Pur ou mélangé ? Identifier une espèce chimique et préparer une solution

Une bouteille d'eau « pure » ? Lis l'étiquette : calcium, magnésium, sodium, bicarbonates… Cette eau est un mélange. Le chimiste, lui, veut savoir exactement ce qu'il a dans son flacon. Ce cours t'apprend à identifier une espèce chimique par ses propriétés physiques, puis à préparer une solution avec la précision d'un laboratoire.

1. Espèce chimique, corps pur, mélange

Une espèce chimique est un ensemble d'entités identiques (atomes, molécules ou ions) : l'eau H₂O, le saccharose du sucre de table, le dioxygène O₂. Un échantillon qui ne contient qu'une seule espèce chimique est un corps pur. Dès qu'il en contient plusieurs, c'est un mélange : homogène si l'on ne distingue pas les constituants à l'œil nu (eau sucrée, air, eau minérale), hétérogène si on les voit (jus d'orange avec pulpe, eau et huile).

2. La carte d'identité d'une espèce chimique

Eau ou éthanol ? Deux liquides incolores se distinguent sans les goûter, grâce à leurs propriétés physiques, caractéristiques de chaque espèce.

La température de changement d'état. Sous la pression atmosphérique normale (1 013 hPa), un corps pur fond et bout à des températures fixes : l'eau fond à 0 °C et bout à 100 °C, l'éthanol bout à 78 °C, le cyclohexane fond à 6,5 °C. Pendant le changement d'état, la température reste constante : la courbe présente un palier. Un mélange n'a pas de palier net : sa température continue de monter pendant qu'il bout.

La masse volumique. C'est la masse d'une unité de volume : ρ = mV, en g/mL (1 g/mL = 1 000 kg/m³). Eau : 1,00 g/mL ; éthanol : 0,79 g/mL ; huile de tournesol : 0,92 g/mL ; fer : 7,87 g/cm³.

Exemple travaillé. Tu pèses un liquide inconnu : 50,0 mL ont une masse de 39,5 g. Alors ρ = 39,5 ÷ 50,0 = 0,790 g/mL : ce n'est pas de l'eau, c'est de l'éthanol. Remarque les chiffres significatifs : trois dans les données (39,5 et 50,0), trois dans le résultat (0,790, et non 0,79), pas davantage.

La chromatographie sur couche mince (CCM). On dépose une goutte du mélange au bas d'une plaque, que l'on plonge dans un peu de solvant, l'éluant. Celui-ci monte par capillarité et entraîne chaque espèce à sa propre hauteur : une tache par espèce. On compare avec des références déposées à côté : même hauteur, même espèce. Le rapport frontal Rf = h ÷ H (hauteur de la tache divisée par celle du front de l'éluant) est sans unité, compris entre 0 et 1, et caractérise l'espèce pour un éluant donné. Fais-la chez toi, sans danger, avec un filtre à café, un feutre noir lavable et un fond d'eau : l'encre se sépare en plusieurs couleurs, c'était un mélange !

3. Préparer une solution

Quand tu dissous du sel dans l'eau, le sel est le soluté, l'eau le solvant, l'ensemble une solution aqueuse. La dissolution a une limite : à 20 °C, on ne peut dissoudre que 360 g de sel par litre d'eau ; au-delà, la solution est saturée.

La concentration en masse est la masse de soluté par litre de solution : Cm = mV, avec m en g, V en L et Cm en g/L.

Par dissolution. Exemple travaillé. Préparer 250 mL d'eau salée à 8,0 g/L : m = Cm × V = 8,0 × 0,250 = 2,0 g. On verse les 2,0 g de sel dans une fiole jaugée de 250 mL, on ajoute un peu d'eau, on agite jusqu'à dissolution complète, puis on complète jusqu'au trait de jauge, qui garantit le volume exact.

Par dilution. On part d'une solution mère concentrée (C₀) et on ajoute de l'eau pour obtenir une solution fille moins concentrée (C₁). La masse de soluté ne change pas, seul le volume augmente : C₀ × V₀ = C₁ × V₁. Le facteur de dilution F = C₀ ÷ C₁ = V₁ ÷ V₀ dit combien de fois la solution est diluée.

Exemple travaillé. Un sirop contient 200 g/L de sucre ; tu veux 100 mL de boisson à 50 g/L. F = 200 ÷ 50 = 4 : on prélève V₀ = 100 ÷ 4 = 25,0 mL de sirop à la pipette jaugée, dans une fiole jaugée de 100 mL que l'on complète à l'eau.

À retenir

• Un corps pur contient une seule espèce chimique ; un mélange en contient plusieurs (homogène ou hétérogène).
• Une espèce s'identifie par sa température de changement d'état (palier), sa masse volumique ρ = m ÷ V et la chromatographie (même hauteur que la référence).
• Concentration en masse Cm = m ÷ V en g/L ; masse à peser pour une dissolution : m = Cm × V.
• Dilution : C₀ × V₀ = C₁ × V₁ ; facteur de dilution F = C₀ ÷ C₁ = V₁ ÷ V₀ ; fiole et pipette jaugées pour la précision.

★ Pour aller plus loin

Pourquoi la glace flotte-t-elle ? Parce que sa masse volumique (0,92 g/cm³) est plus faible que celle de l'eau liquide : en gelant, l'eau se dilate. C'est ce qui permet aux lacs de geler par le dessus en laissant les poissons vivre dessous.

La chromatographie est devenue une arme redoutable : les laboratoires antidopage ou de police scientifique utilisent des chromatographies en phase gazeuse couplées à des spectromètres de masse, capables de repérer quelques milliardièmes de gramme d'une substance.

Sources pour creuser

• Tout est chimie dans notre vie, Mai Thi Nguyen-Kim (HumenSciences) ; Oh, la chimie !, Paul Depovere (Dunod), des quiz, des tours de magie et des anecdotes de chimie.
• Chaîne YouTube Les Bons Profs : cherche « Les Bons Profs seconde masse volumique » et « Les Bons Profs dilution » ; chaîne Blablareau au labo, un professeur de chimie qui filme ses manipulations.
• lumni.fr (Lycée, Seconde, Physique-chimie) et mediachimie.org, le site de la Fondation de la Maison de la Chimie.