I- Quelques définitions.

1)- Définition de l’espèce chimique.

a)-  Une espèce chimique correspond à un ensemble d’entités chimiques identiques.

– Elle est représentée par une formule chimique.

– Comme entité chimique, cette année, on travaille avec les atomes, les molécules et les ions.

– Un ensemble de molécules identiques constitue une espèce chimique.

–  Cette espèce chimique a de ce fait une structure moléculaire.

–  Exemple :

–  L’eau est une espèce chimique constituée de molécules identiques : la molécule d’eau de formule brute H₂O.

–  Un ensemble d’atomes de fer constitue une espèce chimique. Sa formule est Fe.

–  Le fer a une structure atomique

–  À l’état solide, il est constitué d’un assemblage compact et ordonné d’atomes de fer..

–  Remarque : Toute espèce chimique peut être représentée par une formule.

–  Additif :

–  Le chlorure de sodium (sel de cuisine) est une espèce chimique.

–  Il n’a pas une structure moléculaire mais une structure ionique.

–  On le représente aussi par une formule chimique NaCℓ qui n’a pas bien la même signification que celle de l’eau.

–  Le chlorure de sodium est un cristal.

–  Il est formé d’un assemblage compact et ordonné d’ions chlorure et d’ions sodium.

–  La formule du chlorure de sodium est une formule statistique.

–  Elle traduit le fait que dans le cristal, il y a autant d’ions chlorure que d’ions sodium.

–  La molécule d’eau est un édifice formé d’un nombre limité d’atomes.

–  Questions : le coca-cola est-il une espèce chimique ? Le lait ? Le miel ?

2)- Les Corps purs.

–  Un corps pur est constitué d’une seule espèce chimique

–  Un corps pur possède une formule chimique

–  Un corps pur possède des constantes physiques spécifiques :

–  température de fusion, température d’ébullition, masse volumique, indice de réfraction…

–  Exemple : le dioxygène ; O₂, le diazote ; N₂, éthanol ; CH₃CH₂OH

3)- Les mélanges.

a)-  Définition.

–  Un mélange est constitué de plusieurs espèces chimiques.

–  Un mélange ne possède pas de formule chimique

–  Un mélange est constitué d’espèces chimiques différentes.

–  Il ne peut pas être représenté par une formule chimique.

–  Ainsi l’air est un mélange de dioxygène O₂, de diazote N₂, l’argon Ar,…

–  On ne donne pas de formule chimique à l’air.

–  On peut donner la formule chimique des constituants de l’air.

b)-  Complément scientifique.

–  La composition d’un mélange peut être décrite par le pourcentage massique

–  ou le pourcentage volumique de chacune des espèces présentes dans ce mélange.

–  La composition d’un mélange, comme l’air peut être décrite par la proportion en volume,

–  de chacune des espèces chimiques qui le constituent

–  L’air est un mélange gazeux, il est composé principalement

–  De diazote (78 %)

–  De dioxygène (21 %)

–  Il contient aussi les gaz suivants (total ≈ 1 %)

–  Les gaz rares tels que l’argon, le néon, l’hélium…

–  Le dioxyde de carbone

–  La vapeur d’eau…

–  Tableau :  Pourcentage volumique de l’air.

–  Additif :

–  La proportion en volume d’une espèce E dans un mélange est le quotient

–  du volume V (E) de cette espèce

–  par le volume total V_tot du mélange.

–  Formulation :

–  Lorsqu’il est exprimé en pourcent (%), ce rapport est nommé pourcentage volumique.

–  En conséquence, il y a 21 L de dioxygène dans 100 L d’air.

c)-  Les différents types de mélanges.

–  On peut classer les mélanges en deux catégories :

–  Les mélanges homogènes :  on ne peut pas différencier à l’œil nu les constituants

–  Les mélanges hétérogènes : on peut différencier à l’œil nu au moins deux constituants

–  Exemples :

–  L’eau sucrée : dans un erlenmeyer, on place un sucre en morceau.

–  Puis, on verse de l’eau et on agite. Après agitation, le sucre a disparu

–  On dit que le sucre se dissout dans l’eau.

–  On obtient de l’eau sucrée qui est une solution aqueuse

–  L’eau et le sucre sont des corps purs et l’eau sucrée est un mélange.

–  L’eau sucrée contient des molécules de sucre parmi des molécules d’eau.

–  L’eau et l’huile : dans un tube à essais, on verse de l’eau

–  On ajoute de l’huile et on agite. On obtient une émulsion.

–  Après repos, on remarque que l’huile surnage au-dessus de l’eau.

–  L’huile et l’eau forment un mélange hétérogène.

–  De même l’eau et le sable forment un mélange hétérogène.

II- Identification des espèces.

1)- Par les grandeurs physiques.

a)-  Introduction.

–  Un corps pur possède des constantes physiques spécifiques :

–  Température de changement d’état, : température de fusion, température d’ébullition,

–  Masse volumique, indice de réfraction…

b)-  La masse volumique :

–  Relation : 

–  Remarque : on exprime aussi les masses volumiques en g / cm³ ou g / mL

–  Rappel : 1 m³ = 10³ dm³ = 10⁶ cm³ = 10³ L

–  La masse volumique d’une espèce chimique dépend de la température.

c)-  La densité.

–  La densité des liquides et des solides se mesure par rapport à l’eau.

–  La densité des gaz se mesure par rapport à l’air.

–   

–  Relation : on écrit :

–  Connaissant la masse volumique du liquide, on peut utiliser la relation suivante.

–  Pour le solide ou le liquide : m = ρ . V et pour l’eau : m_eau= ρ_eau . V

–  Conséquence :  On en déduit la relation suivante :

–   

–  La densité est un nombre qui n’a pas d’unité.

–  Masse volumique de l’eau : ρ_eau = 1,0 kg / dm³ ou ρ_eau = 1,0 g / cm³ ou ρ_eau = 1,0 g / mL

–  Pour les gaz, la référence est l’air.

–  La relation est la suivante :

–  La masse volumique de l’air dépend de la température et de la pression.

–  Pour une température θ = 0 °C et pour une pression p = 1013 hPa,

–  La masse volumique de l’air : ρ_air = 1,29 g / L

–  La masse volumique de l’air est petite par rapport à celle de l’eau

–  L’état gazeux est un état dispersé alors que l'état liquide est un état condensé. 

–  Exemples :

2)- Par des tests chimiques.

a)-  Test au sulfate de cuivre anhydre.

–  C’est une poudre blanche qui bleuit en présence d’eau.

–  Ce test est spécifique de la présence d’eau.

  Mode opératoire :

–  À l’aide d’une spatule, déposer un peu de sulfate de cuivre II anhydre dans une coupelle.

–  Laisser tomber une à deux gouttes de produit à tester.

–  Résultat du test : le test est positif si la poudre blanche bleuit.

–  Le test est négatif si la poudre blanche ne bleuit pas.

b)-  Test à l’eau de chaux.

–  L’eau de chaux est un liquide transparent qui se trouble en présence de dioxyde de carbone.

–  Ce test est spécifique de la présence de dioxyde de carbone.

–  On peut schématiser le mode opératoire de ce test.

–  Lors de cette réaction chimique, on observe un dégagement gazeux.

–  On fait buller ce gaz dans de l’eau de chaux, liquide transparent.

–  Ce gaz provoque le trouble de l’eau de chaux.

–  C’est du dioxyde du carbone CO₂.

c)-  Test au papier pH.

–  Ce test révèle la présence d’espèces chimiques acides, neutres ou basiques.

–  Il n’est pas spécifique d’une espèce chimique.

  Mode opératoire :

–  On plonge un agitateur en verre dans la solution à tester.

–  On met en contact l’extrémité de l’agitateur et un morceau de papier pH placé dans une coupelle.

–  Résultat du test :

–  On déduit à l’aide de l’échelle des teintes de pH un ordre de grandeur de la valeur du pH de la solution.

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d)-  Test à la liqueur de Fehling.

–  La liqueur de Fehling est un liquide bleu qui par chauffage en présence de certains sucres donne un précipité rouge brique.

–  Ce test est spécifique de la présence de certains sucres (comme le glucose).

–  On verse de la Liqueur de Fehling dans un tube à essais, on ajoute un peu de la solution à tester. 

–  On adapte une pince en bois pour tenir le tube à essais.

–  On chauffe modérément tout en observant le tube à essais.

–  Si un précipité rouge brique apparaît, le test est positif.

e)-  Le test du dioxygène.

–  On présente un bâton de bois incandescent à l’ouverture d’un flacon contenant du dioxygène gazeux.

–  Le gaz présent dans l’éprouvette ravive la combustion

–  Le gaz qui ravive la combustion d’une bûchette incandescente est le dioxygène O₂

–  Ce test est spécifique de la présence du dioxygène.

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f)-  Le test du dihydrogène

–  on présente rapidement une allumette enflammée à l’ouverture d’une éprouvette contenant du dihydrogène gazeux

–  Il se produit une faible détonation

–  Le gaz qui provoque une légère détonation en présence d’une flamme est de dihydrogène H₂.

–  Ce test est spécifique de la présence du dihydrogène.

–  Réaction :

–  On verse du fer en poudre dans un tube à essais.

–  On ajoute de l’acide chlorhydrique concentré.

–  Il se produit une vive effervescence et on observe un dégagement gazeux.

–  On ferme le tube à essai avec un bouchon et on laisse agir quelques minutes.

–  On enlève le bouchon et on approche une allumette enflammée de l’ouverture du tube à essai.

–  Il se produit une légère détonation.

–  Le gaz produit lors de cette réaction est du dihydrogène.

3)- Par la chromatographie. Chromatographie sur couche mince (C.C.M)

(Sous forme de travaux pratiques)

a)-  Introduction

–  Cette technique permet de séparer les espèces chimiques présentes dans un mélange homogène.

–  Pour effectuer une C.C.M, on utilise :

–  Une phase fixe sur laquelle une goutte de mélange à séparer est déposée.

–  La phase fixe est constituée d’une mince couche de gel de silice déposée sur une plaque d’aluminium.

–  Une phase mobile ou éluant.

–  C’est le solvant dans lequel les constituants du mélange sont plus ou moins solubles.

–  L’éluant migre le long de la phase fixe grâce au phénomène de capillarité.

–  Il entraîne les constituants du mélange qui se déplacent à des vitesses différentes.

–  On peut ainsi les séparer.

b)-  Chromatographie et séparation.

–  La chromatographie permet la séparation des constituants d’un mélange.

–  Pour un éluant et un support donnés, une espèce chimique migre de la même façon qu’elle soit pure ou dans un mélange.

–  Une espèce chimique très soluble dans l’éluant migre beaucoup plus vite qu’une substance peu soluble.

–  Les espèces chimiques étant entraînées à des vitesses différentes peuvent être séparées.

c)-  Chromatographie et analyse.

–  La chromatographie est aussi une technique d’analyse.

–  Elle permet d’identifier les espèces chimiques présentes dans un mélange.

–  Des espèces chimiques identiques migrent à des hauteurs identiques sur une même plaque de chromatographie.

–  Préparation de la plaque ;

Animation : réalisation d'une C.C.M

III- Applications.

1)- Les Solutions hydroalcooliques. Préparation d’une solution :

a)-  Introduction.

–  Les Solutions hydroalcooliques sont utilisées pour désinfecter les mains.

–  Ce sont des antiseptiques.

–  Elles contiennent de l’éthanol, du glycérol, de l’eau oxygénée et de l’eau distillée.

–  Elles s’appliquent sur les mains sèches et ne nécessitent pas de rinçage.

b)-  Composition d’une solution hydroalcoolique.

–  Tableau :

  Questions :

–  Effectuer une recherche sur les différentes espèces chimiques présentes dans la solution hydroalcoolique.

–  Déterminer les volumes des différentes espèces chimiques pour préparer 100 mL de solution.

–  Déterminer les masses des différentes espèces chimiques pour préparer 100 mL de solution.

–  Élaborer un protocole expérimental afin de préparer 100 mL de solution hydroalcoolique.

–  Préciser le matériel utilisé et les différentes étapes.

2)- Les solutions d’eau oxygénée.

–  La solution aqueuse de peroxyde de dihydrogène est plus connue sous le nom d’eau oxygénée.

–  L’eau oxygénée dite à « 10 volumes » a un pourcentage massique en peroxyde de dihydrogène égal à 3,0 %.

–  On trouve également des solutions à 10 %, 30 %, etc.

a)-  L’eau oxygénée est-elle un corps pur ?

b)-  Il est possible de tracer l’évolution de la densité des solutions de peroxyde de dihydrogène en fonction du pourcentage massique en hydroxyde de dihydrogène :

–  Graphe :

–  Comment la densité d des solutions de peroxyde de dihydrogène évolue-t-elle en fonction du pourcentage massique en peroxyde de dihydrogène ?

–  Déterminer la valeur de la densité d’une solution à 50 %.

c)-  Calculer la masse de peroxyde de dihydrogène contenue dans 1,0 L de solution à 50 %.

d)-  Élaborer un protocole expérimental pour déterminer le pourcentage massique d’une solution inconnue de peroxyde de dihydrogène.

–  Tableau : Concentration en H₂O₂ : Pourcentage massique

3)- Correction :

4)- Exercices :

a)-  Nommer des mélanges : exercices 5 page 25.

b)-  Exploiter un graphique T = f (t). Exercice 8 page 25.

c)-  Déterminer une densité : Exercice 11 page 35.

d)-  Analyser un chromatogramme : Exercice 15 page 25.

e)-  Des caractéristiques physiques différentes : Exercices 17 page 26.

f)-  Des tests de mise en évidence : Exercice 22 page 26.

g)-  L’acide fumarique : Exercice 25 page 26.

5)- QCM :

QCM N° 01 Corps purs et mélanges

(réalisé avec QUESTY pour s'auto-évaluer)

sous forme de tableau