Identification des Espèces Chimiques

Cours complet · chimie (seconde), chapitre 1 · seconde générale, physique-chimie

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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.

1.2.3 Solubilité

Définition 1.6Solubilité

La solubilité $s$ d'une espèce chimique (le soluté) dans un solvant donné, à une température donnée, est la masse maximale de cette espèce que l'on peut dissoudre dans un litre (ou parfois $100 g$ ) de solvant. On l'exprime par exemple en $g / L$ . Au-delà de cette valeur, la solution est dite saturée et le soluté supplémentaire ne se dissout plus.

iRemarqueLa solubilité dépend du solvant et de la température

Une même espèce n'a pas la même solubilité selon le solvant : le diiode, peu soluble dans l'eau, l'est beaucoup dans le cyclohexane. De plus, la solubilité varie en général avec la température (souvent elle augmente quand la température monte). Une donnée de solubilité doit donc toujours préciser le solvant et la température.

1.2.4 Table de valeurs de référence

Le tableau ci-dessous rassemble, sous la pression atmosphérique normale et à $25° C$ pour la densité, quelques valeurs caractéristiques utiles à l'identification.

Espèce	$θ_{fus}$ ( $^{\circ} C$ )	$θ_{eb}$ ( $^{\circ} C$ )	Densité $d$
Eau ( $H X_{2} O$ )	$0$	$100$	$1, 00$
Éthanol	$- 114$	$78$	$0, 79$
Cyclohexane	$7$	$81$	$0, 78$
Acétone	$- 95$	$56$	$0, 79$
Huile d'olive (mélange)	---	non définie	$0, 91$
Tétrachlorométhane	$- 23$	$77$	$1, 59$
Fer ( $Fe$ )	$1535$	$2750$	$7, 9$
Chlorure de sodium ( $NaCl$ )	$801$	$1413$	$2, 2$

Quelques grandeurs physiques caractéristiques (valeurs approchées, sous pression atmosphérique normale).
L'huile d'olive est un mélange de triglycérides : elle n'a pas de température d'ébullition définie (elle se décompose bien avant, vers $210° C$ ). Seule sa densité est indiquée.

Méthode : Identifier une espèce à partir de plusieurs grandeurs

Une seule grandeur peut ne pas suffire (l'éthanol, le cyclohexane et l'acétone ont des densités voisines). Pour lever l'ambiguïté :

Mesurer plusieurs grandeurs caractéristiques indépendantes (par exemple densité et température d'ébullition).
Comparer chaque valeur mesurée aux valeurs de référence, en tenant compte de l'incertitude des mesures.
Retenir l'espèce dont toutes les grandeurs coïncident avec les mesures. Si plusieurs espèces restent possibles, compléter par un test caractéristique.

1.3 Tests Caractéristiques

Lorsqu'une espèce est difficile à identifier par une simple mesure physique, on réalise un test caractéristique : une transformation chimique qui produit un résultat facilement observable (changement de couleur, apparition d'un solide, dégagement gazeux) propre à l'espèce recherchée.

1.3.1 Test de reconnaissance de l'eau

Méthode : Reconnaître la présence d'eau

Pour détecter la présence d'eau dans un liquide ou un solide, on utilise du sulfate de cuivre anhydre, poudre blanche :

On dépose un peu de sulfate de cuivre anhydre au contact du produit à tester.
En présence d'eau, la poudre blanche bleuit : elle se transforme en sulfate de cuivre hydraté.

Ce test détecte l'eau, mais ne dit pas si le liquide est de l'eau pure.

iRemarqueLe test de l'eau ne prouve pas la pureté

Le bleuissement du sulfate de cuivre anhydre indique seulement qu'il y a de l'eau. De nombreux liquides (jus de fruits, lait, soda) contiennent de l'eau et feraient bleuir la poudre. Pour affirmer qu'un liquide est de l'eau pure, il faut vérifier en plus ses grandeurs caractéristiques (par exemple $θ_{eb} = 100° C$ , densité $1, 0$ ).

1.3.2 Tests d'identification des ions

De nombreux ions en solution aqueuse se reconnaissent en formant un précipité (solide insoluble) de couleur caractéristique, obtenu en ajoutant un réactif adapté.

Méthode : Test de l'ion chlorure $Cl X^{-}$

On ajoute quelques gouttes de solution de nitrate d'argent $AgNO X_{3}$ à la solution à tester.

En présence d'ions chlorure, il se forme un précipité blanc qui noircit à la lumière :

$Ag X^{+} + Cl X^{-} AgCl ↓ (pr e ˊ cipit e ˊ blanc) .$

Méthode : Test de l'ion cuivre $Cu X^{2 +}$ et de l'ion fer

On ajoute quelques gouttes de solution de soude (hydroxyde de sodium, apportant l'ion $HO X^{-}$ ) :

ion cuivre $Cu X^{2 +}$ : précipité bleu d'hydroxyde de cuivre,

$Cu X^{2 +} + 2 HO X^{-} Cu (OH) X_{2} ↓;$

ion fer(II) $Fe X^{2 +}$ : précipité vert,

$Fe X^{2 +} + 2 HO X^{-} Fe (OH) X_{2} ↓;$

ion fer(III) $Fe X^{3 +}$ : précipité rouille (orangé),

$Fe X^{3 +} + 3 HO X^{-} Fe (OH) X_{3} ↓ .$

Le tableau suivant récapitule les principaux tests d'ions au programme.

Ion recherché	Réactif ajouté	Observation
Ion chlorure $Cl X^{-}$	nitrate d'argent $AgNO X_{3}$	précipité blanc ( $AgCl$ ) noircissant
Ion cuivre $Cu X^{2 +}$	soude ( $HO X^{-}$ )	précipité bleu
Ion fer(II) $Fe X^{2 +}$	soude ( $HO X^{-}$ )	précipité vert
Ion fer(III) $Fe X^{3 +}$	soude ( $HO X^{-}$ )	précipité rouille (orangé)

Tests caractéristiques de quelques ions en solution aqueuse.

iRemarqueLe précipité, un solide qui se sépare

Un précipité est un solide qui apparaît au sein d'une solution : on le note en chimie par une flèche vers le bas, comme dans $AgCl ↓$ . Il faut ajouter le réactif en petite quantité et bien observer la couleur : c'est elle qui identifie l'ion. Un excès de réactif peut parfois masquer le résultat.

1.3.3 Tests d'identification des gaz

Méthode : Tests des principaux gaz

Dioxygène $O X_{2}$ : on approche une bûchette incandescente (rougeoyante, sans flamme) du gaz. En présence de dioxygène, elle se rallume vivement.
Dioxyde de carbone $CO X_{2}$ : on fait barboter le gaz dans de l'eau de chaux limpide. En présence de dioxyde de carbone, l'eau de chaux se trouble (elle blanchit).
Dihydrogène $H X_{2}$ : on approche une flamme. Le dihydrogène produit une petite détonation (un « aboiement »).

Gaz	Test	Observation
Dioxygène $O X_{2}$	bûchette incandescente	la bûchette se rallume
Dioxyde de carbone $CO X_{2}$	eau de chaux	l'eau de chaux se trouble
Dihydrogène $H X_{2}$	flamme approchée	détonation (« aboiement »)

Tests caractéristiques des principaux gaz étudiés en Seconde.

iRemarqueNe pas confondre les tests du dioxygène et du dihydrogène

Pour le dioxygène, on utilise une bûchette incandescente (qui rougeoie, sans flamme), qui se ravive. Pour le dihydrogène, on approche une véritable flamme, qui provoque une détonation. Inverser les deux protocoles conduit à une identification erronée.

1.4 La Chromatographie sur Couche Mince (CCM)

La chromatographie permet de séparer les espèces d'un mélange et de les identifier par comparaison avec des espèces de référence. C'est une technique de choix pour analyser les colorants d'un sirop ou les principes actifs d'un médicament.

1.4.1 Principe

Définition 1.7Chromatographie sur couche mince

Une CCM met en jeu deux phases :

une phase fixe : une fine couche de silice déposée sur une plaque, sur laquelle on dépose les échantillons ;
une phase mobile, l'éluant : un solvant qui monte par capillarité le long de la plaque et entraîne les espèces plus ou moins loin.

Chaque espèce migre à sa propre vitesse selon son affinité pour chacune des deux phases : les espèces sont ainsi séparées.

Méthode : Réaliser une chromatographie sur couche mince

Tracer au crayon une ligne de dépôt horizontale à environ $1 cm$ du bas de la plaque.
Déposer sur cette ligne, à l'aide d'une pique, une petite tache de chaque échantillon (mélange à analyser et espèces de référence).
Placer la plaque, dépôts vers le bas, dans une cuve contenant un fond d'éluant, sans immerger la ligne de dépôt. Fermer la cuve.
Laisser l'éluant migrer ; le retirer avant qu'il n'atteigne le haut, et repérer aussitôt au crayon le front du solvant.
Sécher, puis révéler le chromatogramme si les taches sont incolores (lampe UV, vapeurs de diiode…).

1.4.2 Schéma d'une plaque de CCM

1.4.3 Rapport frontal et interprétation

ImportantRapport frontal

Le rapport frontal $R_{f}$ d'une espèce caractérise sa migration. C'est le quotient de la hauteur $h$ parcourue par la tache de l'espèce par la hauteur $H$ parcourue par le front du solvant, les deux étant mesurées depuis la ligne de dépôt :

$R_{f} = \frac{h}{H} .$

C'est un nombre sans unité, toujours compris entre $0$ et $1$ (car $0 \leq h \leq H$ ). Dans des conditions identiques (même phase fixe, même éluant), une espèce donnée a toujours le même $R_{f}$ .

Méthode : Interpréter un chromatogramme

Pour identifier les espèces d'un mélange par CCM :

Compter les taches de la colonne du mélange : leur nombre donne le nombre minimal d'espèces présentes.
Comparer les hauteurs des taches du mélange à celles des références déposées sur la même plaque.
Deux taches situées à la même hauteur (même $R_{f}$ ) peuvent être attribuées à la même espèce chimique ; des $R_{f}$ différents prouvent en revanche à coup sûr qu'il s'agit d'espèces différentes.
Conclure : une espèce du mélange est identifiée si elle migre à la même hauteur qu'une référence connue.
Au besoin, calculer les $R_{f}$ pour comparer objectivement les migrations.

Exemple 1.8Calcul d'un rapport frontal

Sur un chromatogramme, une tache a migré de $h = 3, 6 cm$ tandis que le front du solvant a atteint $H = 6, 0 cm$ . Alors :

$R_{f} = \frac{h}{H} = \frac{3 , 6}{6 , 0} = 0, 60.$

Si une espèce de référence, sur la même plaque, présente elle aussi $R_{f} = 0, 60$ , la tache du mélange peut être attribuée à cette espèce. Si son $R_{f}$ avait été différent, on aurait pu affirmer à coup sûr qu'il s'agissait de deux espèces différentes.

iRemarqueComparer des

R_{f}

n'a de sens qu'à conditions identiques

La valeur du $R_{f}$ dépend de la phase fixe et de l'éluant utilisés. On ne peut comparer les $R_{f}$ d'une espèce et d'une référence que s'ils ont été obtenus sur la même plaque, dans les mêmes conditions. C'est pourquoi le mélange et ses références sont toujours déposés côte à côte sur une seule plaque.

1.5 Espèces Naturelles et Synthétiques

Une même espèce chimique peut avoir deux origines différentes.

Définition 1.9Espèce naturelle et espèce synthétique

Une espèce naturelle est présente dans la nature et en est extraite (la vanilline extraite de la gousse de vanille, le menthol extrait de la menthe).
Une espèce synthétique est fabriquée par l'être humain au laboratoire ou dans l'industrie, au cours d'une synthèse chimique qui transforme des réactifs en produits.

◆Théorème 1.10Une espèce synthétique peut être identique à l'espèce naturelle

Lorsqu'une espèce synthétique possède exactement la même formule et la même structure que l'espèce naturelle correspondante, les deux espèces sont rigoureusement identiques : elles ont les mêmes propriétés physiques (température de fusion, densité…) et chimiques, et sont donc indiscernables. Par exemple, la vanilline synthétique est identique à la vanilline naturelle.

iRemarque« Naturel » ne signifie pas « sans danger » ni « différent »

Une espèce synthétique identique à l'espèce naturelle a exactement les mêmes propriétés : aucun test, aucune mesure ni aucune chromatographie ne permet de les distinguer. De plus, « naturel » ne veut pas dire « inoffensif » : de nombreuses espèces naturelles sont toxiques. C'est la nature de l'espèce chimique, et non son origine, qui détermine ses propriétés.

Exemple 1.11Intérêt de la synthèse

On synthétise des espèces chimiques pour plusieurs raisons : reproduire une espèce naturelle rare ou coûteuse (la vanilline), produire en grande quantité un médicament, ou créer des espèces qui n'existent pas dans la nature (certains colorants ou matières plastiques). La CCM permet alors de vérifier qu'une espèce synthétisée est bien identique à la référence naturelle.

Méthode : Le chauffage à reflux

Pour synthétiser une espèce au laboratoire, on chauffe souvent le mélange réactionnel afin d'accélérer la transformation. Le montage à reflux permet de chauffer sans perdre de matière : les vapeurs montent, se condensent dans le réfrigérant (parcouru par une circulation d'eau froide) et retombent dans le ballon.

On vérifie ensuite, par chromatographie sur couche mince, que l'espèce synthétisée est identique à l'espèce de référence.

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