Chapitre 1 — Description macroscopique de la matière
Seconde • Constitution de la matière
I. Espèces chimiques, corps purs et mélanges
Définitions.
• Une substance constituée d’une seule espèce chimique est un corps pur.
• Une substance constituée de plusieurs espèces chimiques est un mélange.
• Un mélange est homogène si l’on ne distingue pas ses constituants à l’œil nu ; sinon, il est hétérogène.
• Une substance constituée d’une seule espèce chimique est un corps pur.
• Une substance constituée de plusieurs espèces chimiques est un mélange.
• Un mélange est homogène si l’on ne distingue pas ses constituants à l’œil nu ; sinon, il est hétérogène.
Exemples — corps purs simples
- Diazote gazeux : molécule N2 (élément azote N).
- Hélium gazeux : atomes He (élément hélium).
Exemple — corps pur composé
Oxyde d’aluminium : espèce chimique de formule Al2O3, contenant l’aluminium (Al) et l’oxygène (O).
Exemple — mélange
La bauxite est un mélange contenant notamment Al2O3 et Fe2O3 (minerai d’aluminium).
II. Identification d’une espèce chimique
1) Solubilité
Définition. La solubilité s d’un corps est la masse maximale pouvant être dissoute dans 1 litre de solvant. Unités : g·L−1. Elle dépend de la température, de la pression et du solvant.
Exemple. À t = 0 °C, la solubilité du sel (NaCl) dans l’eau est s = 347 g·L−1 : au‑delà, l’excès reste solide au fond du récipient.
2) Masse volumique ρ
Définition. La masse volumique ρ d’un corps est le rapport de sa masse à son volume :
ρ = m / V
Unités : kg·m−3 (SI).
3) Densité d
Définition. Pour un solide ou un liquide, la densité est le rapport
d = ρ / ρeau
Remarque. C’est un rapport d’unités identiques : la densité n’a pas d’unité.
Exemple. ρ(Pb) = 11,3 × 103 kg·m−3 ⇒ d(Pb) = 11,3.
4) Températures de changement d’état
Propriétés. À une pression donnée, un corps pur change d’état à des températures caractéristiques (fusion, ébullition), qui dépendent de la pression.
Exemple (P = 1 bar). Éthanol : Teb = 79 °C ; Tf = −117 °C.
Solide : [−273 ; −117] °C • Liquide : [−117 ; 79] °C • Gaz : > 79 °C.
Solide : [−273 ; −117] °C • Liquide : [−117 ; 79] °C • Gaz : > 79 °C.
5) Tests chimiques
| Substance / ion | Test | Observation |
|---|---|---|
| Eau | Sulfate de cuivre anhydre | Devient bleu |
| Dioxyde de carbone | Eau de chaux | Précipité blanc |
| Dihydrogène | Flamme | Détonation |
| Ion chlorure Cl− | Nitrate d’argent | Précipité blanc qui noircit à la lumière |
| Ion cuivre(II) Cu2+ | Hydroxyde | Précipité bleu (hydroxyde de cuivre) |
| Ion fer(II) Fe2+ | Réactif basique | Précipité vert |
| Ion fer(III) Fe3+ | Hydroxyde de sodium | Précipité « rouille » |
6) Chromatographie sur couche mince (CCM)
Principe. La CCM sépare et aide à identifier les espèces d’un mélange homogène. L’éluant (phase mobile) grimpe par capillarité sur une plaque de silice (phase stationnaire) et entraîne différemment les espèces selon leur solubilité dans l’éluant.
- Tracer la ligne de dépôt à 1 cm du bord.
- Déposer le mélange M et des références (A, B…).
- Plonger la plaque dans l’éluant.
- Laisser monter par capillarité puis retirer ~1 cm avant le haut.
- Sécher et analyser le chromatogramme.
Rapport frontal (Rf).
Rf = h / H
avec h la hauteur parcourue par l’espèce et H la hauteur du front de l’éluant (sans unité).
Exemple. Un colorant vert V donne deux taches, aux mêmes Rf que E104 et E133 ⇒ V est un mélange de E104 et E133.
III. Composition d’un mélange
Définition. Donner la composition d’un mélange, c’est fournir une information (volume, masse, proportion…) pour chaque espèce chimique pure qui le constitue.
IV. Extraction et séparation
1) Filtration
Principe. Sépare la phase solide de la phase liquide d’un mélange hétérogène. Ne permet pas de séparer deux liquides non miscibles.
2) Extraction par solvant
Méthodes usuelles : infusion (solvant bouillant puis refroidi), décoction (chauffage jusqu’à ébullition), macération (à froid).
Idée clé : utiliser un second solvant non miscible à l’eau, dans lequel le composé recherché est plus soluble et dont Teb est plus faible. Séparation à l’ampoule à décanter, puis évaporation du solvant.
Ex. Pour extraire un composé organique dangereux d’une solution aqueuse, on le transfère dans un solvant organique (ex. cyclohexane), on laisse décanter, on élimine le solvant et on récupère l’eau épurée.
3) Distillation (hydrodistillation)
- L’eau (Teb = 100 °C) évite de brûler les matières premières.
- Entraînement à la vapeur : la vapeur d’eau entraîne la vapeur d’huile essentielle ; à la condensation, on obtient deux phases (eau/huile) dans l’hydrodistillat.
4) Synthèse — Montage à reflux
Définition. Synthèse : fabrication d’une molécule (imiter le naturel ou créer du nouveau), souvent plus accessible et moins coûteuse que l’extraction végétale.
Montage à reflux. Pour accélérer la réaction, on chauffe ; les vapeurs montent, se liquéfient dans le réfrigérant à eau et retombent dans le ballon, limitant les pertes de réactifs.
Éléments du montage : ballon, chauffe-ballon, réfrigérant à eau (entrée/sortie), réactifs.