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Physique-chimie · Seconde · Chapitre 1

Corps purs et mélanges

Ce qu’est une espèce chimique, comment on la reconnaît, comment on la mesure et comment on sépare un mélange. Les exercices sont à la fin, avec leurs corrections.

Partie 1

Les fiches

1Matière, phase, espèce, entité

On observe la matière à deux échelles. À l’œil nu, c’est l’échelle macroscopique (une feuille d’or). Au microscope ou en pensée, c’est l’échelle microscopique : les atomes, les ions, les molécules.

Pour décrire n’importe quelle matière, on range tout dans 4 boîtes emboîtées :

MATIÈRE : la substance entière (solide, liquide ou gaz)
PHASE : une partie qui a le même aspect partout (ce que voit l’œil)
ESPÈCE CHIMIQUE : un ensemble d’entités identiques (ce qu’il y a dedans) ENTITÉ : atome, ion ou molécule (le plus petit morceau)

Corps pur

une seule espèce chimique.
Ex : eau pure, dioxygène O₂, éthanol.

Mélange

plusieurs espèces chimiques.
Ex : eau + colorant, air.

Mélange homogène

une seule phase : on ne distingue rien à l’œil nu.
Ex : eau sucrée, air.

Mélange hétérogène

plusieurs phases visibles à l’œil nu.
Ex : eau + sable, eau + huile.

Quatre exemples à connaître

MatièrePhase EspèceEntités

Eau pure → corps pur

eau pure
1 phase : liquide
eaumolécules H₂O

Air → mélange homogène

air
1 phase : gaz
diazote 78 %N₂
dioxygène 21 %O₂
autres gaz 1 %

Eau + sable → mélange hétérogène

eau + sable
phase 1 : eau
eauH₂O
phase 2 : sable
sable

Sirop de menthe + eau → mélange homogène

sirop dilué
1 phase : liquide vert
eau
sucre
colorant jaune
colorant bleu
  1. Une seule boîte violette (espèce) → corps pur.
  2. Plusieurs boîtes violettes dans une seule boîte verte (phase) → mélange homogène.
  3. Plusieurs boîtes vertes → mélange hétérogène.
Piège du contrôle : le sirop de menthe contient 4 espèces mais une seule phase. C’est un mélange homogène. On compte les phases avec les yeux, pas les espèces.

2La carte d’identité d’une espèce

Pour reconnaître une espèce chimique, on rassemble ses caractéristiques, comme sur une carte d’identité. Exemple avec l’eau :

Nom et formuleAspect physiqueCaractéristiques physiquesCaractéristiques chimiques
Eau
H₂O		état à 20 °C, couleur, odeur
liquide, transparente		 températures de changement d’état, masse volumique
fond à 0 °C, bout à 100 °C		réaction à un test
bleuit le sulfate de cuivre anhydre

3Les changements d’état

Gaz Solide Liquide fusion solidification vaporisation liquéfaction sublimation condensation

En rouge : quand on chauffe. En bleu foncé : quand on refroidit.

Le palier : corps pur ou mélange ?

T (°C)temps palier corps pur mélange

Corps pur : il change d’état à température constante. Sur la courbe, on voit un palier horizontal.

Mélange : sa température continue de varier pendant le changement d’état. Pas de palier.

Vaporisation : évaporation ou ébullition ?

Évaporation

à la surface du liquide, à n’importe quelle température (le linge qui sèche).

Ébullition

dans tout le liquide, avec des bulles, à température constante. Se mesure au thermomètre.

Banc Kofler : une plaque chauffante plus chaude à droite (≈ 250 °C) qu’à gauche (≈ 50 °C). On fait glisser la poudre : là où elle fond, on lit sa température de fusion. Sécurité : ne pas toucher la plaque.

Dans quel état ? La règle du thermomètre

SOLIDE LIQUIDE GAZ T fusion T ébullition −114 °C 78 °C 25 °C → liquide Exemple : l’éthanol
  1. T < T fusion → solide
  2. T fusion < T < T ébullition → liquide
  3. T > T ébullition → gaz
La pression compte aussi. Les températures des tableaux sont valables à la pression atmosphérique normale (1013 hPa). Le butane bout à −1 °C : à 25 °C il devrait être un gaz, mais dans la bouteille il est liquide, car il est sous pression.

4La masse volumique ρ

ρ = mV

ρ (« rhô ») en g/mL · m en g (balance) · V en mL

Équivalences à connaître

1 g/mL = 1 g/cm³ = 1 kg/L = 1000 g/L
1 cm³ = 1 mL
Unité officielle : kg/m³

Valeurs par cœur

ρ(eau) = 1,00 g/mL = 1000 g/L
ρ(air) ≈ 1,2 g/L (environ 800 fois plus léger que l’eau)

Pour retrouver m ou V : m = ρ × V et V = m ÷ ρ

Méthode : mesurer le volume d’un objet (déplacement d’eau)

① Peser l’objet 19,57 g m = 19,57 g ② Volume d’eau avant V₁ = 6,0 mL ③ On plonge l’objet V₂ = 8,2 mL
V(objet) = V₂ − V₁ = 8,2 − 6,0 = 2,2 mL
ρ = 19,572,2 ≈ 8,9 g/mL

On compare ensuite avec les valeurs des métaux purs :

0 20 g/mL zinc 7,14 cuivre 8,92 argent 10,50 or 19,30 l’objet ≈ 8,9

L’objet a ρ ≈ 8,9 g/mL, très loin de 19,30 g/mL : il n’est pas en or. Sa valeur est proche de celle du cuivre et des laitons (alliages cuivre + zinc).

5Les pourcentages d’un mélange

Pourcentage massique de A

%m(A) = m(A)m(totale) × 100

Pourcentage volumique de A

%V(A) = V(A)V(total) × 100

Dans l’autre sens : 25 mL d’éluant à 20 % d’éthanol et 80 % d’eau salée.

V(éthanol) = 20100 × 25 = 5 mL V(eau salée) = 80100 × 25 = 20 mL

Vérification : 5 + 20 = 25 mL ✔

6La chromatographie (CCM)

front dépôt ×××× JRBV éluant (sous la ligne de dépôt)

Principe : l’éluant monte dans le papier et entraîne les espèces. Plus une espèce est soluble dans l’éluant, plus elle monte haut.

  1. 1 seule tache → corps pur (J, R, B).
  2. Plusieurs taches → mélange (V).
  3. Même hauteur → même espèce. V contient le colorant jaune et le bleu, pas le rouge.
À savoir : la ligne de dépôt doit rester au-dessus de l’éluant, sinon les taches se dissolvent dans la cuve. Les espèces incolores (eau, sucre) ne se voient pas sur la plaque.

7Les tests chimiques

Espèce testéeTestSi c’est positif
Eau H₂Osulfate de cuivre anhydrela poudre blanche devient bleue
Dioxyde de carbone CO₂eau de chauxl’eau de chaux se trouble (précipité blanc)
Dioxygène O₂bûchette incandescentela bûchette se ravive (s’enflamme)
Dihydrogène H₂flammepetite détonation (« pop »)

Application : le jour, une plante rejette un gaz qui ravive une bûchette : c’est O₂. La nuit, son gaz trouble l’eau de chaux : c’est CO₂.

8Verrerie, mesures et incertitude

bécher éprouvette fiole jaugée de plus en plus précis

Lire un volume

L’œil bien en face du bas du ménisque (la courbe de la surface de l’eau), sinon erreur de lecture.

Écrire une mesure

V = (2,0 ± 0,1) mL veut dire 1,9 mL < V < 2,1 mL.

Quand plusieurs groupes mesurent la même chose

  1. Meilleure valeur = la moyenne des mesures.
  2. On calcule l’écart-type σ à la calculatrice.
  3. Incertitude : u = σ ÷ √n (n = nombre de mesures), arrondie à 1 chiffre significatif.
  4. On écrit le résultat : (990 ± 1) g/L.
Partie 2

Les exercices

Du plus facile au plus difficile. On cherche d’abord sur une feuille, puis on ouvre la correction.

1 Le Quiz Échauffement

1. L’eau salée est :

2. Le passage de l’état liquide à l’état gazeux s’appelle :

3. Pendant un changement d’état, la température reste constante. C’est :

4. L’eau de chaux sert à détecter :

5. ρ(eau) = 1,00 g/mL, c’est aussi :

2 Corps pur ou mélange ? Facile

Pour chaque matière, dire s’il s’agit d’un corps pur, d’un mélange homogène ou d’un mélange hétérogène.

  1. eau minérale
  2. eau + huile
  3. dioxygène
  4. jus d’orange avec pulpe
  5. air
  6. éthanol
  7. sable + gravier
  8. thé sucré
Voir la correction
a. mélange homogène (eau + sels minéraux dissous) · b. hétérogène (2 phases) · c. corps pur · d. hétérogène (on voit la pulpe) · e. homogène · f. corps pur · g. hétérogène · h. homogène

3 Dans quel état ? Facile

EspèceT fusionT ébullition
eau0 °C100 °C
éthanol−114 °C78 °C
cyclohexane6,5 °C81 °C
dioxygène−218 °C−183 °C
  1. Quel est l’état du cyclohexane à 20 °C ? et à 0 °C ?
  2. Quel est l’état du dioxygène à 20 °C ?
  3. Quel est l’état de l’éthanol à 90 °C ?
  4. Une espèce bout à 81 °C. Laquelle est-ce ?
Voir la correction
1. À 20 °C : 6,5 < 20 < 81 → liquide. À 0 °C : 0 < 6,5 → solide.
2. 20 °C > −183 °C → gaz.
3. 90 °C > 78 °C → gaz.
4. Le cyclohexane (T ébullition = 81 °C : c’est une caractéristique physique de sa carte d’identité).

4 Calculer une masse volumique Moyen

  1. Un petit bloc de métal a une masse de 27 g et un volume de 10 mL. Calculer sa masse volumique en g/mL puis en g/L.
  2. Sachant que ρ(aluminium) = 2,70 g/mL et ρ(fer) = 7,87 g/mL, de quel métal s’agit-il ?
  3. Quel volume occupent 500 g d’éthanol ? (ρ(éthanol) = 0,79 g/mL)
Voir la correction
1. ρ = m ÷ V = 27 ÷ 10 = 2,7 g/mL = 2700 g/L.
2. 2,7 g/mL correspond à l’aluminium.
3. V = m ÷ ρ = 500 ÷ 0,79 ≈ 633 mL.

Toujours vérifier que les unités vont ensemble : g et mL donnent des g/mL.

5 La bague est-elle en argent ? Moyen

On pèse une bague : m = 21,0 g. Dans une éprouvette, le niveau de l’eau passe de 15,0 mL à 17,0 mL quand on y plonge la bague.

  1. Calculer le volume de la bague.
  2. Calculer sa masse volumique.
  3. La bague est-elle en argent (10,50 g/mL), en or (19,30 g/mL) ou en cuivre (8,92 g/mL) ?
Voir la correction
1. V = 17,0 − 15,0 = 2,0 mL.
2. ρ = 21,0 ÷ 2,0 = 10,5 g/mL.
3. 10,5 g/mL correspond à l’argent.

6 Pourcentages Moyen

  1. 200 g d’eau salée contiennent 6 g de sel. Calculer le pourcentage massique de sel.
  2. On veut préparer 250 mL d’un mélange contenant 40 % d’éthanol en volume. Quels volumes d’éthanol et d’eau faut-il ?
Voir la correction
1. %m(sel) = 6 ÷ 200 × 100 = 3 %.
2. V(éthanol) = 40/100 × 250 = 100 mL ; V(eau) = 250 − 100 = 150 mL.

7 Lire un chromatogramme Moyen

×××× ABCM
  1. Quelles espèces déposées sont des corps purs ?
  2. M est-il un corps pur ou un mélange ? Justifier.
  3. Que contient M ?
  4. Pourquoi la ligne de dépôt doit-elle être au-dessus de l’éluant ?
Voir la correction
1. A, B et C : une seule tache chacun.
2. M est un mélange : il donne deux taches.
3. Ses taches sont à la même hauteur que A et que C : M contient A et C (pas B).
4. Sinon les dépôts se dissolvent directement dans l’éluant de la cuve au lieu de monter sur la plaque.

8 Quel gaz ? Facile

  1. Un gaz fait une petite détonation à l’approche d’une flamme.
  2. Un gaz trouble l’eau de chaux.
  3. Un liquide fait bleuir le sulfate de cuivre anhydre.
  4. Un gaz ravive une bûchette incandescente.
Voir la correction
1. dihydrogène H₂ · 2. dioxyde de carbone CO₂ · 3. le liquide contient de l’eau H₂O · 4. dioxygène O₂

9 Deux courbes de refroidissement Difficile

100806040 T (°C)temps A B
  1. Laquelle des deux substances est un corps pur ? Justifier.
  2. Quelle est sa température de solidification ?
  3. Sachant que le naphtalène fond à 80 °C, que peut-on proposer pour A ?
Voir la correction
1. A, car sa courbe a un palier : la température reste constante pendant le changement d’état. B n’a pas de palier, c’est un mélange.
2. Le palier est à 80 °C.
3. A pourrait être du naphtalène (même température de changement d’état). Pour un corps pur, la température de solidification est égale à la température de fusion.

10 Mesures et précision Moyen

  1. On lit V = (25,0 ± 0,5) mL. Encadrer V.
  2. Quelle verrerie choisir pour prélever exactement 100,0 mL : un bécher, une éprouvette graduée ou une fiole jaugée ?
  3. Où placer l’œil pour lire un volume ?
Voir la correction
1. 24,5 mL < V < 25,5 mL.
2. La fiole jaugée de 100 mL, la plus précise.
3. À la hauteur du bas du ménisque, bien en face.
Avant le contrôle

Je sais…

Fiche réalisée d’après le cours de physique-chimie de 2de, chapitre 1. Exercices et corrections originaux.