Les espèces chimiques, les corps purs et les mélanges
La matière, présente sous différentes formes à l'échelle macroscopique, est constituée d'espèces chimiques. Cette matière peut former des corps purs ou des mélanges. Les mélanges peuvent être homogènes ou hétérogènes.
Les espèces chimiques
Une espèce chimique est représentée par une unique formule chimique et correspond à un ensemble d'entités chimiques identiques entre elles.
Espèce chimique
Une espèce chimique correspond à un ensemble d'entités chimiques identiques entre elles et représentées par la même formule. Il peut s'agir d'un atome, d'une molécule, d'un ion, etc.
Les espèces chimiques qui composent le sel de cuisine sont les ions sodium \ce{Na^{+}} et chlorure \ce{Cl^{-}}.
On trouve les espèces chimiques dans des corps purs ou des mélanges.
Les corps purs et les mélanges
Une substance constituée d'une seule espèce chimique est appelée un corps pur. Un mélange est constitué d'espèces chimiques différentes.
Corps pur
Un corps pur est une substance composée d'une seule espèce chimique.
L'eau distillée est un corps pur, composé seulement de la molécule \ce{H_{2}O}.
Mélange
Un mélange est une substance composée de plusieurs espèces chimiques.
L'eau salée est un mélange, composé de la molécule \ce{H_{2}O} et des ions sodium \ce{Na^{+}} et chlorure \ce{Cl^{-}}.
Les mélanges homogènes et hétérogènes
Un mélange est hétérogène s'il est possible de distinguer à l'œil nu ses constituants. Un mélange est homogène s'il n'est pas possible de distinguer à l'œil nu ses constituants.
Mélange homogène
Un mélange est homogène s'il est impossible de distinguer ses différents constituants à l'œil nu.
Un mélange d'eau et de sucre est homogène : il est impossible de différencier ses constituants à l'œil nu.
Mélange hétérogène
Un mélange est hétérogène s'il est possible de distinguer ses différents constituants à l'œil nu.
Un mélange d'eau et d'huile est hétérogène : on distingue le constituant eau et le constituant huile à l'œil nu.
Phases
Les phases sont les différentes parties du mélange que l'on peut distinguer.
Dans un mélange d'eau et d'huile, il y a deux phases :
- la phase eau ;
- la phase huile.
La masse et le volume pour décrire la composition d'un mélange
La mesure de la masse m et du volume V d'un corps permettent de calculer sa masse volumique ρ dans un mélange. Ces mesures permettent de donner la composition d'un mélange.
Les mesures de masse et de volume
La masse m évalue la quantité de matière, elle se mesure avec une balance. Le volume V évalue l'espace qu'occupe la matière et se mesure avec une éprouvette graduée.
Masse
La masse d'un corps :
- évalue sa quantité de matière ;
- est notée avec l'unité kilogramme (kg) ;
- se mesure avec une balance à plateaux, par comparaison, ou avec une balance électronique.
Un corps de masse 2 kg contient deux fois plus de matière qu'un corps de masse 1 kg.
Volume
Le volume d'un corps :
- évalue l'espace qu'il occupe ;
- est exprimé dans l'unité légale qui est le mètre cube (m3) mais plus généralement exprimé en litres (L) ;
- se mesure avec une éprouvette graduée.
- Pour visualiser l'espace occupé par deux liquides de volumes différents, on utilise deux éprouvettes l'une à côté de l'autre.
- Un mètre cube (m3) équivaut à 1 000 litres (L).
Un liquide de volume 20 mL occupe deux fois plus d'espace qu'un liquide de volume 10 mL.
La masse volumique
La masse volumique ρ d'un corps est le rapport de la masse m d'un échantillon de ce corps par son volume V.
Masse volumique
La masse volumique d'un corps est le rapport entre la masse d'un échantillon de ce corps et le volume qu'il occupe :
\bf \ce{\rho_{corps}}=\dfrac{\ce{m_{corps}}}{\ce{V_{corps}}}
Son unité légale est le kilogramme par mètre cube, (\text{kg.m}\ce{^{-3}}) mais on peut l'exprimer avec d'autres unités de masse et de volume ( \text{kg.L}\ce{^{-1}}, \text{g.mL}\ce{^{-1}}, etc.).
La masse d'un échantillon de fer de volume 0,100 m3 est de 786 kg, sa masse volumique est donc :
\rho\ce{_{Fe}}=\dfrac{\ce{m_{Fe}}}{\ce{V_{Fe}}}\\\rho\ce{_{Fe}}=\dfrac{786}{0{,}100}\\\rho\ce{_{Fe}}=7{,}86.10^{3}\text{ kg.m}^{-3}
La composition d'un mélange
La description d'un mélange est donnée par sa composition en masse ou sa composition en volume des différentes espèces qui le composent.
Un mélange peut être caractérisé par :
- sa composition massique qui indique les masses des différentes espèces qui le composent ;
- sa composition volumique qui indique les volumes des différentes espèces qui le composent.
Les compositions d'un litre d'une solution antiseptique d'« alcool à 70° » sont :
Les compositions peuvent être données en pourcentages ou en fractions.
En volume, une solution antiseptique d'« alcool à 70° » est composée de :
L'identification d'une espèce chimique
Pour identifier une espèce chimique, il est possible d'utiliser ses caractéristiques physiques et chimiques ou de réaliser un test d'identification. Pour identifier plusieurs espèces chimiques dans un mélange on peut faire appel à la chromatographie.
L'identification d'une espèce chimique grâce à ses caractéristiques physiques
La masse m, le volume V et les températures de changement d'état d'une espèce chimique permettent de l'identifier.
Caractéristiques physiques
Toute espèce chimique possède des propriétés physiques dont les valeurs lui sont propres et que l'on nomme caractéristiques physiques.
Une espèce chimique peut être caractérisée par ses températures de changement d'état et sa masse volumique. Elle peut donc être identifiée par la mesure d'une de ces caractéristiques physiques, cette mesure nécessitant un matériel adapté.
Les valeurs attendues peuvent dépendre d'autres paramètres qu'il faut préciser, comme la pression, la température, etc.
Au niveau de la mer, l'eau bout à 100 °C. Plus on s'élève en altitude, moins il y a d'air au-dessus de nos têtes et donc plus la pression baisse. La pression atmosphérique diminue en moyenne de 1 hPa tous les 8 m. La température d'ébullition diminue de 1 °C pour chaque tranche d'environ 293 m d'élévation.
De ce fait, l'ébullition a lieu :
- à 93 °C à 2 000 m ;
- à 85 °C au sommet du Mont-Blanc ;
- à 72 °C au sommet de l'Everest.
La différence est minime, mais suffisante pour avoir une influence sur les temps de cuisson des pâtes, par exemple.
Une faible variation autour de la valeur attendue met en évidence la présence d'impuretés.
À 20 °C, la masse volumique de l'eau pure est de 0,998 kg/L alors que celle du sel est de 2,16 kg/L. La masse volumique d'une eau salée dépend de sa proportion en sel et en eau pure. De ce fait, la masse volumique d'une eau salée est supérieure à celle d'une eau pure. Cette augmentation de la masse volumique a lieu quel que soit le solide ionique dissous dans l'eau.
Cette différence dans la mesure de masse volumique, comparée à celle de l'eau pure, met en évidence la présence d'impuretés. Ces impuretés peuvent être des espèces ioniques comme le sel.
L'identification d'une espèce chimique en effectuant des tests d'identification
L'eau, le dihydrogène, le dioxygène et le dioxyde de carbone sont identifiables par des tests spécifiques.
Certaines espèces chimiques peuvent être mises en évidence à l'aide de tests d'identification facilement réalisables. Pour prouver la présence d'eau, on réalise le test au sulfate de cuivre anhydre.
En présence d'eau, le sulfate de cuivre anhydre, initialement blanc, devient bleu.
Pour prouver la présence de dihydrogène, on réalise le test du dihydrogène.
Lorsque l'on approche une flamme d'un mélange air-dihydrogène, il se produit une détonation (parfois nommée « aboiement »).
Pour prouver la présence de dioxyde de carbone, on réalise le test à l'eau de chaux.
En présence de dioxyde de carbone, l'eau de chaux se trouble.
Lorsque l'on dissout du dioxyde de carbone gazeux dans de l'eau de chaux, on dit qu'on le fait « barboter ».
Pour prouver la présence de dioxygène, on réalise le test du dioxygène.
En présence de dioxygène, une bûchette incandescente s'enflamme de nouveau.
Dans le flacon de dioxygène, la braise de la bûchette incandescente prend feu.
| Espèce chimique | Test d'identification | Résultat si positif |
| Eau | Mettre en contact l'échantillon à tester avec du sulfate de cuivre anhydre | Le sulfate de cuivre anhydre bleuit |
| Dihydrogène | Approcher une flamme de l'échantillon de gaz à tester | Détonation caractéristique |
| Dioxyde de carbone | Faire barboter l'échantillon de gaz à tester dans de l'eau de chaux | L'eau de chaux devient blanchâtre |
| Dioxygène | Approcher une bûchette incandescente de l'échantillon de gaz à tester | La bûchette produit de nouveau une flamme |
L'identification d'une espèce chimique en réalisant une CCM
La vitesse de déplacement des espèces chimiques, qui diffère selon leur affinité avec un éluant, permet de caractériser un mélange. C'est le principe de la chromatographie.
Lors d'une chromatographie sur couche mince, les espèces chimiques déposées migrent différemment selon leur affinité avec l'éluant.
Éluant
L'éluant est le liquide qui joue le rôle de solvant dans une chromatographie sur couche mince pour séparer les espèces chimiques.
Ici, le mélange C contient les deux espèces chimiques de référence A et B, car les dépôts ont migré jusqu'aux mêmes hauteurs.
L'air, un mélange particulier
L'air est un mélange que l'on respire tous les jours. Composé essentiellement de diazote et de dioxygène, sa masse volumique est mesurable.
La composition de l'air
L'air est constitué de 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1 % d'autres gaz.
L'air est un mélange de gaz. Sa composition volumique est :
- 78 % de diazote ;
- 21 % de dioxygène ;
- 1 % d'autres gaz (dioxyde de carbone, argon, etc.).
Pour simplifier on néglige les autres gaz et l'air est composé d'environ :
- \dfrac{4}{5} de diazote ;
- \dfrac{1}{5} de dioxygène.
Ainsi, tous les échantillons d'air contiennent environ 4 fois plus de diazote que de dioxygène.
Si un récipient contient 10 mL de dioxygène, il contient à peu près 40 mL de diazote.
La masse volumique de l'air
La masse volumique de l'air est mesurable par déplacement d'eau et a une valeur de 1,3 g.L-1.
Comme tous les gaz, l'air possède une masse et donc une masse volumique.
À température et pression ambiantes, la masse volumique de l'air est de 1{,}3 \text{ g.L}^{-1}. La masse d'un litre d'air est donc de 1,3 g.
L'expression de la masse volumique de l'air est :
\bf {\rho_{\text{air}}}=\dfrac{m_{\text{air}}}{V_{\text{air}}}
Elle peut être utilisée pour déterminer la masse ou le volume d'un échantillon d'air :
