La chimie à l’école — Années 1 à 12 · Grades 1–12
10Identifier les espèces chimiques
Un mot froissé, écrit au feutre noir, est retrouvé sur les lieux d’une petite énigme, et l’on découvre trois feutres dans trois sacs différents. À l’œil, les trois encres ont le même noir. Il ne faut pourtant à un chimiste de la police scientifique qu’une bande de papier, un peu d’eau et une demi-heure pour dire quel feutre a écrit le mot. Les chimistes identifient les espèces chimiques non pas à leur aspect, mais à leur comportement lors d’un test choisi pour elles.
Rappel
Une espèce chimique est une sorte particulière de substance ; un corps pur contient une seule espèce, un mélange plusieurs (Chapitre 8). Certaines substances se dissolvent bien dans un solvant, d’autres peu ou pas du tout : chacune a sa propre solubilité (Chapitre 9).
10.1 Ce qu’est un test caractéristique
Définition 10.1 (Test caractéristique et réactif)
Un test caractéristique d’une espèce chimique est une expérience simple qui donne un résultat visible avec cette espèce, et pas avec les autres espèces rencontrées dans la même situation. Il utilise une substance choisie dans ce but, le réactif.
Méthode 10.2 (Réaliser un test caractéristique)
- Prélever un petit échantillon de la substance à tester.
- Ajouter le réactif, ou le mettre en contact avec l’échantillon, comme le test l’indique.
- Observer : un changement de couleur, un trouble, une flamme, un bruit.
- Conclure : le test est positif si le résultat attendu apparaît, négatif sinon.
- Faire le même test sur un échantillon dont on sait qu’il ne contient pas l’espèce (un témoin) : il doit rester négatif, sinon le résultat ne prouve rien.
10.2 Quatre tests classiques
Proposition 10.3 (Le dioxyde de carbone trouble l’eau de chaux)
L’eau de chaux est une solution limpide et incolore. Quand on y fait barboter du dioxyde de carbone, elle se trouble et devient d’un blanc laiteux. L’air expiré à travers une paille trouble l’eau de chaux ; de l’air frais que l’on y pompe la trouble à peine.
Proposition 10.4 (L’eau bleuit le sulfate de cuivre anhydre)
Le sulfate de cuivre anhydre est une poudre blanche. Une goutte d’eau le fait bleuir aussitôt. Le test montre que de l’eau est présente, dans un liquide ou dans un solide humide — pas que le liquide est de l’eau pure.
Sécurité
Le sulfate de cuivre est nocif en cas d’ingestion et irritant pour la peau (GHS07) ; il peut gravement endommager les yeux (GHS05) ; il est très toxique pour les organismes aquatiques, avec des effets durables (GHS09). Lunettes et gants ; les déchets sont récupérés, jamais versés dans l’évier.
Proposition 10.5 (Le dioxygène rallume une bûchette incandescente)
On allume une bûchette de bois, puis on la souffle pour qu’il ne reste qu’une lueur rouge. Plongée dans un tube à essai de dioxygène, la bûchette incandescente se rallume en flamme.
Proposition 10.6 (Le dihydrogène brûle avec une petite détonation)
Une bûchette enflammée approchée de l’ouverture d’un petit tube à essai de dihydrogène produit une petite détonation brève et aiguë, un « pop » : le dihydrogène brûle aussitôt avec le dioxygène de l’air.
Sécurité
Le dihydrogène est un gaz extrêmement inflammable (GHS02), stocké sous pression dans des bouteilles (GHS04). Le test du « pop » se fait avec quelques millilitres seulement, par l’enseignant.
10.3 La chromatographie sur papier
Définition 10.7 (Chromatographie sur papier et chromatogramme)
La chromatographie sur papier sépare les colorants d’un mélange. On dépose une petite tache du mélange sur une ligne tracée près du bas d’une bande de papier ; le bas de la bande trempe dans un solvant, qui monte lentement le long du papier et entraîne chaque colorant avec lui, certains plus vite que d’autres. Quand le solvant est monté presque jusqu’en haut, on retire la bande et on la fait sécher : c’est le chromatogramme.
Méthode 10.8 (Lire un chromatogramme)
- Compter les taches au-dessus de chaque point de départ : une tache, un colorant ; deux taches ou plus, un mélange de colorants.
- Comparer les hauteurs : sur un même chromatogramme, un colorant monte toujours à la même hauteur. Une tache à la même hauteur qu’un colorant connu est probablement ce colorant.
- Tracer le trait au crayon à papier, jamais à l’encre : l’encre serait elle-même séparée par le solvant.
Exemple 10.9 (Les colorants des bonbons)
On gratte l’enrobage coloré de bonbons dans un peu d’eau et on le dépose sur une bande, à côté de taches des colorants alimentaires autorisés dans les bonbons. Le chromatogramme montre que l’enrobage vert contient un colorant jaune et un colorant bleu, tous deux parmi les colorants autorisés.
10.4 Lire une table de tests
Proposition 10.10 (Une table de tests caractéristiques)
Les chimistes rassemblent les tests qu’ils utilisent dans un tableau, une table de tests, qui se lit de gauche à droite :
| espèce recherchée | réactif ou test | résultat positif | |
|---|---|---|---|
| dioxyde de carbone | eau de chaux | l’eau de chaux se trouble | |
| eau | sulfate de cuivre anhydre | le blanc devient bleu | |
| dioxygène | bûchette incandescente | la bûchette se rallume | |
| dihydrogène | bûchette enflammée | un « pop » aigu | |
| colorants d’un mélange | chromatographie sur papier | une tache par colorant |
Remarque 10.11 (Ce qu’un test ne dit pas)
Un test positif prouve que l’espèce est présente, pas qu’elle est seule : un liquide qui bleuit le sulfate de cuivre contient de l’eau, mais ce peut être de l’eau salée ou du jus d’orange. Un test négatif dit seulement que l’espèce est absente, ou présente en trop faible quantité pour se manifester.
10.5 Exercices
Exercice 10.1 ★
Quel test permet d’identifier le dioxyde de carbone ? Décris son résultat positif.
Solution
Solution de Exercice 10.1.
Le test à l’eau de chaux : on fait barboter le gaz dans de l’eau de chaux limpide, qui se trouble si le gaz est du dioxyde de carbone.
Exercice 10.2 ★
Une poudre blanche bleuit quand on y fait tomber un liquide. Que montre ce résultat au sujet du liquide ?
Solution
Solution de Exercice 10.2.
La poudre est du sulfate de cuivre anhydre, et le liquide contient de l’eau.
Exercice 10.3 ★
On plonge une bûchette incandescente dans un flacon de gaz, et elle se rallume en flamme. Quel gaz le flacon contient-il ?
Solution
Solution de Exercice 10.3.
Du dioxygène.
Exercice 10.4 ★
Pourquoi trace-t-on la ligne de départ d’un chromatogramme sur papier au crayon à papier et non à l’encre ?
Solution
Solution de Exercice 10.4.
Le crayon à papier ne se dissout pas dans le solvant. Un trait d’encre serait lui-même entraîné et séparé, et gâcherait le chromatogramme.
Exercice 10.5 ★★
Pourquoi la ligne de départ doit-elle se trouver au-dessus du niveau du solvant dans le bécher ?
Exercice 10.6 ★★
Le chromatogramme d’une encre verte montre deux taches, l’une à la hauteur d’un colorant jaune de référence, l’autre à la hauteur d’un colorant bleu de référence. L’encre verte est-elle un corps pur ? De quoi est-elle faite ?
Solution
Solution de Exercice 10.6.
Non, c’est un mélange de deux colorants : probablement le colorant jaune et le colorant bleu des références.
Exercice 10.7 ★★
À l’aide de la table de tests, quel test utiliserais-tu pour montrer qu’un gaz dégagé par une réaction est du dihydrogène ? Qu’attends-tu d’observer ?
Solution
Solution de Exercice 10.7.
Recueillir un peu du gaz dans un tube à essai et approcher une bûchette enflammée de son ouverture : un « pop » aigu révèle le dihydrogène.
Exercice 10.8 ★★
L’air expiré trouble l’eau de chaux bien plus vite que l’air frais. Que nous apprend ce résultat sur l’air que nous expirons ?
Exercice 10.9 ★★
Un liquide limpide bleuit le sulfate de cuivre anhydre. Sam conclut : « C’est de l’eau pure. » Explique pourquoi Sam se trompe.
Solution
Solution de Exercice 10.9.
Le test montre que de l’eau est présente, pas qu’elle est seule : de l’eau salée, du jus ou n’importe quel mélange aqueux bleuirait aussi la poudre.
Exercice 10.10 ★★
Regarde le chromatogramme de l’encre noire dans ce chapitre. Combien de colorants l’encre contient-elle ? Lequel est monté le plus haut ?
Solution
Solution de Exercice 10.10.
Trois colorants (trois taches). C’est le colorant jaune qui est monté le plus haut.
Exercice 10.11 ★★★
Trois flacons contiennent du dioxygène, du dihydrogène et du dioxyde de carbone, mais leurs étiquettes sont perdues. Prévois, sur le papier, les tests qui permettraient de nommer chaque flacon, dans un ordre qui utilise le moins de tests possible.
Solution
Solution de Exercice 10.11.
Par exemple : une bûchette incandescente dans chaque flacon — celui qui la rallume contient le dioxygène. Pour les deux autres, une bûchette enflammée à l’ouverture — un « pop » aigu révèle le dihydrogène. Le dernier flacon contient le dioxyde de carbone (on peut le confirmer à l’eau de chaux). Deux ou trois tests suffisent.
Exercice 10.12 ★★★
Un élève teste un gaz avec de l’eau de chaux et ne voit rien se passer. Donne deux explications possibles, et le témoin qui aiderait à trancher.
Solution
Solution de Exercice 10.12.
Le gaz ne contient peut-être pas de dioxyde de carbone, ou trop peu pour que cela se voie dans ce temps. Un témoin réalisé avec de l’air expiré, dont on sait qu’il contient du dioxyde de carbone, vérifie que l’eau de chaux fonctionne.
10.6 Problème : le mot falsifié
Problème 10.1
Problème du week-end — un mot écrit au feutre, trois feutres suspects, trois bouteilles de gaz sans étiquette, et une table de tests
Un laboratoire scolaire est appelé à l’aide pour deux petites énigmes. D’abord, un mot écrit au feutre noir doit être attribué à l’un de trois feutres noirs, 1, 2 et 3. On prélève une goutte d’encre sur le mot et sur chaque feutre, et on les dépose sur une même bande de papier, que l’on développe ensuite avec de l’eau. Le chromatogramme est représenté ci-dessous.
Partie I — Le chromatogramme.
- Pourquoi a-t-on déposé les quatre encres sur la même bande et les a-t-on développées ensemble ?
- L’encre du mot est-elle un corps pur ou un mélange ? Explique.
- Combien de colorants l’encre du feutre 1 contient-elle ? Le feutre 1 peut-il avoir écrit le mot ?
- Le feutre 3 contient lui aussi trois colorants. Pourquoi ne peut-il pas avoir écrit le mot ?
- Quel feutre correspond au mot ? Explique à l’aide des hauteurs des taches.
Partie II — Trois bouteilles de gaz. Seconde énigme : trois petites bouteilles, X, Y et Z, ont perdu leurs étiquettes ; elles contiennent du dioxygène, du dihydrogène et du dioxyde de carbone. On recueille un peu de gaz de chacune dans un tube à essai. Le gaz X rallume une bûchette incandescente. Le gaz Y produit un « pop » aigu avec une bûchette enflammée. Le gaz Z trouble l’eau de chaux.
- Nomme le gaz X.
- Nomme le gaz Y.
- Nomme le gaz Z.
- Avant de tester le gaz Z, l’élève fait barboter de l’air ordinaire dans la même eau de chaux pendant le même temps, et elle reste limpide. Comment s’appelle ce second essai, et qu’ajoute-t-il à la conclusion ?
Partie III — La table de tests.
- Un liquide incolore trouvé à côté du mot bleuit le sulfate de cuivre anhydre. Écris la ligne de la table de tests utilisée, et ce que montre le résultat.
- Ce résultat prouve-t-il que le liquide est de l’eau pure ? Explique.
- Conclus la première énigme : combien de colorants l’encre du mot contient-elle, et quel feutre l’a écrit ?
Solution
Solution de Problème 10.1.
1. Pour que les conditions (papier, solvant, durée) soient les mêmes pour les quatre : c’est seulement ainsi que l’on peut comparer les hauteurs des taches.
2. Un mélange : son encre donne trois taches séparées, trois colorants.
3. Deux colorants. Non : l’encre du mot a trois colorants, et le feutre 1 n’a ni le colorant rouge ni le colorant jaune.
4. Ses trois taches ne sont pas aux mêmes hauteurs que celles du mot : ce sont trois colorants différents.
5. Le feutre 2 : ses trois taches sont exactement aux hauteurs des trois taches du mot.
6. Du dioxygène.
7. Du dihydrogène.
8. Du dioxyde de carbone.
9. Un témoin. Il montre que l’eau de chaux ne se trouble pas toute seule, ni avec de l’air ordinaire en ce temps : le trouble obtenu avec le gaz Z vient donc bien du dioxyde de carbone.
10. « Eau — sulfate de cuivre anhydre — le blanc devient bleu » : le liquide contient de l’eau.
11. Non. Un test positif montre que de l’eau est présente, pas qu’il n’y a rien d’autre : le liquide pourrait être une solution ou un autre mélange aqueux.
12. L’encre du mot contient 3 colorants, et c’est le feutre 2 qui a écrit le mot.