FICHE DE RÉVISION – Composition et identification de la matière
(Niveau : Seconde)
Matière : Composition et Identification
Quantifier la composition des mélanges et utiliser les propriétés physiques pour identifier les espèces chimiques.
Partie 1 : Masse Volumique et Comparaisons
La masse volumique est une propriété caractéristique très utile.
La masse volumique (\(\rho\)) d’une substance est sa masse (\(m\)) divisée par son volume (\(V\)): $$ \rho = \frac{m}{V} $$ Unités courantes : g/L, g/mL (ou g/cm³), kg/m³.
Valeur de référence pour l’eau liquide : $$ \rho_{\text{eau}} \approx 1000 \text{ g/L} = 1 \text{ g/mL} = 1 \text{ kg/L} = 1000 \text{ kg/m³} $$
Comparaison :
- Corps moins denses que l’eau (\(\rho < \rho_{\text{eau}}\)) : flottent sur l'eau (ex : huile ≈ 0,92 g/mL, bois, air).
- Corps plus denses que l’eau (\(\rho > \rho_{\text{eau}}\)) : coulent dans l’eau (ex : fer ≈ 7,87 g/mL, verre ≈ 2,5 g/mL, dioxyde de carbone gazeux ≈ 1,8 g/L).
Un objet de 20 g occupe un volume de 25 mL. Sa masse volumique est \(\rho = 20 / 25 = 0,8\) g/mL. Comme \(\rho < \rho_{\text{eau}}\), cet objet flottera sur l'eau (s'il n'est pas soluble).
Partie 2 : Distinguer Corps Pur et Mélange Expérimentalement
Comment savoir si un échantillon est un corps pur ou un mélange grâce à des expériences simples ?
Critères expérimentaux :
- Changement d’état à température constante : Un corps pur change d’état (fusion, ébullition) à une température fixe (palier de température). Un mélange change d’état sur une plage de température (la température varie pendant le changement d’état).
- Analyse chromatographique (CCM) : La chromatographie sur couche mince permet de séparer les constituants d’un mélange. Un corps pur ne donnera qu’une seule tache après élution. Un mélange donnera plusieurs taches (si les constituants sont séparables par cette technique).
- Mesures physiques : Si on mesure une propriété (masse volumique, température de changement d’état) et qu’elle ne correspond pas à la valeur attendue pour l’espèce chimique supposée pure, il s’agit probablement d’un mélange.
On fait chauffer un liquide. La température monte jusqu’à 85°C, puis continue de monter lentement jusqu’à 92°C pendant l’ébullition. Ce n’est pas un corps pur, c’est un mélange.
On dépose une goutte d’un colorant alimentaire vert sur une plaque CCM et on la fait éluer. On observe une tache jaune et une tache bleue. Le colorant vert était un mélange.
Partie 3 : Composition d’un Mélange
Comment décrire quantitativement ce qu’il y a dans un mélange ?
1. Composition Massique
La composition massique d’un mélange décrit la proportion en masse de chaque constituant (espèce chimique).
Le pourcentage massique (ou titre massique \(t_m\)) d’un constituant A dans un mélange est : $$ \%_{\text{massique}}(A) = t_m(A) = \frac{\text{Masse de A}}{\text{Masse totale du mélange}} \times 100 $$
La somme des pourcentages massiques de tous les constituants est égale à 100%.
On mélange 20 g de sel et 80 g d’eau. La masse totale est 100 g.
Pourcentage massique de sel = \(\frac{20}{100} \times 100 = 20\%\).
Pourcentage massique d’eau = \(\frac{80}{100} \times 100 = 80\%\).
Une boisson sucrée de 200 g contient 24 g de sucre.
Pourcentage massique de sucre = \(\frac{24}{200} \times 100 = 0,12 \times 100 = 12\%\).
2. Composition Volumique (Exemple : l’Air)
La composition volumique décrit la proportion en volume de chaque constituant (utilisé surtout pour les mélanges de gaz).
Composition approchée de l’air sec :
- Environ 80% de diazote (N₂) en volume.
- Environ 20% de dioxygène (O₂) en volume.
- (Moins de 1% d’autres gaz : argon, CO₂, etc.)
Masse volumique de l’air : À 0°C et pression atmosphérique normale, \(\rho_{\text{air}} \approx 1,3 \text{ g/L}\) (ordre de grandeur à connaître). L’air est environ 1000 fois moins dense que l’eau.
Partie 4 : Entraînement (Exercices)
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Exercice 1 (Masse Volumique) : Un bijou en métal a une masse de 54 g et un volume de 5,0 cm³.
a) Calculer sa masse volumique en g/cm³.
b) On donne : \(\rho(\text{Or})=19,3\) g/cm³, \(\rho(\text{Plomb})=11,3\) g/cm³, \(\rho(\text{Cuivre})=9,0\) g/cm³. Peut-on identifier le métal principal ? Est-ce de l’or pur ? - Exercice 2 (Composition Massique) : Le « laiton » est un alliage (mélange solide homogène) de cuivre (Cu) et de zinc (Zn). Un échantillon de laiton de 150 g contient 105 g de cuivre. Calculer le pourcentage massique de cuivre et de zinc dans cet alliage.
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Exercice 3 (Distinction Pur/Mélange) : On réalise la chromatographie d’une solution S et d’espèces pures A, B, C. Le chromatogramme obtenu est le suivant :
La solution S est-elle un corps pur ou un mélange ? De quelles espèces pures est-elle constituée ? Justifier.
Partie 5 : Corrections Détaillées
Correction Exercice 1 (Masse Volumique)
a) Calcul de \(\rho\) :
\(m = 54\) g, \(V = 5,0\) cm³.
\(\rho = \frac{m}{V} = \frac{54}{5,0} = 10,8\) g/cm³.
b) Identification :
La masse volumique mesurée (10,8 g/cm³) ne correspond à aucune des valeurs données pour l’or, le plomb ou le cuivre purs.
Elle est proche de celle du plomb, mais pas identique.
Ce n’est certainement pas de l’or pur (\(\rho = 19,3\) g/cm³).
Il s’agit probablement d’un alliage (mélange) ou d’un autre métal. On ne peut pas identifier le métal principal avec certitude juste avec cette mesure.
Correction Exercice 2 (Composition Massique)
Masse totale = 150 g. Masse de Cuivre = 105 g.
Pourcentage massique de Cuivre :
\(\%_{\text{Cu}} = \frac{\text{Masse Cu}}{\text{Masse totale}} \times 100 = \frac{105}{150} \times 100\)
\(\%_{\text{Cu}} = 0,7 \times 100 = 70\%\).
Pourcentage massique de Zinc :
Comme le laiton est un mélange de Cu et Zn, la somme des pourcentages fait 100%.
\(\%_{\text{Zn}} = 100\% – \%_{\text{Cu}} = 100\% – 70\% = 30\%\).
(Vérification : Masse de Zinc = Masse totale – Masse Cu = 150 – 105 = 45 g. \(\%_{\text{Zn}} = \frac{45}{150} \times 100 = 0,3 \times 100 = 30\%\). OK).
Correction Exercice 3 (Distinction Pur/Mélange)
Analyse du chromatogramme :
- Les dépôts pour les espèces A, B, C (purs) ne donnent qu’une seule tache chacun après élution.
- Le dépôt pour la solution S donne deux taches distinctes après élution.
Conclusion :
- Comme S donne plusieurs taches, S est un mélange.
- L’une des taches de S migre à la même hauteur que la tache de l’espèce pure A.
- L’autre tache de S migre à la même hauteur que la tache de l’espèce pure C.
- La tache de l’espèce B n’apparaît pas dans S.
La solution S est donc un mélange constitué des espèces A et C.
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