Corps purs et mélanges

Espèce chimique, corps pur et mélange

Avant de mesurer quoi que ce soit, il faut fixer le vocabulaire. Le mot le plus fondamental de toute la chimie de cette année est espèce chimique. C'est lui qui désigne « une sorte de matière » bien définie.

Une espèce chimique n'est pas un objet : c'est une sorte de matière. L'eau de la bouteille de Yasmine, l'eau d'un nuage et l'eau d'un glaçon sont la même espèce chimique, l'eau, même si l'objet « bouteille » est différent de l'objet « glaçon ».

Exemple 1. Le sucre de table (saccharose) sorti d'un sachet neuf est un corps pur : une seule espèce chimique. De l'eau distillée est un corps pur. Le diamant, fait uniquement d'atomes de carbone, est un corps pur.

Exemple 2. L'eau minérale d'Oulmès est un mélange : de l'eau, plus des sels minéraux dissous (calcium, magnésium, bicarbonates…). L'air que tu respires est un mélange de diazote, de dioxygène, d'argon et d'autres gaz. Le thé à la menthe que prépare Amine est un mélange.

Le piège du mot « pur » du quotidien

Dans la vie courante, « pur » veut dire « naturel », « sans additif », « de bonne qualité ». En chimie, « pur » a un sens beaucoup plus strict : une seule espèce chimique, point. Une eau minérale « pure et naturelle » au sens de la publicité est, au sens du chimiste, un mélange, puisqu'elle contient de l'eau et des sels dissous. L'huile d'argan « pure » du souk est en réalité un mélange de plusieurs molécules (acides gras, vitamine E…). Ne confonds jamais le « pur » commercial et le corps pur du chimiste.

Mélanges homogènes et mélanges hétérogènes

Tous les mélanges ne se ressemblent pas. Dans certains, on distingue à l'œil plusieurs constituants ; dans d'autres, tout semble se fondre en une seule phase uniforme. C'est cette distinction qui sépare les mélanges hétérogènes des mélanges homogènes.

Le mot clé est phase : une portion de matière d'aspect uniforme. Un mélange homogène a une seule phase ; un mélange hétérogène en a plusieurs.

Exemple 1. L'eau salée bien remuée est un mélange homogène : une fois le sel dissous, on ne voit plus qu'un liquide limpide et uniforme. L'air est un mélange homogène de gaz.

Exemple 2. Un jus d'orange avec pulpe est hétérogène : on voit les morceaux de pulpe en suspension. L'eau et l'huile d'argan dans le même verre forment un mélange hétérogène : deux phases liquides superposées, l'huile au-dessus.

Le rôle de l'échelle d'observation

L'homogénéité dépend de l'échelle à laquelle on regarde. Le lait paraît homogène à l'œil nu, mais au microscope on voit de minuscules gouttelettes de matière grasse en suspension : c'est en réalité hétérogène. En seconde, on tranche à l'œil, éventuellement aidé d'une loupe : c'est la convention. Si rien ne se distingue à cette échelle, on dit homogène.

La composition d'un mélange : proportions et concentration en masse

Dire « c'est un mélange d'eau et de sel » ne suffit pas à un chimiste. Il veut savoir combien : la composition du mélange. Pour un soluté dissous dans un liquide, la grandeur reine est la concentration en masse.

La concentration en masse répond à la question : « quelle masse de soluté y a-t-il dans un litre de solution ? » Plus elle est grande, plus le mélange est concentré.

Exemple 1. Amine dissout $30\text{ g}$ de sel dans de l'eau pour obtenir $\mathrm{1,5}\text{ L}$ de solution. La concentration en masse du sel est $t={\displaystyle \frac{m}{V}}={\displaystyle \frac{30}{\mathrm{1,5}}}=20\text{ g/L}\mathrm{.}$ Chaque litre de cette eau salée contient $20\text{ g}$ de sel.

Exemple 2. Une bouteille d'eau minérale indique « calcium : $80\text{ mg/L}$ ». Cela signifie que dans chaque litre, il y a $80\text{ mg}$ d'ions calcium dissous. La concentration en masse est ici donnée directement par l'étiquette.

Retrouver la masse ou le volume

La relation $t={\displaystyle \frac{m}{V}}$ se manipule dans les deux sens. Si tu connais deux des trois grandeurs, tu trouves la troisième : $m=t\times V\text{et}V={\displaystyle \frac{m}{t}}\mathrm{.}$

Exemple 3. Yasmine veut préparer $\mathrm{0,25}\text{ L}$ de sirop à la concentration $t=200\text{ g/L}$. La masse de sucre à dissoudre est $m=t\times V=200\times \mathrm{0,25}=50\text{ g}\mathrm{.}$

Le piège des unités

La formule $t={\displaystyle \frac{m}{V}}$ ne donne directement des g/L que si $m$ est en grammes et $V$ en litres. Si une masse est en milligrammes ou un volume en millilitres, convertis d'abord. Rappel utile : $1\text{ L}=1000\text{ mL}$ et $1\text{ g}=1000\text{ mg}$.

Identifier une espèce : grandeurs caractéristiques

Comment Yasmine peut-elle vérifier que l'huile du vendeur est bien de l'huile d'argan, et non une huile bon marché diluée ? Elle ne peut pas « voir » les molécules. Mais chaque espèce chimique possède des grandeurs physiques caractéristiques : des valeurs qui lui sont propres, reproductibles, et qu'on peut comparer à des tables de référence.

Le point crucial : une grandeur caractéristique ne dépend pas de la quantité. Que tu prennes une goutte ou un litre d'eau pure, sa température d'ébullition reste $100\mathrm{°}\text{C}$ (sous pression atmosphérique normale) et sa masse volumique reste la même.

Température de changement d'état

Sous une pression donnée, un corps pur change d'état à une température fixe : l'eau pure bout à $100\mathrm{°}\text{C}$, fond à $0\mathrm{°}\text{C}$. Le fer pur fond à $1535\mathrm{°}\text{C}$. Cette température, comparée à une table, aide à identifier l'espèce.

Exemple 1. Un liquide incolore bout à $78\mathrm{°}\text{C}$ sous pression atmosphérique. La table indique que l'éthanol bout à $78\mathrm{°}\text{C}$ : c'est un fort indice qu'il s'agit d'éthanol.

Masse volumique

Attention à ne pas confondre $\rho$ (masse volumique d'un corps) avec $t$ (concentration en masse d'un soluté) : les deux s'écrivent « masse divisée par volume », mais la masse volumique concerne la substance elle-même, tandis que la concentration concerne un soluté dissous dans une solution.

Exemple 2. Karim pèse $50\text{ mL}$ d'huile d'argan et trouve $\mathrm{45,5}\text{ g}$. La masse volumique est $\rho ={\displaystyle \frac{m}{V}}={\displaystyle \frac{\mathrm{45,5}}{50}}=\mathrm{0,91}\text{ g/mL}\mathrm{.}$ La table donne $\rho \approx \mathrm{0,91}\text{ g/mL}$ pour l'huile d'argan : cohérent.

Densité

La densité est une façon de comparer la masse volumique d'un corps à celle d'une référence — l'eau pour les liquides et les solides.

Comme ${\rho }_{\text{eau}}=\mathrm{1,0}\text{ g/mL}$, la valeur numérique de la densité d'un liquide est égale à celle de sa masse volumique exprimée en g/mL — mais la densité, elle, n'a pas d'unité. C'est une subtilité qu'on attend de toi.

Exemple 3. L'huile d'argan de Karim, de masse volumique $\mathrm{0,91}\text{ g/mL}$, a pour densité $d={\displaystyle \frac{\mathrm{0,91}}{\mathrm{1,0}}}=\mathrm{0,91.}$ Comme $d<1$, l'huile est moins dense que l'eau : elle flotte. C'est pourquoi, dans le verre eau + huile de la leçon 2, l'huile se plaçait au-dessus.

Corps pur ou mélange : comment trancher par la mesure ?

On arrive à la question du vendeur du souk. Les grandeurs caractéristiques offrent un critère de pureté rigoureux, qui ne dépend ni de l'apparence ni de la confiance.

C'est le test le plus sûr. Si tu chauffes un liquide et qu'il bout à température rigoureusement constante, c'est un corps pur ; si la température grimpe pendant l'ébullition, c'est un mélange.

Exemple 1. Salma chauffe de l'eau distillée : la température monte jusqu'à $100\mathrm{°}\text{C}$, puis reste bloquée à $100\mathrm{°}\text{C}$ pendant toute l'ébullition. Palier net : c'est un corps pur. Cohérent, l'eau distillée en est un.

Exemple 2. Salma chauffe ensuite de l'eau de mer : la température dépasse $100\mathrm{°}\text{C}$ et continue de grimper pendant que l'eau bout. Pas de palier franc : c'est un mélange. Le sel dissous le trahit.

Croiser plusieurs critères

Un seul critère peut tromper : deux espèces différentes peuvent partager une même masse volumique par coïncidence. Le chimiste croise donc les indices : température de changement d'état et masse volumique et densité. Quand toutes les valeurs mesurées coïncident avec celles d'une espèce de référence, l'identification devient solide. C'est exactement la démarche que tu approfondiras au chapitre 2.

Pièges classiques

1. Confondre « pur » du quotidien et corps pur. Une eau minérale « pure » de la publicité est un mélange (eau + sels). Le corps pur du chimiste n'admet qu'une seule espèce chimique.

2. Oublier de convertir les unités dans $t={\displaystyle \frac{m}{V}}$. La formule ne donne des g/L que si la masse est en g et le volume en L. Une masse en mg ou un volume en mL fausse tout si on ne convertit pas.

3. Confondre masse volumique $\rho$ et concentration en masse $t$. Les deux s'écrivent « masse / volume », mais $\rho$ caractérise une substance, alors que $t$ mesure la quantité d'un soluté dissous dans une solution. Une eau salée a une concentration en sel et une masse volumique : ce ne sont pas la même chose.

4. Donner une unité à la densité. La densité est un rapport de deux masses volumiques : elle est sans unité. Écrire « $d=\mathrm{0,91}\text{ g/mL}$ » est une faute. On écrit « $d=\mathrm{0,91}$ ».

5. Croire qu'une grandeur caractéristique dépend de la quantité. La température d'ébullition, la masse volumique et la densité d'un corps pur ne changent pas selon qu'on en prend une goutte ou un litre. Ce sont des propriétés de l'espèce, pas de l'échantillon.

6. Juger l'homogénéité à la mauvaise échelle. En seconde, on tranche homogène / hétérogène à l'œil ou à la loupe. Invoquer le microscope (qui rendrait presque tout hétérogène) sort de la convention attendue.

Application concrète

Yasmine veut vérifier l'huile d'argan achetée au souk de Marrakech. Le vendeur affirme : « pure à 100 %, garantie ». Elle rentre au lycée et utilise le matériel du laboratoire pour mener l'enquête en chimiste.

Étape 1 — Observer. Dans un bécher, l'huile forme un liquide jaune doré, limpide, d'aspect uniforme : une seule phase. À ce stade, rien ne distingue un corps pur d'un mélange homogène — l'œil ne suffit pas. Yasmine note qu'il faudra mesurer.

Étape 2 — Mesurer la masse volumique. Elle prélève $\mathrm{20,0}\text{ mL}$ d'huile à l'éprouvette graduée et les pèse : la balance affiche $\mathrm{18,2}\text{ g}$. Elle calcule $\rho ={\displaystyle \frac{m}{V}}={\displaystyle \frac{\mathrm{18,2}}{\mathrm{20,0}}}=\mathrm{0,91}\text{ g/mL}\mathrm{.}$ La table de référence donne $\rho \approx \mathrm{0,91}\text{ g/mL}$ pour l'huile d'argan. Premier indice favorable.

Étape 3 — Calculer la densité. Elle en déduit $d={\displaystyle \frac{\rho }{{\rho }_{\text{eau}}}}={\displaystyle \frac{\mathrm{0,91}}{\mathrm{1,0}}}=\mathrm{0,91.}$ Sans unité, $d<1$ : l'huile flottera sur l'eau. Yasmine le vérifie en versant un peu d'huile sur de l'eau : elle reste bien en surface. Cohérent.

Étape 4 — Tester par le changement d'état (critère de pureté). Là, Yasmine sait que les huiles ne bouillent pas proprement, mais elle se rappelle la règle générale : un corps pur change d'état à température constante. Elle raisonne donc sur ce que dit la science : une huile d'argan authentique est en réalité un mélange de plusieurs molécules (acides gras, tocophérols). Donc, au sens strict du chimiste, même « 100 % naturelle », ce n'est pas un corps pur.

Conclusion. Les mesures (masse volumique et densité conformes aux tables) confirment qu'il s'agit bien d'huile d'argan, non frelatée par une huile bon marché — ce qui aurait décalé la masse volumique. Mais sur le mot « pure », Yasmine corrige le vendeur : au sens chimique, l'huile d'argan est un mélange d'espèces, pas un corps pur. La publicité dit « pure » ; la chimie dit « mélange authentique et conforme ». Cette rigueur de vocabulaire et cette démarche par grandeurs caractéristiques sont exactement celles que tu déploieras au chapitre 2 pour identifier formellement une espèce, puis jusqu'en classes prépa avec les diagrammes d'état des corps purs.

À retenir