Cours : Corps purs et mélanges

Corps purs

Définition

Corps pur :

Un corps pur est une substance constituée d’atomes ou de molécules d’une même espèce chimique.

Rappel

Une espèce chimique est un ensemble d’atomes, de molécules ou d’ions identiques.

On distingue différents types de corps purs suivant la nature de l’espèce chimique qui les constitue.

Corps pur élémentaire

Définition

Corps pur élémentaire :

Un corps pur élémentaire est un corps pur dont les atomes, tous identiques, ne sont pas liés en molécule.

Exemple

Comme tous les éléments de la famille des gaz rares, que l’on retrouve dans le tableau périodique des éléments, le néon (noté $\text{Ne}$) n’effectue pas de liaisons chimiques et reste ainsi isolé en atome. Le néon est donc un corps pur élémentaire.

Corps pur simple

Définition

Corps pur simple :

Un corps pur simple est un corps qui ne fait apparaître qu’un seul élément chimique.

Exemple

• Le dioxygène (un gaz noté $\text{O}_{2}$)
• L’ozone (un gaz noté $\text{O}_{3)}$)
• Le dihydrogène (un gaz noté $\text{H}_{2}$)

Corps pur composé

Définition

Corps pur composé :

Un corps pur composé est constitué de molécules, c’est-à-dire des atomes appartenant à des éléments chimiques différents.

Exemple

Au quotidien, on utilise du chlorure de sodium $\text{NaCl}_{(\text{s})}$ (sel de cuisine) ou encore du glucose $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_{6(\text{s})}$ (sucre).

Le chlorure de sodium

À retenir

Un corps pur est un corps qui ne peut être décomposé : en effet, un corps élémentaire n’est pas décomposable, puisque les atomes qui le constituent sont indivisibles.

Identifier une espèce chimique

Les corps purs présentent des constantes physiques différentes :

• leur miscibilité entre eux ;
• leur température de changement d’état, c’est-à-dire la température à laquelle on observe le passage d’un état à un autre ;
• leur masse volumique, qui change selon l’état physique.

Lorsque l’on étudie une réaction chimique, il est parfois utile de connaître la ou les espèces chimiques formées. Des tests de reconnaissance peuvent être menés afin d’identifier et de caractériser des produits inconnus ou de vérifier la présence d’une espèce donnée (corps pur ou mélange).

Test chimique de présence de dihydrogène

Le dihydrogène a pour formule $\text{H}_2$ : c’est un corps pur simple. C’est un gaz incolore, inodore et non toxique. Il est moins dense que l’air : il était autrefois utilisé dans les ballons dirigeables mais il a été remplacé par l’hélium car il est inflammable.

• Protocole :

Le dihydrogène est un gaz formé lors de la réaction de l’acide chlorhydrique avec le fer. On met en contact les réactifs dans un tube.
Après avoir laissé le gaz se dégager assez longtemps, on approche une flamme.

• Résultats et interprétation :

On entend une faible détonation dont le son caractéristique (un « pop ») permet de valider notre hypothèse : ce gaz est bien du dihydrogène.

À retenir

Le dihydrogène est un corps pur dont la présence peut être vérifiée par le test de reconnaissance de la flamme.

Mélanges

Définition

Mélange :

Un mélange est une substance (liquide, solide ou gaz) constituée de plusieurs corps purs.

Mélange homogène

Définition

Mélange homogène :

Un mélange homogène est un mélange dont on ne peut pas distinguer à l’œil nu les différents constituants.

Les mélanges homogènes peuvent se présenter dans l’un des trois états de la matière : solide, liquide ou gazeux.

Exemple

• Le mélange d’un sirop avec de l’eau est un mélange homogène.

Mélange homogène de sirop avec de l’eau

• Mélange du chlorure de sodium (sel) $\text{NaCl}_{(\text{s})}$ avec l’eau.
• L’air est un mélange de différents gaz (en volume : $21\,\%$ de dioxygène, $78\,\%$ de diazote et $1\,\%$ d’autres gaz).
• Le bronze est un alliage (mélange solide contenant au moins un métal) de cuivre et d’étain.

Mélange hétérogène

Définition

Mélange hétérogène :

Un mélange hétérogène est un mélange dont on peut distinguer à l’œil nu les différents constituants.

Exemple

• Le mélange de l’eau avec l’huile est un mélange hétérogène.

Mélange hétérogène de l’huile et de l’eau

• Le mélange de l’eau avec le pétrole.
• Le mélange de l’eau avec de la craie (carbonate de calcium $\text{CaCO}_{3(\text{s})}$).

Caractéristiques physiques d’un corps pur

La miscibilité

Définition

Miscibilité :

Deux liquides sont miscibles si le mélange qu’ils forment ensemble est homogène ; si celui-ci est hétérogène, alors les liquides sont dits non miscibles.

Exemple

• L’eau et l’éthanol sont miscibles. Le mélange formé est homogène.
• L’eau et le cyclohexane ne sont pas miscibles : on distingue deux phases, l’une au fond et l’autre à la surface. Le mélange formé est donc hétérogène.

La masse volumique

Définition

Masse volumique :

La masse volumique $\rho$ d’une espèce chimique est le quotient de la masse $m$ d’un échantillon de cette espèce chimique par son volume $V$.

$\rho=\dfrac{m} {V}$

Avec :

• $\rho$ la masse volumique en kilogramme par mètre cube ($\text{kg}\cdot\text{m}^{-3}$) ;
• $m$ la masse d’un échantillon en kilogramme ($\text{kg}$) ;
• $V$ le volume en mètre cube $(\text{m}^3)$.

Exemple

Espèce chimique	Eau liquide	Éthanol liquide	Cyclohexane (liquide)	Air (gaz)
Masse volumique à $20\degree\text{C}$ en $\text{kg}\cdot\text{m}^{-3}$	$1000$	$790$	$779,1$	$1,2$
Masse volumique à $20\degree\text{C}$ en $\text{kg}\cdot\text{L}^{-1}$	$1$	$0,790$	$0,779$	$0,0012$

On utilise souvent d’autres unités pour exprimer la masse volumique. Prenons l’exemple de l’eau : $\rho_{eau} = 1\,\text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$ ; $\rho_{eau} = 1\,\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ ; $\rho_{eau} = 1\ 000\,\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$

• La masse volumique dépend de la température.

Astuce

On peut déterminer la masse $m$ d’un échantillon d’une espèce chimique à partir de la masse volumique de l’espèce chimique et du volume qu’occupe l’échantillon à partir de la relation :

$m=\rho\times{V}$

Les températures des changements d’état

Le diagramme ci-dessous présente les termes associés à tous les changements d’état observables pour un corps pur :

Bien qu’en théorie, un corps puisse exister sous forme liquide, solide ou gazeuse, il est rare qu’on le trouve effectivement sous ces trois formes sur Terre : en effet, certains corps n’atteignent un ou plusieurs de leurs états qu’à des conditions extrêmes et rares.

Les températures de changement d’état dépendent de la pression et sont caractéristiques des corps purs. Elles permettent donc de les distinguer. Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs de température de changement d'état sous la pression atmosphérique normale ($P_{atm}=1\ 013\ \text{hPa}$).

L’eau initialement sous forme liquide devient gazeuse en dépassant $100\degree\text{C}$, tandis que l’eau initialement sous forme gazeuse devient liquide lorsqu’elle redescend en dessous de $100\degree\text{C}$. Ainsi, la température de vaporisation et la température de condensation de l’eau sont égales.

À retenir

Les températures de changement d’état dépendent de la pression.