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 $R_f$.
Le rapport frontal $R_f = \dfrac{d}{D}$ compare la distance $d$ parcourue par l'espèce à la distance $D$ parcourue par le front de l'éluant. Toujours $0 \leq R_f \leq 1$.
- 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
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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).