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.
- Ce résumé de cours 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 \( MgF_2 \) .
Fig.1 - fluorure de magnésium.
À l'échelle microscopique, le fluorure de magnésium est constitué d'un ion magnésium et deux ions fluorure.
Entité chimique
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 !
Fig.2- Tableau comparatif entre espèce chimique et entité chimique.
Propriétés physiques
Considérons quelques substances courantes : le chlorure de sodium \( NaCl \) , le chlore gazeux \( Cl_2 \) , l'eau \( H_2O \) 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 résumé de cours "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 ρ 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 \( m \) de l'espèce chimique par le volume \( V \) qu’elle occupe.
Il s’ensuit la relation suivante :
$$ \rho = \frac {m}{V}$$
Unités :
- \( \rho \) : 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 \( (cm^3) \)
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 \( g/cm^3 \) |
| eau | \( 1 \) |
| mercure | \( 13,54 \) |
| éthanol | \( 0,789 \) |
| acétone | \( 0,784 \) |
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.
Fig.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'olive | 0.910 |
| acétone | 0.784 |
| éthanol | 0.789 |
Tu peux en savoir plus sur la masse volumique et la densité dans notre résumé de cours Masse volumique et Densité.
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 pur | température de fusion | température d'ébullition |
| eau | \( 0° C \) | \( 100° C \) |
| éthanol | \( -114° C \) | \( 79° C \) |
| acetone | \( -95.6° C \) | \( 56° C \) |
| fer | \( 1538° C \) | \( 2861° C \) |
Température d'ébullition
La température d'ébullition \( (T_{éb}) \) 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.
Fig.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 \( kg. L^{-1} \) ).
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 ;
- \( r \) 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 \( n_{eau} = 1,33 \) .
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.
Fig.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 résumé de cours "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 identifier | Test | Résultat positif |
| eau | sulfate de cuivre anhydre (blanc) | le sulfate de cuivre anhydre devient bleu. |
| dioxyde de carbone | Eau de chaux (limpide) | l'eau de chaux se trouble |
| dihydrogène | Recueille le gaz dans un tube à essais. Approche de l'ouverture une allumette enflammée | Une détonation se fait entendre. |
| ions chlorure | solution de nitrate d'argent | formation 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
- https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_and_oil.jpg
- https://fr.wikipedia.org/wiki/Banc_Kofler#/media/Fichier:Banc_Kofler.png
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