1DF 1.1 Vocabulaire à apprendre à maîtriser dans ce chapitre La matière et ses états matière solide plasma masse liquide état de la matière gaz ; gazeux Les mélanges et leurs méthodes de séparation mélange homogène corps pur masse volumique particules filtre centrifugeuse non miscible soluble évaporation cristal/cristaux hétérogène alliage propriété (physique) tamisage densité triage magnétique aimant dissolution filtration filtrat centrifugation décantation miscible entonnoir à robinet ou à décantation solvant solution résidu précipitation cristallisation distillation (fractionnée) Les corps purs transformation solidification sublimation point d’ébullition thermolyse/pyrolyse atome corps pur simple changement d’état liquéfaction condensation point de fusion électrolyse symbole corps pur composé fusion vaporisation ébullition molécule élément chimique tableau périodique formule brute 1.2 Compétences à acquérir au cours de ce chapitre A la fin de ce chapitre vous devrez être capable de • Distinguer, l’un de l’autre, deux types de mélanges. • Distinguer un mélange, d’un corps pur, d’un élément. • D’associer chaque type de mélange avec ses méthodes de séparation. • Décrire le principe de chaque méthode séparation. • D’appliquer une méthode ou une succession de méthodes de séparation pour isoler le ou les corps purs composant(s) un mélange. • Reconnaître et d’interpréter le graphique d’une distillation. • Définir ce qu’est un corps pur. 1DF • Citer les différents noms des changements d’état physique des corps purs. • D’associer les noms des changements d’états des corps purs, aux états physiques correspondants. • D’associer les changements d’état physique des corps purs, aux représentations graphiques correspondantes. • Citer et décrire les différentes méthodes de décomposition des corps purs. • Restituer la schématisation de la décomposition de l’eau par électrolyse (démonstration). • Différencier et définir les termes : évaporation, ébullition et vaporisation. • Trouver, utiliser et changer les unités des constantes physico-chimiques des corps purs, associées aux méthodes de séparation ou aux changements d’états, dans la table CRM. • Différencier et définir les termes : corps purs, molécule et éléments. • Lire/décoder la formule brute d’une molécule. • Identifier les corps purs simples et les corps purs composés d’après leur formule brute. • Représenter de façon simpliste (élément = disque) les molécules à partir de leur formule brute. 1.3 La matière La matière est tout ce qui occupe un espace. L’eau, la poussière de même que les plantes, les animaux, les planètes du système solaire sont faits de matière. Toute matière à une masse, c’est en quelque sorte la quantité de matière (atomes et molécules) qui la constitue. 1.4 Les états de la matière La matière peut prendre des formes très variées, mais elle se présente sous 4 états principaux : Sur la Terre : Solide (S) – Liquide (L) – Gaz (G) Au cœur des étoiles: Plasma= fluide gazeux d’une température de 10'000'000°C. Remarque : dans l’Univers, la plus grande partie de la matière se trouve à l’état de plasma. 1.5 Les mélanges La matière brute, telle que nous la trouvons dans la nature, se présente souvent sous forme de mélanges de diverses substances Un mélange est formé de plusieurs constituants qui peuvent être solides, liquides ou gazeux et qui conservent leurs propriétés. L'observation des mélanges, à l’œil ou l'aide d'un microscope, permet de les classer en deux catégories : La matière dans tous ces états 2 1DF A) Mélanges hétérogènes : au sein desquels, on peut distinguer, à l’œil ou à l'aide d'un microscope, des parties ayant des aspects différents. Exemples : sable, bois, béton, plante, eau naturelle non filtrée, sauce à salade, etc.. B) Mélanges homogènes : qui ont le même aspect (mêmes propriétés) en tous leurs points et au sein desquels, il est impossible de discerner plusieurs constituants. Exemples : eau salée ou sucrée (solutions), air, acier (alliages), vin, etc.. 1.6 Les méthodes de séparation des constituants d’un mélange La première étape de l’analyse de la matière consiste à séparer les mélanges pour obtenir des corps purs, c’est-à-dire à « trier » les constituants du mélange selon leurs propriétés physiques (aspect, taille, densité, température d’ébullition …) sans changer la nature chimique de la substance. Le choix de la méthode de séparation va dépendre de la nature hétérogène ou homogène du mélange. Nous décrivons ici quelques méthodes de séparation utilisées fréquemment au laboratoire (voir expériences). 1.6.1 Séparation des mélanges hétérogènes 1.6.1.1 Mélange Solide-Solide Le tamisage Le tamisage permet de séparer des solides dont les particules sont de dimensions différentes. Si les particules des divers constituants sont de densités différentes, elles peuvent être séparées soit par un courant d’air (ventilation), soit par un courant d’eau (lévigation ou flottation). Le triage magnétique Si l’un des solides contient du fer, on pourra le séparer à l’aide d’un aimant. La dissolution : Enfin, si l’un des constituants est soluble dans l’eau ou un autre liquide, on effectuera la séparation par dissolution du constituant soluble dans le liquide (solvant) approprié. La matière dans tous ces états Ajouter de l’eau au solide Agiter Le solide est dissout, on a une jouter de l’eau solide 3 1DF 1.6.1.2 Mélange Liquide-Solide La filtration La filtration permet de séparer facilement le liquide et les particules solides. Le mélange est versé sur un filtre (papier ou une autre matière) qui laisse passer le liquide (filtrat) et retient les particules solides. La filtration sous vide permet de séparer les solides des liquides plus rapidement et efficacement que la filtration classique. Filtration sous vide (Büchner) Une pompe à vide aspire l’air présent dans l’erlenmeyer induisant une différence de pression entre l’extérieur et l’intérieur de l’erlenmeyer. Ceci permet d’aspirer le mélange au travers du papier Papier filtre Entonnoir Büchner Joint conique pour l’étanchéité Erlenmeyer à vide POMPE A VIDE filtre posé au fond du Büchner et ainsi séparer le solide du liquide.Le solide (résidu de filtration) qui reste sur le papier filtre se retrouve plus sec et peut être facilement récupéré. La décantation Dans la majorité des cas, si on laisse reposer un mélange solide-liquide, la séparation se fait spontanément car les particules solides se déposent au fond du récipient. Une fois les particules solides déposées, on peut prélever le liquide, qui surmonte le dépôt solide. On dit alors que l’on décante. La centrifugation Lorsque la décantation ou la filtration sont difficiles à réaliser, la technique la plus simple pour séparer un mélange solideliquide est la centrifugation. Les centrifugeuses sont des appareils comprenant un moteur permettant de soumettre à un mouvement de rotation rapide, autour d'un axe, des tubes à centrifuger contenant le mélange à séparer. Le dépôt de la phase solide est considérablement accéléré sous l'action de la force centrifuge (100 à 1000 fois plus grande que celle due à la pesanteur). La matière dans tous ces états 4 1DF 1.6.1.3 Mélange de plusieurs liquides non miscibles Des liquides non-miscibles sont des liquides qui ne se mélangent pas, comme l’eau et l’huile. Si on laisse au repos, dans un entonnoir à robinet (voir image ci-contre) un mélange de plusieurs liquides nonmiscibles, on obtient généralement une séparation de ces liquides. Ceux-ci se répartissent dans le récipient en couches superposées, en fonction de leur masse volumique. Le liquide ayant la masse volumique la plus grande se trouve toujours dans la couche la plus basse. On peut alors facilement séparer les diverses couches à l’aide du robinet 1.6.2 Séparation des mélanges homogènes La séparation des mélanges homogènes s’effectue par des méthodes spécifiques nécessitant souvent de l’énergie sous forme de chaleur. 1.6.2.1 Les solutions Une solution est un ou plusieurs solide(s), gaz ou liquide(s) qui est(sont) dissout(s) dans un liquide. L’évaporation L’évaporation est utilisée lorsque la solution est composée d’un solide dissout dans un liquide. Si le liquide de la solution est volatil, l’eau, l’alcool par exemple, on élimine le liquide en chauffant la solution. On peut ainsi recueillir le corps solide, résidu de l’évaporation totale du liquide. Dans cette opération, le liquide de la solution est perdu. On peut aussi effectuer une évaporation partielle du liquide. Lors de cette opération, on arrête l’évaporation du liquide lorsque le solide ne peut plus rester dissout dans le liquide (on parle de solution saturée). Le solide se séparera du liquide de lui-même sous forme d’une poudre, c’est la précipitation ou sous forme de cristaux: c’est la cristallisation. La matière dans tous ces états 5 1DF La chromatographie La chromatographie est utilisée pour séparer une solution composée d’au moins deux composés solides ou liquides, dissout dans un liquide. Il existe plusieurs types de chromatographie, mais dans tous les cas le principe est le même : La solution est déposée sur un support solide (papier, gélatine, silice (SiO2), polymère, silice greffée), puis le liquide qui sert à la dissolution est évaporé. Le mélange de solides ou liquides restant après l’évaporation est ensuite entraîné par un courant de liquide (sur le dessin appelé solvant), n’appartenant pas à la solution initiale, le long du support solide. Chaque composé du mélange se déplace à une vitesse qui dépendant de ses propriétés physiques, de celles du support solide et de celles du liquidez ‘’entraîneur’’. Les différents corps purs du mélange ne déplaçant à des vitesses différentes, ils peuvent être ainsi séparés puis récupérés. 1.6.2.2 Mélange homogène de plusieurs liquides La distillation thermomètre La distillation est basée sur le fait que les différents liquides n'ont pas la même température d'ébullition. On chauffe le mélange dans un ballon. La substance la plus volatile s'échappe et est récupérée dans le condenseur (réfrigérant) qui refroidit la vapeur et la liquéfie (distillat). réfrigérant Eau froide distillat Si les liquides ont des températures d’ébullition suffisamment différentes, on peut, en recueillant les fractions successives de la distillation, séparer les divers liquides (distillation fractionnée). La matière dans tous ces états 6 1DF Lorsque les constituants d'un mélange obtenus après utilisation des méthodes de séparation, sont formés d’une seule substance, ils s’appellent des corps purs. Résumé : Mélange Corps purs En fonction de la nature homogène ou hétérogène des mélanges, diverses méthodes de séparation pourront être utilisées. Après séparation, les composés obtenus sont sous forme de corps purs, c’est-à-dire constitués d’une seule substance. 1.7 Les corps purs Un corps pur est une substance qui résiste à tous les essais de séparation par des méthodes physiques. En pratique, il est souvent difficile de dire à première, vue si un échantillon de matière est un mélange ou un corps pur. C'est l'observation minutieuse des propriétés physiques de la substance qui permettra de conclure. Contrairement aux mélanges, les corps purs sont caractérisés par des propriétés physiques qui constituent sa carte d'identité. Les principales propriétés physiques utilisées sont - la masse volumique (kg/m3 ou g/cm3), - la température de fusion, - la température d’ébullition. Important : Ces données se trouvent dans votre table CRMPC. 1.7.1 Les changements d’état des corps purs On appelle changement d’état (ou transition de phase), la transformation au cours de laquelle, la pression étant maintenue constante, la matière passe de l’un des 3 états physiques à un autre. Il y a 6 changements d’états possibles pour un corps pur, que l’on peut résumer par le schéma suivant : Sublimation inverse Vaporisation La matière dans tous ces états 7 1DF Pendant toute la durée d’un changement d’état, les deux états physiques impliqués coexistent. Lors d’un changement d’état d’un corps pur, la température reste constante tant que les deux états physiques impliqués coexistent. Evaporation, ébullition ou vaporisation ? Le passage d’un corps pur de l’état liquide à l’état gazeux, à n’importe quelle température, est appelé vaporisation. L’expérience montre que quelques gouttes d’alcool étalées sur une plaque de verre, disparaissent peu à peu. On dit que l’alcool s’est évaporé. Celui s’est transformé en vapeur, à température ambiante. De même, l’eau qui recouvre la chaussée après la pluie, disparaît peu à peu, dans l’air, sous forme de vapeur d’eau. • Dans un système ouvert, comme dans le cas de la pluie, l’évaporation du liquide peut être totale. • Dans un système fermé (et étanche), comme un verre d’eau avec un couvercle, l’évaporation du liquide a lieu mais seulement jusqu’à un certain point. Dans ce cas, il restera toujours du liquide et la quantité de liquide qui s’évapora dépendra de la température. L’évaporation a lieu à la surface du liquide, à une température inférieure à la température d’ébullition. Le point ou la température d’ébullition est a) La température maximale qu’un liquide peut atteindre, pour une pression donnée, car ensuite le liquide change forcément d’état pour devenir gazeux. On parle alors d’ébullition s’il s’agit d’un corps pur. b) La température minimale qu’un gaz peut atteindre, pour une pression donnée, car ensuite le gaz change forcément d’état pour devenir liquide. On parle alors de liquéfaction s’il s’agit d’un corps pur. Ebullition = Vaporisation à la température d'ébullition Vaporisation Evaporation = Vaporisation à une température plus basse que la température d'ébullition Le point ou la température de fusion est a) La température maximale qu’un solide peut atteindre, pour une pression donnée, car ensuite le solide change forcément d’état pour devenir liquide. On parle alors de fusion s’il s’agit d’un corps pur. La matière dans tous ces états 8 1DF b) La température minimale qu’un liquide peut atteindre, pour une pression donnée, car ensuite le liquide change forcément d’état pour devenir solide. On parle alors de solidification s’il s’agit d’un corps pur. 1.7.2 Décomposition d’un corps pur Un corps pur est formé d’une énorme quantité de constituants identiques que l’on appelle molécules. La molécule est la plus petite fraction d'un corps pur, qui puisse exister à l'état libre, tout en conservant les propriétés du corps pur. On connaît actuellement plusieurs millions de corps purs, et donc de molécules, différents et chaque jour de nouveaux corps sont fabriqués. Molécule La majorité des corps purs peuvent encore être décomposés par des procédés chimiques tels que : La thermolyse ou pyrolyse : décomposition d’une substance par la chaleur. Elément chimique L'électrolyse: décomposition d’une substance par le courant électrique. Les molécules sont elles-mêmes formées d’éléments. La thermolyse ou l’électrolyse sépare les éléments d’un corps pur pour les recombiner de manière différente. Remarque : L’application d’une méthode de séparation sur un mélange ne modifie pas les propriétés des corps purs qui composent le mélange, alors que la décomposition d’un corps pur détruit ce corps pur pour former de nouveaux corps purs qui n’existaient pas avant la décomposition. L'électrolyse de l'eau a) Complétez le dessin du montage de l’expérience. La matière dans tous ces états 9 1DF b) Représentez à l’aide du modèle moléculaire (en dessinant les atomes et les molécules) la décomposition de l’eau par électrolyse. + electrolyse 1.7.3 Les éléments Les éléments sont les constituants des molécules. Les éléments sont regroupés dans le tableau périodique des éléments. Actuellement, il existe plus de 109 éléments différents, dont 92 sont des éléments naturels (présents dans la nature). Chaque élément est représenté par un symbole. Le symbole est constitué soit d’une seule lettre qui est une majuscule soit de deux lettres, une majuscule suivie d’une minuscule. Ce formalisme doit être strictement respecté sous peine de mélanger les éléments entre eux. Exemple : Co = cobalt, alors que CO = carbone + oxygène 1.7.4 Lecture et décodage de la formule brute d’une molécule La formule brute d’une molécule contient - le symbole de chacune des sortes d’éléments qui la compose. - des indices numériques qui suivent chaque symbole. Exemples : N2 ; Al2O3 Lorsqu’un symbole n’est suivi d’aucun indice numérique, ce dernier vaut par défaut 1. Exemple : Na2CO3 ⇒ Na2C1O3 Rappel : Un symbole est formé ou commence par une lettre majuscule. On change donc de symbole chaque fois qu’apparaît une lettre majuscule dans la formule brute. L’indice numérique indique le nombre de fois qu’apparaît l’élément dont le symbole précède l’indice, dans la molécule. Exemple : Na2CO3 ⇒ Na2 : la molécule contient 2 éléments sodium C= C1 : la molécule contient 1 élément carbone O3 : la molécule contient 3 éléments oxygène 1.7.5 Corps purs simples et corps purs composés • Un corps purs simple est composé de molécules qui ne contiennent qu'une seule sorte d’élément. • Un corps pur composé est composé de molécules qui contiennent plusieurs sortes d’éléments. La décomposition d’un corps pur composé conduit à la formation de plusieurs corps purs simples. La matière dans tous ces états 10 1DF Exemples Molécules de corps purs simples Molécule Formule brute le gaz hydrogène : le gaz oxygène : O O O O l’ozone : O Molécules de corps purs composés l’eau : O H le gaz carbonique : O C H O O l’alcool : On peut résumer toutes ces notions par le schéma suivant : Mélanges Méthodes de séparation physique Corps purs simples Corps purs composés Electrolyse ou pyrolyse Tableau périodique La matière dans tous ces états Eléments 11
