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.
Définitions
- 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 H2O, le glucose 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 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 NaCl composé d’ions chlorure Cl– et d’ion sodium 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 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 Mg2+, calcium Ca2+, ou encore carbonate CO2–
3 qui sont dissous dedans.
Le sel de cuisine ? On vous a toujours dit que le sel de cuisine était du chlorure de sodium NaCl. Mais il contient tout de même, en très petites quantités, d’autres ions : iodure I–, sulfate SO2–
4, 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.
Correction
L’acier est essentiellement constitué de fer, avec un peu de carbone. Selon les aciers, il peut également y avoir d’autres éléments dedans, en faible quantité
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
Matériel
Prof : réserve de NaCl
Élèves : balance, éprouvette graduée en plastique 50 mL, eau distillée, petit bécher, spatule, baguette de verre
Objectifs :
- 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.
Éléments de réponses
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).
Solubilité
La solubilité d’une espèce chimique dans un solvant est la concentration maximale de cette espèce qu’on peut dissoudre dans le solvant.
Exemple
Le carbonate de calcium CaCO3, aussi appelé calcaire, est un solide ionique dont la solubilité dans l’eau à 20 °C vaut 14 mg·L-1.
Cela signifie que si vous avez un litre de solution contenant déjà 14 mg de carbonate de calcium, il sera impossible d’en dissoudre davantage.
Solubilité du fluorure de lithium
Le fluorure de lithium (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).
Correction
S’il est possible de dissoudre au maximum 1,3 g de fluorure de lithium dans 1000 mL d’eau, alors dans 100 mL, on ne pourra pas dissoudre plus de 0,13 g de LiF. Donc on ne peut pas en dissoudre 0,20 g dans 100 mL.
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 N2 (78 %) et le dioxygène 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 pas au programme de SPC.
Révision & entraînement
Solubilité du glucose
Le glucose, de formule 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.