Corps purs et mélanges

Introduction

Tout ce qui nous entoure est constitué de matière : l'air que tu respires, l'eau que tu bois, le métal de ton téléphone, le plastique de ton stylo. Mais toute la matière n'est pas de même nature. Certains échantillons ne contiennent qu'une seule substance — on parle de corps purs — tandis que d'autres en contiennent plusieurs — ce sont des mélanges.

Savoir distinguer un corps pur d'un mélange, identifier les espèces chimiques présentes dans un échantillon et déterminer la composition d'un mélange : voilà les compétences fondamentales de ce premier chapitre, qui sont au cœur du travail du chimiste.

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1. Espèce chimique : la notion centrale

1.1 Définition

Une espèce chimique est caractérisée par :

• un nom (eau, saccharose, dioxygène…),
• une formule chimique (H₂O, C₁₂H₂₂O₁₁, O₂…),
• des propriétés physiques et chimiques bien définies qui permettent de l'identifier sans ambiguïté.

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1.2 Grandeurs physiques caractéristiques

Chaque espèce chimique possède des grandeurs mesurables qui lui sont propres et qui servent de « carte d'identité ». Les principales sont :

• la température de fusion θ_fus (passage solide → liquide),
• la température d'ébullition θ_éb (passage liquide → gaz),
• la masse volumique ρ (masse par unité de volume),
• la solubilité dans un solvant donné.

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2. Corps pur et mélange

2.1 Corps pur

Un corps pur est un échantillon de matière constitué d'une seule espèce chimique.

Ses propriétés physiques sont parfaitement définies et reproductibles. En particulier, un corps pur possède une température de changement d'état bien précise : lors de la fusion ou de l'ébullition, la température reste constante tant que les deux phases coexistent. C'est ce qu'on appelle un palier de température.

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2.2 Mélange

Un mélange est un échantillon de matière constitué de plusieurs espèces chimiques différentes.

Contrairement à un corps pur, un mélange n'a pas de température de changement d'état précise : la température varie pendant le changement d'état (pas de palier net). C'est d'ailleurs un critère expérimental pour distinguer un corps pur d'un mélange.

On distingue deux types de mélanges :

Mélange homogène : l'échantillon présente un aspect uniforme ; on ne peut pas distinguer les différents constituants à l'œil nu, même avec une loupe. Il n'y a qu'une seule phase visible.

Mélange hétérogène : on peut distinguer au moins deux phases différentes à l'œil nu ou au microscope. Les frontières entre les constituants sont visibles.

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2.3 Critère expérimental : le palier de température

Comment savoir si un échantillon est un corps pur ou un mélange ? On peut réaliser une courbe de chauffage (ou de refroidissement) : on relève la température en fonction du temps lors d'un changement d'état.

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3. Identifier une espèce chimique

Le chimiste dispose de plusieurs méthodes pour identifier les espèces chimiques présentes dans un échantillon. On distingue les mesures physiques et les tests chimiques.

3.1 Identification par mesures physiques

Température de changement d'état : on mesure la température de fusion ou d'ébullition de l'échantillon et on la compare aux valeurs de référence tabulées. Si la valeur mesurée correspond à celle d'une espèce connue, on peut conclure à sa présence.

Masse volumique : on détermine la masse volumique de l'échantillon grâce à la relation :

$\rho = \frac{m}{V}$

où m est la masse (en g ou kg) et V le volume (en mL, L ou m³), puis on compare à des valeurs de référence.

Chromatographie sur Couche Mince (CCM) : technique de séparation et d'identification. On dépose un petit échantillon sur une plaque recouverte d'un matériau adsorbant (silice), on laisse un solvant (éluant) monter par capillarité. Chaque espèce chimique migre à une hauteur qui lui est propre. En comparant les taches obtenues avec celles de substances de référence, on identifie les espèces présentes.

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3.2 Identification par tests chimiques

Les tests chimiques reposent sur une réaction caractéristique qui produit un résultat observable (changement de couleur, formation d'un précipité, dégagement gazeux…). Tu dois connaître les quatre tests suivants :

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4. Composition d'un mélange

4.1 Composition massique

La composition massique d'un mélange exprime la proportion en masse de chaque constituant. On la donne en pourcentage massique :

$\text{Pourcentage massique de A} = \frac{m_A}{m_{\text{totale}}} \times 100$

où m_A est la masse de l'espèce A dans le mélange et m_totale la masse totale de l'échantillon.

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4.2 Composition volumique de l'air

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

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4.3 Déterminer une composition à partir de données expérimentales

Pour déterminer expérimentalement la composition d'un mélange, on mesure des masses et/ou des volumes, puis on calcule les proportions.

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5. Distinguer corps pur et mélange : récapitulatif des méthodes

Pour conclure, voici les différentes stratégies pour identifier si un échantillon est un corps pur ou un mélange, et pour déterminer les espèces chimiques qu'il contient :

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L'essentiel du chapitre

Espèce chimique : ensemble d'entités chimiques identiques, caractérisé par un nom, une formule et des propriétés physiques définies (θ_fus, θ_éb, ρ…).

Corps pur : une seule espèce chimique. Présente un palier de température lors d'un changement d'état.

Mélange : plusieurs espèces chimiques. Homogène si aspect uniforme (une seule phase), hétérogène si plusieurs phases visibles. Pas de palier net lors d'un changement d'état.

Masse volumique de l'eau : ρ_eau = 1,00 g·mL⁻¹ = 1 000 kg·m⁻³.

Composition de l'air : ≈ 78 % N₂, 21 % O₂, 1 % autres (en volume). ρ_air ≈ 1,2 g·L⁻¹.

Identifier une espèce chimique : par ses températures de changement d'état, sa masse volumique, la CCM, ou des tests chimiques (sulfate de cuivre anhydre pour H₂O, flamme pour H₂, bûchette pour O₂, eau de chaux pour CO₂).

Composition massique : pourcentage massique = (m_constituant / m_totale) × 100.