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Identification des espèces chimiques

Supposons que tu sois dans le laboratoire de chimie, tu es confus entre deux solutions incolores : l'éthanol et l'eau.

Leur apparence ne permet pas de les identifier.

Dans un laboratoire de chimie, nous ne goûtons pas, ne sentons pas et ne touchons pas les produits.

Pour les identifier, nous allons effectuer des mesures ou des tests.

Afin de réaliser l'identification des espèces chimiques, on peut utiliser ses propriétés physiques : densité, température de changement d’état, couleur, aspect…

Pour les mélanges, cela se complique car il faudra en séparer les constituants pour les identifier. Cela peut être simple pour des liquides où il est possible d’utiliser la méthode de la chromatographie sur couches minces.

  • Cet article porte sur l'identification des espèces chimiques.
  • Tout d'abord, nous définirons l'espèce chimique et l'entité chimique.
  • Ensuite, nous examinerons les propriétés physiques.
  • Tu seras capable d'identifier un corps pur à l'aide de sa masse volumique ou sa densité.
  • Nous passerons ensuite sur autres propriétés physiques.
  • Nous verrons également comment identifier les espèces chimiques à l'aide des grandeurs physiques.
  • Ensuite, nous te présenterons brièvement la chromatographie sur couche mince.
  • Enfin, nous examinerons l'identification des espèces chimiques par la réalisation des tests chimiques.

De l’espèce chimique à l’entité

La matière est constituée d’entités chimiques (molécules, atomes, ions).

Ces entités chimiques peuvent se présenter comme étant composées d’une seule substance, on parle alors de corps purs, ou comme un mélange de plusieurs substances.

Espèce chimique

Une espèce chimique est une collection de très grandes entités chimiques identiques à l'échelle microscopique. Ces entités chimiques peuvent être des atomes, des ions ou des molécules.

Le fer est une espèce chimique atomique composée d'atomes de fer.

L’eau est une espèce chimique moléculaire composée des molécules d'eau.

Chlorure de sodium est une espèce chimique ionique composée d'une paire d'ions sodium (Na+) et d'ions chlorure Cl-.

La matière est électriquement neutre, quant aux espèces chimiques ioniques, elles sont constituées de deux entités au moins (cations chargés positivement et anions chargés négativement).

Prenons le composé ionique le fluorure de magnésium MgF2.

Identification des espèces chimiques fluorure de magnésium StudySmarterFig.1 - fluorure de magnésium.

À l'échelle microscopique, le fluorure de magnésium est constitué d'un ion magnésium et deux ions fluorure.

Entités chimiques

Une entité chimique constitue la matière à l'échelle microscopique. Elle peut designer soit : Un atome, une molécule ou un ion.

Maintenant tu es capable de comparer entre l'espèce et l'entité chimique dans le tableau suivant !

Identification des espèces chimiques  espèce chimique et entité chimique. StudySmarterFig.2- Tableau comparatif entre espèce chimique et entité chimique.

Propriétés physiques

Considérons quelques substances courantes : le chlorure de sodium (NaCl), le chlore gazeux (Cl2), l'eau (H2O) et le diamant (C). À température ambiante, elles paraissent toutes très différentes. Par exemple, elles ont des états de matière différents : le chlorure de sodium et le diamant sont tous deux solides, alors que le chlore est un gaz et l'eau un liquide. L'état de la matière est un exemple de propriété physique.

Une propriété physique est une caractéristique qui peut être vue ou mesurée sans changer l'identité chimique de la substance.

Expliquons cela. Si tu chauffes une substance jusqu'à son point de fusion, elle passe de l'état solide à l'état liquide.

Prenons l'exemple de la glace.

Lorsque la glace fond, elle devient de l'eau liquide. Elle a changé d'état de matière. Cependant, son identité chimique est toujours la même : l'eau et la glace ne contiennent que des molécules.

Cela signifie que l'état de la matière est une propriété physique, tout comme la température. La masse volumique et la densité en sont d'autres exemples. En revanche, la radioactivité et la toxicité sont des exemples de propriétés chimiques.

L'identification des espèces chimiques s'effectue en comparant ses propriétés physiques à celles de référence. On peut identifier une espèce chimique par ses caractéristiques physiques (aspect, couleur), mais surtout par ses propriétés physiques.

Tu peux en savoir plus sur les propriétés physiques dans notre article Propriétés physiques.

Masse volumique

La masse volumique permet l'identification d'une espèce chimique.

La masse volumique est la masse d’un certain volume de matière.

La masse volumique d’une espèce chimique est identifiée par cette lettre de l'alphabet grec \( \rho \) qui se prononce "rho".

Elle est égale au quotient de sa masse par le volume qu’elle occupe.

Il s’ensuit la relation suivante :

Unités :

  • ρ : Masse volumique qui s'exprime en gramme par centimètre cube (g.cm-3)
  • m : Masse qui s'exprime en gramme (g)
  • V : Volume qui s'exprime en centimètre cube (cm3)

Nous trouvons souvent différentes unités pour la densité. Rappelle-toi que tu dois faire attention à l'homogénéité des unités, comme lorsque tu utilises n'importe quelle autre formule.

Par exemple, ici la masse est exprimée en grammes, et le volume en litres, donc le résultat du calcul de la masse volumique sera exprimé en g/L.

À partir du lycée, on utilisera cette notation g.L-1 plutôt que g/L.

Le tableau ci-dessous présente la masse volumique de quelques espèces chimiques :

Espèce chimique Masse volumique en g/cm3
eau 1
mercure 13.54
éthanol0.789
acétone0.784

Comment utiliser la masse volumique pour identifier une espèce chimique ?

Prenons un volume \( V= 50 mL\) d'un liquide a une masse de \( m= 39.45g \)

Nous devons montrer qu'il s'agit d'éthanol pur.

En d'autres termes, nous demandons d'identifier pour prouver que ce liquide est de l'éthanol.

Et pour ce faire, on te donne la masse volumique de l'éthanol que tu ne dois évidemment pas connaître par cœur.

Pour identifier ce liquide, on calcule la masse volumique à partir des résultats de l'expérience qui sont donnés dans l'énoncé.

Tout d'abord, écris la formule : \( \rho = \frac {m}{V} \)

Ensuite remplace par les valeurs : \( \rho = \frac {39.45}{50} = 0.789\)

Divise une masse en g par un volume en ml, donc le résultat du calcul sera exprimé en g.L-1.

Tu peux conclure en comparant le résultat obtenu avec les valeurs expérimentales données dans l'énoncé, avec la valeur de référence.

Cette valeur est conforme à la valeur de référence donc le liquide est de l'éthanol pur.

Densité

La densité est une grandeur relative qui traduit la comparaison de la masse volumique d’une espèce chimique par rapport à celle de l’eau (à 4 °C), qui sert de référence.

Les masses volumiques doivent être exprimées dans la même unité.

La densité n'a pas d'unité.

Lorsqu’on cherche à mélanger deux liquides non miscibles, ils forment un mélange hétérogène où les deux liquides seront nettement visibles, l’un étant au-dessus de l’autre, comme dans le cas d’un mélange d’huile avec de l’eau.

Ils forment alors deux « phases » et se disposent en fonction de leur densité.

Identification des espèces chimiques densite StudySmarterFig.3- L'eau et l'huile sont deux liquides non miscibles.1

La densité d d'un solide ou d'un liquide est exprimée par:

$$ d= \frac {\rho}{ \rho _{eau}}$$

La densité d d'un gaz est exprimée par :

$$ d = \frac { \rho }{ \rho _{air}}$$

Le tableau suivant présente des densités de différentes espèces chimiques.

Espèce chimique densité
eau 1
huile d'olive0.910
acétone 0.784
éthanol0.789

Tu peux en savoir plus sur la masse volumique et la densité dans notre article Masse volumique et Densite.

Température de changement d’état

Le changement d’état est le passage de la matière d'un état à un autre.

L’étude du changement d'état a permis de différencier un corps pur d'un mélange. Tu peux déterminer une température de changement d'état pour un corps pur, alors que cela n'est pas possible pour un mélange.

Corps purtempérature de fusion température d'ébullition
eau0° C100° C
éthanol-114° C79° C
acetone-95.6° C56° C
fer1538° C2861° C

Température d'ébullition

La température d'ébullition (Téb) est la température à laquelle se produisent les changements d'états : la vaporisation et la liquéfaction.

La température d'ébullition de l'éthanol est de 79°𝐶.

Si nous parlons d'une espèce chimique inconnue dont la température d'ébullition est de 79 °𝐶. Alors tu peux dire que cette espèce inconnue est bien l'éthanol à condition qu'il n'y ait pas d'autres espèces pouvant avoir la même température d'ébullition.

Température de fusion

La température de fusion Tf est la température sous laquelle se font les changements d'état : fusion et solidification. Elle correspond au passage de l'état solide à l'état liquide

La température de fusion de l'eau est de 0°𝐶.

Si nous parlons d'une espèce chimique inconnue dont la température de fusion est de 0 °𝐶. Alors tu peux dire que cette espèce inconnue est bien l'eau à condition qu'il n'y ait pas d'autres espèces pouvant avoir la même température de fusion.

La température de fusion est mesurée par un instrument appelé banc Kofler.

Identification des espèces chimiques Banc Kofler StudySmarterFig.4- Banc Kofler 2.

Il suffit de déposer le solide à identifier vers l'extrémité chaude du lieu de réchauffement. Progressivement, on attend que la première goutte de liquide soit observée. La température de fusion est alors lue sur le banc à l'aide du curseur.

Remarque : Les valeurs données dans les tables sont mesurées sous pression atmosphérique normale et pour des espèces chimiques pures.

Solubilité dans un solvant

Saturée

En chimie, les concentrations peuvent être définies formellement comme la quantité de soluté présente dans une quantité donnée de solution.

Une solution concentrée est une solution contenant une quantité importante de soluté, tandis qu'une solution contenant une petite quantité de soluté est appelée solution diluée.

Quand un corps est dissout dans un liquide et forme un mélange homogène, on parle de « solution ». Le corps dissout est appelé « soluté » et le liquide dans lequel il est dissout est nommé « solvant ».

Pour pouvoir effectuer une dissolution, il faut que le soluté soit soluble dans le solvant. Certains solvants permettent de dissoudre davantage de sortes de corps différents, ainsi, l’eau est considérée comme un excellent solvant car un grand nombre de substances peuvent s’y dissoudre.

Solubilité

Il y a toutefois une limite à la quantité de soluté que l’on peut dissoudre dans un solvant. Cette limite est appelée solubilité et s’exprime en gramme par litre (g.L-1) .

La solubilité d'un solvant est la masse maximale de l'espèce que l'on peut dissoudre dans 1 litre de solvant ; s s'exprime en g. L-1 (ou en kg. L-1).

La solubilité dépend beaucoup de la température, car plus un liquide est chaud, plus les molécules qu’il contient sont agitées (on plus d’énergie) et il y a donc plus de place pour le corps dissout.

L'indice de réfraction n par rapport à l'air

L'indice de réfraction est caractéristique d'un corps pur donné.

Lorsqu'un rayon lumineux passe de l'air à un milieu transparent constitué d'une espèce chimique, il est dévié.

Ce milieu est caractérisé par un indice de réfraction n donné grâce à la loi de Descartes :où i désigne l'angle d'incidence, et r le rayon réfracté.

On utilise un appareil appelé réfractomètre qui permet la détermination immédiate de l'indice de réfraction à partir de ces mesures d'angles.

Exemple : L'indice de réfraction de l'eau est neau = 1,33.

Chromatographie sur couches minces

Une chromatographie sur couche mince est une technique qui permet de séparer les constituants d'un mélange homogène.

L'objectif principal de la chromatographie sur couche mince CCM est d'obtenir des taches claires et distinctes. Elle est largement utilisée car elle est bon marché, relativement simple, très sensible et le temps de séparation est rapide. La chromatographie sur couche mince peut être utilisée pour vérifier la pureté d'un produit.

La chromatographie sur couche mince (CCM) consiste à déposer sur un papier blanc très absorbant des échantillons liquides/aqueux qui vont ensuite être dissous par une phase mobile (éluant) et se déplacer sur la phase stationnaire.

Selon la nature des espèces chimiques, elles ne se déplacent pas à la même vitesse. Elles s'arrêtent à des hauteurs différentes. La plaque obtenue est appelée chromatogramme.

Identification des espèces chimiques Chromatographie sur couche mince StudySmarterFig.5- Chromatographie sur couche mince.

  • Les espèces pures n'ont qu'une seule tache.
  • Le dépôt avec deux taches est un mélange de deux composants.
  • Les taches qui sont situées à la même hauteur, correspondent à la même espèce chimique.

On peut dire que la lecture horizontale du chromatogramme permet d'identifier les constituants d'un mélange par rapport à des références.

Tu peux en savoir plus sur la chromatographie sur couche mince dans notre article Chromatographie sur couche mince.

Identifier par la réalisation des tests chimiques

Nous effectuons des tests chimiques pour identifier une espèce chimique.

Un test chimique est une expérience dont le résultat est positif. Le changement de couleur permet de mettre en évidence la présence d'une espèce chimique.

L’espèce chimique permettant la mise en évidence est appelée détecteur de présence.

Espèce chimique à identifierTestRésultat positif
eausulfate de cuivre anhydre (blanc)le sulfate de cuivre anhydre devient bleu.
dioxyde de carboneEau de chaux (limpide)l'eau de chaux se trouble
dihydrogèneRecueille le gaz dans un tube à essais. Approche de l'ouverture une allumette enflammée Une détonation se fait entendre.
ions chloruresolution de nitrate d'argentformation d'un précipité blanc

Identification des espèces chimiques - points clés

  • Une propriété physique est une caractéristique qui peut être vue ou mesurée sans changer l'identité chimique de la substance.
  • L'identification des espèces chimiques s'effectue en comparant ses propriétés physiques à celles de référence.
  • La masse volumique est la masse d’un certain volume de matière.
  • La densité est une grandeur relative qui traduit la comparaison de la masse volumique d’une espèce chimique par rapport à celle de l’eau (à 4 °C), qui sert de référence.
  • L’étude du changement d'état a permis de différencier un corps pur d'un mélange.
  • La solubilité est une propriété physique qui permet d'identifier une espèce chimique.
  • Une chromatographie sur couche mince est une technique qui permet de séparer les constituants d'un mélange homogène. Elle peut être utilisée pour vérifier la pureté d'un produit,
  • Nous effectuons des tests chimiques pour identifier une espèce chimique.

References

  1. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_and_oil.jpg
  2. https://fr.wikipedia.org/wiki/Banc_Kofler#/media/Fichier:Banc_Kofler.png

Questions fréquemment posées en Identification des espèces chimiques

Pour identifier des espèces chimiques, on peut utiliser ses propriétés physiques (densité, température de changement d’état, couleur, aspect) ou par la réalisation des tests chimiques. 

Pour les mélanges, il est possible d’utiliser la méthode de la chromatographie sur couches minces.

Une espèce chimique est une collection de très grandes entités chimiques identiques à l'échelle microscopique. Ces entités chimiques peuvent être des atomes, des ions ou des molécules.

Questionnaire final de Identification des espèces chimiques

Question

Quelle est la relation entre la masse molaire et la masse atomique relative ou la masse moléculaire relative ?

Montrer la réponse

Réponse

Elles sont numériquement identiques. Par exemple, le carbone 12 a une masse atomique relative de 1/12 et une masse molaire de 12 g mol-1.

Montrer la question

Question

Qu'est-ce qu'un mole ?

Montrer la réponse

Réponse

une valeur utilisée pour exprimer des quantités en chimie

Montrer la question

Question

Quelle est la valeur de la constante d'Avogadro, à trois décimales près ?

Montrer la réponse

Réponse

 6,022 × 1023 

Montrer la question

Question

Quelle est la relation entre les moles et la constante d'Avogadro ?

Montrer la réponse

Réponse

Une mole d'une substance contient 6,022 x1023 mol−1  entités. Ce nombre est également connu sous le nom de constante d'Avogadro.

Montrer la question

Question

Combien de moles d'atomes de carbone y a-t-il dans un échantillon de 20,4 g de carbone pur ?

Montrer la réponse

Réponse

1.7 mol

Montrer la question

Question

Quelle est la masse de 3,8 moles d'éthane, C2H6?

Montrer la réponse

Réponse

114.0g

Montrer la question

Question

Combien d'atomes y a-t-il dans deux moles de molécules d'oxygène, O2  ?

Montrer la réponse

Réponse


2.4088 × 1024


Montrer la question

Question

Un échantillon contient 3.76 x 1024  molécules de méthanol. Combien de moles de méthanol y a-t-il dans l'échantillon ?

Montrer la réponse

Réponse

6.101 mol

Montrer la question

Question

Combien de protons y a-t-il dans une mole d'ions hydrogène ?

Montrer la réponse

Réponse

6.022 x 1023

Montrer la question

Question

Combien d'électrons y a-t-il dans une mole de molécules d'hydrogène, H2  ?

Montrer la réponse

Réponse

1.2044 x 1024

Montrer la question

Question

Qu'est-ce que la masse molaire ?

Montrer la réponse

Réponse

La masse d'une mole d'une substance.

Montrer la question

Question


Quelles sont les unités de la masse molaire ?

Montrer la réponse

Réponse

g mol-1

Montrer la question

Question

Qu'est-ce qu'une formule empirique ? 

Montrer la réponse

Réponse

Le rapport le plus simple entre les nombres entiers d'éléments dans le composé. 


Montrer la question

Question

Vrai ou faux. Les substances pures sont constituées d'un seul type d'atome ou de composé et ont une composition chimique fixe avec des propriétés qui ne changent pas. 

Montrer la réponse

Réponse

Vrai

Montrer la question

Question

Les éléments et les composés sont ____, tandis que tout ce qui est composé de deux ou plusieurs éléments est ______.


Montrer la réponse

Réponse

substances pures, substances pures, mélanges 

Montrer la question

Question

Identifie la composition des éléments suivants.

Indique s'il s'agit d'une substance pure ou d'un mélange.


 S'il s'agit d'une substance pure, précise de quel type il s'agit.

Plomb, Méthane, Iode, Powerade 

Montrer la réponse

Réponse

Plomb (Pb)= substance pure, élément 


Méthane (NH3) = substance pure, composé


Iode (I2) = substance pure, élément


Powerade = mélange 

Montrer la question

Question

Vrai ou Faux. Tous les atomes d'or présents dans une barre d'or sont un exemple de composé. 

Montrer la réponse

Réponse

Vrai

Montrer la question

Question

Lesquels des éléments suivants sont des éléments ? Choisis tous ceux qui s'appliquent et explique ton raisonnement. 


Montrer la réponse

Réponse

H2O

Montrer la question

Question

Lesquelles des affirmations suivantes sont vraies pour les composés ?

Montrer la réponse

Réponse

Les composés sont des substances constituées de deux ou plusieurs atomes d'éléments différents. 

Montrer la question

Question

Si nous voulons déterminer la quantité d'oxygène contenue dans une molécule d'eau, que devons-nous trouver ?

Montrer la réponse

Réponse

la composition en pourcentage de l'oxygène 

Montrer la question

Question

Lequel des éléments suivants n'est pas un mélange ?


Montrer la réponse

Réponse

eau de mer

Montrer la question

Question

Qu'est-ce qu'un mélange ? 

Montrer la réponse

Réponse

matière composée de deux ou plusieurs substances mélangées ensemble 

Montrer la question

Question

L'eau minérale est un corps pur

Montrer la réponse

Réponse

Vrai

Montrer la question

Question

Le lait est un corps pur.

Montrer la réponse

Réponse

Vrai

Montrer la question

Question

Le fer est un :

Montrer la réponse

Réponse

Corps pur

Montrer la question

Question

L'eau distillée est :

Montrer la réponse

Réponse

Corps pur

Montrer la question

Question

Une combinaison de substances pouvant être physiquement séparées les unes des autres.

Montrer la réponse

Réponse

Composé

Montrer la question

Question

la masse volumique de l'eau est 

Montrer la réponse

Réponse

1 g/cm3

Montrer la question

Question

La densité d d'un liquide ou d'un liquide est exprimée par:

Montrer la réponse

Réponse

$$ d = \frac { \rho}{ \rho_{eau}}$$

Montrer la question

Question

La densité d d'un gaz est exprimée par :

Montrer la réponse

Réponse

$$ d = \frac { \rho}{  \rho_{air}}$$

Montrer la question

Question

La masse volumique est égale au quotient de sa masse m de l'espèce chimique par le volume V qu’elle occupe. 

Montrer la réponse

Réponse

Vrai

Montrer la question

Question

Définis La température d'ébullition (Téb).

Montrer la réponse

Réponse

La température d'ébullition (Téb) est la température à laquelle se produisent les changements d'états : la vaporisation et la liquéfaction.

Montrer la question

Question

Définis la température de fusion.

Montrer la réponse

Réponse

La température de fusion Tf est la température sous laquelle se font les changements d'état : fusion et solidification.

Montrer la question

Question

La radioactivité et la toxicité sont des exemples de propriétés :

Montrer la réponse

Réponse

chimiques

Montrer la question

Question

Indiquer les propriétés physiques

Montrer la réponse

Réponse

Radioactivité

Montrer la question

Question

Une espèce chimique est une collection de très grandes entités chimiques identiques à l'échelle microscopique.

Montrer la réponse

Réponse

Vrai

Montrer la question

Question

L'unité de la densité est 

Montrer la réponse

Réponse

g/cm3

Montrer la question

Question

Une chromatographie sur couche mince est une technique qui permet de séparer les constituants d'un :

Montrer la réponse

Réponse

Mélange homogène.

Montrer la question

Question

Nomme le gaz qui trouble l'eau de chaux.

Montrer la réponse

Réponse

le dioxyde de carbone.

Montrer la question

Question

Que se passe-t-il si tu approches une allumette enflammée de l'ouverture d'un tube à essais contenant du dihydrogène ?

Montrer la réponse

Réponse

Une détonation se fait entendre.

Montrer la question

Question

Les ions chlorures réagissent avec une solution de nitrate d'argent pour former un précipité: 


Montrer la réponse

Réponse

blanc

Montrer la question

Question

Nommer l'instrument qui mesure la température de fusion

Montrer la réponse

Réponse

Banc Kofler.

Montrer la question

Question

Que se passe-t-il au niveau du pH de la solution lorsque l'on ajoute du chlore à l'eau ?

Montrer la réponse

Réponse

Le pH diminue



Montrer la question

Question

Quelle est la composition moléculaire de l'eau (réponse en un mot) ?

Montrer la réponse

Réponse

H2O

Montrer la question

Question

Quelle est la géométrie moléculaire d'une molécule d'eau ?

Montrer la réponse

Réponse

Coudée

Montrer la question

Question

L'eau est une molécule polaire.

Montrer la réponse

Réponse

Vrai

Montrer la question

Question

Pourquoi l'eau est-elle une molécule polaire ?

Montrer la réponse

Réponse

Les charges partielles (dues à l'électronégativité) créent un dipôle. 

Montrer la question

Question

Lesquels des éléments suivants l'eau peut-elle dissoudre ? 

Montrer la réponse

Réponse

NaCl

Montrer la question

Question

Pourquoi l'eau peut-elle dissoudre les sucres ?

Montrer la réponse

Réponse

Crée des liaisons hydrogène avec les molécules de la substance. 

Montrer la question

Question

Quels atomes peuvent contribuer à la liaison hydrogène ?

Montrer la réponse

Réponse

L'azote, l'oxygène, le fluor et bien sûr l'hydrogène.

Montrer la question

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