Physique & Chimie au lycée

Cours de physique-chimie pour les classes de 1ère et Terminale

Sommaire
SP-1 ES-1
SP-T ES-T
3e SNT
Divers Annales

C2. Corps purs & mélanges

On l’a vu au chapitre précédent, la matière est faite d’atomes qui, la plupart du temps, s’assemblent en molécules. Nous avons vu quelques molécules, comme la molécule d’eau H2O, la molécule de dioxygène O2, etc…

Cependant, la plupart des substances qui nous entourent ne sont pas faites d’un seul type de molécules. Il n’existe pas de molécule de pomme, par exemple. 😊
Une pomme, comme la plupart de ce qui nous entoure, est un mélange très complexe de différentes molécules : eau, fructose, glucose, amidon, acide citrique, acide malique – il y en a tellement qu’on ne peut pas tous les citer. Il y a même des ions, qu’on appelle des sels minéraux.

La pomme, un mélange complexe

Corps pur & mélanges

  • Corps pur et mélange
  • Concevoir et réaliser des expériences pour caractériser des mélanges

Corps pur

Un corps pur est un corps qui n’est composé que :

  • d’un seul type de molécule : par exemple l’eau $*\ce{H2O}*$, le glucose $*\ce{C6H12O6}*$ ;
  • ou d’un seul type d’atome – si ces atomes ne forment pas de molécules : c’est le cas de certains gaz comme l’hélium $*\ce{He}*$, ou des métaux (le fer, l’or, l’aluminium, etc… ;
  • ou d’un seul type d’anion (ion négatif) et de cation (ion positif) s’il s’agit d’un corps ionique : l’exemple le plus courant est le chlorure de sodium $*\ce{NaCl}*$ composé d’ions chlorure $*\ce{Cl-}*$ et d’ion sodium $*\ce{Na+}*$

Les substances naturelles sont très rarement des corps purs. Les corps purs sont obtenus par divers procédés chimiques de purification. Et encore, il est très difficile d’obtenir un corps vraiment pur. Il contiendra toujours, même si c’est en très petite quantité, des substances chimiques étrangères.

Mélanges

Dans la vraie vie de tous les jours, les substances qui nous entourent sont des mélanges. Même ceux à qui l’on donne des noms de corps purs.

L’eau ? Que ce soit de l’eau du robinet ou de l’eau en bouteille, elle contient de nombreux ions comme les ions magnésium $*\ce{Mg^2+}*$, calcium $*\ce{Ca^2+}*$, ou encore carbonate $*\ce{CO3^2-}*$ qui sont dissous dedans.

Le sel de cuisine ? On vous a déjà certainement déjà dit que le sel de cuisine était du chlorure de sodium $*\ce{NaCl}*$. Mais il contient tout de même, en très petites quantités, d’autres ions : iodure $*\ce{I-}*$, sulfate $*\ce{SO_4^2-}*$, etc…

Votre chaîne en or ? Elle contient 25 % d’argent pour améliorer sa solidité. 😊

On distingue deux types de mélanges : les mélanges homogènes et les mélanges hétérogènes.

Mélange homogène

Un mélange homogène est un mélange dont on ne peut pas distinguer les constituants à l'œil nu.

Le thé est un mélange homogène : il est constitué d’eau et des différentes molécules lui donnant sa couleur et sa saveur. Mais on ne peut pas distinguer ces différents constituants à l’œil nu. On ne voit pas de petits grains de substances en suspension dans l’eau, par exemple.

Il est impossible de dire, uniquement en la voyant, si une substance est un corps pur ou un mélange homogène. Il faut pour cela procéder à des expériences plus ou moins complexes.

Couvert en acier

Vous avez tous les jours entre les mains une fourchette et un couteau en acier. En faisant une recherche sur Internet, dites si l’acier est un corps pur ou un mélange homogène.

Mélange hétérogène

Un mélange hétérogène est un mélange dont on peut distinguer au moins deux constituants à l'œil nu.

Là, les exemples ne manquent pas. Si on reste dans le domaine des boissons, il y en a plein. Prenons une boisson gazeuse. Il y a au moins deux constituants visibles à l’œil nu : de petites bulles de gaz et le liquide.
On peut prendre l’exemple d’un jus d’orange pressé non filtré : en regardant bien, on y distingue des morceaux de pulpe de fruit. Il s’agit donc d’un mélange hétérogène.

Solubilité & miscibilité

  • Solubilité et miscibilité

Solution et solubilité

Parmi les mélanges homogènes que l’on rencontre dans la vie de tous les jours, les solutions sont les plus courantes.

Une solution, en chimie, c’est un mélange homogène constitué de :

  • Un solvant : il s’agit du liquide qui confère à la solution son état liquide. Il s’agit souvent de l’eau, mais ce n’est pas toujours le cas. Il peut même s’agir d’un mélange de liquide.
  • Un ou plusieurs solutés : ce sont les espèces chimiques dissoutes dans le solvant.

L’exemple du thé que j’ai pris dans le paragraphe précédent est un exemple de solution. Le solvant est l’eau. Les solutés sont toutes les molécules extraites du thé et qui se sont dissoutes dans l’eau : théine, arômes, colorants…

TP Solubilité de NaCl dans l’eau

  • Estimer expérimentalement une valeur de solubilité dans l’eau

Objectif :

  • prouver que lorsqu’un soluté se dissout dans un solvant, il ne disparaît pas ;
  • vérifier si le volume de solvant et le volume de la solution sont identiques ;
  • obtenir une valeur approximative de la solubilité du chlorure de sodium dans l’eau.
La solubilité d’une substance (ici le chlorure de sodium) dans un solvant (ici l’eau) est la masse maximale de cette substance que l’on peut dissoudre dans ce solvant pour obtenir 1 L de solution.

Concevoir des expériences

Proposer une expérience (ou plusieurs) qui permettront de répondre à la problématique du TP.

Miscibilité

Le terme « miscibilité » s’appliquent à deux liquides. Un liquide est miscible dans un autre s’il forme avec ce dernier un mélange homogène.

Vous connaissez tous l’exemple de l’huile et de l’eau : ces deux liquides forment un mélange hétérogène. On dit alors que l’huile est non miscible à l’eau (ou inversement).

Mélange huile-eau

Solubilité du fluorure de lithium

Le fluorure de lithium ($*\ce{LiF}*$) est assez peu soluble dans l’eau. Sa solubilité est de 1,3 g·L-1.

Peut-on dissoudre 0,20 g de fluorure de lithium dans 100 mL d’eau ? (on négligera la variation de volume liée à la dissolution).

L’air, un mélange gazeux

  • Composition de l’air

L’air de notre atmosphère est un mélange de gaz. Ces deux constituants principaux sont le diazote $*\ce{N2}*$ (78 %) et le dioxygène $*\ce{O2}*$ (21 %). Le 1 % restant est constitué de différents autres gaz (argon, dioxyde de carbone, eau…)

La composition de notre atmosphère n’a pas toujours été la même au cours de l’histoire de la Terre. Le dioxygène, notamment, a été produit par la photosynthèse. C’est une histoire passionnante mais qui n’est malheureusement pas au programme de SPC.

Composition de l’air

Révision & entraînement

Solubilité du glucose

Le glucose, de formule $*\ce{C6H12O6}*$, est une molécule de la famille des sucres très courante dans la Nature. Le glucose est extrêmement soluble dans l’eau. Sa solubilité est de 900 g·L-1 à 20 °C.

1. Le glucose est-il un corps pur ou un mélange ?

2. Indiquer si l’affirmation suivante est vraie ou fausse, en justifiant : « pour obtenir une solution saturée de glucose, il faut dissoudre 900 g de glucose dans 1 l d’eau. »

3. Quelle masse de glucose contient 150 mL d’une solution saturée ?

4. Est-il possible d’avoir 250 g de glucose dans 280 mL de solution ?

Correction

1. Il s’agit d’un corps pur, car il est composé d’un seul type de molécule.

2. Cette affirmation est fausse, car en dissolvant le glucose dans l’eau, le volume du mélange augmentera. On obtiendra donc plus d’un litre de solution. Or, la solubilité est la masse maximale d’une substance que l’on peut dissoudre pour obtenir 1 L de solution. Donc après avoir dissous 900 g de glucose, la solution obtenue contiendra moins de 900 g de glucose par litre.

3. Il faut faire un tableau de proportionnalité :

Masse (g) Volume (mL)
900 1000
$*m*$ ? 150

$*m*$ = 150×900÷1000 = 135 g

4. Il y a plusieurs manières de répondre à cette question. Nous allons calculer la masse maximale de glucose qu’il peut y avoir dans 280 mL de solution.

Masse (g) Volume (mL)
900 1000
$*m*$ ? 275

$*m*$ = 280×900÷1000 = 252 g

Dans 280 mL de solution, on peut avoir jusqu’à 252 g de glucose. Donc il est possible d’avoir 250 g de glucose dans 280 mL de solution.