Corps purs et melanges

Les mots a connaitre (et un prerequis express)

Prerequis express : tu sais qu'un echantillon de matiere peut etre solide, liquide ou gazeux, et tu sais l'observer a l'oeil nu. C'est tout ce dont tu as besoin ici.

L'essentiel en une phrase : tout echantillon est soit un corps pur (une seule espece chimique), soit un melange (plusieurs especes chimiques).

Et si c'est un melange, tu regardes son aspect :

• Melange homogene : aspect uniforme a l'oeil nu, on ne distingue pas les constituants (eau sucree, eau salee, air).
• Melange heterogene : on voit plusieurs phases (couches, trouble, depot), comme la vinaigrette ou du sable dans l'eau.

Attention au piege vedette : sur la figure, le corps pur et le melange homogene se ressemblent comme deux gouttes d'eau. On ne les distingue pas a l'oeil, seulement par des mesures (on y revient).

La formule qui peut tomber : la masse volumique

Un corps pur a des proprietes physiques fixes : temperature de fusion, temperature d'ebullition et masse volumique ont toujours la meme valeur. C'est sa carte d'identite.

La masse volumique se calcule ainsi :

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

ou $m$ est la masse (en g) et $V$ le volume (en $\text{cm}^3$ ou mL). Elle s'exprime en $\text{g/cm}^3$ (identique au $\text{g/mL}$).

Deux valeurs a garder en tete pour l'eau pure : sa masse volumique vaut $1{,}0\ \text{g/cm}^3$ et elle bout a 100 °C (sous la pression atmospherique normale). Un melange, lui, n'a pas de valeur fixe : elle change avec les proportions.

Un exemple traite : l'eau du robinet

Question : l'eau du robinet est-elle un corps pur ou un melange ?

Etape 1 — Est-elle constituee d'une seule espece chimique ? Non : elle contient de l'eau, mais aussi des mineraux dissous, du calcaire et un peu de chlore.

Etape 2 — Plusieurs especes chimiques, c'est donc un melange.

Etape 3 — Son aspect est-il uniforme a l'oeil nu ? Oui, elle est limpide et on ne distingue aucun constituant.

Conclusion : l'eau du robinet est un melange homogene. (A comparer avec l'eau distillee, qui, elle, est un corps pur.)

Corps pur et melange : les definitions propres

Un corps pur est une substance constituee d'une seule espece chimique. Ses proprietes physiques (temperature de fusion, temperature d'ebullition, masse volumique) sont fixes et caracteristiques : elles servent a l'identifier.
Exemples : l'eau distillee, le cuivre, le dioxygene pur, le sel de table (chlorure de sodium).

Un melange est constitue de plusieurs especes chimiques. Ses proprietes varient selon les proportions de chaque constituant.
Exemples : l'eau du robinet, l'air, le lait, la vinaigrette.

Distinguer les deux, c'est la toute premiere demarche du chimiste face a un echantillon.

Homogene ou heterogene : la methode de classement

Quand l'echantillon est un melange, on le range selon son aspect visuel :

• Homogene : aspect uniforme a l'oeil nu, un seul bloc visible (eau sucree, eau gazeuse, air, eau salee).
• Heterogene : plusieurs phases visibles — couches separees, trouble ou depot (vinaigrette : huile sur vinaigre ; sable dans l'eau : depot au fond ; granite : grains de couleurs differentes).

La methode, pas a pas :

1. Une seule espece chimique ? → corps pur.

2. Plusieurs especes chimiques ? → melange.

3. Si c'est un melange : aspect uniforme ? → homogene ; phases distinctes ? → heterogene.

L'arbre ci-dessous resume toute la decision.

La dissolution : solute, solvant, solution

Quand on verse du sel dans l'eau et qu'on agite, le sel disparait et on obtient un liquide uniforme. On appelle cela une dissolution. Trois mots a connaitre :

• le solute : le constituant qui se dissout (ici le sel) ;
• le solvant : le constituant qui dissout (ici l'eau) ;
• la solution : le melange homogene liquide obtenu. Quand le solvant est l'eau, on parle de solution aqueuse (ici, une solution aqueuse de sel).

Separer les constituants d'un melange, selon les cas :

• filtration : retenir un solide non dissous ;
• decantation : separer deux liquides non miscibles (ou laisser un depot tomber au fond) ;
• evaporation : recuperer le solute solide en faisant partir le solvant ;
• distillation : recuperer le solvant pur.

Exemple 1 : on classe l'air (ensemble)

On observe un echantillon d'air. Classons-le en suivant la methode.

Ligne 1 — Une seule espece chimique ? Non. L'air contient du diazote (environ 78 %), du dioxygene (environ 21 %) et d'autres gaz.

Ligne 2 — Plusieurs especes, c'est donc un melange. (Retiens-le : l'air n'est pas un corps pur.)

Ligne 3 — Son aspect est-il uniforme ? Oui : l'air est un gaz uniforme, on n'y distingue aucune phase.

Conclusion — l'air est un melange homogene (gazeux).

Exemple 2 : la vinaigrette

On prepare une vinaigrette (huile + vinaigre) et on la laisse reposer.

Ligne 1 — Une seule espece ? Non : il y a au moins l'huile et le vinaigre. Donc melange.

Ligne 2 — Aspect uniforme a l'oeil nu ? Non : on voit nettement deux couches, l'huile flotte au-dessus du vinaigre.

Ligne 3 — Deux phases visibles, donc melange heterogene.

Pour aller au bout — l'huile et le vinaigre sont deux liquides non miscibles : on peut les separer par decantation (on laisse reposer, puis on soutire la couche du bas).

Exemple 3 : dissoudre du sucre

On verse une cuillere de sucre dans un verre d'eau et on agite.

Ligne 1 — On observe : le sucre disparait peu a peu, le liquide reste limpide. C'est une dissolution.

Ligne 2 — Le sucre qui se dissout est le solute ; l'eau qui dissout est le solvant.

Ligne 3 — Le liquide obtenu est uniforme : c'est une solution (une solution aqueuse de sucre), donc un melange homogene.

Le reflexe — je ne le vois plus ne veut pas dire il a disparu : le sucre est toujours la, dissous. On pourrait le recuperer par evaporation de l'eau.

Les pieges classiques (et ce que le correcteur attend)

Ce que le correcteur veut voir : pas seulement le mot melange ou corps pur, mais la justification — combien d'especes chimiques, et pour un melange, l'aspect (uniforme ou phases visibles).

Les pieges qui coutent des points :

• C'est transparent donc c'est pur. Faux. L'eau salee est limpide mais contient du sel dissous : c'est un melange homogene.
• L'eau du robinet n'est pas un corps pur : mineraux, calcaire, chlore dissous, donc melange homogene.
• L'air n'est pas un corps pur : diazote (~78 %), dioxygene (~21 %) et d'autres gaz, donc melange homogene.
• Corps pur et melange homogene se ressemblent : a l'oeil nu, impossible de trancher. Seule une mesure physique (temperature d'ebullition, masse volumique) permet de decider.

Probleme resolu 1 : trancher avec la masse volumique

Enonce : on dispose d'un liquide incolore et limpide. Est-ce de l'eau pure ou de l'eau salee ? On mesure : volume $V = 100\ \text{mL}$, masse $m = 103\ \text{g}$.

Etape 1 — On calcule la masse volumique :

$\rho = \dfrac{m}{V} = \dfrac{103}{100} = 1{,}03\ \text{g/mL}$

Etape 2 — On compare a l'eau pure, dont la masse volumique vaut $1{,}00\ \text{g/mL}$.

Etape 3 — Ici $1{,}03 > 1{,}00$ : la valeur ne correspond pas a celle de l'eau pure.

Conclusion — ce n'est pas un corps pur : c'est un melange (de l'eau salee). Le sel dissous a augmente la masse volumique.

Ce que le correcteur attend : la formule ecrite, l'unite, la comparaison a une valeur de reference, et la phrase de conclusion qui relie la mesure a la nature du corps.

Probleme resolu 2 : choisir la bonne separation

Enonce : tu as un becher contenant du sable et de l'eau salee (donc du sable + de l'eau + du sel dissous). Comment recuperer separement (a) le sable, (b) le sel, (c) l'eau pure ?

(a) Recuperer le sable — le sable est un solide non dissous : on fait une filtration. Le sable reste dans le filtre (le residu), l'eau salee passe (le filtrat).

(b) Recuperer le sel — le sel est dissous dans le filtrat : une filtration ne le retiendrait pas. On fait une evaporation : on chauffe doucement, l'eau part en vapeur et le sel solide reste au fond.

(c) Recuperer l'eau pure — pour obtenir le solvant pur, on fait une distillation : on vaporise l'eau puis on la recondense ; le sel, lui, ne s'evapore pas et reste derriere.

Piege — ne confonds pas filtration et distillation : la filtration ne separe que ce qui n'est pas dissous. Un solute dissous traverse toujours le filtre.

Zoomer sur les molecules (apercu 4e)

Le mot espece chimique cache un niveau plus fin, que tu verras l'an prochain : la matiere est faite de molecules, elles-memes constituees d'atomes.

A cette echelle, la distinction devient limpide :

• un corps pur est fait de molecules toutes identiques ;
• un melange contient des molecules de plusieurs especes differentes.

C'est exactement la meme idee que cette annee — une seule espece contre plusieurs — mais vue de l'interieur.

Comment prouver qu'un corps est pur

A l'oeil, corps pur et melange homogene sont identiques. Voici une experience qui les departage vraiment, en lien avec les changements d'etat :

L'idee — pendant qu'il change d'etat, un corps pur garde une temperature constante : c'est un palier. L'eau pure bout a 100 °C fixe (sous pression atmospherique normale) et reste a 100 °C tant qu'elle bout.

Le test — pour un melange (eau salee par exemple), il n'y a pas de palier net : la temperature derive pendant l'ebullition. Pas de palier franc, donc ce n'est pas un corps pur.

La consequence pratique — la distillation exploite justement ces temperatures d'ebullition : on recupere un solvant vraiment pur.

Les ponts vers le reste du programme

• Changements d'etat : fusion, ebullition et leurs paliers de temperature prolongent directement l'idee de propriete caracteristique d'un corps pur.
• Conservation de la masse : quand tu dissous du sel, rien ne se cree ni ne disparait — la masse de la solution est egale a la masse de l'eau plus celle du sel.
• Solubilite : un solvant ne peut pas dissoudre une quantite infinie de solute ; au-dela d'une limite, le solute en trop ne se dissout plus et se depose.
• Miscibilite : deux liquides sont miscibles (ils forment un melange homogene, comme eau + sirop) ou non miscibles (ils forment deux phases, comme huile + eau).

Bref, corps purs et melanges n'est pas un chapitre isole : c'est la porte d'entree de toute la chimie du college.