Physique-Chimie — Constitution et transformations de la matière
Corps purs et mélanges
Espèces chimiques, identification, corps purs et mélanges
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Regarde un verre d'eau salée et un verre de vinaigrette : le premier paraît parfaitement limpide, le second laisse voir deux couches. C'est toute la différence entre un **corps pur** (une seule espèce chimique) et un **mélange** (plusieurs). On classe encore les mélanges en **homogènes** (une seule phase visible) et **hétérogènes** (plusieurs phases). Pour reconnaître une espèce chimique, on s'appuie sur ses **propriétés physiques** mesurables — température de fusion $T_{\mathrm{fus}}$, température d'ébullition $T_{\mathrm{eb}}$, densité, solubilité — qu'on compare à des valeurs de référence. Et quand plusieurs espèces sont mélangées, des techniques comme la **chromatographie sur couche mince** (CCM), la filtration, la décantation ou la distillation permettent de les **séparer** et de les **identifier**. Tout le chapitre tient dans deux gestes : distinguer pur/mélange, puis séparer et reconnaître.
La matière qui nous entoure est rarement pure. Un **corps pur** ne contient qu'une seule sorte de molécules ou d'atomes ; un **mélange** en associe plusieurs. Le mot-clé pour classer un mélange est la **phase** : une région où tout paraît identique à l'œil. Une seule phase visible $\rightarrow$ homogène ; plusieurs $\rightarrow$ hétérogène.
- **Corps pur :** une seule espèce chimique (eau distillée $\mathrm{H_2O}$, fer pur $\mathrm{Fe}$, cuivre).
- **Mélange :** plusieurs espèces chimiques réunies sans réaction.
- **Mélange homogène :** une seule phase visible (eau sucrée, eau salée, air).
- **Mélange hétérogène :** plusieurs phases visibles (eau $+$ sable, vinaigrette huile/vinaigre).
- **L'air** est un mélange homogène de gaz : $\approx 78\,\%$ de diazote $\mathrm{N_2}$, $\approx 21\,\%$ de dioxygène $\mathrm{O_2}$, et d'autres gaz.
- On parle de **corps simple** (un seul élément, ex. $\mathrm{O_2}$) ou **composé** (plusieurs éléments, ex. $\mathrm{H_2O}$) — mais les deux restent des corps purs.
Exemple
On verse de l'eau salée dans un verre : la solution est transparente, on ne distingue aucune limite $\rightarrow$ une seule phase $\rightarrow$ mélange **homogène**. On ajoute du sable : il se dépose au fond et reste visible $\rightarrow$ deux phases (liquide $+$ solide) $\rightarrow$ mélange **hétérogène**.
Piège à éviter
« Limpide » ne veut pas dire « corps pur » ! L'eau salée est transparente mais reste un **mélange** (eau $+$ sel). Le critère du corps pur n'est pas la transparence, c'est le **nombre d'espèces chimiques** présentes.
Chaque espèce chimique possède une véritable carte d'identité : des **propriétés physiques** dont la valeur ne dépend pas de la quantité de matière. Les plus utiles au lycée sont les températures de changement d'état, la densité et la solubilité. Mesurées dans des conditions fixées, elles permettent de reconnaître une espèce.
- **Température de fusion $T_{\mathrm{fus}}$ :** passage solide $\rightarrow$ liquide ($0\,{}^\circ\mathrm{C}$ pour l'eau pure).
- **Température d'ébullition $T_{\mathrm{eb}}$ :** passage liquide $\rightarrow$ gaz ($100\,{}^\circ\mathrm{C}$ pour l'eau pure sous $1\,\mathrm{atm}$).
- Un **corps pur** présente un **palier** de température lors d'un changement d'état (la température reste constante).
- Un **mélange** n'a **pas** de palier franc : la température continue de varier pendant le changement d'état.
- **Densité** $d$ (sans unité) et **solubilité** (masse maximale dissoute par litre) sont aussi caractéristiques.
- La **masse volumique** $\rho$ s'exprime en $\mathrm{g/cm^3}$ ou $\mathrm{kg/m^3}$ ; pour l'eau $\rho \approx 1{,}00\,\mathrm{g/cm^3}$.
Exemple
On chauffe un liquide inconnu et on relève sa température d'ébullition : elle se stabilise en **palier** à $78\,{}^\circ\mathrm{C}$. En comparant aux valeurs tabulées, $T_{\mathrm{eb}} = 78\,{}^\circ\mathrm{C}$ correspond à l'**éthanol**. La présence d'un palier net confirme qu'il s'agit d'un corps **pur**.
Piège à éviter
Les valeurs de $T_{\mathrm{eb}}$ ne sont valables que sous **pression atmosphérique normale** ($1\,\mathrm{atm}$). En altitude, la pression baisse et l'eau bout en dessous de $100\,{}^\circ\mathrm{C}$ : toujours préciser les conditions de mesure.
Comment savoir quelles espèces se cachent dans un mélange ? On compare leurs propriétés aux valeurs de référence, mais l'outil vedette est la **chromatographie sur couche mince** (CCM). Elle sépare les espèces selon leur vitesse d'entraînement par un solvant, l'**éluant**, et les identifie grâce au **rapport frontal $R_f$**.
- On dépose les échantillons sur une **ligne de dépôt**, puis la plaque trempe dans l'**éluant** qui monte par capillarité.
- **Rapport frontal :** $R_f = \dfrac{d}{D}$, avec $d$ = distance parcourue par l'espèce et $D$ = distance parcourue par le front de l'éluant.
- $R_f$ est sans unité et compris entre $0$ et $1$ ; il caractérise une espèce pour un éluant donné.
- Deux taches de **même $R_f$** dans les **mêmes conditions** correspondent (très probablement) à la **même** espèce.
- Une espèce **pure** ne donne **qu'une seule** tache ; un mélange en donne plusieurs.
- Autres tests d'identification : **test à la flamme**, **sulfate de cuivre anhydre** (blanc $\rightarrow$ bleu en présence d'eau).
Exemple
Sur une plaque, le front de l'éluant a parcouru $D = 8{,}0\,\mathrm{cm}$ ; une tache a migré de $d = 6{,}0\,\mathrm{cm}$. Alors $R_f = \dfrac{d}{D} = \dfrac{6{,}0}{8{,}0} = 0{,}75$. Si une espèce de référence donne le même $R_f = 0{,}75$ dans les mêmes conditions, les deux espèces sont identiques.
Piège à éviter
On mesure $d$ et $D$ depuis la **ligne de dépôt**, jamais depuis le bas de la plaque ni depuis la surface de l'éluant. Mesurer $D$ jusqu'au front (la limite humide la plus haute), pas jusqu'au bord supérieur de la plaque.
Séparer les constituants d'un mélange, c'est exploiter une **différence de propriété** : taille des particules, miscibilité, densité, température d'ébullition ou solubilité. À chaque différence sa technique. C'est ainsi qu'on obtient de l'eau potable, du sel marin ou des huiles essentielles.
- **Décantation :** laisse reposer ; sépare deux liquides **non miscibles** ou un solide déposé au fond (exploite la **densité**).
- **Filtration :** retient les particules **solides** sur un filtre et laisse passer le liquide (eau $+$ sable).
- **Distillation :** sépare des liquides par différence de **température d'ébullition** (on chauffe, le plus volatil part en premier).
- **Évaporation :** chauffe doucement pour éliminer le **solvant** et récupérer le **soluté** (sel des marais salants).
- **Extraction par solvant :** exploite la différence de **solubilité** d'une espèce dans deux solvants non miscibles.
- Choisir la technique revient à repérer **quelle propriété diffère** entre les constituants.
Exemple
Pour séparer l'eau et le sable d'un mélange : une **filtration** retient le sable (solide) sur le filtre et laisse passer l'eau salée. Pour récupérer ensuite le sel dissous, on procède par **évaporation** de l'eau, qui ne laisse que les cristaux de sel.
Piège à éviter
La **filtration** ne sépare **pas** un mélange homogène : le sel dissous dans l'eau passe à travers le filtre. Pour séparer un soluté dissous, il faut l'**évaporation** ou la **distillation**, pas la filtration.
Quiz - Corps purs et mélanges
10 questions
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Notions clés — Physique-Chimie
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Corps purs et mélanges, extraits du quiz de révision.
Un corps pur est constitué :
Réponse :
D'une seule espèce chimique
Un **corps pur** ne contient qu'**une seule espèce chimique**. Attention : un corps pur composé comme l'eau $\mathrm{H_2O}$ contient plusieurs sortes d'atomes ($\mathrm{H}$ et $\mathrm{O}$) mais une seule espèce chimique, il reste donc un corps pur.
L'eau salée (transparente) est un exemple de :
Réponse :
Mélange homogène
On ne distingue qu'**une seule phase** à l'œil nu : c'est un mélange **homogène**. Le fait qu'elle soit limpide ne change rien : elle contient deux espèces (eau $+$ sel), ce n'est donc pas un corps pur.
Lors du changement d'état d'un corps pur, la température :
Réponse :
Reste constante (palier)
Un corps pur présente un **palier** : la température reste **constante** pendant tout le changement d'état (ex. $0\,{}^\circ\mathrm{C}$ pour la fusion de la glace). Un mélange, lui, n'a pas de palier franc.
La température d'ébullition de l'eau pure sous $1\,\mathrm{atm}$ est :
Réponse :
$100\,{}^\circ\mathrm{C}$
L'eau pure bout à $100\,{}^\circ\mathrm{C}$ sous pression atmosphérique normale. Le $0\,{}^\circ\mathrm{C}$ est sa température de **fusion**, et $212$ est la valeur en **degrés Fahrenheit** (un piège d'unité).