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Corps purs et mélanges

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Introduction :

L’espèce chimique est au centre de la description macroscopique de la matière. Cela permet de définir et de caractériser les corps purs et les mélanges.

On pense souvent en premier aux mélanges de liquides, mais il existe aussi des mélanges de solides ou d’espèces sous des états différents.

Nous aborderons dans un premier temps la notion de corps pur, puis la notion de mélange en illustrant avec des exemples rencontrés dans notre quotidien. Nous verrons enfin les caractéristiques physiques permettant de distinguer les corps purs entre eux.

Corps purs

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Définition

Corps pur :

Un corps pur est une substance constituée d’atomes ou de molécules d'une même espèce chimique.

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Rappel

Une espèce chimique est un ensemble d’atomes, de molécules ou d’ions identiques.

On distingue différents types de corps purs suivant la nature de l’espèce chimique qui les constitue.

Corps pur élémentaire

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Définition

Corps pur élémentaire :

Un corps pur élémentaire est un corps pur dont les atomes, tous identiques, ne sont pas liés en molécule.

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Exemple

Comme tous les éléments de la famille des gaz rares de la classification périodique, le néon (noté Ne\text{Ne}) n’effectue pas de liaisons chimiques et reste ainsi isolé en atome. Le néon est donc un corps pur élémentaire.

néon atome Le néon

Corps pur simple

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Définition

Corps pur simple :

Un corps pur simple est un corps qui ne fait apparaître qu’un seul élément chimique.

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Exemple

  • Le dioxygène (un gaz noté O2(g)\text{O}_{2(\text{g})})
  • L’ozone (un gaz noté O3(g)\text{O}_{3(\text{g})})
  • Le dihydrogène (un gaz noté H2(g)\text{H}_{2(\text{g})})

molécules de dihydrogènes Le dihydrogène

Corps pur composé

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Définition

Corps pur composé :

Un corps pur composé est constitué de molécules, c’est-à-dire des atomes appartenant à des éléments chimiques différents.

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Exemple

Au quotidien, on utilise du chlorure de sodium NaCl(s)\text{NaCl}{(\text{s})} (sel de cuisine) ou encore du glucose C6H12O6(s)\text{C}6\text{H}{12}\text{O}{6(\text{s})} (sucre).

Molécules de chlorure de sodium Le chlorure de sodium

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À retenir

Un corps pur est un corps qui ne peut être décomposé : en effet, un corps élémentaire n’est pas décomposable, puisque les atomes qui le constituent sont indivisibles.

Identifier une espèce chimique

Les corps purs présentent des constantes physiques différentes :

  • leur miscibilité entre eux ;
  • leurs températures de changement d'état, c’est-à-dire la température à laquelle on observe le passage d’un état à un autre ;
  • leur masse volumique, qui change selon l'état physique.

Lorsque l’on étudie une réaction chimique, il est parfois utile de connaître la ou les espèces chimiques formées. Des tests de reconnaissance peuvent être menés afin d’identifier et de caractériser des produis inconnus ou de vérifier la présence d’une espèce donnée (corps pur ou mélange).

Test chimique de présence de dihydrogène

Le dihydrogène a pour formule H2\text{H}_2 : c’est un corps pur simple. C’est un gaz incolore, inodore et non toxique. Il est moins dense que l’air : il était autrefois utilisé dans les ballons dirigeables mais il a été remplacé par l’hélium car il est inflammable.

  • Protocole :

Le dihydrogène est un gaz formé lors de la réaction de l’acide chlorhydrique avec le fer. On met en contact les réactifs dans un tube. Après avoir laissé le gaz se dégager assez longtemps, on approche une flamme.

Test caractéristique du dihydrogène Test caractéristique du dihydrogène

  • Résultats et interprétation :

On entend une faible détonation dont le son caractéristique (un « pop ») permet de valider notre hypothèse : ce gaz est bien du dihydrogène.

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À retenir

Le dihydrogène est un corps pur dont la présence peut être vérifiée par le test de reconnaissance de la flamme.

Mélanges

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Définition

Mélange :

Un mélange est une substance (liquide, solide ou gaz) constituée de plusieurs corps purs.

Mélange homogène

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Définition

Mélange homogène :

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

Les mélanges homogènes peuvent se présenter dans l’un des trois états de la matière : solide, liquide ou gazeux.

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Exemple

  • Le mélange d’un sirop avec de l’eau est un mélange homogène.

Mélange homogène Mélange homogène de sirop avec de l’eau

  • Mélange du chlorure de sodium (sel) NaCl(s)\text{NaCl}_{(\text{s})} avec l’eau.
  • L’air est un mélange de différents gaz (en volume : 21%21\,\% de dioxygène, 78%78\,\% de diazote et 1%1\,\% d’autres gaz).
  • Le bronze est un alliage (mélange solide contenant au moins un métal) de cuivre et d’étain.

Mélange hétérogène

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Définition

Mélange hétérogène :

Un mélange hétérogène est un mélange dont on peut distinguer à l’œil nu les différents constituants.

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Exemple

  • Le mélange de l’eau avec l’huile est un mélange hétérogène.

Mélange hétérogène Mélange hétérogène de l’huile et de l’eau

  • Le mélange de l’eau avec le pétrole.
  • Le mélange de l’eau avec de la craie (carbonate de calcium CaCO3(s)\text{CaCO}_{3(\text{s})}).

Caractéristiques physiques d’un corps pur

La miscibilité

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Définition

Miscibilité :

Deux liquides sont miscibles si le mélange qu’ils forment ensemble est homogène ; si celui-ci est hétérogène, alors les liquides sont dits non miscibles.

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Exemple

  • L’eau et l’éthanol sont miscibles. Le mélange formé est homogène.

Liquides miscibles et non miscibles Liquides miscibles et non miscibles

  • L’eau et le cyclohexane ne sont pas miscibles : on distingue deux phases, l’une au fond et l’autre à la surface. Le mélange formé est donc hétérogène.

La masse volumique

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Définition

Masse volumique :

La masse volumique d’une espèce chimique est le quotient de la masse (noté mm) d’un échantillon de cette espèce chimique par son volume (noté VV). Elle se note ρ\rho (ou μ\mu) et s’exprime en kilogramme par mètre cube (kgm3\text{kg}\cdot\text{m}^{-3}).

La masse mm d’un échantillon, son volume VV et sa masse volumique ρ\rho vérifient la relation :

ρ=mV\rho=\dfrac{m} {V}

La masse m s’exprime en kg, le volume VV en m3\text{m}^3 et la masse volumique ρ\rho en kgm3\text{kg}\cdot\text{m}^{-3}.

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Exemple

Espèce chimique Eau liquide Éthanol liquide Cyclohexane (liquide) Air (gaz)
Masse volumique à 20°C20\degree\text{C} en kgm3\text{kg}\cdot\text{m}^{-3}

10001000

790790

779,1779,1

1,21,2

Masse volumique à 20°C20\degree\text{C} en kgL1\text{kg}\cdot\text{L}^{-1}

11

0,7900,790

0,7790,779

0,00120,0012

On utilise souvent d’autres unités pour exprimer la masse volumique. Prenons l’exemple de l’eau : ρeau=1gmL1\rho{eau} = 1\text{g}\cdot\text{mL}^{-1} ; ρeau=1gcm3\rho{eau} = 1\text{g}\cdot\text{cm}^{-3} ; ρeau=1000gL1\rho_{eau} = 1000\text{g}\cdot\text{L}^{-1}
La masse volumique dépend de la température.

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Astuce

On peut déterminer la masse m d’un échantillon d’une espèce chimique à partir de la masse volumique de l’espèce chimique et du volume qu’occupe l’échantillon à partir de la relation :

m=ρ×Vm=\rho\times{V}

Les températures des changements d’état

Le diagramme ci-dessous présente les termes associés à tous les changements d’état observables pour un corps pur :

Alt texte Les états de la matière

Bien qu’en théorie, un corps puisse exister sous forme liquide, solide ou gazeuse, il est rare qu’on le trouve effectivement sous ces trois formes sur Terre : en effet, certains corps n’atteignent un ou plusieurs de leurs états qu’à des conditions extrêmes et rares.

Les températures de changement d’état dépendent de la pression et sont caractéristiques des corps purs. Elles permettent donc de les distinguer. Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs de température de changement d'état sous la pression atmosphérique normale (Patm=1013 hPaP_{atm}=1013\ \text{hPa}).

Corps pur Température de passage de l’état solide à l’état liquide : fusion (°C\degree\text{C}) Température de passage de l’état liquide à l’état gazeux : vaporisation (°C\degree\text{C})
Azote

209,9-209,9

196-196

Alcool

114-114

7878

Mercure

39-39

00

Eau

00

100100

Plomb

327327

16201620

Or

10631063

26602660

L’eau initialement sous forme liquide devient gazeuse en dépassant 100°C100\degree\text{C}, tandis que l’eau initialement sous forme gazeuse devient liquide lorsqu’elle redescend en dessous de 100°C100\degree\text{C}. Ainsi, la température de vaporisation et la température de condensation de l’eau sont égales.

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À retenir

Les températures de changement d’état dépendent de la pression.

Conclusion :

Un corps pur est une substance constituée d’une seule espèce. Si cette espèce est un atome, le corps pur est dit élémentaire ; si cette espèce est une molécule comportant plusieurs fois le même atome, le corps pur est dit simple ; si cette espèce est une molécule comportant différents atomes, le corps pur est dit composé. Certaines caractéristiques comme la miscibilité, la masse volumique ou les températures de changement d’état permettent d’identifier un corps pur.

Quand plusieurs corps purs sont mélangés ensembles, le mélange peut être homogène ou hétérogène. Les grandeurs physiques d’un mélange sont différentes de celles des corps purs qui le constituent, cependant, des tests de reconnaissance permettent de mettre en évidence la présence d’un corps pur spécifique au sein du mélange.