui contient de l’eau parmi beaucoup d’autres espèces.
5Chromatographie sur couche mince (CCM)
Définition. La CCM sépare les espèces d’un mélange. La ligne de dépôt est tracée au crayon à papier et les dépôts y sont faits avec un capillaire ; l’éluant monte par capillarité et entraîne plus ou moins loin chaque espèce, selon son affinité avec l’éluant et avec la plaque. Après révélation, on obtient le chromatogramme.
Propriété — lecture d’un chromatogramme. une espèce pure donne une seule tache ; un mélange en donne plusieurs (au moins autant d’espèces que de taches). Deux taches à la même hauteur, dans la même expérience, correspondent à la même espèce.
Définition. Le rapport frontal ( : distance parcourue par la tache, : par l’éluant, depuis la ligne de dépôt) est sans unité ; il caractérise une espèce pour un éluant et un support donnés.
6Savoir-faire du chapitre
- Classer un échantillon : corps pur simple ou composé, mélange homogène ou hétérogène ; reconnaître deux liquides miscibles.
- Exploiter une courbe de changement d’état : repérer le palier, en déduire l’état physique et conclure sur la pureté.
- Calculer , ou , une densité, un pourcentage massique, et convertir les unités.
- Prévoir la position de deux liquides non miscibles dans un tube à partir de leurs masses volumiques.
- Choisir un test chimique pour identifier l’eau, , ou , et interpréter le résultat.
- Interpréter un chromatogramme : nombre d’espèces, identification par comparaison avec des espèces pures, calcul d’un rapport frontal.
7Exemples types
Un volume d’huile d’olive a une masse . On obtient , soit ou . Sa densité vaut : comme , l’huile flotte sur l’eau.
Quelle masse d’éthanol () contient une bouteille de ? On convertit : , puis , soit environ .
Une poignée de porte en laiton de masse contient de cuivre, le reste étant du zinc. Cuivre : . Zinc () : la somme valant , .
- Confondre corps pur et transparent ou limpide : l’eau du robinet est limpide mais c’est un mélange ; le cuivre est un corps pur mais il est opaque.
- Donner une unité à la densité : est un rapport de deux masses volumiques, il est sans unité.
- Oublier de convertir avant d’appliquer : et doivent être dans les unités du demandé.
- Croire qu’un test chimique positif prouve qu’il n’y a que cette espèce dans l’échantillon.
- Comparer les hauteurs de taches de deux plaques différentes : on compare alors des rapports frontaux (même éluant, même support).