Corps purs et mélanges
Espèces chimiques, corps purs et mélanges, masse volumique, identification par des tests et par chromatographie, composition de l'air.
1. Corps purs et mélanges
Définition
Une espèce chimique est un ensemble d'entités identiques (molécules, atomes ou ions). Un corps pur ne contient qu'une seule espèce chimique (eau distillée) ; un mélange en contient plusieurs (eau du robinet, air).
Définition · Mélange homogène ou hétérogène
Un mélange est homogène si l'on ne distingue qu'une seule phase à l'œil nu (eau salée), hétérogène si on distingue plusieurs phases (eau et huile).
Propriété · Composition de l'air
L'air sec est un mélange d'environ $78\,\%$ de diazote $\text{N}_2$, $21\,\%$ de dioxygène $\text{O}_2$ et $1\,\%$ d'autres gaz (argon, dioxyde de carbone…), en volume.
2. Identifier une espèce chimique
Définition · Masse volumique
La masse volumique d'une espèce est $\rho = \dfrac{m}{V}$ (en g/mL ou kg/m³). Pour l'eau, $\rho = 1{,}00$ g/mL. La densité d'un liquide est $d = \dfrac{\rho}{\rho_\text{eau}}$ (sans unité).
Expérience · Mesurer une masse volumique
Propriété · Températures de changement d'état
Un corps pur a une température de fusion et une température d'ébullition caractéristiques (à pression donnée) : l'eau pure fond à $0\,{}^\circ\text{C}$ et bout à $100\,{}^\circ\text{C}$ sous $1$ bar. Un mélange n'a pas de température de changement d'état fixe.
Méthode · Tests chimiques
- Eau : le sulfate de cuivre anhydre blanc devient bleu.
- Dioxyde de carbone : l'eau de chaux se trouble.
- Dioxygène : une bûchette incandescente se rallume.
- Dihydrogène : légère détonation à l'approche d'une flamme.
3. La chromatographie sur couche mince (CCM)
Expérience · Analyser un colorant alimentaire
Définition · Rapport frontal
$R_f = \dfrac{h}{H}$ où $h$ est la hauteur de migration de la tache et $H$ celle du front de l'éluant (mesurées depuis la ligne de dépôt). Dans des conditions données, il caractérise une espèce.
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Exercices corrigés
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Corps pur ou mélange
★☆☆Classer : eau minérale, eau distillée, air, dioxygène, jus d'orange, sel de cuisine pur.
Homogène ou hétérogène
★☆☆Classer : eau + huile ; eau + sirop ; eau + sable ; air filtré.
Masse volumique
★☆☆$25{,}0$ mL d'huile ont une masse de $23{,}0$ g. Calculer la masse volumique. L'huile flotte-t-elle sur l'eau ?
Calculer une masse
★☆☆La masse volumique de l'éthanol vaut $0{,}79$ g/mL. Quelle est la masse de $250$ mL d'éthanol ?
Densité
★★☆Le glycérol a une masse volumique de $1{,}26$ g/mL. Calculer sa densité. Dans un tube contenant de l'eau et du glycérol (non miscibles supposés), quel liquide est au fond ?
Unités de masse volumique
★★☆Convertir $1{,}00$ g/mL en kg/m³ et en g/L.
Identifier un liquide
★★☆Un liquide incolore bout à $78\,{}^\circ\text{C}$ et a une masse volumique de $0{,}79$ g/mL. Données : eau ($100\,{}^\circ\text{C}$ ; $1{,}00$), éthanol ($78\,{}^\circ\text{C}$ ; $0{,}79$), acétone ($56\,{}^\circ\text{C}$ ; $0{,}78$). Identifier le liquide.
Tests
★☆☆Quel test permet de mettre en évidence : a) l'eau ; b) le dioxyde de carbone ; c) le dioxygène ?
Eau pure ?
★★☆Un liquide bout à $102\,{}^\circ\text{C}$ sous $1$ bar et le sulfate de cuivre anhydre bleuit à son contact. Est-ce de l'eau pure ?
Volume d'air
★★☆Une salle de classe contient $180$ m³ d'air. Quel volume de dioxygène contient-elle ?
Lire un chromatogramme
★★☆Dans l'expérience du cours, combien d'espèces contient le colorant du sirop ? Lesquelles ?
Rapport frontal
★★☆Le front de l'éluant est à $6{,}0$ cm de la ligne de dépôt et une tache à $4{,}2$ cm. Calculer le rapport frontal.
Pureté par CCM
★★☆Un échantillon d'aspirine « maison » donne deux taches, dont une au même niveau que l'aspirine pure. Conclure.
Protocole CCM
★★☆Pourquoi l'éluant doit-il être sous la ligne de dépôt au début de l'expérience ?
Mélange de liquides
★★★On mélange $50$ mL d'eau ($\rho = 1{,}00$ g/mL) et $50$ mL d'éthanol ($0{,}79$ g/mL). La masse totale est-elle de $89{,}5$ g ? On mesure un volume total de $96$ mL : calculer la masse volumique du mélange.
Glaçon
★★☆La masse volumique de la glace est $0{,}92$ g/mL. Pourquoi les icebergs flottent-ils ?
Mesurer un volume de solide
★★☆On plonge un caillou de $27$ g dans une éprouvette contenant $50$ mL d'eau : le niveau monte à $60$ mL. Calculer la masse volumique du caillou.
Air et masse
★★★La masse volumique de l'air est $1{,}2$ g/L. Quelle est la masse de l'air de la salle de l'exercice « Volume d'air » ($180$ m³) ?
Changement d'état d'un mélange
★★☆L'eau salée commence à geler vers $-2\,{}^\circ\text{C}$ et sa température continue de baisser pendant la solidification. Est-ce un corps pur ?
Vrai ou faux
★★☆a) Un mélange homogène est un corps pur. b) L'air contient environ $21\,\%$ de dioxygène. c) Deux taches à la même hauteur en CCM correspondent à la même espèce.
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