Espèces chimiques, identification par tests chimiques ou mesures physiques
Espèces chimiques : identification par tests chimiques et mesures physiques
Chaque espèce chimique a sa « carte d'identité » (température de fusion, température d'ébullition, masse volumique, comportement en chromatographie, réaction à certains tests) : on la reconnaît en comparant ces caractéristiques à des valeurs de référence.
Objectifs
- Distinguer espèce chimique, corps pur et mélange.
- Identifier une espèce par une mesure physique : température de changement d'état, masse volumique, densité.
- Réaliser et interpréter une chromatographie sur couche mince (CCM), calculer un rapport frontal.
- Connaître les tests chimiques usuels : eau, dioxyde de carbone, dihydrogène, dioxygène.
1. Espèce chimique, corps pur, mélange
- Une espèce chimique est un ensemble d'entités identiques (molécules, atomes ou ions) : l'eau \(\ce{H2O}\), le glucose \(\ce{C6H12O6}\), le chlorure de sodium \(\ce{NaCl}\)…
- Un corps pur ne contient qu'une seule espèce chimique (eau distillée).
- Un mélange en contient plusieurs (eau de mer, air, jus de bissap). Il est homogène si on ne distingue pas ses constituants à l'œil, hétérogène sinon.
L'eau du robinet est…
2. Identifier par des mesures physiques
Températures de changement d'état
- La température de fusion \(T_f\) (passage solide → liquide) et la température d'ébullition \(T_{eb}\) (liquide → gaz) sont caractéristiques d'une espèce pure, à pression donnée.
- Pour l'eau pure, sous la pression atmosphérique normale : \(T_f = 0\ ^\circ\text{C}\) et \(T_{eb} = 100\ ^\circ\text{C}\).
- Pour un solide, on mesure \(T_f\) avec un banc Kofler : une plaque chauffante dont la température varie d'un bout à l'autre ; on repère l'endroit où le solide se met à fondre.
Masse volumique et densité
\[\rho = \frac{m}{V} \qquad \text{et} \qquad d = \frac{\rho}{\rho_{eau}} \quad \text{avec } \rho_{eau} = 1{,}00 \text{ g} \cdot \text{mL}^{-1}\]La densité \(d\) n'a pas d'unité. Un liquide de densité inférieure à 1 qui ne se mélange pas à l'eau flotte au-dessus.
Exemple résolu. Kofi mesure un liquide incolore inconnu : \(V = 50{,}0\) mL et \(m = 39{,}5\) g. Données de référence : eau \(1{,}00\), éthanol \(0{,}79\), acétone \(0{,}78\ \text{g} \cdot \text{mL}^{-1}\) ; températures d'ébullition : eau 100 °C, éthanol 78 °C, acétone 56 °C. Cherche d'abord.
Une huile a une masse volumique de 0,92 g/mL. Quelle est sa densité, et que se passe-t-il si on la verse dans l'eau ?
3. La chromatographie sur couche mince (CCM)
On dépose une goutte de chaque échantillon sur la ligne de dépôt, au crayon, au-dessus du niveau de l'éluant : A et B sont des espèces de référence, M est le mélange à analyser.
La plaque est placée dans une cuve avec l'éluant : il monte par capillarité. On la sort avant qu'il atteigne le haut et on trace le front du solvant.
Après révélation (lampe UV ou diiode), M donne deux taches, aux mêmes hauteurs que A et B : le mélange M contient les espèces A et B.
On peut chiffrer la hauteur d'une tache avec le rapport frontal :
\[R_f = \frac{h}{H} = \frac{\text{distance parcourue par l'espèce}}{\text{distance parcourue par le solvant}}\]Les deux distances se mesurent depuis la ligne de dépôt ; \(R_f\) est compris entre 0 et 1 et n'a pas d'unité.
À toi. Sur une plaque, le front du solvant est à \(H = 8{,}0\) cm de la ligne de dépôt et une tache à \(h = 3{,}2\) cm. Calcule \(R_f\). Cherche d'abord.
Voir la solution
\[R_f = \frac{3{,}2}{8{,}0} = 0{,}40\]Si une espèce de référence, dans le même éluant, a aussi \(R_f = 0{,}40\), la tache correspond probablement à cette espèce.
Sur le chromatogramme ci-dessus, que peut-on dire de l'espèce A ?
4. Les tests chimiques usuels
| Espèce recherchée | Test | Résultat positif |
|---|---|---|
| Eau \(\ce{H2O}\) | Sulfate de cuivre anhydre (poudre blanche) | La poudre devient bleue |
| Dioxyde de carbone \(\ce{CO2}\) | Faire barboter le gaz dans l'eau de chaux | L'eau de chaux se trouble (devient blanchâtre) |
| Dihydrogène \(\ce{H2}\) | Approcher une flamme du tube | Petite détonation (« jappement ») |
| Dioxygène \(\ce{O2}\) | Introduire une bûchette incandescente | La bûchette se rallume |
Exemple résolu. Fatou souffle avec une paille dans un tube d'eau de chaux : l'eau se trouble. Puis elle verse quelques gouttes de jus d'orange sur du sulfate de cuivre anhydre : la poudre bleuit. Que peut-elle conclure ? Cherche d'abord.
Voir la solution
L'eau de chaux troublée montre que l'air expiré contient du dioxyde de carbone \(\ce{CO2}\). La poudre bleue montre que le jus d'orange contient de l'eau. Ces tests ne disent rien sur les autres espèces présentes.
flowchart LR A[Échantillon inconnu] --> B[Test chimique] A --> C[Mesure physique] B --> D[Espèce détectée] C --> E[Comparaison aux valeurs de référence] D --> F[Identification] E --> F
Un gaz recueilli dans un tube rallume une bûchette incandescente. De quel gaz s'agit-il ?
Récapitulatif
- Espèce chimique : entités toutes identiques ; corps pur = une seule espèce ; mélange = plusieurs.
- Mesures physiques : \(T_f\), \(T_{eb}\), \(\rho = \dfrac{m}{V}\), densité \(d = \dfrac{\rho}{\rho_{eau}}\) ; un corps pur change d'état avec un palier de température.
- CCM : même hauteur = même espèce ; \(R_f = \dfrac{h}{H}\).
- Tests : sulfate de cuivre anhydre (eau, bleu), eau de chaux (\(\ce{CO2}\), trouble), flamme (\(\ce{H2}\), détonation), bûchette (\(\ce{O2}\), se rallume).
Teste tes connaissances sur ce cours
Crée ton compte gratuitement pour accéder aux quiz associés et suivre ta progression.