Corps purs et mélanges

1Espèce chimique, corps pur, mélange

Définition. Une espèce chimique est un ensemble d’entités (atomes, molécules ou ions) toutes identiques ; on la désigne par un nom et une formule, par exemple l’eau $\ce{H2O}$ ou le dioxygène $\ce{O2}$.

Définition. Un corps pur ne contient qu’une seule espèce chimique. Il est simple si son espèce ne contient qu’un seul élément chimique ($\ce{O2}$, $\ce{Fe}$), composé si elle en contient plusieurs ($\ce{H2O}$, $\ce{NaCl}$).

Définition. Un mélange contient au moins deux espèces chimiques. Il est homogène lorsqu’on n’y distingue qu’une seule phase à l’œil nu (eau salée, air), hétérogène lorsqu’on en distingue plusieurs (vinaigrette, jus d’orange pulpé).

Définition. Deux liquides sont miscibles s’ils forment un mélange homogène (eau et éthanol) ; sinon ils sont non miscibles et forment deux phases superposées (eau et huile). Le liquide de plus petite masse volumique occupe la phase du haut.

Notation. L’air est un mélange homogène de gaz : en volume, environ ${80\%}$ de diazote $\ce{N2}$ et ${20\%}$ de dioxygène $\ce{O2}$.

2Identifier une espèce par ses grandeurs physiques

Propriété — changements d’état. Un corps pur change d’état à température constante sous une pression donnée : sa courbe de température présente un palier, dont la valeur est caractéristique de l’espèce (eau : fusion à ${0{}^{\circ}\mathrm{C}}$, ébullition à ${100{}^{\circ}\mathrm{C}}$ sous la pression atmosphérique normale). Un mélange, lui, ne présente pas de palier net.

Définition. La masse volumique $\rho$ d’un échantillon est le quotient de sa masse par son volume ; la densité $d$ d’un liquide ou d’un solide est le quotient de sa masse volumique par celle de l’eau : c’est un nombre sans unité.

Remarque. Masse volumique de l’air dans les conditions usuelles : environ ${1{,}2\,\mathrm{g}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}}$, soit près de mille fois plus faible que celle de l’eau.

Méthode — identifier une espèce inconnue. mesurer une grandeur caractéristique (température de fusion ou d’ébullition, masse volumique), puis la comparer à la valeur de référence donnée dans un tableau. Les valeurs doivent coïncider à l’incertitude de mesure près. Une seule grandeur commune ne suffit pas toujours à conclure : plusieurs espèces peuvent avoir la même masse volumique.

3Composition d’un mélange

Propriété. La masse d’un mélange est la somme des masses des espèces qui le composent : $m_{\text{mélange}}=m_1+m_2+\dots$ Les pourcentages massiques de toutes les espèces ont pour somme ${100\%}$. En revanche, les volumes ne s’additionnent pas toujours.

4Identifier une espèce par un test chimique

5Chromatographie sur couche mince (CCM)

Définition. La CCM sépare les espèces d’un mélange. La ligne de dépôt est tracée au crayon à papier et les dépôts y sont faits avec un capillaire ; l’éluant monte par capillarité et entraîne plus ou moins loin chaque espèce, selon son affinité avec l’éluant et avec la plaque. Après révélation, on obtient le chromatogramme.

Propriété — lecture d’un chromatogramme. une espèce pure donne une seule tache ; un mélange en donne plusieurs (au moins autant d’espèces que de taches). Deux taches à la même hauteur, dans la même expérience, correspondent à la même espèce.

Définition. Le rapport frontal $R_f=h/H$ ($h$ : distance parcourue par la tache, $H$ : par l’éluant, depuis la ligne de dépôt) est sans unité ; il caractérise une espèce pour un éluant et un support donnés.

6Savoir-faire du chapitre

7Exemples types