Les échelles de description de la matière
Entité chimique
Objet pouvant être dénombré. Les atomes isolés, les ions (entités électriquement chargées) et les molécules (assemblages d'atomes) sont des entités chimiques. Une entité peut être décrite au moyen d'une formule chimique.
À retenir
Il existe trois types d'entités chimiques :
- un atome est la plus petite entité chimique. Il est électriquement neutre. Exemple : l'atome de fer $\ce{Fe}$ ;
- une molécule est un assemblage d'atomes liés entre eux. Elle est électriquement neutre. Exemple : la molécule d'eau $\ce{H2O}$, formée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène ;
- un ion est un atome, ou un groupe d'atomes, qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons : il est électriquement chargé. Exemples : l'ion sodium $\ce{Na+}$, l'ion chlorure $\ce{Cl-}$.
Espèce chimique
Collection d'entités chimiques identiques, à l'échelle macroscopique.
Le nom de l'espèce chimique (échelle macroscopique) sert souvent à désigner l'entité (échelle microscopique), et inversement, la formule de l'entité sert à désigner l'espèce : on parle de « la molécule d'eau de formule $\ce{H2O}$ » comme de « l'eau de formule chimique $\ce{H2O}$ ».
Remarque
On peut préciser l'état physique d'une espèce chimique après sa formule : $\ce{H2O(s)}$ désigne la glace, $\ce{H2O(\ell)}$ l'eau liquide et $\ce{H2O(g)}$ la vapeur d'eau.
Échelle microscopique
Échelle de description rassemblant un nombre restreint d'entités, adaptée notamment à l'étude de la structure et des propriétés des entités chimiques.
Échelle macroscopique
Échelle de description rassemblant un nombre suffisamment élevé d'entités pour que des grandeurs comme la pression, la température ou la masse volumique puissent être définies.
Piège : « microscopique » en SVT et en physique-chimie
En SVT, on appelle microscopique ce qui est invisible à l'œil nu mais visible au microscope optique : une cellule, une bactérie, un globule rouge. Ces objets mesurent quelques micromètres. Un micromètre (1 µm) est un millionième de mètre, soit un millième de millimètre : 1 µm = 0,001 mm.
En physique-chimie, l'échelle microscopique est celle des entités chimiques : atomes, ions et molécules sont plus de mille fois plus petits que les objets microscopiques de la SVT. Un atome mesure environ un dixième de nanomètre, et un nanomètre (1 nm) est un milliardième de mètre, soit un millième de micromètre.
Le mot « microscopique » est donc mal adapté en physique-chimie : en toute rigueur, il faudrait parler d'échelle nanoscopique. On garde pourtant « microscopique », consacré par l'usage.
Les phénomènes décrits à l'échelle macroscopique sont perceptibles par nos sens, ou mesurables avec des instruments (balance, thermomètre, capteur de pression, pH-mètre…). L'échelle microscopique, elle, échappe à nos sens.
Remarque
On peut préciser l'état physique d'une espèce chimique après sa formule : $\ce{H2O(s)}$ désigne la glace, $\ce{H2O(\ell)}$ l'eau liquide et $\ce{H2O(g)}$ la vapeur d'eau.
Pour aller plus loinComment voir des atomes ?
Un microscope optique, qui utilise la lumière, ne peut pas distinguer des détails plus petits qu'environ 0,2 micromètre : c'est mille fois trop gros pour voir un atome. L'image introductive où une loupe rend visible des entités est donc impossible en réalité.
Pour « voir » les atomes, on utilise un faisceau d'électrons, dans un microscope électronique en transmission. Ces appareils de plusieurs mètres de haut coûtent plusieurs millions d'euros.
Quiz
Microscopique ou macroscopique ?
Corps purs et mélanges
Mélange et corps pur
Un mélange est un échantillon de matière constitué de plusieurs espèces chimiques, par opposition à un corps pur, constitué d'une seule espèce chimique.
Exemples
L'eau du robinet est un mélange d'eau et de différentes espèces dissoutes. L'air est un mélange de plusieurs espèces chimiques, dont le diazote et le dioxygène. L'or à 18 carats est un mélange de deux espèces métalliques, l'or et le cuivre.
Remarque
Le corps pur est un modèle : aucun échantillon de matière naturel n'est parfaitement pur.
Mélange homogène ou hétérogène
Un mélange est dit homogène s'il ne présente qu'une seule phase : on n'y voit pas de frontière nette.
Un mélange est dit hétérogène s'il présente plusieurs phases, séparées par des frontières. L'une des phases peut être dispersée dans l'autre.
Exemples
Le vinaigre est un mélange homogène, constitué essentiellement d'eau et d'acide éthanoïque. Le lait semble homogène à l'œil nu, mais il est en réalité hétérogène : au microscope, on voit des gouttelettes de matière grasse dispersées dans une solution aqueuse.
Attention
La frontière entre mélange homogène et hétérogène peut dépendre de l'échelle d'observation : le lait, la mayonnaise ou le sang semblent homogènes à l'œil nu, mais pas au microscope.
Pour aller plus loinLait, vinaigrette, mayonnaise : des émulsions
Une émulsion est une dispersion de fines gouttelettes d'un liquide dans un autre avec lequel il ne se mélange pas. Le lait est une émulsion naturelle de matière grasse dans l'eau.
- La vinaigrette est une émulsion instable : plus on l'agite vigoureusement, plus les gouttelettes d'huile sont fines, et plus elles mettent de temps à remonter. Mais elles finissent toujours par remonter, car l'huile est moins dense que le vinaigre.
- La mayonnaise est stabilisée par le jaune d'œuf, qui contient des molécules capables de s'accrocher à la fois à l'huile et à l'eau. Une pointe de moutarde stabilise de la même façon une vinaigrette.
- Le lait « homogénéisé » vendu en France passe sous très haute pression (de l'ordre de la centaine de fois la pression atmosphérique) à travers de fines buses : ses gouttelettes de graisse deviennent environ trois fois plus petites. Il n'est pas réellement homogène pour autant, mais la crème ne remonte plus à la surface.
Voir le lait au microscope · voir une mayonnaise au microscope.
Question
L'air est-il un corps pur ? S'agit-il d'un mélange homogène ou hétérogène ? Quelle est sa composition approximative ?
RéponseVoir la réponse
L'air est un mélange homogène de plusieurs gaz : on n'y voit aucune frontière. En volume, il contient environ 78 % de diazote et 21 % de dioxygène (on ne demande que de retenir « 80 % et 20 % » en seconde), et environ 1 % d'autres gaz.
Quiz
Corps pur, mélange homogène ou mélange hétérogène ?
Identifier des espèces chimiques
Pour identifier les espèces chimiques présentes dans un échantillon de matière, on dispose de tests chimiques et de mesures physiques.
Les tests chimiques
Un test chimique consiste à ajouter un réactif qui produit un effet visible (changement de couleur, trouble, flamme…) en présence de l'espèce recherchée. Quatre tests sont à connaître :
Eau $\ce{H2O}$
On dépose un peu de sulfate de cuivre anhydre, une poudre blanche, au contact de l'échantillon.
Dioxyde de carbone $\ce{CO2}$
On fait barboter le gaz dans de l'eau de chaux, un liquide limpide et incolore.
Dioxygène $\ce{O2}$
On approche une bûchette incandescente (qui rougeoie sans flamme) du gaz.
Dihydrogène $\ce{H2}$
On approche la flamme d'une allumette de l'ouverture du tube contenant le gaz.
Revoir les tests chimiques en images
Les mesures physiques : deux questions différentes
À retenir
Face à un échantillon inconnu, une mesure physique peut répondre à deux questions bien différentes :
- Corps pur ou mélange ? Un corps pur change d'état à température constante (un palier sur la courbe), un mélange sur un intervalle de températures (pas de palier). Sur une chromatographie, un mélange donne plusieurs taches.
- Quelle espèce chimique ? On compare une valeur mesurée à des valeurs de référence : la température d'un palier, ou une masse volumique, avec les valeurs des tables ; la hauteur d'une tache avec celle d'un témoin pur.
| Mesure | Corps pur ou mélange ? | Quelle espèce ? |
|---|---|---|
| température de changement d'état | palier (corps pur) ou non (mélange) | température du palier, comparée aux tables |
| masse volumique | ne permet pas de conclure seule | valeur mesurée, comparée aux tables |
| chromatographie | une tache (corps pur) ou plusieurs (mélange) | tache à la même hauteur qu'un témoin |
Température de changement d’état
À connaître
Les températures de changement d'état, comme la température de fusion (passage de l'état solide à l'état liquide) et la température d'ébullition (passage de l'état liquide à l'état gazeux), peuvent permettre d'identifier un corps pur, en les comparant aux valeurs des tables.
| Espèce chimique | eau | cyclohexane | ammoniac | aspirine | fer |
|---|---|---|---|---|---|
| température de fusion | 0 °C | 6,5 °C | −78 °C | 135 °C | 1 538 °C |
À retenir
La température de changement d'état d'un corps pur est fixe : elle reste constante pendant tout le changement d'état (palier). Celle d'un mélange est étalée : elle varie pendant le changement d'état. La température de fusion d'un mélange est en général plus basse que celle du corps pur principal.
Animation interactive
Courbe de refroidissement : palier ou pas ?
Attention aux températures d'ébullition
- Elles dépendent beaucoup plus de la pression que les températures de fusion : l'eau bout à 85 °C environ au sommet du mont Blanc, et à plus de 350 °C à 2 000 m de profondeur dans l'océan.
- La température d'ébullition d'un mélange n'est pas toujours plus basse que celle du corps pur : un mélange d'eau et d'éthanol bout à plus basse température que l'eau pure, mais l'eau salée bout à plus haute température.
Le banc Kofler
Le principe
Le banc Kofler sert à mesurer la température de fusion d'un solide, pour l'identifier et vérifier sa pureté. C'est une plaque chauffante dont la température varie d'une extrémité à l'autre, d'environ 50 °C à 250 °C : chaque point de la plaque est à une température différente.
On dépose une traînée de quelques grains du solide sur la plaque, de la zone chaude vers la zone froide.
Les grains fondent là où la plaque est plus chaude que leur température de fusion : une limite nette apparaît entre le liquide et la poudre.
On amène l'index du curseur sur cette limite, et on lit la température de fusion sur l'échelle graduée.
On nettoie ensuite la plaque en poussant le produit vers la zone froide, avec un coton imbibé d'éthanol.
Avant une mesure, on vérifie le réglage du banc avec une substance de température de fusion connue.
Question
La consigne est de ne pas porter de gants quand on utilise le banc Kofler. Pourquoi ?
RéponseVoir la réponse
Les gants de laboratoire (en latex ou en nitrile) fondent au contact d'une plaque très chaude, et collent à la peau : la brûlure serait bien plus grave. Près d'une source de chaleur, on travaille donc sans gants, mais avec des lunettes de protection, et en manipulant avec précaution.
Exercice
Un élève synthétise de l'aspirine, dont la température de fusion tabulée est 135 °C. Au banc Kofler, son produit commence à fondre vers 124 °C et est entièrement liquide vers 130 °C. Que peut-il en conclure ?
RéponseVoir la réponse
Le produit fond sur un intervalle de températures, et plus bas que l'aspirine pure : ce n'est pas un corps pur. Il s'agit probablement d'aspirine contenant des impuretés, qu'il faudra purifier.
La masse volumique
Définition
La masse volumique d'un échantillon de matière est sa masse par unité de volume : on l'obtient en divisant sa masse par son volume.
Masse volumique
$$\rho = \frac{m}{V}$$
Conversions à connaître
1 g/cm³ = 1 g/mL = 1 kg/L = 1 kg/dm³ = 1 t/m³ = 1 000 kg/m³
Car 1 mL = 1 cm³, 1 L = 1 dm³ = 1 000 cm³, et 1 m³ = 1 000 L.
L'eau
1 litre d'eau a une masse de 1 kilogramme : $\rho_\text{eau}$ = 1 kg/L = 1 000 kg/m³ = 1 g/cm³.
L'air
1 litre d'air a une masse d'environ 1,2 gramme : $\rho_\text{air}$ ≈ 1,2 g/L = 1,2 kg/m³, environ 800 fois moins que l'eau.
Remarque
Pour l'air, on peut se contenter de retenir que sa masse volumique est d'environ 1 kg/m³.
Méthode : mesurer une masse volumique
La masse : on tare la balance (on la remet à zéro), puis on y pose l'échantillon. Pour un liquide, on tare avec le récipient vide posé sur la balance, avant de verser le liquide : la balance n'affiche alors que la masse du liquide.
Le volume d'un liquide : on le mesure avec une éprouvette graduée, ou mieux, une fiole jaugée.
Le volume d'un solide de forme compliquée : on le plonge dans une éprouvette graduée contenant de l'eau. Le solide « chasse » un volume d'eau égal au sien : $V_\text{solide} = V_2 - V_1$, différence entre le volume lu après et avant l'immersion. C'est la méthode par déplacement d'eau.
On calcule $\rho = \dfrac{m}{V}$, et on compare aux valeurs des tables.
Animation interactive
Identifier un métal ou un liquide par sa masse volumique
Masses volumiques en g/cm³, à température ambiante (20 °C pour les liquides). Le volume d'une fiole jaugée de 50 mL est connu avec précision : 50,0 mL.
Exercice 1
Un bouchon de liège a une masse de 6 g et un volume de 25 cm³. Calculer sa masse volumique en g/cm³, puis en kg/m³. Pourquoi flotte-t-il sur l'eau ?
RéponseVoir la résolution
$\rho = \dfrac{m}{V} = \dfrac{6}{25} = 0{,}24$ g/cm³, soit 240 kg/m³ (1 g/cm³ = 1 000 kg/m³). Sa masse volumique est inférieure à celle de l'eau (1 g/cm³) : il flotte.
Exercice 2
Une salle de classe mesure 8 m de long, 7 m de large et 3 m de haut. Quelle est la masse de l'air qu'elle contient ? On prendra $\rho_\text{air}$ = 1,2 kg/m³.
RéponseVoir la résolution
Volume : $V$ = 8 × 7 × 3 = 168 m³. De $\rho = \dfrac{m}{V}$, on tire $m = \rho \times V$ = 1,2 × 168 ≈ 200 kg.
La chromatographie
Définition
La chromatographie est une technique qui permet de séparer et d'identifier les constituants d'un mélange homogène.
On dépose une goutte de chaque échantillon sur une ligne de dépôt, tracée au crayon en bas d'une plaque (ou d'un papier). On place la plaque dans une cuve contenant un solvant, l'éluant, qui monte le long de la plaque en entraînant plus ou moins vite chaque espèce chimique.
Attention
Il faut que ligne dépôt soit au-dessus du niveau de solvant dans la cuve, sinon les taches seront immédiatement noyées et l'expérience à recommencer.
À retenir
- Un échantillon qui donne plusieurs taches est un mélange : chaque tache correspond à au moins une espèce chimique.
- Pour identifier les constituants, on dépose aussi des témoins (des espèces pures connues). Si une tache de l'échantillon monte à la même hauteur que celle d'un témoin, elle correspond probablement à la même espèce.
Animation interactive
Quels colorants contient le M&M's vert ?
Les hauteurs des taches sont illustratives : elles dépendent de l'éluant et du support utilisés.
Question
Pourquoi faut-il retirer la plaque de la cuve avant que l'éluant n'atteigne son bord supérieur ?
RéponseVoir la réponse
Une fois l'éluant arrivé en haut, les espèces continuent d'être entraînées et s'accumulent au bord supérieur : toutes les taches finissent au même niveau, et on ne peut plus comparer leurs hauteurs. Il faut aussi marquer le front de l'éluant dès la sortie de la plaque, avant qu'il ne s'évapore.
Pour aller plus loinPourquoi les espèces se séparent-elles ?
Une chromatographie met en jeu deux « phases » : la phase fixe (le papier, ou la fine couche de silice de la plaque) et la phase mobile (l'éluant, qui monte par capillarité, comme l'eau dans un sucre). Chaque espèce chimique est à la fois retenue par la phase fixe et entraînée par l'éluant, avec plus ou moins de force selon sa nature. Une espèce très attirée par la phase fixe monte peu ; une espèce très soluble dans l'éluant monte haut.
Pour un même éluant et un même support, chaque espèce monte toujours à la même fraction de la hauteur atteinte par l'éluant. Cette fraction s'appelle le rapport frontal : $R_\text{f} = \dfrac{\text{hauteur de la tache}}{\text{hauteur du front de l'éluant}}$, toujours compris entre 0 et 1.
Une même hauteur n'est pas une preuve absolue : deux espèces différentes peuvent avoir le même rapport frontal avec un éluant donné. En cas de doute, on recommence avec un autre éluant.
Pour aller plus loinLes différentes techniques de chromatographie
- Sur papier : la plus simple, idéale pour les colorants (encres, colorants alimentaires).
- Sur couche mince (CCM) : une fine couche de silice sur une plaque. Plus rapide et plus précise, elle sert au laboratoire à suivre une synthèse ou à contrôler la pureté d'un produit. Les espèces incolores sont révélées sous lampe UV.
- Sur colonne : la phase fixe remplit un tube vertical, que l'éluant traverse. Elle permet de séparer de plus grandes quantités, pour purifier un produit.
- En phase gazeuse et en phase liquide à haute performance (CPG, HPLC) : des appareils automatisés, très sensibles, utilisés pour les contrôles antidopage, les analyses médicales, la police scientifique ou le contrôle de la qualité des aliments.