Imagine que tu essaies de décrire des types de beignets à ton ami. Tu pourrais choisir de décrire les beignets en fonction de leur état physique : trous de beignets, beignets glacés et beignets fourrés à la crème. Tu pourrais aussi les décrire en fonction de leur composition : beignets à la levure, beignets au gâteau ou beignets au levain. Il s'agit d'un exemple libre et amusant de la façon dont nous pouvons classer la matière ! Nous pouvons classer la matière en fonction de son état physique (solide, liquide, gazeux), ou nous pouvons la classer en fonction de sa composition en tant que corps pur ou mélange !
- Nous allons faire un rapide tour d'horizon de la classification de la matière en fonction de la composition des substances pures et des mélanges.
- Ensuite, nous allons nous concentrer sur la définition des substances pures.
- Ensuite, nous examinerons quelques exemples de substances pures.
- Nous étudierons également la composition en pourcentage et les formules empiriques des substances pures.
- Enfin, nous étudierons brièvement la composition des mélanges.
Corps pur et mélange : définition
Un corps pur est une matière dont la composition chimique est fixe (la structure atomique, le rapport atomique et le type d'atomes sont toujours les mêmes) et dont les propriétés restent constantes.
Un mélange désigne toute matière composée de deux substances ou plus.
Les corps purs se distinguent par leurs températures de changement d'état (fusion, ébullition...), leur densité (qui change selon l'état physique), leur solubilité dans différents solvants.
Température de changement d'état
La température d'ébullition d'un corps pur est constante tandis que la température d'ébullition d'un mélange est variable.
Si on effectue la vaporisation de l'eau distillée et de l'eau salée. On peut remarquer que la température d'ébullition de l'eau pure est constante (100°C) alors que l'eau salée commence à bouillir à une température supérieure à 100°C, température qui augmente avec le temps.
Classification de la matière en fonction de sa composition
Lorsque tu penses à classer la matière, il est probable que les trois états de la matière viennent à l'esprit : solide, liquide et gaz. Mais, si l'on reprend la métaphore du beignet, on peut aussi classer la matière en fonction de ce dont elle est constituée (c'est-à-dire de sa composition chimique) ! Alors, de quoi est faite la matière ? Eh bien, au niveau moléculaire, toute matière est constituée d'atomes qui peuvent former des éléments, des composés et des molécules ! Même avec tous ces composants différents, la matière peut être divisée en deux grandes catégories en fonction de sa composition : les corps purs et les mélanges. Nous consacrerons la majeure partie de notre temps aux substances pures, mais nous aborderons brièvement les mélanges ! Alors, plongeons dans les substances pures !
Nous allons détailler tous les composants de la matière, mais pour un examen plus approfondi, consulte la rubrique Composition d'un atome !
Corps pur
Une façon simple d'envisager les corps purs est de les considérer comme étant constituées d'un seul type de matière ayant toujours les mêmes propriétés, telles que le point de fusion, le point d'ébullition, la densité, etc.
Les corps purs sont des matières qui ont une composition chimique fixe et des propriétés qui ne changent pas.
Peux-tu deviner quels sont les corps purs dans ta vie de tous les jours ? Je parie que tu as du sel (NaCl) et des boîtes de conserve (Sn) dans ton garde-manger ! Ce sont de parfaits exemples de substances pures, car le sel est composé uniquement de molécules de NaCl, et l'étain est composé uniquement d'atomes d'étain.
Mais attends, tu as peut-être remarqué une différence entre le sel et l'étain et tu t'es demandé comment le sel peut être composé d'un seul type de matière alors qu'il s'agit de deux atomes différents liés ensemble ?
Les substances pures peuvent être divisées en deux catégories : les éléments et les composés.
Corps pur simple et composé
Nous allons passer un peu de temps à examiner les éléments et les composés séparément et à trouver des exemples courants de chacun d'eux !
Éléments
Si les éléments te semblent familiers, c'est que tu as en tête les 118 éléments du tableau périodique. L'étain est un exemple d'élément !
Les éléments sont constitués d'un seul type d'atome et ne peuvent être décomposés en aucune autre substance.
Voici quelques exemples courants d'éléments :
- L'hydrogène (H), l'oxygène (O) et l'azote (N) - se présentent généralement sous forme de molécules diatomiques.
- L'or (Ag), le fer (Fe) et le cuivre (Cu) sont des métaux qui existent généralement seuls.
- Le sodium (Na), le potassium (K) et le lithium (Li) n'existent naturellement que dans des composés.
Fig. 1- Les éléments contiennent un seul type d'atome.
Certains éléments tendent à exister sous forme de molécules diatomiques, ce qui signifie que deux atomes du même élément sont liés ensemble, comme l'hydrogène gazeux (H2), l'azote gazeux (N2), l'oxygène gazeux (O2), le fluor gazeux (F2), le chlore gazeux (Cl2), le brome (Br2) et l'iode (I2). Ce sont toujours des éléments car les atomes sont les mêmes ! Consulte le tableau périodique pour plus d'informations sur ces molécules.
Composés
La deuxième catégorie de substances pures est celle des composés !
Les composés sont des substances contenant des molécules identiques, composées de deux ou plusieurs atomes d'éléments différents liés ensemble dans une structure fixe. Ils peuvent être décomposés chimiquement en éléments individuels ou en composés plus simples.
Pour en revenir à notre exemple du sel et de l'étain, le sel de table est un composé. Chaque échantillon de sel de table sera toujours composé de deux atomes liés (sodium et chlore), mais par un changement chimique, il peut être décomposé en atomes de sodium et de chlore !
Les composés sont toujours constitués de molécules de deux atomes ou plus liés entre eux. Mais, comme nous l'avons vu avec les molécules diatomiques, toutes les molécules ne sont pas des composés !
Peux-tu penser à des exemples courants de composés ?
En voici quelques-uns :
- L'eau -H2O
- Le dioxyde de carbone -CO2
- Bicarbonate de soude -NaHCO3
- Alcool - C2H6O
Fig. 2- H2O contient deux atomes différents provenant de deux éléments différents.
Pour vérifier ta compréhension de la différence entre les éléments et les composés, identifie si les éléments suivants sont des éléments ou des composés : NaF, Re, I2, NH3 et Si
Cela devrait être relativement facile ! Si ce n'est pas le cas, revoie le matériel ci-dessus et essaie à nouveau ! Les réponses correctes sont Composé, Élément, Élément, Composé, Élément !
Avant de définir l'autre catégorie de matière connue sous le nom de mélanges, il est essentiel de comprendre comment trouver le pourcentage exact des éléments qui composent un composé !
Composition en pourcentage et formule empirique
Souvent, si nous analysons un composé, nous voudrons déterminer le rapport entre tous les différents éléments présents dans le composé et le composé dans son ensemble. Tu penses peut-être que la formule empirique n'est pas la même pour tous les éléments. Tu peux penser que le rapport ne change pas en fonction de la quantité du composé que nous avons ? Eh bien, en raison d'un concept connu sous le nom de loi des proportions définies, les composés seront toujours composés d'un rapport fixe d'éléments en masse, quelle que soit la taille de l'échantillon ! Nous pouvons déterminer ce rapport de masse en calculant la composition en pourcentage du composé.
La composition en pourcentage nous indique en masse le pourcentage d'un élément individuel présent dans le composé.
Fig. 3- Conceptualisation de la composition en pourcentage d'un élément dans un composé.
La formule de la composition en pourcentage est la suivante :
$$ Composition \space en \space pourcentage = \frac {masse \space d'un \space élément \space présent \space dans \space le \space composé}{masse \space moléculaire \space totale \space du \space composé}.100$$
Jouons sur cette formule dans un exemple simple et rapide.
Trouve la composition en pourcentage du sodium et du chlore dans le NaCl ?
1) La première étape consiste à déterminer la masse moléculaire du NaCl en utilisant le tableau périodique pour trouver la somme des masses atomiques du Na et du Cl.
Remarque : s'il y a plus d'un atome de Na ou de Cl, il faut multiplier la masse par ce nombre.
La masse de Na = 22,99 g/mol
La masse de Cl = 35,45 g/mol
La somme est donc de 22,99 g/mol + 35,45 g/mol = 58,44 g/mol
2) La deuxième étape consiste à diviser les masses atomiques individuelles par la masse moléculaire totale du composé.
$$ Na: \frac {22.99}{58.44} .100 = 39.3 \% $$
$$ Cl: \frac {35.45}{58.44} .100 =60.7 \% $$
Le NaCl est donc composé de 39,3 % de Na et de 60,7 % de Cl.
Il s'agit d'une démonstration très simple de la manière de trouver la composition en pourcentage. Consulte la rubrique Formules moléculaires et empiriques, où tu trouveras des exemples plus élaborés !
Formule empirique
Le rapport le plus simple entre les nombres entiers des éléments d'un composé est appelé formule empirique.
Ainsi, disons que la formule moléculaire d'un composé est C6H10O4. La formule empirique serait C3H5O2. Cela revient à réduire les fractions à leur forme la plus simple !
Nous pouvons souvent utiliser les compositions en pourcentage pour déterminer la formule empirique d'un composé.
Pour en savoir plus sur cette relation entre la formule empirique et la composition en pourcentage, consulte Formules moléculaires et empiriques !
Composition des mélanges
Pour terminer, nous allons nous intéresser au deuxième type de substance : les mélanges !
Pour comprendre les mélanges, disons que nous avons pris du NaCl et l'avons dissous dans de l'eau. Que crée la combinaison de ces deux substances pures ? Le mélange d'eau salée.
Les mélanges sont constitués de deux ou plusieurs substances physiquement mélangées qui ne perdent pas leurs propriétés chimiques individuelles et qui peuvent être séparées en substances individuelles par un changement physique.
Fig. 4- L'or et le fer sont des éléments qui, lorsqu'ils sont mélanges ensemble, deviennent un mélange tout en conservant leurs propriétés chimiquent individuelles.
Les mélanges sont classés en homogène et hétérogène.
Mélange homogène
Un mélange homogène est constitué d'une seule phase. Il a les mêmes propriétés en tous ses points car les particules sont uniformément réparties
Solubilité
Une solution est un mélange homogène qui résulte de la dissolution d'un ou plusieurs solutés (espèces chimiques dissoutes) dans un solvant. Les solutions peuvent être à l'état gazeux, liquide ou solide.
La solubilité est la quantité maximale de soluté qui peut être dissoute dans un solvant. Lorsque cette quantité est atteinte, on dit que la solution est saturée.
Mélange hétérogène
Un mélange hétérogène est forme de deux ou plusieurs phases distinctes. Il n'a pas les mêmes propriétés en tous ses points car les particules sont uniformément reparties.
Différences entre les composés et les mélanges
Les principales différences entre les composés et les mélanges sont les suivantes :
- Dans les mélanges, les substances pures sont physiquement " mélangées ", alors que dans les composés, les éléments atomiques sont chimiquement liés entre eux.
- Cela signifie que le sel et l'eau ont les mêmes propriétés chimiques avant et après la création de l'eau salée. Cependant, lorsque le composé NaCl est séparé en ses composants atomiques, le sodium pur devient un solide métallique brillant et le chlore est un gaz verdâtre qui, lorsqu'il est lié, forme un nouveau composé de cristaux de sel blancs avec de nouvelles propriétés.
Parmi les exemples de mélanges, citons la terre, le thé/les jus, l'essence et l'or mélangé au fer !
Corps pur et mélange - Points clés
- La matière peut être classée selon sa composition en deux catégories : les corps purs et les mélanges.
- Un corps pur désigne toute matière dont la composition chimique est fixe et dont les propriétés restent toujours constantes.
- Elle peut être divisée en éléments et en composés.
- Les éléments sont composés d'un seul type d'atome (voir le tableau périodique des éléments).
- Les composés sont composés de deux ou plusieurs atomes d'éléments différents liés entre eux (H2O, CO2).
- Nous pouvons utiliser la composition en pourcentage et les formules empiriques pour déterminer la proportion d'éléments dans le composé.
- Les mélanges sont constitués de deux ou plusieurs corps purs physiquement mélangés.
References
- Brown, Theodore L, H E. LeMay, Bruce E. Bursten, Catherine J. Murphy, Patrick M. Woodward, and Matthew Stoltzfus. Chemistry: The Central Science. , 2015. Print. Fraser, Simon. Classifying Matter According to Its Composition, LibreTexts: Chemistry, 2020.
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