Les mélanges Cours

Sommaire

INotions de corps purs et mélangesALes espèces chimiquesBLes corps purs et les mélangesCLes mélanges homogènes et hétérogènesIILa masse et le volumeALes mesures de masse et de volumeBLa masse volumiqueCLa composition d'un mélangeIIIIdentifier une espèce chimiqueAEn utilisant ses caractéristiques physiques ou chimiquesBEn réalisant des tests d'identification1Le test de l'eau2Le test du dihydrogène3Le test du dioxyde de carboneCEn réalisant une CCMIVL'air, un mélange particulierALa composition de l'airBLa masse volumique de l'air
I

Notions de corps purs et mélanges

A

Les espèces chimiques

Espèce chimique 

Une espèce chimique correspond à un ensemble d'entités chimiques identiques entre elles et représentées par la même formule. Il peut s'agir d'un atome, d'une molécule, d'un ion, etc.

  • L'espèce chimique « eau » désigne un ensemble de molécules d'eau représentées par la formule  \ce{H2O}.
  • Les espèces chimiques qui composent le sel de cuisine sont les ions sodium  \ce{Na^{+}} et chlorure \ce{Cl^{-}}.

On trouve les espèces chimiques dans des corps purs ou des mélanges.

B

Les corps purs et les mélanges

Corps pur

Un corps pur est une substance composée d'une seule espèce chimique.

L'eau distillée est un corps pur.

-

Mélange

Un mélange est une substance composée de plusieurs espèces chimiques.

L'eau salée est un mélange.

-
C

Les mélanges homogènes et hétérogènes

Mélange homogène

Un mélange est homogène s'il est impossible de distinguer ses différents constituants à l'œil nu.

Un mélange d'eau et de sucre est homogène.

-

Mélange hétérogène

Un mélange est hétérogène s'il est possible de distinguer ses différents constituants à l'œil nu.

Un mélange d'eau et d'huile est hétérogène.

-

Phases

Les phases sont les différentes parties du mélange que l'on peut distinguer.

Dans un mélange d'eau et d'huile, la phase supérieure est toujours celle de l'huile.

II

La masse et le volume 

A

Les mesures de masse et de volume

Masse

La masse d'un corps :

  • évalue sa quantité de matière ;
  • est notée avec l'unité kilogramme (kg) ;
  • se mesure avec une balance à plateaux, par comparaison, ou avec une balance électronique.

Un corps de masse 2 kg contient deux fois plus de matière qu'un corps de masse 1 kg.

-

Volume

Le volume d'un corps :

  • évalue l'espace qu'il occupe ;
  • est exprimé dans l'unité légale qui est le mètre cube (m3mais plus généralement exprimé en litres (L) ;
  • se mesure avec une éprouvette graduée.

Rappel

Un mètre cube (m3) équivaut à 1 000 litres (L).

Un liquide de volume 20 mL occupe deux fois plus d'espace qu'un liquide de volume 10 mL.

-

TP

Le volume d'un liquide se mesure directement, par exemple avec une éprouvette graduée.

Dans l'éprouvette, la surface libre du liquide n'est pas plane ; elle forme un ménisque, on détermine correctement le volume en plaçant son œil en bas du ménisque et en lisant la graduation correspondante.

-

Le volume d'un solide se mesure de manière indirecte : on mesure l'augmentation du volume d'un liquide provoquée par son immersion.

-

Ici, le volume du solide est :

\ce{V_{solide}} = \ce{V2_{}} - \ce{V1_{}} =\text{90 mL}

Le volume d'un gaz se mesure de manière indirecte : on le recueille dans une éprouvette retournée pleine d'eau et on mesure le volume d'eau déplacé.

-
B

La masse volumique 

Masse volumique 

La masse volumique d'un corps est le rapport de la masse d'un échantillon de ce corps à son volume :  

\ce{\mu_{corps}}=\dfrac{\ce{m_{corps}}}{\ce{V_{corps}}}

 

Son unité légale est le kilogramme par mètre cube  \left( \text{kg.m}\ce\ce{^{-3}} \right), mais on peut l'exprimer avec d'autres unités de masse et de volume ( \text{kg.L}\ce{^{-1}}, \text{g.mL}\ce{^{-1}}, etc.).

 

La masse d'un échantillon de fer de volume 0,100 m3 est 786 kg, sa masse volumique est donc :

\mu\ce{_{Fe}}=\dfrac{\ce{m_{Fe}}}{\ce{V_{Fe}}}\\mu\ce{_{Fe}}=\dfrac{786}{0,100}\\mu\ce{_{Fe}}=7,86.10^{3}\text{ kg.m}^{-3}

C

La composition d'un mélange

Un mélange peut être caractérisé par :

  • sa composition massique qui indique les masses des différentes espèces qui le composent ;
  • sa composition volumique qui indique les volumes des différentes espèces qui le composent.

Les compositions d'un litre d'une solution antiseptique d'« alcool à 70° » sont :

-

Les compositions peuvent être données en pourcentages ou en fractions.

En volume, une solution antiseptique d'« alcool à 70° » est composée de :

-
III

Identifier une espèce chimique

A

En utilisant ses caractéristiques physiques ou chimiques

Toute espèce chimique possède des propriétés physiques dont les valeurs lui sont propres et que l'on nomme caractéristiques physiques.

Une espèce chimique peut être caractérisée par ses températures de changement d'état et sa masse volumique. Elle peut donc être identifiée par la mesure d'une de ces caractéristiques physiques, cette mesure nécessitant un matériel adapté.

  • Matériel : le banc Köffler, banc métallique chauffant
  • Mesure : température de fusion d'un solide
-
  • Matériel : thermomètre et dispositif de chauffage
  • Mesure : température d'ébullition des liquides
-
  • Matériel : une éprouvette et une balance
  • Mesure : masse volumique d'un solide ou d'un liquide
-

Les valeurs attendues peuvent dépendre d'autres paramètres qu'il faut préciser, comme la pression, la température, etc.

Les températures de changement d'état de l'eau pure (0 °C pour la fusion et 100 °C pour l'ébullition sous la pression atmosphérique) permettent de la caractériser.

Une faible variation autour de la valeur attendue met en évidence la présence d'impuretés.

La masse volumique de l'eau pure est de 1 kg/L alors que celle de l'eau salée augmente avec la quantité de sel dissous.

B

En réalisant des tests d'identification

Certaines espèces chimiques peuvent être mises en évidence à l'aide de tests d'identification facilement réalisables.

1

Le test de l'eau

En présence d'eau, le sulfate de cuivre anhydre, initialement blanc, devient bleu.

-
2

Le test du dihydrogène 

Lorsque l'on approche une flamme d'un mélange air-dihydrogène, il se produit une détonation (parfois nommée « aboiement »).

-
3

Le test du dioxyde de carbone

En présence de dioxyde de carbone, l'eau de chaux se trouble.

-

Lorsque l'on dissout du dioxyde de carbone gazeux dans de l'eau de chaux, on dit qu'on le fait « barboter ».

Récapitulatif 

-
C

En réalisant une CCM

Lors d'une chromatographie sur couche mince, les espèces chimiques déposées migrent différemment selon leur affinité avec l'éluant.

Éluant 

L'éluant est le liquide qui joue le rôle de solvant dans une chromatographie sur couche mince pour séparer les espèces chimiques.

-

Ici, le mélange C contient les deux espèces chimiques de référence A et B, car les dépôts ont migré jusqu'aux mêmes hauteurs.

-
IV

L'air, un mélange particulier 

A

La composition de l'air 

L'air est un mélange de gaz. Sa composition volumique est :

  • 78 % de diazote
  • 21 % de dioxygène
  • 1 % d'autres gaz (dioxyde de carbone, argon, etc.).
-

Pour simplifier, on peut retenir que l'air est composé d'environ :

  • 4/5 de diazote
  • 1/5 de dioxygène

 

Ainsi, tous les échantillons d'air contiennent environ 4 fois plus de diazote que de dioxygène.

Si un récipient contient 10 mL de dioxygène, il contient à peu près 40 mL de diazote.

B

La masse volumique de l'air

Comme tous les gaz, l'air possède une masse et donc une masse volumique.

Mesurer la masse volumique de l'air 

Pour mesurer la masse volumique de l'air, on utilise la méthode dite « par déplacement d'eau ».

Étape 1

Peser un ballon gonflé.

-

Étape 2

Laisser échapper un volume V d'air du ballon, mesuré avec une éprouvette graduée.

-

Étape 3

Peser à nouveau le ballon.

-

À température et pression ambiantes, on mesure :

  • m_{\text{initiale}}= 611,30 \text{ g}
  • V = 0,60 \text{ L}
  • m_{\text{finale}} = 610,52 \text{ g}

 

La masse volumique de l'air est donc :

\textcolor{Blue}{\mu_\text{air}}=\dfrac{m_{\text{initiale}}-m_{\text{finale}}}{V}\\\textcolor{Blue}{\mu_\text{air}}=\dfrac{611,30-610,52}{0,60}\\\textcolor{Blue}{\mu_\text{air}}= 1,3 \text{ g.L}^{-1}

À température et pression ambiantes, la masse volumique de l'air est de  1,3 \text{ g.L}^{-1}.

La masse d'un litre d'air est donc de 1,3 g.

L'expression de la masse volumique de l'air est :

\textcolor{Blue}{\mu_{\text{air}}}=\dfrac{m_{\text{air}}}{V_{\text{air}}}

Elle peut être utilisée pour déterminer la masse ou le volume d'un échantillon d'air :

-