Identification des Espèces Chimiques

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Une chromatographie sur couche mince : chaque espèce migre à sa propre hauteur, ce qui permet de l'identifier.

Le monde qui nous entoure est constitué d'un très grand nombre d'espèces chimiques : l'eau, le sel, le sucre, le dioxygène de l'air, les colorants d'un sirop… Reconnaître une espèce chimique, c'est répondre à la question : de quelle espèce s'agit-il ? Pour cela, le chimiste dispose de plusieurs outils : la mesure de grandeurs physiques caractéristiques (température de changement d'état, masse volumique, solubilité), des tests chimiques spécifiques et des techniques de séparation comme la chromatographie. Ce chapitre présente ces méthodes d'identification.

1.1 Espèces Chimiques, Corps Purs et Mélanges

Avant d'identifier une espèce, rappelons ce que l'on cherche à reconnaître.

Définition 1.1Espèce chimique

Une espèce chimique est un ensemble d'entités identiques (atomes, molécules ou ions). On la désigne par un nom et, le plus souvent, par une formule chimique. Exemples : l'eau $H X_{2} O$ , le dioxygène $O X_{2}$ , le chlorure de sodium (sel) formé des ions $Na X^{+}$ et $Cl X^{-}$ .

Définition 1.2Corps pur et mélange

Un corps pur ne contient qu'une seule espèce chimique (eau distillée $H X_{2} O$ , fer $Fe$ , dioxygène $O X_{2}$ ).
Un mélange contient plusieurs espèces chimiques. Il est homogène lorsqu'on n'en distingue pas les constituants à l'œil nu (eau salée, air), et hétérogène dans le cas contraire (eau et huile, jus d'orange avec pulpe).

iRemarqueIdentifier suppose souvent de purifier d'abord

Les grandeurs physiques caractéristiques (température de fusion, masse volumique…) ne sont fiables que pour un corps pur. Avant d'identifier une espèce présente dans un mélange, il faut souvent l'en extraire ou la séparer (décantation, filtration, distillation, chromatographie). La présence d'impuretés modifie les valeurs mesurées.

1.2 Grandeurs Physiques Caractéristiques

Certaines grandeurs physiques prennent, pour un corps pur donné et sous une pression fixée, une valeur bien définie. On les appelle grandeurs caractéristiques : en comparant la valeur mesurée à des valeurs de référence tabulées, on peut identifier l'espèce.

1.2.1 Températures de changement d'état

Définition 1.3Température de fusion et température d'ébullition

Sous une pression donnée (généralement la pression atmosphérique) :

la température de fusion $θ_{fus}$ est la température à laquelle un corps pur passe de l'état solide à l'état liquide ;
la température d'ébullition $θ_{eb}$ est la température à laquelle un corps pur passe de l'état liquide à l'état gazeux.

Pour un corps pur, ces températures restent constantes pendant tout le changement d'état : c'est un palier de température.

Exemple 1.4Repères pour l'eau

Sous la pression atmosphérique normale, l'eau pure fond à $θ_{fus} = 0° C$ et bout à $θ_{eb} = 100° C$ . Une eau qui gèlerait à $- 3° C$ ne serait donc pas de l'eau pure (eau salée, par exemple).

iRemarqueLe palier signe la pureté

Lors de la fusion ou de l'ébullition d'un corps pur, la température reste constante (palier horizontal). Au contraire, un mélange n'a pas de température de changement d'état franche : la température varie continûment. L'existence d'un palier net est donc un indice de pureté.

Courbes de chauffe : pour un corps pur, la température reste bloquée à $θ_{fus}$ pendant toute la fusion ; pour un mélange, elle monte continûment.

1.2.2 Masse volumique et densité

ImportantMasse volumique

La masse volumique $ρ$ d'une espèce est le quotient de la masse $m$ d'un échantillon par le volume $V$ qu'il occupe :

$ρ = \frac{m}{V} .$

Dans le Système international, $m$ est en kilogrammes ( $kg$ ) et $V$ en mètres cubes ( $m^{3}$ ), donc $ρ$ en $kg / m^{3}$ . En pratique, on l'exprime souvent en $g / mL$ (ou $g / c m^{3}$ ) pour les liquides et les solides.

ImportantDensité

La densité $d$ d'un corps est le rapport de sa masse volumique $ρ$ à celle d'un corps de référence $ρ_{ref}$ :

$d = \frac{ρ}{ρ _{ref}} .$

Pour un liquide ou un solide, la référence est l'eau : $ρ_{eau} = 1, 0 g / mL = 1000 kg / m^{3}$ .
La densité est un nombre sans unité, car c'est un rapport de deux grandeurs de même nature.

Ainsi, pour un liquide, $d$ et $ρ$ (exprimée en $g / mL$ ) ont pratiquement la même valeur numérique.

Méthode : Déterminer une masse volumique et une densité

Pour mesurer la masse volumique d'un liquide et en déduire sa densité :

Prélever un volume $V$ connu du liquide à l'aide d'une éprouvette graduée (ou d'une pipette jaugée).
Peser ce volume : on mesure la masse $m$ . On pense à retrancher la masse du récipient vide (tare).
Calculer la masse volumique : $ρ = \frac{m}{V}$ , en veillant à la cohérence des unités.
En déduire la densité par $d = \frac{ρ}{ρ _{eau}}$ avec $ρ_{eau} = 1, 0 g / mL$ .
Comparer la valeur obtenue aux données du tableau de référence pour identifier l'espèce.

Exemple 1.5Identification d'un liquide par sa densité

On prélève $V = 20, 0 mL$ d'un liquide incolore et on mesure une masse $m = 15, 8 g$ . Alors :

$ρ = \frac{m}{V} = \frac{15 , 8}{20 , 0} = 0, 79 g / mL, d = \frac{0 , 79}{1 , 0} = 0, 79.$

Cette valeur correspond à celle de l'éthanol (voir table) : le liquide est vraisemblablement de l'éthanol.

iRemarqueDensité : ne pas confondre plus léger et plus petit

Un corps de densité $d < 1$ (comme l'huile ou l'éthanol) est moins dense que l'eau : versé dans l'eau et non miscible, il surnage. Un corps de densité $d > 1$ (comme le tétrachlorométhane) coule au fond. Cela ne dépend pas de la quantité de matière : la densité est une grandeur intensive, indépendante du volume de l'échantillon.

Exercices du chapitre

Le palier qui trahit un mélange corrigé
Une solution bleue à deux ions corrigé
Cinquante millilitres pesés sur la balance corrigé
Trois tubes sans étiquette corrigé
Deux grandeurs pour lever le doute corrigé
Quatre béchers et deux réactifs corrigé

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