La chimie à l’école — Années 1 à 12 · Grades 1–12

8Corps purs et mélanges

Une bouteille d’eau minérale énumère sur son étiquette une douzaine de substances dissoutes, avec leurs quantités en milligrammes par litre. L’eau qui sort du purificateur d’un laboratoire n’en mentionne aucune. Les deux sont limpides et incolores, les deux étanchent la soif — et pourtant une seule est ce qu’un chimiste appelle une eau pure. Ce chapitre donne au mot « pur » son sens exact, et montre comment distinguer un corps pur d’un mélange sans rien goûter.

Rappel

Mélanger, c’est mettre des choses différentes ensemble ; un solide qui se dissout dans l’eau laisse le liquide limpide, et ce liquide limpide est une solution (Chapitre 2). On peut séparer un mélange par tamisage, décantation, filtration et évaporation (Chapitre 3). Chaque matériau a des propriétés que l’on peut tester : dur ou mou, transparent ou non, il flotte ou il coule (Chapitre 1).

8.1 Espèces chimiques et corps purs

Définition 8.1 (Espèce chimique)

Une espèce chimique est une sorte particulière de substance, avec son propre nom et ses propres propriétés : l’eau, le sucre, le sel, l’oxygène, l’éthanol (l’alcool du vin), le fer.

Définition 8.2 (Corps pur)

Un corps pur est constitué d’une seule espèce chimique et de rien d’autre : l’eau distillée, un cristal de sucre, une bague en or pur.

Définition 8.3 (Mélange)

Un mélange contient plusieurs espèces chimiques. L’air, l’eau de mer, l’eau minérale, le lait, le granite et le jus d’orange sont des mélanges.

Remarque 8.4 (« Pur » dans la langue de tous les jours)

Une brique de « pur jus d’orange » signifie que rien n’a été ajouté au jus. Pour un chimiste, ce jus reste un mélange : de l’eau, des sucres, des acides, des vitamines, des colorants et des arômes, beaucoup d’espèces chimiques. Une « eau pure de montagne » est elle aussi un mélange : de l’eau contenant des sels dissous.

Classer la matière. Les cases du bas donnent des exemples de chaque sorte.

8.2 Mélanges homogènes et hétérogènes

Définition 8.5 (Mélanges homogènes et hétérogènes)

Un mélange est un mélange homogène quand on ne peut pas distinguer ses différentes parties à l’œil nu, même à la loupe : il a le même aspect partout. C’est un mélange hétérogène quand on peut voir au moins deux parties différentes.

Exemple 8.6 (Quatre mélanges)

L’eau salée et l’air sont homogènes : on ne voit pas leurs parties. L’huile sur l’eau est hétérogène : deux couches. L’eau boueuse est hétérogène : des grains y flottent et se déposent. Le jus d’orange avec pulpe est hétérogène : on voit les morceaux de pulpe.

Un mélange homogène et trois mélanges hétérogènes.

Le granite : on y voit des grains de trois ou quatre minéraux différents. Un solide hétérogène. Photo : Eurico Zimbres, CC BY-SA 2.0 br.

Remarque 8.7 (Homogène ne veut pas dire pur)

L’eau salée ressemble exactement à de l’eau pure. Regarder ne suffit pas pour distinguer un corps pur d’un mélange homogène : il faut mesurer quelque chose.

8.3 Reconnaître un corps pur à ses constantes

Proposition 8.8 (Un corps pur a ses propres constantes)

Chaque corps pur fond à une température fixe qui lui est propre, bout à une température fixe qui lui est propre (sous la pression normale), et a sa propre masse pour un volume donné, sa masse volumique. Ces nombres sont ses constantes ; le livre de physique explique ce qu’elles mesurent. Pour quelques corps purs :

corps pur	fond à	bout à	masse de $1\,\mathrm{cm}^{3}$
eau	$0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	environ $1.0\,\mathrm{g}$
éthanol	$-114\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$0.79\,\mathrm{g}$
propanone (acétone)	—	$56\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$0.78\,\mathrm{g}$
sel (chlorure de sodium)	$801\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	—	$2.17\,\mathrm{g}$
fer	$1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	—	$7.87\,\mathrm{g}$

Proposition 8.9 (Un mélange n’a pas de température d’ébullition fixe)

Un mélange ne bout pas à une température fixe : l’eau salée commence à bouillir un peu au-dessus de $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , et sa température continue de monter pendant l’ébullition, car l’eau s’en va et le sel qui reste devient plus concentré.

Méthode 8.10 (Ce liquide est-il pur ? Lequel est-ce ?)

Le chauffer, au laboratoire, et lire sa température pendant l’ébullition.
Si la température reste fixe, le liquide est probablement un corps pur : comparer cette température à une table de constantes.
Si la température continue de monter, c’est un mélange.
Confirmer avec une deuxième constante, par exemple la masse d’un volume connu.

Au laboratoire — Faire bouillir de l’eau salée

L’enseignant chauffe côte à côte de l’eau pure et de l’eau salée, avec un thermomètre dans chacune. L’eau pure bout à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et y reste tant qu’elle bout. L’eau salée commence à bouillir un peu au-dessus de $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , et le thermomètre monte lentement, minute après minute.

8.4 L’eau, pure ou non

Exemple 8.11 (Quatre eaux)

L’eau distillée, préparée au laboratoire, est presque un corps pur : de l’eau et rien d’autre.
L’eau du robinet est un mélange homogène : de l’eau avec de petites quantités de substances dissoutes (une goutte séchée sur une assiette sombre laisse un cercle blanc).
L’eau minérale est un mélange homogène dont l’étiquette indique les substances dissoutes, en milligrammes par litre.
L’eau de mer est un mélange homogène qui contient environ $35\,\mathrm{g}$ de sels par kilogramme.

Une bouteille d’eau minérale : limpide et incolore, et pourtant un mélange.

Exemple 8.12 (Lire l’étiquette d’une eau minérale)

Une étiquette indique : calcium $78\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , magnésium $24\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , sodium $5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , hydrogénocarbonate $357\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , sulfate $10\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , chlorure $4\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ . (Ces valeurs sont un exemple.) Un litre contient $78 + 24 + 5 + 357 + 10 + 4 = 478$ mg de substances dissoutes, environ un demi-gramme : très peu à côté des $1000\,\mathrm{g}$ d’eau, mais assez pour en faire un mélange.

8.5 Exercices

Exercice 8.1 ★

Corps pur ou mélange ? L’eau distillée, l’air, l’eau de mer, un bloc de fer pur, le lait, un cristal de sucre.

Solution

Solution de Exercice 8.1.

Corps purs : l’eau distillée, le bloc de fer pur, le cristal de sucre. Mélanges : l’air, l’eau de mer, le lait.

Exercice 8.2 ★

Homogène ou hétérogène ? L’eau salée, le granite, l’huile sur l’eau, l’eau du robinet, le muesli.

Solution

Solution de Exercice 8.2.

Homogènes : l’eau salée, l’eau du robinet. Hétérogènes : le granite, l’huile sur l’eau, le muesli.

Exercice 8.3 ★

Qu’est-ce qu’une espèce chimique ? Donne trois exemples.

Solution

Solution de Exercice 8.3.

Une sorte particulière de substance, avec son propre nom et ses propres propriétés : par exemple l’eau, le sel, l’éthanol (ou encore le sucre, l’oxygène, le fer).

Exercice 8.4 ★

Un liquide bout à $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , et sa température reste à $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ pendant l’ébullition. À l’aide de la table des constantes, propose une identité pour ce liquide.

Solution

Solution de Exercice 8.4.

Une température d’ébullition fixe suggère un corps pur ; $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ est la température d’ébullition de l’éthanol.

Exercice 8.5 ★

Pourquoi un « pur jus d’orange » n’est-il pas un corps pur pour un chimiste ?

Solution

Solution de Exercice 8.5.

Il contient beaucoup d’espèces chimiques (eau, sucres, acides, vitamines, arômes) : c’est un mélange. « Pur » sur la brique signifie seulement que rien n’a été ajouté.

Exercice 8.6 ★★

Un liquide commence à bouillir à $100.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et sa température monte pendant l’ébullition. Est-ce un corps pur ? Que pourrait-il être ?

Solution

Solution de Exercice 8.6.

Non : un corps pur bout à une température fixe. C’est un mélange, probablement de l’eau dans laquelle quelque chose est dissous, comme de l’eau salée.

Exercice 8.7 ★★

Regarde la figure des quatre béchers. Dans quel bécher un filtre pourrait-il séparer les parties du mélange ? Dans quel bécher ne le pourrait-il pas ?

Solution

Solution de Exercice 8.7.

Un filtre pourrait séparer l’eau boueuse (les grains restent sur le papier) et le jus avec pulpe (la pulpe reste). Il ne peut séparer ni l’eau salée (le sel est dissous) ni l’huile de l’eau (les deux liquides passent ; on les sépare en recueillant la couche du dessus).

Exercice 8.8 ★★

Un cube de métal de volume $10\,\mathrm{cm}^{3}$ a une masse de $78.7\,\mathrm{g}$ . Quelle est la masse de $1\,\mathrm{cm}^{3}$ ? De quel métal de la table pourrait-il s’agir ?

Solution

Solution de Exercice 8.8.

$78.7 \div 10 = 7.87\,\mathrm{g}$ pour $1\,\mathrm{cm}^{3}$ : du fer.

Exercice 8.9 ★★

D’après l’étiquette d’eau minérale de l’exemple, quel pourcentage de la masse dissoute est de l’hydrogénocarbonate ? Arrondis à l’unité.

Solution

Solution de Exercice 8.9.

$\frac{357}{478} \approx 0.747$ : environ $75\,\%$ .

Exercice 8.10 ★★

L’eau de mer contient environ $35\,\mathrm{g}$ de sels par kilogramme. Quelle masse de sels y a-t-il dans un seau de $2\,\mathrm{kg}$ d’eau de mer ? Quel pourcentage de la masse de l’eau de mer est du sel ?

Solution

Solution de Exercice 8.10.

$2 \times 35 = 70\,\mathrm{g}$ de sels. Pourcentage : $\frac{35}{1000} = 3.5\,\%$ .

Exercice 8.11 ★★★

Deux liquides limpides et incolores ont l’air identiques. Décris deux mesures, faites au laboratoire, qui montreraient s’il s’agit du même corps pur.

Solution

Solution de Exercice 8.11.

Mesurer leurs températures d’ébullition (chacune doit rester fixe pendant l’ébullition, et les deux doivent être égales), et peser un même volume de chacun (masses égales). Deux constantes égales, toutes deux fixes, désignent le même corps pur.

Exercice 8.12 ★★★

Un mélange est fait de $90\,\mathrm{g}$ d’eau et de $10\,\mathrm{g}$ d’éthanol. Quel pourcentage de sa masse est de l’éthanol ? Peut-on l’identifier avec la table des constantes ? Explique.

Solution

Solution de Exercice 8.12.

$\frac{10}{90 + 10} = 10\,\%$ d’éthanol. C’est un mélange : il n’a pas de température d’ébullition fixe et n’apparaît pas dans la table, qui ne contient que des corps purs.

8.6 Problème : trois liquides incolores

Problème 8.1

Problème du week-end — trois flacons sans étiquette, pleins d’un liquide limpide et incolore, et les mesures qui les distinguent

Un assistant de laboratoire trouve trois flacons, A, B et C, dont les étiquettes sont tombées. Tous les trois contiennent un liquide limpide et incolore. Le laboratoire n’utilise que trois liquides de ce genre : de l’eau distillée, de l’éthanol, et de l’eau de mer rapportée d’une sortie sur le terrain. L’assistant fait trois sortes de mesures, au laboratoire.

Partie I — Observer.

Les trois liquides ont exactement le même aspect. L’assistant peut-il savoir, en les regardant, lesquels sont des corps purs ? Explique.
Si l’un d’eux est un mélange, est-il homogène ou hétérogène ?
Quelle sorte de mesure peut montrer qu’un liquide est un corps pur ?

Partie II — Mesurer. On chauffe chaque liquide jusqu’à l’ébullition. Le liquide A bout à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et sa température y reste. Le liquide B bout à $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et y reste. Le liquide C commence à bouillir à $100.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , et sa température continue de monter lentement. On pèse ensuite $50.0\,\mathrm{mL}$ de chaque liquide : A $49.8\,\mathrm{g}$ , B $39.5\,\mathrm{g}$ , C $51.2\,\mathrm{g}$ .

Quels liquides sont des corps purs ? Lequel est un mélange ?
À l’aide de la table des constantes de ce chapitre, nomme les liquides A et B.
Calcule la masse de $1\,\mathrm{mL}$ (c’est-à-dire $1\,\mathrm{cm}^{3}$ ) de chaque liquide.
Ces masses sont-elles en accord avec ta réponse à la question 5 ?
Pourquoi la température du liquide C continue-t-elle de monter pendant l’ébullition ?

Partie III — Que contient le liquide C ? On laisse sécher $100\,\mathrm{mL}$ du liquide C dans une coupelle. Quand toute l’eau est partie, il reste $3.5\,\mathrm{g}$ de cristaux blancs.

Que montre ce résidu au sujet du liquide C ?
À l’aide de la masse de $1\,\mathrm{mL}$ de C trouvée à la question 6, calcule la masse de $100\,\mathrm{mL}$ de C, puis le pourcentage de sa masse qui est du sel (au dixième près).
L’eau de mer contient environ $35\,\mathrm{g}$ de sels par kilogramme. Quel pourcentage cela représente-t-il ? Compare avec la question 10.
Conclus : combien de grammes de sel chaque litre du liquide C contient-il, et le liquide C est-il l’eau de mer ?

Solution

Solution de Problème 8.1.

1. Non. Un corps pur et un mélange homogène peuvent avoir exactement le même aspect : il faut mesurer quelque chose.

2. Homogène : il est limpide et on ne voit pas ses parties.

3. Une constante : une température d’ébullition qui reste fixe pendant l’ébullition (ou la masse d’un volume connu, comparée à une table).

4. A et B, dont les températures d’ébullition restent fixes, sont des corps purs. C est un mélange.

5. A bout à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : c’est l’eau. B bout à $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : c’est l’éthanol.

6. A : $49.8 \div 50.0 = 0.996\,\mathrm{g}$ . B : $39.5 \div 50.0 = 0.790\,\mathrm{g}$ . C : $51.2 \div 50.0 = 1.024\,\mathrm{g}$ .

7. Oui : environ $1.0\,\mathrm{g}$ pour l’eau, $0.79\,\mathrm{g}$ pour l’éthanol.

8. À mesure que l’eau s’évapore, le sel reste : le liquide restant contient de plus en plus de sel, et il bout alors à une température plus élevée.

9. Le liquide C contient un solide dissous : c’est une solution, un mélange, comme son ébullition l’avait déjà montré.

10. $100 \times 1.024 = 102.4\,\mathrm{g}$ ; $\frac{3.5}{102.4} \approx 0.034$ : environ $3.4\,\%$ de la masse est du sel.

11. $\frac{35}{1000} = 3.5\,\%$ : très proche de la question 10.

12. $3.5\,\mathrm{g}$ dans $100\,\mathrm{mL}$ , donc $3.5 \times 10 = 35\,\mathrm{g}$ de sel par litre. Par sa salinité et par son ébullition, C est l’eau de mer ; A est l’eau distillée et B l’éthanol.

Termes définis dans ce chapitre

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