Espèces chimiques

Document 1,1

Espèces chimiques, corps purs et mélange

Une espèce chimique est caractérisée par son aspect (état physique, couleur), par son nom, sa formule chimique et par des grandeurs physiques (solubilité, masse volumique, densité, température de fusion, température d’ébullition, etc.).

  1. Le dioxygène, gaz de formule chimique $\ce{O2}$, l’acide salicylique, solide de formule chimique $\ce{C7H6O3}$, l’eau, liquide de formule chimique $\ce{H2O}$, pris séparément sont des corps purs.
    Expliquer ce qu’est un corps pur.
Réponse

Un corps pur n’est constitué que d’une seule espèce chimique.

  1. Un comprimé d’aspirine effervescente, l’air essentiellement composé de dioxygène $\ce{O2}$ (20 %) et de diazote $\ce{N2}$ (80 %) sont des mélanges.
    Expliquer ce qu’est un mélange.
Réponse

Un mélange est constitué de plusieurs espèces chimiques.

  1. Qu’est-ce qu’une espèce chimique naturelle ?
Réponse

Une espèce chimique naturelle peut se trouver dans la nature.

  1. Qu’est-ce qu’une espèce chimique synthétique ?
Réponse

Une espèce chimique synthétique est fabriquée par l’homme.

Une espèce chimique synthétique peut exister dans la nature. Elle est alors identique à celle que l’on peut trouver dans la nature.

Exercice

Classer les exemples suivants en deux catégories : corps purs ou mélanges. L’eau minérale, le jus d’orange, la vitamine C, le fer, l’acier.

Réponse
Corps purs
La vitamine C, le fer
Mélanges
L’eau minérale, le jus d’orange, l’acier (essentiellement constitué de carbone et de fer).

Caractéristiques physiques d’une espèce chimique

Solubilité d’une espèce chimique dans un solvant

Lorsqu’on introduit une petite masse de glucose (sucre) dans un litre d’eau, il se dissout. Le mélange est alors homogène. À 20 °C, lorsqu’on introduit dans un litre d’eau, plus de $\pu{900 g}$ de glucose, une partie de ce dernier ne se dissout plus et reste visible à l’état solide. Le mélange est alors hétérogène. On dit que la solubilité du glucose dans l’eau est de $\pu{900 g/L}$.

  1. Qu’est-ce qu’un mélange homogène ?
Réponse

Un mélange homogène n’est constitué que d’une seule phase. Dans un mélange homogène il est impossible de distinguer les différents constituants après agitation.

  1. Qu’est-ce qu’un mélange hétérogène ?
Réponse

Un mélange hétérogène est constitué de plusieurs phases. Dans un mélange hétérogène on peut distinguer différents constituants après agitation.

  1. Qu’appelle-t-on solubilité d’une espèce chimique dans un solvant ?
Réponse

La solubilité d’une espèce chimique (on l’appelle le soluté) dans un solvant est la capacité de cette espèce chimique à former un mélange homogène une fois dissoute dans le solvant.
La solubilité d’un soluté est donc la masse maximale de ce soluté que l’on peut dissoudre dans le solvant sans qu’il ne se forme de mélange hétérogène.

  1. De quoi dépend la solubilité d’une espèce chimique dans un solvant ?
Réponse

La solubilité d’une espèce chimique dans un solvant dépend de la température. Généralement cette solubilité augmente avec la température. C’est la raison pour laquelle on fait infuser les feuilles de thé dans de l’eau très chaude, puis on attend que l’eau ait refroidi suffisamment.

Exercice

La solubilité du chlorure de sodium (sel de cuisine) est de $\pu{359 g/L}$ dans l’eau à 20 °C, de $\pu{391 g/L}$ dans l’eau à 100 °C, de $\pu{0,513 g/L}$ dans l’éthanol à 25 °C.

  1. Quelle masse maximale de chlorure de sodium peut-on introduire dans un litre d’eau à 100 °C si l’on veut obtenir une solution homogène ? Dans deux litres d’eau à la même température ?
  2. Comment semble évoluer la solubilité avec la température ?
  3. Dans quel solvant le chlorure de sodium est-il le plus soluble ?
Réponses
  1. Dans un litre d’eau à 100 °C on peut dissoudre $\pu{391 g}$ de chlorure de sodium et obtenir une solution homogène. Au delà de cette valeur, le mélange obtenu est hétérogène, il reste du chlorure de sodium solide.
    Dans deux litres d’eau on peut dissoudre le double de cette valeur et toujours obtenir une solution homogène. La relation mathématique utilisée est la proportionnalité.
  2. La solubilité augmente manifestement avec la température.
  3. Le chlorure de sodium est plus soluble dans l’eau que dans l’éthanol.

Masse volumique

La masse d’un litre d’eau est égale à $\pu{1 kg}$. On dit que la masse volumique de l’eau vaut $\pu{1,0 kg/L}$.

  1. Qu’est-ce que la masse volumique $\rho$ d’une espèce chimique ?
Réponse

La masse volumique d’une espèce chimique est la masse de l’unité de volume de cette espèce chimique, c’est à dire d’un litre.

  1. Pourquoi la notion de masse volumique est-elle utile ?
Réponse

La masse des liquides et des gaz dépend du volume de ces liquides ou gaz considérés. Ce n’est pas une grandeur intrinsèque. C’est donc beaucoup plus pratique de donner la masse volumique, il suffit de multiplier par le volume pour déterminer la masse.

Il ne faut pas croire que la masse volumique se limite aux liquides et au gaz. On parle aussi, en particulier en géologie, de la masse volumique d’objets solides.

Équivalences à connaître

$$ \begin{aligned} \pu{1e3 L} &= \pu{1 m3} \cr \pu{1 L} &= \pu{1 dm3} \cr \pu{1 mL} &= \pu{1 cm3} \end{aligned} $$

  1. Quelle formule mathématique permet de calculer la masse volumique $\rho$ en fonction des masse $m$ et du volume $V$ de l’espèce chimique ?
Réponse

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

Exercice

  1. La masse volumique de l’éthanol est $\rho = \pu{0,79 kg/L}$. Exprimer cette masse volumique en $\pu{g/L}$, en $\pu{g/mL}$ puis en $\pu{g/cm3}$.
  2. Déterminer la masse $m$ d’un volume $V = \pu{2,0 m3}$ d’éthanol, sachant que sa masse volumique est $\rho(\text{éthanol}) = \pu{0,79 kg/L}$.
Réponses

  1. $\rho = \pu{0,79 kg/L} = \dfrac{\pu{0,79 kg}}{\pu{1 L}} \times \dfrac{\pu{1e3 g}}{\pu{1 kg}} = \pu{7,9e2 g/L}$.
    $\rho = \dfrac{\pu{7,9e2 g}}{\pu{1 L}} \times \dfrac{1}{\dfrac{\pu{1e3 mL}}{\pu{1 L}}} = \pu{0,79 g/mL}$.
    $\rho = \pu{0,79 g/mL} = \pu{0,79 g/cm3}$ puisque $\pu{1 mL} = \pu{1 cm3}$.

  2. $\rho(\text{éthanol}) = \dfrac{m(\text{éthanol})}{V(\text{éthanol})}$ donc $m(\text{éthanol}) = \rho(\text{éthanol}) \times V(\text{éthanol})$.
    A.N. $m(\text{éthanol}) = \pu{0,79 kg/L} \times \pu{2,0e3 L} = \pu{1,6e3 kg}$

Densité

La masse volumique de l’éthanol vaut $\rho(\text{éthanol}) = \pu{0,79 kg/L}$. Celle de l’eau vaut $\rho(\text{eau}) = \pu{1,00 kg/L}$. La masse volumique de l’éthanol est donc 0,79 fois plus grande que celle de l’eau. On dit que sa densité vaut $d = 0,79$.

  1. Qu’est-ce que la densité d’une espèce chimique (liquide ou solide) ?
Réponse

La densité d’une espèce chimique solide ou liquide est le résultat de la comparaison de la masse volumique de cette espèce chimique et de la masse volumique de l’eau, prises dans les mêmes conditions.

La densité est un nombre (pas d’unité) puisque c’est le résultat de la comparaison de deux grandeurs de même dimension.
Lorsque l’espèce chimique est un gaz, on compare sa masse volumique à la masse volumique de l’air pour le calcul de la densité.
  1. Quelle formule mathématique permet de calculer la densite $d(\text{espèce})$ en fonction des masses volumiques $\rho(\text{espèce})$ et $\rho(\text{eau})$ de l’espèce chimique et de l’eau ?
Réponse

$$ d(\text{espèce}) = \dfrac{\rho(\text{espèce})}{\rho(\text{eau})}$$.

  1. La masse volumique du toluène est $\rho = \pu{0,87 kg/L}$. Déterminer sa densité.
Réponse

$d = \dfrac{\pu{0,87 kg/L}}{\pu{1,00 kg/L}} = \pu{0,87}$.

  1. Le dichlorométhane a une densité $d = \pu{1,33}$. Déterminer sa masse volumique $\rho$.
Réponse

$d(\text{dichlorométhane}) = \dfrac{\rho(\text{dichlorométhane})}{\rho(\text{eau})}$ donc $\rho(\text{dichlorométhane}) = d(\text{dichlorométhane}) \times \rho(\text{eau})$.
A.N. $\rho(\text{dichlorométhane}) = \pu{1,33} \times \pu{1,00 kg/L} = \pu{1,33 kg/L}$

Exercice

L’eau et le cyclohexane sont deux liquides non miscibles. On introduit ces deux liquides dans un tube à essais.

Données :
$d(\text{eau}) = \pu{1,0}$ et $d(\text{cyclohexane}) = \pu{0,78}$.
  1. Combien de phases observe-t-on dans le tube à essais ?
  2. Comment sont disposés ces deux liquides, l’un par rapport à l’autre ?
  3. Si on ne précise pas les valeurs des densités, comment déterminer expérimentalement la position des deux liquides ?
  4. Déterminer la masse d’un volume $V = \pu{2,0 L}$ de cyclohexane.
Réponses
  1. Puisque les liquides ne sont pas miscibles, le mélange est hétérogène. On observe donc deux phases dans le tube à essais.
  2. $d(\text{cyclohexane}) < d(\text{eau})$. Le cyclohexane constitue donc la phase supérieure du mélange.
  3. Pour déterminer expérimentalement quelle phase est constituée d’eau (ou de cyclohexane) il suffit d’ajouter de l’eau au mélange. La phase dont le volume augmente est la phase aqueuse.
  4. $d(\text{cyclohexane}) = \dfrac{\rho(\text{cyclohexane})}{\rho(\text{eau})}$
    donc $\rho(\text{cyclohexane}) = d(\text{cyclohexane}) \times \rho(\text{eau})$.
    $\rho(\text{cyclohexane}) = \dfrac{m(\text{cyclohexane})}{V(\text{cyclohexane})}$
    donc $m(\text{cyclohexane}) = \rho(\text{cyclohexane}) \times V(\text{cyclohexane})$.
    Finalement $m(\text{cyclohexane}) = d(\text{cyclohexane}) \times \rho(\text{eau}) \times V(\text{cyclohexane})$.

A.N. $m(\text{cyclohexane}) = \pu{0,78} \times \pu{1,00 kg/L} \times \pu{2,0 L} = \pu{1,6 kg}$

espèces chimiques  corps purs  mélange  solubilité  masse volumique  densité