Table des matières

Corps purs et mélanges

Corps purs et mélanges

Prérequis

Avant d'aborder ce chapitre, il est important de maîtriser les notions suivantes vues au collège :

Les trois états de la matière : solide, liquide et gazeux.
La notion d'atome et de molécule.
Les changements d'état (fusion, solidification, vaporisation, condensation, sublimation, condensation solide).
La distinction entre transformation physique et transformation chimique.

Ce cours se situe au début du programme de seconde en physique-chimie, après une introduction aux notions fondamentales de la chimie et de la physique. Il permet de poser les bases nécessaires à l'étude des réactions chimiques et des propriétés des substances.

Corps purs et mélanges

Définitions

Un corps pur est une substance constituée d'une seule espèce chimique. Cela signifie que toutes les particules (atomes ou molécules) qui le composent sont identiques.

Un mélange est constitué de plusieurs espèces chimiques différentes.

Il existe deux types de mélanges :

Un mélange homogène est un mélange dont on ne peut pas distinguer les différents constituants à l'œil nu. Il présente des propriétés uniformes en tout point.

Un mélange hétérogène est un mélange dont on peut distinguer au moins deux constituants à l'œil nu. Il ne présente pas des propriétés uniformes.

Exemples :

Corps purs : eau distillée (), fer (Fe), dioxygène ().
Mélanges homogènes : air, eau salée, sirop.
Mélanges hétérogènes : eau et huile, lait (bien qu'il puisse paraître homogène à l'œil nu, il contient des particules en suspension), béton.

Question de réflexion : Pourquoi l'air est-il considéré comme un mélange homogène ?

Composition de l'air et masse volumique

L'air est un mélange homogène constitué principalement de :

Diazote () : environ 78 %
Dioxygène () : environ 21 %
Argon (Ar) : environ 1 %
D'autres gaz en faibles quantités : dioxyde de carbone (), néon (Ne), etc.

La masse volumique d'un corps est la masse par unité de volume. Elle est notée (rhô) et s'exprime en kilogrammes par mètre cube ( $kg.m^{-3}$ ) ou en grammes par centimètre cube ( $g.cm^{-3}$ ).

La formule de la masse volumique est :

où est la masse du corps et son volume.

La masse volumique de l'air est d'environ 1,2 $kg.m^{-3}$ à température et pression ambiantes.

Remarque pédagogique : La masse volumique dépend de la température et de la pression.

*Exemple :* Calculer la masse d'un volume de 10 d'air.

$m = rho * V = 1.2 kg.m^{-3} * 10 m^3 = 12 kg$

Distinguer un corps pur d'un mélange

Plusieurs méthodes permettent de distinguer un corps pur d'un mélange :

Températures de changement d'état : Un corps pur possède des températures de fusion et d'ébullition fixes. Lors d'un changement d'état, la température reste constante. Un mélange, en général, n'a pas de température de changement d'état fixe. La température varie pendant le changement d'état.

Mesure de la masse volumique : La masse volumique d'un corps pur est une caractéristique propre à ce corps et peut être utilisée pour l'identifier (voir chapitre suivant). Un mélange aura une masse volumique qui dépend de sa composition.

Chromatographie : Cette technique permet de séparer les différents constituants d'un mélange et ainsi de déterminer sa composition.

Encadré Méthode : Pour déterminer si une substance est un corps pur, on peut mesurer sa température de fusion. Si la température reste constante pendant la fusion, il s'agit probablement d'un corps pur.

Comment identifier une espèce chimique ?

L'identification d'une espèce chimique repose sur la détermination de ses propriétés caractéristiques. Voici quelques méthodes courantes :

Températures de changement d'état :

Chaque corps pur possède des températures de fusion et d'ébullition spécifiques, à une pression donnée. Ces valeurs peuvent être comparées à des valeurs de référence (tables de données) pour identifier le corps pur.
Par exemple, l'eau pure bout à 100°C sous une pression atmosphérique normale.

Masse volumique :

La masse volumique est une autre propriété caractéristique. Elle peut être déterminée en mesurant la masse et le volume d'un échantillon.
La masse volumique de l'eau liquide est d'environ 1000 $kg.m^{-3}$ à 4°C.

Tests chimiques :

Certains tests chimiques permettent d'identifier la présence de certaines espèces chimiques.
Test de l'eau : Le sulfate de cuivre anhydre (poudre blanche) devient bleu en présence d'eau.

$CuSO_4(s) + 5 H_2O(l) \ arrow CuSO_4, 5H_2O(s)$

Test du dihydrogène : Une flamme produit une détonation en présence de dihydrogène ().

$2 H_2(g) + O_2(g) \ arrow 2 H_2O(g)$

Test du dioxygène : Une bûchette incandescente se rallume en présence de dioxygène ().
Test du dioxyde de carbone : Le dioxyde de carbone () trouble l'eau de chaux.

$Ca(OH)_2(aq) + CO_2(g) \ arrow CaCO_3(s) + H_2O(l)$

Exercice 1 :

On dispose d'un échantillon de substance inconnue. On mesure sa température de fusion, qui est de 0°C, et sa température d'ébullition, qui est de 100°C. S'agit-il d'un corps pur ou d'un mélange ? Quelle est la substance la plus probable ?

Corrigé :

Il s'agit probablement d'un corps pur, car les températures de fusion et d'ébullition sont fixes. La substance la plus probable est l'eau.

Exercice 2 :

On réalise le test de l'eau sur un liquide transparent. Le sulfate de cuivre anhydre ne change pas de couleur. Que peut-on en conclure ?

Corrigé :

On peut en conclure que le liquide ne contient pas d'eau, ou en tout cas pas en quantité suffisante pour être détectée par le test.

Résumé

Corps pur : Substance constituée d'une seule espèce chimique.
Mélange : Substance constituée de plusieurs espèces chimiques.
Mélange homogène : Mélange dont on ne peut pas distinguer les constituants à l'œil nu.
Mélange hétérogène : Mélange dont on peut distinguer au moins deux constituants à l'œil nu.
La composition de l'air est d'environ 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1 % d'argon.
Masse volumique : Grandeur physique qui caractérise la masse par unité de volume d'une substance.
Formule : , où est la masse volumique (en $kg.m^{-3}$ ), est la masse (en ) et est le volume (en ).
La masse volumique de l'eau liquide est d'environ 1000 $kg.m^{-3}$ à 4°C.
Pour distinguer un corps pur d'un mélange, on peut utiliser les températures de changement d'état, la mesure de la masse volumique ou la chromatographie.
Les corps purs ont des températures de changement d'état fixes, tandis que les mélanges ont des températures de changement d'état qui varient.
Les tests chimiques courants permettent d'identifier la présence d'eau, de dihydrogène, de dioxygène et de dioxyde de carbone.
Eau : anhydre (blanc) devient bleu.
Dihydrogène : détonation à la flamme.
Dioxygène : ravive une bûchette incandescente.
Dioxyde de carbone : trouble l'eau de chaux.